УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ВЗРЫВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПЛАЗМЫ Российский патент 1999 года по МПК E21C37/18 E21B7/15 

Изобретение относится в целом к устройству для осуществления взрывных работ с помощью плазмы, которое содержит устройство возбуждения, обеспечивающее подачу импульсного тока высокой амплитуды на зонд, для создания плазмы, обеспечивающей взрывание геологической формации с помощью ударной волны, возникающей в результате генерации плазмы. Более конкретно, изобретение относится к устройству, в котором устройство возбуждения имеет конденсатор для накопления большого количества электрического заряда при высоком напряжении. Катушка индуктивности устройства возбуждения обеспечивает перенос импульса разрядного тока от конденсатора и подает его на электрически согласованный сменяемый взрываемый проводник, связанный с зондом. Взрываемый проводник размещен в отверстии, выполненном в геологической формации или в другом твердом материале.

Известны системы с взрывающейся проволокой и с искровым промежутком для осуществления взрыва или вывода газа, создающего движущуюся силу. Системы с взрывающейся проволокой раскрыты изобретателем Ли в патенте США N 5.052.272 "Запуск снарядов с помощью водородного газа, генерируемого в реакциях топливного алюминиевого порошка с водой". Ли описывает способ генерации водородного газа, обладающего высокой энергетической эффективностью, при подводе импульсной энергии к запускающей (инициирующей) проволоке и к смеси топливного алюминиевого порошка с окислителем. Предпочтительным окислителем для топливного алюминиевого порошка является вода. Устройство включает конденсаторную батарею, соединенную с катушкой индуктивности. Металлическая проводящая проволока присоединена к катушке индуктивности и к быстродействующему коммутатору. Когда коммутатор замкнут, электрическая энергия (ток) из конденсаторной батареи протекает через катушку индуктивности и через коммутатор так же хорошо, как и через проволоку. Полная энергия электрического разряда предпочтительно составляет от 0.50 до 15 кДж на один грамм алюминиевого топлива. Разряд происходит в течение 10-1000 микросекунд.

В патенте США N 3.583.766 изобретателя Дж.Патберга описано глубоководное исследовательское транспортное средство, имеющее бурильную трубу в отверстии, образованном в слое минеральных отложений и простирающуюся в осадочный слой океанского дна. Буровая головка расположена в нижнем торце бурильной трубы, а секция плазменного разряда размещена над бурильной головкой. Энергетическая цепь связывает электрическую энергию от источника электроэнергии с тонкой никелевой проволокой, проходящей через плазменную разрядную секцию. Когда коммутатор замкнут, сильный ток мгновенно проходит через тонкую никелевую проволоку, взрывая ее и создавая сильный плазменный разряд, сопровождающийся образованием "острых" волн давления. Отверстия, имеющиеся в секции плазменного разряда, позволяют волнам давления выходить и образовывать быстро расширяющийся и схлопывающийся газовый пузырь, при этом возникают ударные волны аналогичные тем, которые возникают при взрывах. Чередование расширения и схлопывания пузыря приводит к распространению акустических волн в виде острых импульсов давления.

В заявке (авторском свидетельстве) СССР N 357345 изобретателя Уткина описано устройство для разбивания скальной породы, имеющее два электрода и проводящую проволочную полоску, которая вставляется в отверстие, выполненное в скальной породе и заполненное увлажненным диэлектрическим объемным материалом, таким как песок, для получения ударных волн при подаче энергии. Проволока подсоединена к электродам и натянута вокруг диэлектрической пластины. Диэлектрическая пластина размещена в отверстии в скальной породе для осуществления взрыва. Системы с искровым промежутком или системы с не взрывающейся проволокой раскрыты в патенте США N 3.679.007 изобретателя О'Хара "Бурение земли с помощью ударной волны, создаваемой плазмой", в котором описан зонд с искровым промежутком для выполнения бурения глубоких скважин в земле для добычи воды или нефти. Зонд имеет центральный электрод и окружающий его и отделенный от него внешний электрод. Конденсатор или конденсаторная батарея, имеющая емкость 400 микрофарад и заряженная до потенциала 6000 вольт подает электроэнергию на электроды. Ударные волны генерировались в воде между внешней поверхностью центрального электрода и внутренней поверхностью окружающего его электрода, которые разделены зазором в 0.75 дюйм. Центральный электрод имеет диаметр 0.25 дюйм. Вариант, показанный на фиг. 4, имеет конденсатор или конденсаторную батарею, заряженные до 6000 вольт или выше с помощью комбинации из высоковольтного выпрямителя (диода) и высоковольтного трансформатора. В варианте, показанном на фиг. 5, конденсаторная батарея может быть заряжена до 6000 вольт для работы в мягком грунте и до более высокого напряжения, 30000 вольт или более, для работы в областях с более твердыми или скальными породами. В каждом из этих вариантов при замыкании коммутатора происходит начальный выброс напряжения, который достигает электродов, расположенных в воде. Сопротивление воды уменьшается по мере того, как она превращается в плазму, за счет импульса электрического тока. Резкое выделение электрической энергии на сопротивлении водяной плазмы приводит к получению большого количества тепла, которое производит взрывной эффект, при этом происходит удар и толчок от земли перед электродом.

В патенте США N 4.741.405 изобретателей Моэни и др. описана бурильная машина с искровым разрядом для подземных горных работ. Бурильная машина может подавать импульсы энергии в диапазоне от нескольких килоджоулей до 100 килоджоулей или более на поверхность скальной породы со скоростью от 1 до 10 импульсов в секунду или более. Текучая среда для бурения, такая как бурильный раствор или воды, способствует передаче искровой энергии к поверхности скальной породы.

