СПОСОБ ВЗРЫВНОГО ДРОБЛЕНИЯ ГРУНТОВ НА ВЫБРОС ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ, ЗАРЯДНАЯ КАМЕРА И УДЛИНЕННЫЙ ДЕТОНИРУЮЩИЙ ЗАРЯД (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Российский патент 2001 года по МПК F42D1/00 F42B3/00 F42B3/87 E21C37/00 

Изобретение относится к взрывным работам специального назначения с использованием деформируемого подрывного заряда в оболочке и может быть использовано при выводе из грунта спасаемого объекта в ограниченный период времени.

Известен способ взрывного дробления грунтов на выброс, при котором в грунт помещают удлиненный детонирующий заряд, устанавливаемый, в свою очередь, в зарядную камеру с воздушными промежутками по периметру и высоте, и инициируют его (см. , например, описание к авторскому свидетельству СССР N 148741 за 1958 г. по кл. F 42 D 3/00).

Технические возможности известного способа по смягчению силы динамического удара для дробления грунта определяются параметрами размещения удлиненного детонирующего заряда в зарядной камере. Но этого становится недостаточно, когда из грунта (по прошествии определенного временного промежутка) нужно вывести спасаемый объект с исключением деформирования его внешней поверхности давлением детонационной и взрывной волн.

Известна зарядная камера для реализации указанного способа, выполненная в виде емкости (см., например, указанный выше источник информации).

Известная зарядная камера обладает теми же недостатками, что указаны выше.

Известен удлиненный детонирующий заряд, содержащий помещенное в оболочку взрывчатое вещество в виде нитросоединения (см., например, описание к авторскому свидетельству СССР N 205767 за 1966 г по кл. F 42 B 3/02).

Оболочка известного удлиненного детонирующего заряда выполнена из материала, не влияющего на кислородный баланс взрывчатого вещества, но снижающего скорость детонации, что приводит к увеличению диаметра заряда.

При разработке предлагаемых изобретений решалась задача взрывного дробления грунтов для выведения из них спасаемого объекта в ограниченный период времени с исключением деформирования внешней поверхности объекта давлением детонационной и взрывной волн.

Поставленная задача решена тем, что в известном способе взрывного дробления грунтов на выброс, при котором в грунт помещают удлиненный детонирующий заряд, устанавливаемый, в свою очередь, в зарядную камеру с воздушными промежутками по периметру и высоте и инициируют его, согласно изобретению удлиненный детонирующий заряд помещают в зарядную камеру, выполненную в форме кольца, которую размещают в грунте над спасаемым объектом ее наибольшей осью перпендикулярно земной вертикали на расстоянии от спасаемого объекта, определяемом по зависимости

где f - коэффициент крепости грунта, равный 2 - 4,
D - наибольший наружный габарит спасаемого объекта в мм,
H - глубина установки в грунте спасаемого объекта, в мм,
D₃ - диаметр зарядной камеры по ее внутренней поверхности в мм, выбираемый в пределах 0,75 - 1,25 наибольшего наружного габарита спасаемого объекта,
соединяют зарядную камеру и спасаемый объект электрической связью и выводят (извлекают) спасаемый объект из грунта с временной задержкой равной (10 - 350) x 10^-3 с от времени инициирования удлиненного детонирующего заряда.

В известной зарядной камере для реализации способа, выполненной в виде емкости, согласно изобретению емкость выполнена в виде герметичного корпуса в форме кольца, а в качестве материала корпуса использован сплав на основе железа, при этом на корпусе выполнен узел приема электрической связи, в котором крепятся детонатор с газоводной втулкой.

Удобно, если поперечное сечение корпуса выполнено в форме квадрата.

Надежно, если узел приема электрической связи выполнен в виде прилива с резьбовым отверстием, размещенного на донной части корпуса.

Поставленная задача решается еще и тем, что, в известном удлиненном детонирующем заряде для реализации способа, содержащем помещенное в оболочку взрывчатое вещество в виде нитросоединения, согласно изобретению в нем использовано нитросоединение с недостаточным кислородным балансом в пределах 20-48% и оно размещено в алюминиевой оболочке, выполненной в виде разомкнутого тора.

В известном удлиненном детонирующем заряде для реализации способа, содержащем помещенное в оболочку взрывчатое вещество в виде нитросоединения, согласно изобретению в нем использовано нитросоединение с недостаточным кислородным балансом в пределах 20-48% и оно размещено в алюминиевой оболочке, выполненой в виде спирали.

Надежно, если спираль выполнена цилиндрической и содержит два витка.

Эффективно, если спираль выполнена конической и содержит три витка.

