СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЗРЫВАНИЯ ТВЕРДЫХ СКАЛЬНЫХ ПОРОД Российский патент 1999 года по МПК E21C37/18 E21B7/15 F42D3/04 

Изобретение относится к способу и устройству для взрывания твердых скальных пород и, в частности, к способу и устройству для взрывания твердых скальных пород с использованием в сильной степени не чувствительной горючей смеси, зажигаемой с помощью электрического разряда с умеренно высокой энергией, в результате чего возникают быстро расширяющиеся газы внутри замкнутого объема, что приводит к растрескиванию и разлому твердой скальной породы.

Проходку твердых скальных пород обычно осуществляют с помощью механического оборудования, такого как буры и другие специальные машины, взрывчатых химических веществ, например, ТНТ и/или способов электрического подрыва с использованием высокоэнергетических электрических разрядов в искровом зазоре для образования плазмы из дуги тока. Посредством химических и электрических способов взрывания создают быстро расширяющиеся газы в замкнутом пространстве в конце просверленного в скальной породе отверстия и тем самым разрушают скальную породу. Там, где это практично, предпочитают использовать способы электрического взрывания, так как они более предсказуемы, чем химические взрывчатые вещества, например ТНТ, и обычно более безопасны в применении. В то время как химические взрывчатые вещества более склонны к непреднамеренной детонации в результате физических изменений, электрические устройства приводят к взрыву только при подаче электрической энергии, а в остальное время они инертны. Применение механического оборудования является наиболее неэффективным и требующим больших затрат времени способом, используемым для прохождения твердых скальных пород, и поэтому часто используется в комбинации со взрывными способами.

Известно применение способов электрического взрывания, например системы взрывного провода и системы искрового зазора, для создания взрыва или для удаления газа, служащего ракетным топливом. Ракетные двигатели с взрывным проводом раскрыты в патенте США N 5052272 с названием "Запуск снарядов с помощью водородного газа, создаваемого при реакции горючего алюминиевого порошка с водой", выданном Ли, опубликованном 1 октября 1991 г. Ли раскрывает способ генерации водородного газа с высокой энергетической эффективностью с помощью подачи мощных импульсов к проволочному или пленочному детонатору или к смеси, состоящей из горючего алюминиевого порошка и окислителя. Предпочтительным окислителем для горючего алюминиевого порошка является вода. Устройство содержит конденсаторный накопитель и катушку индуктивности. Металлический проводник соединен с катушкой индуктивности и с быстрым выключателем. В замкнутом положении выключателя электрическая энергия из конденсаторного накопителя проходит через индуктивность и выключатель, а также через проводник. Полная энергия электрического разряда составляет, предпочтительно, 0,50 - 15 кДж на грамм алюминиевого топлива. Время разряда составляет от 10 до 1000 микросекунд.

Другая взрывная система с взрывным проводом раскрыта Падбергом младшим в патенте США N 3 583 766, имеющим название "Устройство для обеспечения извлечения минералов со дна океана", выданном 8 июня 1991 г. В частности, в патенте N 3 583766 раскрыт глубинный исследовательский аппарат, имеющий бурильную трубу, размещаемую в скважине, выполненной в слое минеральных отложений и достигающей осадочные породы дна океана. Бурильная головка расположена в нижней части бурильной трубы совместно с секцией плазменного разряда, расположенной над бурильной головкой. Энергетический контур подводит электрическую энергию от источника электроэнергии к тонкому никелевому проводу, проходящему через секцию плазменного разряда. При замыкании выключателя большой ток в короткое время проходит через тонкий никелевый проводник, взрывает его и создает большой плазменный разряд, сопровождаемый резкими волнами давления. Раскрывы в секции плазменного разряда позволяют выходить волнам давления и создавать быстро расширяющиеся и лопающиеся газовые пузыри, сопровождающиеся ударными волнами, воспроизводящими взрывы. Расширение и лопанье пузырей приводит к распространению акустических волн в виде ударных импульсов давления.

Другую систему подрыва с взрывным проводом раскрывает Юткин в авторском свидетельстве СССР N SU 357345A, в котором описано устройство для разлома твердых скальных пород, содержащее два электрода и проводящую полосу провода для ввода в отверстие в скальной породе, заполненное смоченным диэлектрическим сыпучим материалом, например песком, для создания ударных волн при приложении энергии. Провод соединен с электродами и натянут вокруг диэлектрической пластины. Для проведения взрывной операции диэлектрическую пластину помещают в отверстие в горной породе.

Системы с искровым зазором или с не взрывающимся проводом представлены О'Хара в патенте США N 3679007 с названием "Бурение породы ударной плазмой", выданном 25 июля 1972 г., который раскрывает зонд с искровым зазором для бурения глубоких скважин в земной породе для разведки воды или нефти. Зонд имеет центральный электрод, отделенный от окружающего его внешнего электрода, при этом оба электрода погружены в воду. Конденсатор или конденсаторный накопитель заряжают до потенциала в 6000 - 30000 В (в зависимости от состояния почвы), который поставляет электрическую энергию к электродам. Быстрое приложение электрической энергии к сопротивлению воды приводит к созданию огромного количества тепла для создания эффекта взрыва. Созданные в воде взрывные ударные волны проходят вниз и наружу и создают отверстие, в которое периодически опускается бур.

В патенте США N 4741405, выданном Моени и др. 3 мая 1988 г., имеющим название "Бур с фокусированным ударным искровым разрядом, использующим несколько электродов", раскрыт бур с разрядом в искровом зазоре для подземных проходок. Бур создает импульсы энергии от нескольких килоджоулей до 100 кДж или более, на поверхности скальной породы с частотой от 1 до 10 импульсов в секунду или более.