В патенте США N 4.897.577 изобретателя Кирзингера "Искровые разрядники с электромеханическим запуском" описаны анод и катод, лицевые поверхности которых определяют промежуток разрядника. Запускающий электрод расположен вблизи этого промежутка. Пьезоэлектрический генератор, подключенный между запускающим электродом и катодом, запускает коммутатор искрового разрядника. Коммутатор может управляться токами порядка 100,000 ампер или выше, которые поступают из разрядной цепи конденсатора.

В патенте США N 5.106.164 Кирзингера и др. "Способ взрывания с помощью плазмы" описан процесс плазменного взрывания для осуществления дробления скальной породы на практике при выполнении горных работ в твердом скальном грунте. Электрическая энергия из конденсаторной батареи коммутируется так, чтобы подавать 500 килоампер на взрывающий электрод, расположенный в отверстии в поверхности скального грунта, вызывая диэлектрический пробой электролита, предпочтительно включающего сульфат меди, для образования плазмы. Электролит может быть гелеобразным с бентонитом или желатином, которые делают его вязкость достаточной для того, чтобы он не растекался из ограниченной области до осуществления взрыва. Устройство для взрывания имеет минимальную индуктивность и сопротивление для того, чтобы уменьшить потери энергии и обеспечить быстрый разряд энергии в скальный грунт.

Один из недостатков систем, известных из уровня техники, заключается в том, что довольно неэффективно происходит передача энергии от конденсатора к взрываемому проводнику или к искровому промежутку. В результате неэффективной передачи энергии приходится применять достаточно большие конденсаторные батареи для того, чтобы при подаче энергии на взрываемый проводник или на искровой промежуток обеспечивалась требующаяся величина взрывной энергии.

Системы с искровым промежутком также имеют недостаток, заключающийся в том, что зона, в которой диссипируется энергия, то есть промежуток между электродами, сначала имеет большой импеданс, а образующаяся в промежутке плазма после подачи напряжения и пробоя диэлектрика, имеет относительно низкий импеданс. В результате, из-за изменения импеданса промежутка с высокого значения до низкого значения диссипация энергии в этом промежутке происходит не настолько эффективно, как она могла бы происходить в случае использования системы с взрывающейся проволокой.

Краткое содержание изобретения
Предложенные в настоящем изобретении способ и устройство содержат устройство для осуществления взрывания с помощью плазмы, которое имеет электрическую цепь возбуждения с большой конденсаторной батареей, содержащей несколько конденсаторов. Конденсаторная батарея подсоединена к сильноточному коммутатору, такому как игнитрон, управляемому электрической цепью запуска, подключенной к сетке игнитрона. Распределенная индуктивность цепи возбуждения с учетом большой емкости конденсаторной батареи приводит к тому, что электрическая цепь имеет относительно высокий реактивный импеданс при относительно низком диссипативном импедансе или резистивном импедансе.

Важная особенность настоящего изобретения заключается в использовании взрываемого проводника, имеющего конкретную электрическую взаимосвязь с компонентами импеданса цепи возбуждения: индуктивной и емкостной компонентами импеданса. Это позволяет разрешить проблемы, существующие в известных технических решениях, в частности, разрешить проблему неэффективной передачи энергии, вследствие чего возникает необходимость использования довольно больших конденсаторных систем для обеспечения подачи энергии, требующейся, для возбуждения взрывающейся проволоки. А именно было обнаружено, что объем взрываемого проводника, определяемый как произведение длины (1) расплавляемого элемента на площадь поперечного сечения (А) расплавляемого элемента, должен быть пропорционален энергии, накопленной в конденсаторной батарее, CV², а отношение длины к поперечному сечению - пропорционально корню квадратному из индуктивности распределенной индуктивности, деленной на емкость. Длина (1) измеряется в направлении протекания электрического тока. Площадь поперечного сечения (А) измеряется в поперечном направлении по отношению к направлению протекания тока. Комбинируя эти два уравнения, можно вывести, что длина (1) плавного элемента равна
1=k₁(LC)^1/4V,
а площадь поперечного сечения расплавляемого элемента может быть выражена, как
A=K₂C^3/4L^-1/4V,
где k₁ и k₂ константы, определенные эмпирически. В случае использования алюминиевого расплавляемого элемента или взрываемого проводника
k₁ = 1.8•10^-1 см/(вольт-сек^1/2),
k₂ = 3.6•10^-5 см²/(ампер-сек^1/2)
и, кроме того, для меди
k₁ = 2.3•10^-1 см/(вольт-сек^1/2),
k₂ = 1.6•10^-5 см²/(ампер-сек^1/2).

Также было обнаружено, что длина расплавляемого элемента (1) менее критична, чем площадь поперечного сечения.

Кроме того, требующаяся передача энергии увеличивается за счет выбора характеристик взрываемого проводника, таких как склонность к взрыву, когда через расплавляемый элемент протекает пиковый ток. В этот момент, при протекании большой величины тока, сопротивление плазмы в месте расплавляемого элемента увеличивается, когда твердый взрываемый проводник превращается в плазму. Вследствие этого происходит дополнительное увеличение падения величины I²R в месте взрываемого проводника. Это увеличивает диссипацию энергии, локализованной в месте расплавляемого элемента, по сравнению с диссипацией энергии на других участках электрической цепи и дополнительно обеспечивает хорошее согласование параметров цепи для передачи энергии к месту расплавляемого элемента.

Настоящее изобретение относится также к системе для выполнения трещинообразования (разлома) с помощью плазмы, имеющей взрываемый проводник в форме металлического ленточного проводника, намотанного в виде спирали или нескольких спиралей на сердечнике, или, в другом варианте, взрываемый проводник является проводником в виде стакана. Взрываемые проводники обоих типов, ленточные и стаканообразные, имеют относительно большое отношение площади поверхности к объему для обеспечения быстрой диссипации тепла из места взрываемого проводника для резкого выделения механической энергии, вследствие чего происходит разлом окружающей скальной породы.

Характеристики процесса передачи требующейся энергии от относительно небольшой конденсаторной батареи могут быть дополнительно повышены за счет размещения смеси порошкообразного металла и окислителя непосредственно в месте расположения взрываемого проводника. В настоящем изобретении предпочтительный состав смеси включает алюминий и воду, хотя другие порошкообразные металлы также могут использоваться. Было обнаружено, что при этом значительно увеличивается сила взрыва.

Возможность замены взрываемого проводника, исходя из его конструкции, позволяет повторно использовать один или тот же зонд для нескольких ударов при относительно низких стоимостных затрат. Стоимость других частей устройства сохраняется низкой, поскольку в отличие от известных устройств могут использоваться относительно небольшие конденсаторные батареи и создаваться относительно небольшие токи, пропускаемые через силовые кабели в зонд и обратно. Благодаря этому могут использоваться обычные электрические сети, которые позволяют уменьшить стоимость устройства.

Краткое описание чертежей:
фиг. 1 - управляющая схема устройства для трещинообразования с помощью плазмы согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 - вертикальный вид сбоку зонда устройства для трещинообразования, с помощью показанного на фиг. 1, и изображенный подробно;
фиг. 3 - изометрическая проекция головки зонда, показанного на фиг. 2, без сменяемого взрываемого проводника, входящего в надеваемый на головку взаимозаменяемый плавкий картридж;
фиг. 4 - изометрическая проекция головки зонда, показанного на фиг. 3, подробно иллюстрирующая вариант, когда сменяемый взрываемый проводник, образующий сменяемый плавкий картридж, имеющий одинарную намотку проводника, подогнан к головке зонда для обеспечения с ним электрического контакта;
фиг. 5 - изометрическая проекция головки зонда, показанного на фиг. 3 и 4, с размещенным на нем сменяемым плавким картриджем, имеющем одинарную намотку проводника;
фиг. 6 - изометрическая проекция головки зонда, показанного на фиг. 4 - 6, и размещенного на ней сменяемого плавкого картриджа с несколькими намотками, которые образуют многовитковый расплавляющийся элемент;
фиг. 7 - участок сечения зонда, показанного на фиг. 2, с расположенным на нем сменяемым плавким картриджем, в просверленном отверстии до момента поджига;
фиг. 8 - частичный разрез блока, включающего зонд и плавкий картридж, показанного на фиг. 2; пунктирными линиями показаны линии разлома, которые образуются в результате поджига зонда;
фиг. 9 - график зависимости тока через зонд (в десятках тысяч ампер) от времени (в миллисекундах) для примера 1;
фиг. 10 - график зависимости падения потенциала (в вольтах) на зонде от времени (в миллисекундах) для испытания согласно пример 1;
фиг. 11 - график зависимости мощности (в мегаваттах), передаваемой в зонд, от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 1;
фиг. 12 - график зависимости энергии (в джоулях), передаваемой в зонд, от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 1;
фиг. 13 - график зависимости тока через зонд (в десятках тысяч ампер) от времени (в миллисекундах) для результатов испытания согласно примеру 2;
фиг. 14 - график зависимости падения потенциала (в вольтах) на зонд от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 2;
фиг. 15 - график зависимости мощности (в мегаваттах), передаваемой в зонд, от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 2;
фиг. 16 - график зависимости энергии (в джоулях), передаваемой в зонд, от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 2;
фиг. 17 - график зависимости тока через зонд (в десятках тысяч ампер) от времени (в миллисекундах) для результатов испытания согласно примеру 3;
фиг. 18 - график зависимости падения потенциала (в вольтах) на зонде от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 3;
фиг. 19 - график зависимости мощности (в мегаваттах), передаваемой в зонд, от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 3;
фиг. 20 - график зависимости энергии (в джоулях), передаваемой в зонд, от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 3;
фиг. 21 - график зависимости тока через зонд (в десятках тысяч ампер) от времени (в миллисекундах) для результатов испытания согласно примеру 4;
фиг. 22 - график зависимости падения потенциала (в вольтах) на зонд от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 4;
фиг. 23 - график зависимости мощности (в мегаваттах), передаваемой в зонд, от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 4;
фиг. 24 - график зависимости энергии (в джоулях), передаваемой в зонд, от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 4;
фиг. 25 - график зависимости тока через зонд (в десятках тысяч ампер) от времени (в миллисекундах) для результатов испытания согласно примеру 5;
фиг. 26 - график зависимости падения потенциала (в вольтах) на зонде от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 5;
фиг. 27 - график зависимости мощности (в мегаваттах), передаваемой в зонд, от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 5;
фиг. 28 - график зависимости энергии (в джоулях), передаваемой в зонд, от времени (миллисекундах) для испытания согласно примеру 5;
фиг. 29 - график зависимости тока через зонд (в десятках тысяч ампер) от времени (в миллисекундах) для результатов испытания согласно примеру 6;
фиг. 30 - график зависимости падения потенциала (в вольтах) на зонд от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 6;
фиг. 31 - график зависимости мощности (в мегаваттах), передаваемой в зонд, от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 6;
фиг. 32 - график зависимости энергии (в джоулях), передаваемой в зонд, от времени (в миллисекундах) для испытания согласно примеру 6.