В патенте США N 5106164, выданном Китцингеру и др. 21 апреля 1992 г., имеющим название "Способ плазменного взрывания", раскрыт способ плазменного взрывания для разрушения скальных пород в практике проходки скальных пород и, в частности, способ, использующий очень быстрые и очень высокоэнергетические разряды между электродами, помещенными в электролит. Электрическую энергию с конденсаторного накопителя переключают для подачи 500 кА на взрывной электрод, размещенный в отверстии в поверхности скальной породы, что приводит к диэлектрическому пробою электролита, содержащего, предпочтительно, сульфат меди. Электролит может быть переведен в состояние геля с помощью бентонита или желатины для придания ему достаточной вязкости, так что он не вытекает из замкнутого пространства перед взрывом. Взрывное устройство имеет минимальную индуктивность и сопротивление для уменьшения потерь энергии и обеспечения быстрого разрыва энергии в горную породу.

В то время, как используемые до настоящего времени способы электрического взрывания, использующие простые искровые зазоры и взрывные провода, создают очень сильный электрический разряд накопленной в конденсаторах энергии посредством подачи тока в несколько сотен килоампер и предусматривают использование электролита, было бы желательно создать способ взрывания, работающий с более умеренными уровнями энергии. Кроме того, большинство известных высоковольтных способов использует передачу энергии с конденсатора к взрывному проводу или к искровому зазору относительно неэффективным образом. В результате неэффективной передачи энергии системы требуют относительно больших конденсаторных накопителей для приведения в действие либо взрывающегося провода, либо искрового зазора для получения заданного количества взрывной энергии.

С другой стороны, многие взрывные системы, использующие химические взрывчатые вещества, имеют значительные проблемы, связанные с безопасностью, из-за чувствительности обычных взрывчатых веществ. Многие взрывчатые вещества подвержены непреднамеренной детонации вследствие физического удара, случайных электрических разрядов и тяжелых окружающих условий (например, высоких температур). Кроме того, многие взрывные способы, которые используют химические взрывчатые вещества, могут приводить к образованию ядовитых сопутствующих продуктов и часто разрушают в порошок окружающую скальную породу, что может быть нежелательным в некоторых случаях. Таким образом, желательно создать способ разрушения скальных пород, при котором применяются в сильной мере не чувствительные и не ядовитые взрывчатые вещества, которые требуют лишь умеренного электрического инициирования или зажигания, используемого в электрических взрывных системах. Такая комбинация будет обеспечивать надежный, экономичный и эффективный способ взрывания, который связан с несколько более щадящим процессом разрушения, чем это имеет место при применении сильных взрывных зарядов.

Желательно также комбинировать относительно безопасные способы химического взрывания и/или способы электрического взрывания с механическим бурением, тем самым ускоряя процесс бурения/взрывания и делая возможным его автоматизацию. Большинство операций проходки твердых скальных пород включает как бурильные, так и взрывные операции, которые при правильной комбинации или интеграции исключают необходимость отвода механического оборудования от бурильного отверстия и введения отдельного взрывного зонда или взрывного заряда. Известны многие попытки комбинирования процессов бурения и взрывания в одном устройстве (см., например, патент США N 3679007, выданный О'Харе; патент США N 4471405, выданный Моени и др.; патент США N 3587766, выданный Падбергу младшему). Прежде всего из-за разрушительного характера многих способов химического взрывания ни в одной из этих систем не было достигнуто успешной комбинации способа химического взрывания с механическим бурением.

Настоящее изобретение отвечает указанным и другим требованиям благодаря созданию способа и устройства для взрывания твердых скальных пород с использованием в сильной степени не чувствительной горючей смеси, инициируемой электрическим разрядом с умеренно высоким уровнем энергии, который приводит к образованию быстро расширяющихся газов внутри замкнутого пространства, что приводит к растрескиванию и разлому твердых скальных пород. Настоящее изобретение использует зажигающее средство, которое находится полностью внутри горючей смеси для соединения электрической энергии и горючей смеси. Самостоятельное средство зажигания действует как средство для подачи электрической энергии в горючую смесь и как источник тепла для последующей экзотермической химической реакции. Кроме того, конструкция взрывного устройства такова, что она пригодна к повторному применению и обеспечивает простую интеграцию с механическим буровым оборудованием.

Согласно одной отличительной особенности изобретения взрывное устройство содержит многократно применяемый взрывной зонд в виде модуля коаксиального электрода, который включает в себя высоковольтный электрод и заземляемый электрод, разделенные изолирующей трубкой. Два электрода модуля коаксиального электрода находятся в электрическом контакте с непрерывным объемом в сильной степени не чувствительного, однако горючего материала, например, смеси металлического порошка и окислителя. Смесь металлического порошка и окислителя находится в кольцевом полом пространстве вблизи модуля коаксиального электрода. Высоковольтный электрод соединен с конденсаторным накопителем через высокоамперный выключатель.

Конфигурация взрывного зонда такова, что один из электродов образован проводящей оболочкой, расположенной на внешней поверхности изолирующей трубки вблизи заднего конца взрывного зонда. Второй электрод расположен внутри изолирующей трубки и выведен на удаленный конец изолирующей трубки, так что он находится в контакте со смесью металлического порошка и окислителя. Металлические частицы внутри смеси металлического порошка и окислителя образуют множество способных к плавлению путей между высоковольтным электродом и заземленным электродом при подключении электрического тока, поставляемого конденсаторным накопителем. Металлические пути действуют аналогично запальным элементам благодаря тому, что они создают электрическое сопротивление и позволяют подводить электрическую энергию от конденсаторного накопителя в горючую смесь, вызывая усиленное выделение тепла, которое инициирует экзотермическую реакцию металла и окислителя, создавая газы высокого давления, разрушающие окружающую горную породу.

Согласно другой отличительной особенности изобретения взрывное устройство интегрировано с обычным скальным буром, например, с роторным ударным скальным буром. Взрывное устройство содержит взрывной зонд многократного применения, представляющий собой, по существу, модуль коаксиального электрода, образованного металлической оболочкой, расположенной на части внешней поверхности изолирующей трубки или гильзы. Металлическая оболочка электрически соединена с конденсаторным накопителем через высокоамперный выключатель. Изолирующая трубка имеет размеры, позволяющие ей скользить над бурильным стержнем, при этом бурильный стержень действует как заземленный электрод. Конфигурация взрывного зонда многократного применения выбрана так, что при введении в пробуренное отверстие создается кольцевое полое пространство заданного объема. Это кольцевое полое пространство приспособлено для удерживания заданного объема подходящей рабочей среды. Подходящей рабочей средой является снова горючая смесь из металлического порошка и окислителя, расположенная внутри кольцевого полого пространства вблизи удаленного конца отверстия и непосредственно позади режущей кромки скального бура. Взрывной зонд готов к работе, когда кольцевое полое пространство заполнено горючей смесью или другой рабочей средой, а металлическая оболочка и бурильный стержень приведены с ней в электрический контакт.

При правильном использовании взрывное устройство, интегрированное со скальным буром, предпочтительным образом ускоряет выполнение операций бурения/взрывания благодаря тому, что оно не требует отвода бурильного оборудования от отверстия перед введением взрывного зонда. В частности, изолирующую трубку перемещают вверх по бурильному стержню из отверстия во время операции бурения. После завершения стадии бурения взрывной зонд вставляют в отверстие путем перемещения вдоль бурильного стержня. Смесь из металлического порошка и окислителя вводят в свежепросверленное отверстие через канал в бурильном стержне после размещения взрывного зонда или через отдельное сопло перед опусканием взрывного зонда в отверстие. Затем подводят высоковольтный импульс от конденсаторного накопителя к металлической оболочке взрывного зонда. Как уже указывалось выше, металлические частицы внутри смеси металлического порошка и окислителя создают множество способных к плавлению металлических путей между металлической оболочкой и бурильным стержнем под воздействием электрического тока, поставляемого конденсаторным накопителем через металлическую оболочку или высоковольтный электрод. Множество металлических путей действует аналогично запальным элементам так, что они создают достаточно высокое электрическое сопротивление и позволяют подводить электрическую энергию от конденсаторного накопителя в горючую смесь из металла и окислителя, вызывая усиленное выделение тепла, которое инициирует экзотермическую реакцию металла и окислителя, создавая газы высокого давления, разрушающего окружающую горную породу.

Важное преимущество настоящего изобретения достигается благодаря включению индуктивности между конденсаторным накопителем и высоковольтным электродом. За счет передачи электрического заряда с конденсаторного накопителя через индуктивность можно управлять скоростью измерения электрического тока, подаваемого в горючую смесь, состоящую из металла и окислителя, через высоковольтный электрод.

Другое преимущество настоящего изобретения достигается благодаря отсутствию отдельного запального элемента, например, взрывающегося провода, способного к взрыву проводника и т.п. Запальным средством для горючей смеси, состоящей из металла и окислителя, являются металлические частицы горючей смеси, которые, таким образом, полностью содержатся внутри горючей смеси. Преимуществом является то, что настоящее взрывное устройство не требует применения отдельного запального устройства или запального элемента для инициирования или зажигания энергетического материала, как это имеет место в некоторых аналогичных системах.

Особым признаком настоящего изобретения является наличие по выбору центрального канала для направления горючего материала во взрывное устройство, который позволяет на месте заполнять кольцевое полое пространство смесью из металлического порошка и окислителя. В качестве альтернативного решения можно использовать не проводящую наполнительную гильзу или другое подходящее средство для направления горючей смеси, состоящей из металлического порошка и окислителя, в кольцевое полое пространство вблизи модуля коаксиального электрода, когда необходимо, предпочтительно, предварительно зарядить горючую смесь, состоящую из металлического порошка и окислителя, перед установкой взрывного зонда на место взрыва.

Другой признак настоящего изобретения, который обеспечивает хорошую герметизацию последующего взрыва, заключается в выборе размеров модуля коаксиального электрода так, что внешний диаметр металлической оболочки лишь немного меньше диаметра взрываемого отверстия. Герметизация взрыва улучшается, кроме того, использованием деформируемого или расширяемого элемента, который расширяется радиально при сжатии. Этот деформируемый или расширяемый элемент может быть выполнен из эластомерного материала, например, полиуретана или силиконовой резины. Таким образом, когда модуль коаксиального электрода или взрывное устройство вводят во взрываемое отверстие, эластомерный элемент быстро расширяется радиально в сторону скальной породы, тем самым существенно препятствуя выходу газов высокого давления через буровое отверстие.

Изобретение предлагает также способ взрывания твердых скальных пород с использованием в сильной степени не чувствительной горючей смеси, поджигаемой электрическим разрядом с умеренно высокой энергией. Способ включает в себя: стадию (1) размещения заданного объема горючей смеси из металлического порошка и окислителя в контакте с двумя электродами, расположенными вблизи скальной породы, при этом горючая смесь имеет достаточно высокое содержание металла для образования множества запальных металлических путей между электродами; стадию (2) приложения умеренно высокого импульса электрического тока к объему горючей смеси; стадию (3) плавления множества способных к плавлению путей для образования резистивного дугового канала между электродами и внутри горючей смеси, создавая тем самым достаточно высокое электрическое сопротивление; и стадию (4) выделения достаточного количества тепла, созданного электрическим сопротивлением, в горючую смесь для инициирования экзотермической реакции горючей смеси с выделением быстро расширяющихся газов внутри ограниченного объема, приводящего к образованию трещин и разрушению твердой скальной породы.