Подробное описание наилучших вариантов осуществления изобретения
Обратимся теперь к чертежам и, конкретно, к фиг. 1, на которой в общем виде показан вариант осуществления устройства для плазменного взрыва согласно настоящего изобретения, и обозначено устройство цифровой позицией 10. Устройство для взрывания с помощью плазмы включает цепь возбуждения для импульсной подачи тока большой величины, высоковольтной энергии, на взрывающий зонд 14, выполненный таким образом, чтобы он мог размещаться в скальной геологической формации. Зонд 14 имеет согласованный сменяемый взрываемый проводник 16, который электрически с ним связан.

Для того, чтобы подать энергию в цепь возбуждения 12 обычный высоковольтный источник 20 подсоединяется к ней через заземленный вывод 22 и вывод 24. Вывод 26 подсоединяется к емкости или к средству 28, имеющему емкость, которое включает конденсаторную батарею, имеющую конденсаторы 30, 32, 34, 36 и 38 для накопления электрической энергии. Полная емкость конденсаторной батареи 28 составляет 4190 микрофарад при номинальном пиковом расчетном напряжении 11000 вольт. Заземленный вывод 40 соединяет конденсаторную батарею 28 также с землей, с которой также соединен заземленный вывод 22. Источник высокого напряжения 20 заряжает конденсаторную батарею 28 до высокого потенциала, например 5 киловольт или 10 киловольт. Накопленный электрический заряд затем может выделяться в виде импульса тока, протекающего через другие участки цепи возбуждения 12 к зонду 14. Цепь возбуждения 12 имеет распределенное сопротивление в 22 миллиома, которое показано с помощью условного обозначения распределенного сопротивления 44. Импульс тока получается в виде тока, протекающего через вывод 26 и средство коммутации, включающее игнитрон 46, имеющий катод 48, зонд 50 и управляющий электрод 52. Игнитрон 46 выборочно связывает конденсаторную батарею 28 с накопленной электроэнергией с взрываемым проводником 16. Он управляет величиной тока и сам управляется схемой запуска 54, соединенной через вывод 56, и триггером 52. Когда со схемой запуска 54 подается потенциал на триггер 52 игнитрона, импульс тока протекает через игнитрон 46 и через вывод 58 к зонду 14. Индуктивное средство, содержащее распределенную индуктивность в 147 микрогенри на схеме возбуждения 12 обозначено как катушка индуктивности 60. Распределенная индуктивность 60 принимает ток и замедляет скорость изменения тока, подаваемого на взрываемый проводник 16. Замедленный импульс тока подается через вывод 58, который соединен со скрученной парой 60, состоящей из обычного сварного кабеля 0000-диаметр и имеющей первый кабель 62 и второй заземленный кабель 64. Ток, протекающий через вывод 58 к кабелю 62, детектируется с помощью пояса Роговского 66, индуктивно связанного с выводом 58, обеспечивающего измерение тока, протекающего через вывод 58 к зонду 14. Напряжение на зонде 14 эффективно измеряется с помощью устройства 70, измеряющего напряжение, подключенного между кабелями 62 и 64. Кабель 64 заземлен, соединен с общей землей 42, для обеспечения обратного пути тока к конденсаторной батарее 28.

Как показано более подробно на фиг. 2, электрический взрывающий зонд 14 - это коаксиальные электроды, имеющие полную длину в 42.75 дюйм. Большая часть внешнего заземленного электрода 71, осуществляющего обратное заземление, состоит из цилиндрической стальной трубы 72, имеющей внешний диаметр 2.875 дюйм. Два торца 74 и 76 стальной трубы 72 имеют резьбу на участках 78 и 80, соответственно, для электрического соединения с целью возбуждения 12. На верхнем торце 74 стальной трубы 72 алюминиевая пластина 82, подводящая ток, закреплена с помощью латунной гайки 84 под накидной ключ, навернутой на резьбу под алюминиевой пластиной 82, и латунной гайкой 86 под накидной ключ, навернутой на резьбу над алюминиевой пластиной 82. Завышенного размера, четырех дюймовой длины, звено 88, изолирующее от высокого напряжения, размещено над стальной трубой 72 и латунной гайкой 86 под накидной ключ, а полиэтиленовый экран 90, защищающий от вспышки, обеспечивает дополнительную электроизоляцию для второй алюминиевой пластины 92, подводящей ток, которая закреплена между гайкой 94 под накидной ключ и гайкой 96, соединяющей внутренний трубчатый латунный высоковольтный электрод 98, показанный в разрезе на фиг. 7. Экран 90, защищающий от вспышки, обеспечивает дополнительную изоляцию в случае неожиданной генерации высокого напряжения, когда взрывающийся проводник 16 открыт.

Скрученная пара 60 подсоединена с помощью обычных привариваемых кабельных наконечников 96 и 98 к алюминиевым пластинам 82 и 92, подводящим ток, с закреплением парами болт-гайка 100 и 102, соответственно. Такое крепление обеспечивает прием электрического тока для подачи электрической энергии на взрывающий зонд 14. Наружный стальной заземленный электрод 104, имеющий форму фиксирующего кольцевого выступа, с помощью резьбы соединен с нижней частью стальной трубы 72. Заземленный электрод 104 осуществляет электрический контакт с взрываемым проводником 16.