Указанные выше и другие отличительные особенности, признаки и преимущества данного изобретения следуют из последующего детального описания с помощью чертежей, на которых изображено:
фиг. 1 - устройство для взрывания, содержащее электрический генератор, подводящие средства и взрывной зонд согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 - электрический взрывной зонд и подводящие средства по фиг. 1 в разрезе;
фиг. 3 - взрывной зонд по фиг. 1 и 2, расположенный в бурильном отверстии, в разрезе;
фиг. 4 - другой вариант выполнения взрывного зонда, расположенного в бурильном отверстии, в разрезе;
фиг. 5 - устройство для взрывания, интегрированное со скальным буром согласно настоящему изобретению;
фиг. 6 - часть устройства для взрывания, интегрированного со скальным буром, с отодвинутым взрывным зондом;
фиг. 7 - часть устройства для взрывания, интегрированного со скальным буром, с введением в пробуренное отверстие взрывным зондом;
фиг. 8 - взрывной зонд по фиг. 5, 6 и 7, в разрезе.

Одинаковыми позициями обозначены соответствующие компоненты нескольких вариантов выполнения, изображенных на чертежах.

Последующее описание является описанием предпочтительного варианта выполнения изобретения. Это описание не следует рассматривать в ограничительном смысле, оно предназначено лишь для описания основных принципов изобретения. Объем изобретения определяет формула изобретения.

На фиг. 1 показано устройство 10 для взрывания твердой скальной породы согласно настоящему изобретению. Устройство 10 содержит генератор 12 для подвода импульсов сильного тока, высоковольтной энергии к взрывному зонду 14 через высоковольтный проводник 44, проходящий внутри подводящего средства 13. Взрывной зонд 14 выполнен с возможностью размещения в скальной породе или в другой твердой структуре, подлежащей взрыванию. Генератор 12 содержит устройство накопления заряда или конденсаторный накопитель 16, источник высокого напряжения 18, средство переключения 20 и индуктивность 25.

В показанном примере выполнения конденсаторный накопитель 16 содержит только один конденсатор на 50 кДж емкостью 830 мкФ. Однако возможно также применение нескольких соединенных параллельно конденсаторов. Заземляющий проводник 32 соединяет заземляемую сторону конденсаторного накопителя 16 с потенциалом земли 33. Конденсаторный накопитель обеспечивает накопление умеренно высокого электрического заряда, который можно подавать через проводник 34 к взрывному зонду 14.

Генератор 12 содержит также обычный источник 18 электропитания для заряда конденсаторного накопителя 16. Источник питания соединен с конденсаторным накопителем 16 через проводник заземления 22 и проводник 24. На конденсаторный накопитель 16 подводят, предпочтительно, напряжение 10 кВ, что означает накопление, примерно, 40 кДж. Накопительный конденсатор 16 соединен с взрывным зондом 14 через переключатель, который представляет собой, предпочтительно, включаемый вакуумный искровой разрядник 20, который подходит для операций с умеренно высоким напряжением. Хотя в данном примере выполнения используют включаемый вакуумный искровой разрядник, можно использовать также любые другие переключатели для больших зарядов, включая искровые разрядники для больших зарядов, игнитрон, или даже мощные механические переключатели.

Генератор 12 содержит также индуктивность, которая в данном примере выполнения представляет собой распределенную индуктивность около 5 мкГн, показанную на фиг. 1 как индуктивность 25. Распределенная индуктивность принимает ток и замедляет скорость изменения тока, подаваемого в взрывной зонд 14. Кроме распределенной индуктивности (изображенной как элемент 25) генератор 12 имеет также очень незначительное распределенное сопротивление (показанное как элемент 27) и общую емкость в 830 мкФ, способную накапливать 40 кДж при напряжении 10 кВ.

На фиг. 2 и 3 показан взрывной зонд 14 многократного использования с трубкой 13. Взрывной зонд 14 укреплен на конце трубки 13, предпочтительно, проводящей трубки 50, и выступает аксиально из нее, так что взрывной зонд 14 и трубку 50 можно вводить в отверстие, просверленное в скальной поверхности. Взрывной зонд 14 содержит изолирующую трубку 40 с высоковольтным стальным электродом 42 на его удаленном конце 43, который соединен с конденсаторным накопителем генератора через высоковольтный проводник 44, проходящий внутри изолирующей трубки 40 и вдоль всей длины трубки 13. Высоковольтный проводник 44 представляет собой, предпочтительно, медный стержень диаметром 0,25 дюйма (6,35 мм) в каптоновой изоляции. Изолирующая трубка 40 представляет собой трубку диаметром 1,00 дюйм (25,4 мм) из фибергласа G-10. Стальная переходная заглушка 46 соединена резьбовым соединением с изолирующей трубкой 40 и служит заземляющим электродом. В показанном примере выполнения стальная переходная заглушка 46 напоминает соединитель с двухсторонней внутренней резьбой, при этом один конец 48 стальной переходной заглушки 46 предназначен для резьбового соединения с ближайшим концом 47 изолирующей трубки 40, а другой конец 49 стальной переходной заглушки предназначен для резьбового соединения с проводящей трубкой 50. Высоковольтный проводник 44 проходит аксиально через стальную переходную заглушку 46 и изолирован от нее.