Взрываемый проводник 16 представляет собой металлическую ленточную обмотку в виде спирали на сердечнике 108, которые образуют плавкий картридж 110. Сердечник 108 представляет собой длинную цилиндрическую трубку 4.5 дюйма, состоящую из PVC, однако, подходящим будет любой изоляционный материал, например, чашка Дикси, на которую намотан взрываемый проводник 16. В другом варианте ленточный взрываемый проводник 16 может быть заменен на металлическую чашку.

Как показано на фиг. 7, трубчатый латунный высоковольтный электрод 98 вытянут от вершины взрывающего зонда 14 до нижнего участка, где стальная высоковольтная электродная головка 112 впрессована в трубчатый латунный высоковольтный электрод 98 для получения хорошей электрической связи с взрываемым проводником 116 через торцевой элемент 114 в виде гибкой круговой медной тонкой пластины. Заземленный контактный торец 116 электрода 104 "кольцевой выступ/земля" обеспечивает электрический контакт для взрываемого проводника 16 для обратного прохождения тока через землю.

Стекловолоконный G-10 изолятор 118 расположен коаксиально между внутренним высоковольтным электродом и наружным электродом с обратным заземлением. В этом варианте стекловолоконный изолятор 118 G-10 выступает относительно нижнего торцевого участка зонда 14 примерно на 18 дюймов до места, где соединение внахлестку 120 обеспечивает границу раздела с цилиндрическим изолятором 122 из Delrin ацетатполимера, который вытянут коаксиально внутри цилиндрической стальной трубы 72 до завышенного размера высоковольтного звена 124 на верхнем торце взрывающего зонда 14.

Стальной фиксирующий электрод 104 "выступ/земля" формирует область 126 со ступенчатым выступом. В этой области стекловолоконный изолятор 118 G-10 становится шире и поэтому, механически "захватывается" стальным фиксирующим электродом 104 "выступ/земля". Захват стекловолоконного изолятора 118 G-10 на нижнем конце взрывающего зонда 14 и использование цилиндрического изолятора 122 из ацетатполимера на верхнем конце взрывающего зонда 14, связанного соединением внахлест, обеспечивают формирование коаксиального изоляторного узла, который способен выдерживать взрыв и может использоваться повторно.

Расширение взрывающего зонда 14 на торце стального фиксирующего электрода "выступ/земля" 104 определяет ограниченную область в пределах буровой скважины 129, в которой кольцевая область или область взрываемого проводника 130 может содержать рабочий раствор, как будет описано ниже. В альтернативном варианте рабочий раствор может содержаться в пределах (внутри) ограниченной области взрываемого проводника 16.

Как наиболее наглядно видно на фиг. 3, головка 112 высоковольтного стального электрода выступает на небольшое расстояние из стекловолоконного G-10 изолятора 118. Как показано на фиг. 5, взрываемый проводник 16 с сердечником 108 присоединен на торце 132 к круговому торцевому элементу 114. Как показано на фиг. 5, взрываемый проводник 16 находится в электрическом соединении с заземленным контактным торцом 116 и с головкой 112 стального высоковольтного электрода, которая выталкивает наружу круговой торцевой элемент 114. Торцевой элемент 114 в виде круга из тонкой пластины закрывает один торец секции сердечника 108 и представляет собой гибкую медную тонкую пластину, которая позволяет обеспечить хороший контакт с обоими торцами взрываемого проводника 16.

Как показано на фиг. 6, каждый из нескольких взрываемых проводников 16' представляет собой металлическую ленту, которая по спирали намотана вокруг сердечника 108 параллельно другим лентам 16'. Узел, состоящий из двух или более лент, намотанных таким образом, испытывался в примере 5, который приведен позднее, и в котором описано использование четырех параллельных лент 16' для обеспечения более тесного контакта между взрываемыми проводниками 16' и реактивной рабочей текучей средой. Взрываемые проводники 16 и 16' состоят из полосок алюминиевой фольги толщиной 5.5 mil различной длины, которые изогнуты вдоль длины для получения полосок шириной в 0.75 дюйм.

Как показано на фиг. 8, электрический взрывающий зонд 14 размещается в испытательном образце 140 из бетона, представляющим собой куб 37 дюймов с высоким напряжением (механическим) - 10000 фунтов на квадратный дюйм. Такие испытательные образцы из бетона использовались в примерах 3-6, которые описаны ниже. Пунктирные линии 142 представляют коническую поверхность разлома, которая могла бы наблюдаться, если бы трещина однородно расходилась от внутреннего угла с повышенным напряжением круговой скважины, имеющей стенки, которые, как показано, пересекаются под прямыми углами. Такие "базовые конусы" или "вулканы" неизменно обнаруживались среди осколков, образующихся в результате испытания. Наиболее симметричные конусы были получены от ударов с наибольшей энергией.

Рабочая текучая среда может размещаться в буровой скважине 129 в кольце 130 для получения тепла от взрываемого проводника 16 для выполнения работы давление-объем (pV) при разломе скальной породы. Поскольку вода, используемая в качестве рабочей текучей среды, является также источником кислорода и действует как окислитель для экзотермических реакций с порошкообразным металлом, таким как алюминии, то она может использоваться для химического усиления процесса плазменного трещинообразования в скальной породе.