Трубка 50 представляет собой, предпочтительно, стальную трубку, выполненную с возможностью соединения с переходной заглушкой 46 взрывного зонда 14 на одном конце 51 и с заземляющим кабелем 54 на другом конце 52. Заземляющий кабель 54 соединен с потенциалом земли 33. Трубка 50 имеет, предпочтительно, внешний диаметр 1,25 дюйма (30,6 мм) при внутреннем диаметре 0,375 дюйма (9,2 мм), изготовлена из закаленной хром-молибденовой стали и снабжена несколькими снабженными резьбой участками 55. Снабженные резьбой участки 55 стальной трубки 50 предназначены для соединения стальной трубки 50 с взрывным зондом 14 и/или с генератором. Высоковольтный проводник 44 проходит внутри стальной трубки 50 и соединен с высоковольтным кабелем 56, ведущим к конденсаторному накопителю внутри генератора 12.

Средства для соединения трубки с взрывным зондом и генератором 12 содержат кабельные буксы 57, 58, зажимные гайки 61, 62 и подходящий изолирующий держатель 64. Однако изобретение ни в коей степени не ограничено способом выполнения электрических соединений и могут использоваться любые подходящие средства электрического соединения. Кроме того, размеры взрывного зонда 14 и трубки 50 могут выбираться в соответствии с конкретными взрывными операциями, в которых они будут использованы. За счет выбора размеров взрывного зонда, при котором внешний диаметр переходной заглушки 46 лишь незначительно меньше диаметра взрывного отверстия, достигают хорошей герметизации производимого затем взрыва. Кроме того, общую длину взрывного зонда 14 выбирают, предпочтительно, в соответствии с объемом горючей смеси, используемым при последующем взрыве.

Трубка 50 содержит также дополнительное средство для герметизации последующего взрыва вблизи взрывного зонда 14 в виде расширяющейся радиально заглушки 66. В частности, эластомерная расширяющаяся заглушка 66 расположена на внешней поверхности трубки 50. Внешний диаметр эластомерной расширяющейся заглушки 66, предпочтительно, несколько меньше диаметра взрывного отверстия (т. е. имеет внешний диаметр 1,75 дюйма (42,88 мм)). Эластомерная расширяющаяся заглушка 66 выполнена с возможностью быстрого расширения в направлении скальной породы бурового отверстия при сжатии в аксиальном направлении. В данном примере выполнения расширяющаяся заглушка 66 жестко упирается в переходную заглушку 46 при приложении силы сжатия с помощью скользящей толкающей гильзы 67, прижимаемой в продольном направлении к расширяющейся заглушке 66 с помощью шестигранной прижимной гайки 68. Расширяющаяся заглушка 66 выполнена, предпочтительно, из эластомерного материала, например, из полиуретана или высокопрочной резины, и радиально расширяется наружу к поверхности скальной породы при перемещении шестигранной прижимной гайки 68 по резьбе вниз с перемещением толкающей гильзы 67.

Как более отчетливо показано на фиг. 3, задний конец 59 взрывного зонда 14 имеет переходную заглушку 46, соединенную резьбой с верхней поверхностью изолирующей трубки 40, и имеет внешний диаметр, несколько меньший, чем диаметр отверстия. Передняя часть 60 взрывного зонда 14 имеет внешний диаметр, равный внешнему диаметру изолирующей трубки 40. Из-за неравномерного диаметра взрывного зонда 14 образуется кольцевое полое пространство 70 вблизи передней части 60 взрывного зонда 14. Это полое пространство 70 предназначено для взрывчатого средства, которое, предпочтительно, является горючей смесью 72, состоящей из металлического порошка и окислителя. При горючей смеси 72, состоящей из металлического порошка и окислителя, в кольцевом полом пространстве 70 два электрода взрывного зонда 14 (высоковольтный электрод 42 на удаленном конце и переходная заглушка 46 на заднем конце) находятся в электрическом контакте с непрерывным объемом проводящей горючей смеси 72. Металлические частицы внутри горючей смеси, состоящей из металлического порошка и окислителя, образуют множество способных плавиться металлических путей между высоковольтным электродом 42 и заземленным электродом 46 под воздействием электрического тока от большого конденсаторного накопителя. Это множество металлических путей действует как запал для создания высокого электрического сопротивления для обеспечения переноса электрической энергии от конденсаторного накопителя в горючую смесь, состоящую из металлического порошка и окислителя, вызывая усиленное выделение тепла, которое инициирует экзотермическую реакцию горючей смеси, состоящей из металлического порошка и окислителя, создающую газы высокого давления, приводящие к растрескиванию окружающей скальной породы.

Горючая смесь 72 содержит, предпочтительно, металл или гидрид металла в комбинации с окислителем. В частности, реактивным средством является алюминий, суспендированный особым способом в воде, содержащей гелеобразующую добавку для предотвращения оседания алюминия. Например, смесь из 50% воды, 50% алюминиевого порошка со средним диаметром частиц около 5 мкм, и небольшого количества (т.е. 1%) гелеобразующей добавки, например желатина Нокса, является подходящей горючей смесью для использования в настоящем устройстве для взрывания. В качестве альтернативного решения могут применяться в горючей смеси согласно изобретению порошки других металлов, включая, но не ограничиваясь ими, титан, цирконий, или магний, отдельно или в комбинации с алюминием, которые реагируют экзотермически с водой с выделением быстро расширяющегося газа.

Предпочтительная горючая смесь, состоящая из алюминиевого порошка и окислителя, зажигается при температуре 700 - 1200^oC, что достигается созданием достаточно высокого электрического сопротивления внутри горючей смеси. Высокое сопротивление может быть создано внутри горючей смеси без использования внешнего запала, если имеется достаточно высокая концентрация металлических частиц в горючей смеси, образующих множество металлических цепочек или путей между высоковольтным электродом и заземленным электродом. Умеренно высокий импульс тока, приложенный затем к горючей смеси, вызывает плавление цепочек или путей, создавая канал резистивной дуги, которая, в свою очередь, приводит к повышенному выделению тепла, достаточному для инициирования экзотермической реакции металла и окислителя.

Преимуществом настоящего устройства для взрывания является то, что оно требует лишь умеренно большого количества электрической энергии в течение нескольких миллисекунд для инициирования взрыва. Таким образом, энергия, высвобождающаяся при химической реакции горючей смеси, состоящей из металлического порошка и окислителя, приводит к взрыву, который более похож на контролируемый процесс сгорания реактивного вещества, чем на детонацию высокоэнергетического взрывчатого вещества. Предпочтительное количество электрической энергии, необходимое для инициирования указанного выше последствия, составляет, предпочтительно, 5 - 15%, и наиболее предпочтительно, 5 - 10% от конечной энергии, выделяемой при последующей химической реакции между металлом и окислителем. Например, при применении горючей смеси из металлического порошка и окислителя настоящее взрывное устройство требует лишь 0,7 - 2,1 кДж электрической энергии на 1 грамм алюминиевого порошка. Для кольцевого полого пространства длиной 10 см, содержащего примерно 40 кубических сантиметров горючей смеси из алюминиевого порошка и воды, успешное зажигание смеси и разрушение скальной породы проводят с энергией конденсатора, равной только 40 кДж при рабочем напряжении 10 кВ.

На фиг. 4 показан другой пример выполнения взрывного зонда 14. Этот пригодный для многократного применения взрывной зонд 14 работает по принципу коаксиального электрода и включает в себя центрально расположенный высоковольтный электрод 42, проходящий внутри изолирующей трубки 40. Изолирующая трубка 40 имеет открытый ближний конец 47 и открытый удаленный конец 43 вблизи передней части взрывного зонда 14. Центрально расположенный высоковольтный электрод 42 выходит за дальний конец 43 изолирующей трубки 40 и имеет фланцевое окончание 74, образующее выступ или плечо 75, в которое упирается изолирующая трубка 40. Внешний диаметр фланцевого окончания 74 центрально расположенного высоковольтного электрода 42, предпочтительно, незначительно меньше диаметра отверстия, в которое введен взрывной зонд 14.

Заземленный электрод имеет форму металлической оболочки 46, расположенной на внешней поверхности изолирующей трубки вблизи задней части 59 взрывного зонда 14. Задняя часть 59 взрывного зонда 14 имеет такие размеры, что остается лишь небольшой зазор между внешней поверхностью металлической оболочки 46 и поверхностью скальной породы внутри отверстия. Передняя часть 60 взрывного зонда имеет меньший диаметр, чем задняя часть 59, так что образуется кольцевое полое пространство 70, пригодное для размещения соответствующей горючей смеси 72 для производства взрыва. Передняя часть 60 взрывного зонда 14 имеет, предпочтительно, диаметр, величина которого лежит между величиной диаметра отверстия и величиной внешнего диаметра центрально расположенного электрода 42. Передняя часть 60 взрывного зонда 14 имеет также заданную длину, что создает кольцевое полое пространство 70 заданного объема при размещении взрывного зонда 14 внутри пробуренного отверстия.

Как заземленный электрод 46, так и высоковольтный электрод 42 находятся в контакте с кольцевым полым пространством 70, так что при заполнении кольцевого полого пространства 70 проводящей горючей смесью 72 контур замыкается. В показанном примере выполнения фланцевое окончание центрально расположенного высоковольтного электрода 42 остается в контакте с проводящей горючей смесью 72, находящейсяя в кольцевом полом пространстве 70. Дополнительным признаком показанного примера выполнения является наличие в устройстве 10 для взрывания центрального канала 80 для подачи горючей смеси, который позволяет на месте производить заполнение кольцевого полого пространства 70 горючей смесью 72, состоящей из металлического порошка и окислителя. Для размещения центрального канала 80 для подачи горючей смеси центрально расположенный высоковольтный электрод 42 должен иметь достаточно большой диаметр для выполнения двойной задачи транспортировки горючей смеси 72 к месту взрыва и подачи высокоамперного импульса для инициирования взрыва.

Если заполнение на месте кольцевого полого пространства невозможно, то соответствующий объем горючей смеси вводят в отверстие до введения настоящего взрывного устройства. Можно также предположить, что специалист может сконструировать непроводящую фиксирующую гильзу или другое подходящее средство для фиксации горючей смеси, состоящей из металлического порошка и окислителя, в кольцевом полом пространстве вблизи взрывного зонда, если предпочтительным является предварительная зарядка горючей смесью, состоящей из металлического порошка и окислителя, перед установкой взрывного зонда на месте взрыва.

На фиг. 5 - 8 показан вариант выполнения изобретения, в котором взрывное устройство интегрировано с обычным буром для скальных пород. Как показано на фиг. 5, взрывное устройство, содержащее генератор 12 и взрывной зонд 14 многократного использования, соединено с роторным ударным скальным буром 15. Пригодный для многократного применения взрывной зонд 14 представляет собой, по существу, модуль коаксиального электрода, образованный металлической оболочкой 46, расположенной на части внешней поверхности изолирующей трубки 40 или гильзы. Металлическая оболочка 46 электрически соединена с конденсаторным накопителем 16 в генераторе 12 через высокоамперный выключатель 40. Изолирующая трубка 40 имеет такие размеры, что она может перемещаться вдоль бурильного стержня 42 между положением бурения (см. фиг. 6) и положением взрывания (см. фиг. 7), при этом бурильный стержень 42 выполняет роль заземленного электрода.