Нижний конец зонда 14 входит приблизительно на 19 дюймов в бетонный испытательный образец и пробуренное в нем отверстие 129 имеет диаметр 2.88 дюйма, которое соответствует отверстию, получаемому с помощью стандартного бурильного молотка. Полный диаметр взрывающего зонда 14 на уровне стального фиксирующего электрода 104 "выступ/земля" составляет 2.875 дюймов, что немного меньше, чем диаметр отверстия. Плотное расположение взрывающего зонда 14 в пробуренном отверстии 129 препятствует выбросу рабочей текучей среды, находящейся в кольцевой области кольца 130, во время взрыва.

В вариантах осуществления изобретения с усилением процесса за счет химических реакций кольцо 130 заполняется гелеобразным компонентом, например желатином Кнох, смешанным с водой и порошком алюминия в виде мелко взвешенной суспензии. В альтернативном варианте приемлемым топливом в соответствии с настоящим изобретением будут также другие металлические порошки, такие как титан или железо, которые экзотермически реагируют с водой, образуя быстро расширяющийся газ.

Величина плотности выделившейся энергии в результате химической реакции в смеси алюминия с водой, которая стимулирует взрывание плавкого элемента, составляет приблизительно 10 килоджоулей на кубический сантиметр смеси. При этой плотности энергии приблизительно 0.5 мегаджоулей выделяется на линейный дюйм сердечника 108. Энергия конденсаторной батареи составляет приблизительно 10 процентов от полной выделившейся энергии. Химическое усиление желательно, когда требуется высокая энергия, оно устраняет необходимость в осуществлении взрыва с помощью сильных взрывчатых веществ. Смесь алюминия с водой действует как топливо, создающее движущую силу. Энергия выделяется скорее через локальный эффект в окрестности плавкого элемента, чем в результате самораспространяющейся химической реакции. Когда алюминий и вода нагреваются взрывающимся плавким элементом и плазмой, они экзотермически реагируют между собой с образованием водорода, который быстро расширяется и создает механическую энергию для осуществления трещинообразования скальной породы в пробуренном отверстии.

Когда энергия, требующаяся для разлома скальной породы небольшая, то может быть предпочтительным более общий вариант осуществления изобретения, в котором не используется топливо, создающее энергетическую движущую силу, а заменяется оно на инертную рабочую текучую среду (гелеобразная вода). В этом варианте используемый механизм взрыва обусловлен только плазмой, генерированной при взрыве плавкого элемента, размещенного в смеси, которая диссоциирует на газовые составляющие, способствующие созданию плазмы.

Как упоминалось выше, взрываемый проводник очень хорошо согласован с цепью возбуждения 12 для того, чтобы осуществлять эффективную передачу энергии, облегчая выполнение взрывных работ с твердой скальной породой при электрических разрядах с умеренной высокой энергией, порядка десятка килоампер. Хорошее согласование параметров цепи позволяет осуществлять преобразование взрываемого проводника из твердого состояния в плазму при пиковом токе импульса тока. Распределенная индуктивность 60 вызывает дальнейшее повышение тока при скачке импеданса, который происходит, когда проводник переходит из твердого состояния с относительно низким импедансом в плазменное состояние с более высоким импедансом. Более высокий импеданс в месте взрыва также приводит к тому, что в кольцевой зоне 130 диссипируется больше энергии.

Объем плавкого элемента и относительный импеданс - это два критерия, оптимизированные в соответствии с уравнениями, приведенными ниже. Как видно из этих уравнений, расплавляющаяся длина (1), которая измеряется в направлении протекания тока, и площадь поперечного сечения (А), которая измеряется в поперечном направлении по отношению к направлению протекания тока, определяются так, что объем (IV) плавкого элемента пропорционален накопленной энергии:
∫I²(t)dt,
где l(t) - вышеописанный импульс тока.

Кроме того, относительный импеданс плавкого элемента (1/A) должен быть пропорционален импедансу источника энергии. Размеры плавкого элемента определяются в соответствии со следующими соотношениями, где 1 - длина плавкого элемента, а A - сечение:
1. Объем плавкого элемента накопленной энергии т.е.,
1AαCV².
2. Относительный импеданс плавкого элемента импедансу цепи т.е.,

Из этих соотношений мы может вывести длину плавкого элемента, 1, и сечение плавкого элемента, A, следующим образом:
1 = k₁(LC)^1/4V,
A = K₂C^3/4L^-1/4V,
где k₁ и k₂ - константы, эмпирически найденные для каждого материала. Было обнаружено, что следующие величины являются оптимальными, они позволяют получить наибольшее усиление электрической мощности наряду с эффективной передачей электрической энергии плавкому элементу:
Для алюминия k₁ = 1.8•10^-1 см/(вольт-сек^1/2);
k₂ = 3.6•10^-5 см²/(ампер-сек^1/2)
Для меди: k₁ = 2.3•10^-1 см/(вольт-сек^1/2);
k₂ = 1.6•10^-5 см²/(ампер-сек^1/2)
Сечение взрываемого проводника должно быть близким к величинам, вычисленным выше, для того, чтобы взрыв взрываемого проводника происходил вблизи точки пикового тока. Следует заметить, что размеры заданного взрываемого проводника, оптимизированные для конкретных рабочих условий, как показано выше, могут также быть масштабированы для переменных физических размеров (1, А). Длина плавкого элемента 1 значительно менее критична и она может изменяться в два раза относительно оптимальной величины при незначительных изменениях в работе устройства. В каждом из вариантов проводник 16 имеет относительно большую величину отношения площади поверхности к объему для улучшения передачи энергии рабочей среды.