Как и в ранее описанном варианте выполнения, генератор 12 содержит обычный источник электропитания 18 для заряда конденсаторного накопителя 16, который содержит один конденсатор 30 на 50 кДж, соединенный с взрывным зондом 14. Генератор 12 содержит также индуктивное средство, содержащее распределенную индуктивность, изображенную на фиг. 5 как катушка 25. Распределенная индуктивность пропускает ток и снижает скорость изменения тока, подаваемого к взрывному зонду 14. Другие элементы генератора описаны выше и повторение их описания здесь не приводится.

Как показано на фиг. 6, взрывной зонд 14 во время бурения отведен вверх по буровому стержню 42 от отверстия. После завершения фазы бурения взрывной зонд 14 вводят в отверстие посредством опускания вдоль бурильного стержня 42, как показано на фиг. 7. Можно использовать гидравлический или пневматический цилиндр 19 для перемещения взрывного зонда 14. Затем вводят горючую смесь, состоящую из металлического порошка и окислителя, в свежепробуренное отверстие через канал 80 в бурильном стержне 42 после расположения взрывного зонда 14, или она может быть подана через отдельную форсунку перед опусканием взрывного зонда в отверстие.

Как показано на фиг. 8, размеры и конфигурация пригодного для многократного применения взрывного зонда 14 выбраны, в частности, так, чтобы при опускании его в отверстие создавать кольцевое полое пространство 70 заданного объема. Задняя часть 59 взрывного зонда 14 имеет металлическую оболочку 46, расположенную на внешней поверхности изолирующей трубки 40, и имеет, предпочтительно, несколько меньший диаметр, чем диаметр отверстия. Передняя часть взрывного зонда 14 имеет внешний диаметр несколько меньший, чем диаметр задней части 59, создавая тем самым кольцевое полое пространство 70 вблизи передней секции 60 взрывного зонда 14. Это кольцевое полое пространство 70 рассчитано на размещение заданного объема подходящей рабочей среды, предпочтительно, горючей смеси 72, состоящей из металлического порошка и окислителя, и наиболее предпочтительно, из алюминиевого порошка и воды, содержащей гелеобразующую добавку для предотвращения оседания алюминиевых частиц. Горючую смесь 72 размещают в этом кольцевом полом пространстве 70 вблизи дна отверстия и сразу за режущей кромкой скального бура. Взрывной зонд 14 становится активным после заполнения в основном кольцевого полого пространства 70 горючей смесью 72 и вхождения в контакт с ней металлической оболочки 46 и бурильного стержня 42.

При полном опускании взрывной зонд 14 упирается в заднюю часть режущей кромки. Для обеспечения хорошей герметизации последующего взрыва изолирующую трубку 40 или, по меньшей мере, ее заднюю часть 81 выполняют из эластомерного материала, например, полиуретана или силиконовой резины, так что она деформируется и/или расширяется с образованием уплотнения радиально в сторону скальной породы в пробуренном отверстии при вдавливании в отверстие или при сжатии другим способом. Кроме того, металлическая оболочка 46 на заднем конце 59 взрывного зонда 14 может иметь один или несколько продольных разрезов для обеспечения радиального расширения.

При подаче импульса тока с генератора на металлическую оболочку взрывного зонда металлические частицы внутри горючей смеси, состоящей из металлического порошка и окислителя, сплавляются вместе, образуя канал резистивной дуги между металлической оболочкой и бурильным стержнем. При увеличении подаваемого на электроды напряжения канал резистивной дуги создает увеличивающееся электрическое сопротивление, приводя к повышенному выделению тепла, что инициирует экзотермическую реакцию металла и окислителя, это приводит к созданию газов с высоким давлением внутри отверстия и к образованию трещин в окружающей скальной породе. Затем взрывной зонд отводят вверх по бурильному стержню и можно продолжать операцию бурения.

Таким образом очевидно, что настоящее изобретение предлагает простой и надежный способ и устройство для взрывания твердых скальных пород с использованием в высокой степени не чувствительной горючей смеси, состоящей из металлического порошка и окислителя, воспламеняемой электрическим разрядом с умеренно высокой энергией. Кроме того, способ взрывания и применяемое устройство таковы, что их можно просто интегрировать с обычным скальным буром.

Настоящее изобретение и его преимущества следуют из предшествующего описания и понятно, что возможны различные модификации и вариации без отхода от идеи и объема изобретения или отказа от всех его преимуществ, при этом описанные выше варианты выполнения являются только примерами. Например, в то время как в выше описанном взрывном устройстве, интегрированном с обычным скальным буром, используют модуль коаксиального электрода и горючую смесь из металла и окислителя для производства взрыва, можно использовать другие рабочие среды, инертные или летучие, вместе с подвижным модулем коаксиального электрода, по существу, как описано выше.

В целом не предполагается ограничение объема изобретения отдельными вариантами выполнения, показанными и описанными выше. Наоборот, предполагается, что объем изобретения определяется приложенной формулой изобретения или ее эквивалентом.