Пример 1
Устройство 10 испытывалось при полной электрической и химической энергии, выделяемой в ящик из тонкого картона, заполненный песком. Рабочая текучая среда состояла из смеси 50:50 (по весу) алюминиевого порошка с размером частиц 3 микрона и воды, содержащей 1 процент желатина, добавленный для того, чтобы алюминий находился во взвешенном состоянии. Такая же рабочая текучая среда использовалась во всех последующих примерах за исключением примера 6, в котором использовалась чистая вода в качестве инертной рабочей среды. Объем рабочей текучей среды в настоящем изобретении составлял кольцевую зону со средним диаметром 2.5 дюйма, толщиной 0.25 дюйма и длиной 4.5 дюйма, удерживающую 211 грамм смеси, которая при полностью завершенной реакции выделяла бы 1.5 мегаджоулей химической энергии. Взрываемый проводник 16 состоял из алюминиевой фольги толщиной 5.6 mil, с длиной полоски 20 дюйм и шириной 1.5 дюйм. Фольга изгибалась вдоль длины до окончательной ширины 0.75 дюйм и наматывалась в виде спирали на сердечник 108 из PVC, обеспечивая тесный контакт с рабочей текучей средой (водой). Конденсаторная батарея 28 заряжалась до 10 киловольт, накапливая электрическую энергию в 209.5 килоджоулей. Из этой энергии 179.4 килоджоуля передавалось на плавкий элемент при пиковой мощности 336 мегаватт. Изолятор из Delrin ацетатполимера проходил вдоль всей длины трубки. Изолятор из ацетатполимера разрушался на выходном торце. Электрический ток, напряжение, мощность и энергия в устройстве в зависимости от времени показаны графически на фиг. 9 , 10, 11 и 12, соответственно.

Пример 2
Все условия в номинальном режиме были идентичны примеру 1 за исключением того, что, поскольку изолятор из ацетатполимера был разломан на выходном торце, в изоляторе было выполнено соединение внахлест и последние 18 дюймов были заменены на участок изолятора, состоящего из стекловолокна G-10. Электрический режим был аналогичным (см. фиг. 13, 14, 15 и 16), наблюдались отклонения, имеющие случайный характер, связанные со свойствами плавкого элемента 42. Наблюдалась пиковая мощность 442 мегаватт, а полная энергия в 182.3 килоджоуля передавалась по электрической цепи. Устройство с изолятором из стекловолокна G-10 выдержало взрыв и могло использоваться повторно.

Пример 3
Параметры конденсаторной батареи 28, взрывающий зонд 14, рабочая текучая среда и взрываемый проводник 16 были идентичны тем, которые использовали в примере 2. Пиковая скорость передачи электрической энергии составляла 450 мегаватт. Полная энергия в 178.3 килоджоуля передалась на плавкий элемент (см. фиг. 17, 18, 19, и 20). В этот раз вместо взрыва в ящике с песком устройство 10 взрывало бетонный испытательный образец, как изображено на фиг. 8. Ущерб от взрыва был значительным. Бетонный испытательный образец был разломан, по меньшей мере, на 23 кусочка, максимальные линейные размеры которых находились в диапазоне от 10 дюймов до 35 дюймов, среднее ± стандартное отклонение от 19 дюймов составляло ± 7 дюймов. Были также получены многочисленные более мелкие осколки. Некоторые из наиболее крупных кусков были выброшены примерно на 30 футов от области, где проводилось испытание.

Пример 4
Для стального фиксирующего "выступ/земля" электрода была выполнена круговая стальная выступающая часть, при этом длина области взрываемой проводник/рабочая текучая среда уменьшилась от 4.5 дюйма до примерно 1.5 дюйма. Это уменьшило величину максимальной возможности химической энергии до 500 килоджоулей. Выходная величина электрической энергии была уменьшена в 4 раза, соответствуя напряжению на конденсаторной батарее в 5 киловольт, что составляет половину от номинального полного зарядного напряжения. Длина взрываемого проводника также была уменьшена, в два раза, до 10 дюймов. Его ширина и, следовательно, поперечное сечение аналогично были уменьшены наполовину, до 0.75 дюйм, а его толщина осталась такой же, как и у плавкого элемента, используемого в примерах 1 - 3. Взрываемый проводник 16 был совершенно (идеально) согласован с характеристиками цепи возбуждения 12. Единственное изменение в начальных условиях для конденсаторной батареи заключалось в изменении напряжения V. Поэтому, из соотношения
1∝(LC)^1/4V; A∝C^3/4L^-1/4V
следует, что 1 и A уменьшились на половину по сравнению с их первоначальными значениями. Как можно ожидать, исходя из уменьшения величины электрической энергии, накопленной в конденсаторной батарее 28, взрыв был значительно менее разрушительным, чем в примере 3, поскольку в конденсаторной батарее была накоплена электрическая энергия, составляющая только 52.4 килоджоуля, и 42.5 килоджоуля было перенесено на взрываемый проводник 16. Пиковая электрическая мощность составила 9.6 мегаватт. См. фиг. 21, 22, 23 и 24. Интересно, что бетонный испытательный образец был разломан на четыре больших куска с помощью накопленной энергии, составляющей только 52.4 килоджоуля.

Пример 5
Конденсаторная батарея заряжалась до 5 киловольт и полных 4.5 дюйма рабочей текучей среды использовалось для того, чтобы определить, можно ли использовать только 52.4 килоджоуля накопленной энергии для выделения химической энергии в результате реакции между алюминием и кислородом. Взрываемые проводники 16' имели такую же длину и толщину, как взрываемые проводники 16, используемые в примере 4, поскольку также требовалось подсоединить 5 киловольтную конденсаторную батарею. Для обеспечения более тесного контакта между взрываемым проводником и реактивной текучей средой использовались четыре параллельные взрываемые проводящие ленты или полоски 16' шириной 3/16 дюйма, каждая длиной по 10 дюймов, которые были намотаны как четыре параллельные спирали на сердечник 108 из PVC длиной 4.5 дюйма; в результате, между ближайшими полосками 16' был зазор примерно в 1 дюйм. Пример 5 был успешным в отношении достигнутой величины энергии, испытательный образец был разломан на 10 больших кусков. Характер изменения электрических параметров при новой геометрии взрываемого проводника показан на фиг. 25, 26, 27 и 28 и однако, наблюдалось некоторое отличие от предыдущих примеров. Высокое напряжение появилось первоначально на взрываемых проводниках, соответствующее пиковой мощности 224 мегаватт, но затем это напряжение быстро упало, возможно из-за последовательных вспышек на многовитковом взрываемом проводнике. Из первоначально накопленной энергии 52.4 килоджоуля полная электрическая энергия, переданная на зонд, составила 40 килоджоулей.

Пример 6
Конденсаторная батарея 28 заряжалась до 10 киловольт и использовался взрываемый проводник 16 в виде одинарной спирали длиной 20 дюймов, толщиной 5.5 mil, шириной 1.5 дюйма, плавкий элемент был намотан на сердечник 108 длиной 4.5 дюйма. В качестве рабочей текучей среды использовалась чистая вода без алюминия. Таким образом, не происходило увеличения величины выделившейся плазменной энергии за счет энергии химической реакции. Более высокая диэлектрическая постоянная вода по сравнению с диэлектрической постоянной воды, содержащей алюминий, увеличила эффективный импеданс плазмы, что привело к генерации длительно поддерживаемого падения напряжения на плавком элементе, сопровождающейся хорошей диссипацией энергии в этом месте. Пиковая мощность составила 658 мегаватт и электрическая энергия в 174.2 килоджоуля была подана на плавкий элемент (см. фиг. 29, 30, 31 и 32). Бетонный испытательный образец был разломан на 13 больших кусков.

В таблице, приведенной в конце описания, показаны суммарные результаты для примеров 1-6.

Можно заметить, что несмотря на то, что здесь были описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, истинная сущность и объем настоящего изобретения ограничиваются только прилагаемой формулой изобретения.

Способ и устройство для взрывания с помощью плазмы содержит конденсаторную батарею для накопления электрического заряда, к которой подсоединена индуктивность, через которую подается электрический разряд в виде тока, прошедшего через коммутатор, на взрываемый проводник, составляющий участок зонда. Взрываемый проводник представляет собой ленточную спираль, намотанную на цилиндрический сердечник, причем лента имеет заданное отношение длины к поперечному сечению, пропорциональное корню квадратному из отношения индуктивности к емкости, для того, чтобы обеспечить эффективную диссипацию оптимального количества электрической энергии, накопленной в конденсаторе. Изобретение позволит повысить эффективность разрушения скальных пород, 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 32 ил. 1 табл.

1. Способ взрывания породы с помощью плазмы, содержащий зарядку конденсатора электрическим зарядом и передачу электрического заряда к паре электродов в ограниченной области в электролите, образующем испаряемую рабочую текучую среду для генерирования плазмы, отличающийся тем, что передача электрического заряда осуществляется через индуктивность на взрываемый проводник, при этом корень квадратный из отношения индуктивности к емкости пропорционален отношению длины взрываемого проводника к площади его поперечного сечения, а объем взрываемого проводника пропорционален электрической энергии, накопленной в конденсаторе. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют электролит, включающий смесь порошкообразного металла и окислителя, в результате чего переход взрываемого проводника в плазму вызывает реакцию в смеси и выделение тепловой энергии для увеличения взрывной силы взрываемого проводника. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют порошкообразный металл, содержащий алюминий. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что используют окислитель, содержащий воду. 5. Способ по одному из пп.2 - 4, отличающийся тем, что используют электролит, включающий гелеобразный компонент, удерживающий электролит в ограниченной области. 6. Устройство для взрывания породы с помощью плазмы, содержащее емкостное средство для накопления электрической энергии, взрываемый проводник, имеющий заданные длину и поперечное сечение и электрически соединенный с емкостным средством для приема электрического тока, нагревающего взрываемый проводник от твердого состояния до плазменного состояния в непосредственной близости от испаряемой рабочей текучей среды, коммутирующее средство, выборочно подающее электрический зарядный потенциал от емкостного средства к взрываемому проводнику, отличающееся тем, что имеет индуктивное средство, соединенное с емкостным средством для участия в токе электрического заряда и снижения скорости изменения электрического тока, протекающего к взрываемому проводнику, так как увеличение сопротивления взрываемого проводника происходит при его переходе из твердого состояния в плазменное состояние, приводя к протеканию тока через плазму для получения увеличенного падения напряжения на плазме с увеличенной в результате диссипацией тепла в рабочей текучей среде, причем корень квадратный из отношения индуктивности индуктивного средства к емкости емкостного средства пропорционален отношению длины взрываемого проводника к его поперечному сечению, а объем взрываемого проводника пропорционален электрической энергии, накопленной в емкостном средстве для обеспечения оптимальной передачи энергии от емкостного средства к взрываемому проводнику. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что взрываемый проводник выполнен в виде тонкой пластины проводящего материала, имеющей относительно большое отношение площади поверхности к объему. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что взрываемый проводник выполнен в виде металлической ленты. 9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что взрываемый проводник выполнен в виде спиральной ленты, накрученной на опорный элемент.