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к способу и устройству для взрывания твердых скальных пород с использованием в высокой степени нечувствительного энергетического материала, зажигаемого с помощью электрического разряда с умеренно высокой энергией, что приводит к растрескиванию и разрушению скальной породы. Взрывное устройство содержит многократно применяемый взрывной зонд, включающий в себя высоковольтный электрод и заземленный электрод, разделенные изолирующей трубкой. Два электрода взрывного зонда находятся в электрическом контакте с непрерывным объемом в высокой степени нечувствительного, однако горючего материала, например, смеси металлического порошка и окислителя. Металлические частицы внутри смеси из металлического порошка и окислителя создают множество способных к плавлению металлических путей между высоковольтным электродом и заземленным электродом под воздействием электрического тока, поставляемого большим конденсаторным накопителем через высоковольтный электрод. Множество металлических путей действуют аналогично запальному элементу, создавая достаточно высокое электрическое сопротивление и подводя электрическую энергию от конденсаторного накопителя в горючую смесь из металлического порошка и окислителя, вызывая усиленное выделение тепла, которое инициирует экзотермическую реакцию металлического порошка и окислителя, создавая газы высокого давления, приводящие к растрескиванию окружающей горной породы. Изобретение позволит повысить эффективность и безопасность проведения работ по разрушению горной породы. 2 с. и 14 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Устройство (10) для взрывания твердых пород, содержащее конденсатор (16) для накопления электрической энергии, отличающееся тем, что устройство снабжено взрывным зондом (14), содержащим высоковольтный электрод (44) и заземленный электрод (46), разделенные изолирующей трубкой (40), при этом высоковольтный электрод выполнен с возможностью соединения с помощью переключателя с конденсатором, причем высоковольтный электрод и заземленный электрод находятся в контакте с горячей смесью (72), состоящей из металлического порошка и окислителя, а металлические частицы горючей смеси образуют множество способных к плавлению путей между высоковольтным электродом (44) и заземленным электродом (46) под воздействием электрического тока, поставляемого конденсатором (16) через высоковольтный электрод, при этом расплавляемые металлические пути создают достаточно высокое электрическое сопротивление, позволяя подводить электрическую энергию от конденсатора (16) в горючую смесь, вызывая усиленное выделение тепла, достаточное для инициирования экзотермической реакции горючей смеси (72), и создавая газы с высоким давлением внутри заданного объема, которые совершают взрыв. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что предусмотрена индуктивность (25), соединенная с конденсатором (16) для приема заряда, поставляемого конденсатором, и для управления скоростью изменения электрического тока, подаваемого через электрод в горючую смесь (72), состоящую из металлического порошка и окислителя. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что взрывной зонд содержит металлическую оболочку на внешней поверхности изолирующей трубки вблизи заднего конца взрывного зонда, которая образует один из электродов (46), а также другой электрод, расположенный внутри изолирующей трубки (40) и выходящий за удаленный конец (43) изолирующей трубки для контакта с горючей смесью (72). 4. Устройство по одному по пп. 1-3, отличающееся тем, что на внешней поверхности изолирующей трубки (40) предусмотрено кольцевое полое пространство (70), в котором размещена горючая смесь (72). 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что имеется средство (80) для заполнения кольцевого полого пространства горючей смесью. 6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно содержит непроводящую гильзу для удержания горючей смеси внутри кольцевого полого пространства. 7. Устройство по одному из пп. 1-6, отличающееся тем, что горючая смесь (72), состоящая из металлического порошка и окислителя, содержит алюминиевые частицы, взвешенные гелеобразующей добавкой в воде. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что горючая смесь, состоящая из металлического порошка и окислителя, содержит смесь из 50% воды, 50% алюминиевого порошка и небольшого количества гелеобразующей добавки. 9. Устройство по одному по пп. 1-8, отличающееся тем, что имеется средство для герметизации взрыва в заданном пространстве. 10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что средство для герметизации взрыва в заданном пространстве содержит эластомерный, способный к расширению эластомер, выполненный с возможностью герметичной изоляции взрывного зонда, для предотвращения, по существу, выхода газов высокого давления через взрывное отверстие. 11. Устройство по одному из пп. 1-10, отличающееся тем, что оно снабжено скальным буром (15), имеющим удлиненный бурильный стержень (42), в котором изолирующая трубка (40) выполнена с возможностью перемещения вдоль удлиненного бурильного стержня (42) между положением бурения, обеспечивающим проведение бурения без помех со стороны изолирующий трубки, и положением взрывания, при этом высоковольтный электрод или заземленный электрод содержит металлическую оболочку, расположенную на внешней поверхности изолирующей трубки, а металлическая оболочка соединена с возможностью переключения с конденсатором. 12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что предусмотрено средство для селективного перемещения изолирующей трубки (40) между положением бурения и положением взрыва. 13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что изолирующая трубка в положении взрыва образует кольцевое полое пространство на внешней поверхности изолирующей трубки. 14. Способ для взрывания твердых скальных пород с помощью взрывного устройства, отличающийся тем, что заданный объем горючей смеси (72), состоящей из металлического порошка и окислителя, размещают вблизи скальной породы в контакте с двумя электродами (42, 46), при этом горючая смесь имеет достаточно высокое содержание металла для образования множества способных к плавлению металлических путей между электродами, прикладывают умеренно высокий импульс электрического тока к объему горючей смеси, при этом происходит плавление множества способных к плавлению путей для образования резистивного дугового канала между электродами внутри горючей смеси, и расплавленные металлические пути имеют достаточно высокое электрическое сопротивление, а также выделение достаточного количества тепла из резистивной дуги в горючую смесь для создания быстро расширяющегося газа, приводящего к образованию трещин и разрушению твердой скальной породы. 15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что приложение электрического разряда с умеренно высокой энергией к объему горючей смеси, состоящей из металлического порошка и окислителя, содержит далее подведение заданного количества электрический энергии к объему горючей смеси, при этом заданное количество электрической энергии составляет 5-15% энергии, выделяемой при последующей экзотермической реакции. 16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что этап приложения умеренно высокого импульса электрического тока к объему горючей смеси из металлического порошка и окислителя включает подачу заданного количества электрической энергии к объему горючей смеси, при этом заданное количество электрической энергии составляет около 10% от энергии, высвобожденной при последующей экзотермической реакции.