Совокупность отличительных признаков решения заявителю неизвестна, что является доказательством новизны предложения, а каждый из признаков указанной совокупности со всей очевидностью не следует из уровня техники, что является доказательством наличия изобретательского уровня в предложении. При этом авторы подчеркивают наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемых изобретений и достигаемым техническим результатом.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показано размещение в грунте спасаемого объекта и зарядной камеры с удлиненным детонирующим зарядом с обозначениями их геометрических параметров и глубины залегания. На фиг. 2 представлена условная схема детонационной волны от удлиненного детонирующего заряда с грунтом и спасаемым объектом. На фиг. 3 показано действие взрывной волны на первично раздробленный грунт и спасаемый объект. На фиг. 4 показан вариант выполнения удлиненного детонирующего заряда в виде конической спирали из трех витков и его размещение в зарядной камере. На фиг. 5 показан вариант выполнения удлиненного детонирующего заряда в виде цилиндрической спирали из двух витков, размещенных в зарядной камере. На фиг. 6 представлен удлиненный детонирующий заряд, выполненный в виде разомкнутого тора, и размещенный в зарядной камере, оснащенной узлом приема электрической связи и детонатором. На фиг. 7 представлен удлиненный детонирующий заряд, выполненный в виде разомкнутого тора. На фиг. 8 показано сечение удлиненного детонирующего заряда поперек его продольной оси. На фиг. 9 показан момент выхода спасаемого объекта из грунта.

Поскольку Российская Федерация занимает по широте и долготе достаточно обширную территорию, ее грунты представлены в широком многообразии, начиная от песков и рыхлых торфяников до скальных пород и мерзлой глины с включениями. Последние грунты являются наиболее прочными, трудно поддающимися обработке, в том числе взрывом. Разработано множество классификаций грунтов с оценкой прочностных и деформационных свойств различными показателями.

Наиболее широко применяют в геологии и горном деле классификацию грунтов по крепости (f), разработанную М.М. Протодьяконовым. Крепость грунтов он оценивает коэффициентом, определяемым как сотая доля временного сопротивления пород одноосному сжатию.

Так для мягких сланцев, очень мягкого известняка, мела, каменной соли, гипса, разрушенного песчаника коэффициент крепости (f) имеет значение, равное 2,0. Значение коэффициента крепости для плотного мегреля составит 3,0, а для крепкого глинистого сланца, каменистого грунта, мерзлой глины с включениями гальки, скальных осколков или валунов коэффициент крепости составит значение, равное 4,0 (см. , например, Драговейко И.З. Разрушение мерзлых грунтов взрывом. - М.: Недра, 1981 г.). С учетом крепости грунта, глубины заложения спасаемого объекта и его габаритов, выбираются конструктивные параметры зарядной камеры, удлиненного детонирующего заряда и условия осуществления способа взрывного дробления грунта на выброс для извлечения объектов.

В общем виде способ осуществляется следующим образом.

Спасаемый объект 1 установлен в грунте на глубине H от поверхности, с продольной осью, совпадающей с земной вертикалью. На высоте H_p от него располагается удлиненный детонирующий заряд 2, размещенный в зарядной камере 3, выполненной в форме кольца с воздушными промежутками по периметру и высоте, наибольшей осью кольцевая зарядная камера перпендикулярна земной вертикали. Расстояние H_p определяется по зависимости

Соединяют зарядную камеру и спасаемый объект электрической связью, герметизируют зарядную камеру, инициируют удлиненный детонирующий заряд, а спасаемый объект выводят из грунта с временной задержкой равной (10-350) x 10^-3 с от момента инициирования удлиненного детонирующего заряда. Электрическая связь выполняется обычным путем, а спасаемый объект (приборный блок, функциональная аппаратура) оснащается реактивным двигателем, например, по патенту RU N 2121652. Задержка от момента инициирования удлиненного детонирующего заряда до начала извлечения спасаемого объекта (включения реактивного двигателя спасаемого объекта) необходима для исключения повреждения спасаемого объекта и обеспечивается существующими релейными устройствами или штатным полигонным пультом с временными задержками.

Продукты взрыва удлиненного детонирующего заряда доокисляются кислородом атмосферы. Детонирующей волной взрыва взламывается грунт, а взрывной волной грунт дробится и выбрасывается. При доокислении продуктов взрыва осуществляется дополнительное рыхление грунта на фракции, не способные причинить существенный вред спасаемому объекту (см. фиг. 2 и 3). Форма выполнения зарядной камеры имеет существенное значение для решения поставленной задачи. Сосредоточение заряда (проверялось экспериментом) не давало желаемого результата, так как при таком взрыве детонационная волна имеет иной характер и не получается необходимое сочетание форм действия взрыва, заключающееся в сильном дроблении, измельчении, выбросе грунта с образованием воронки, усилении воздушной волны взрыва. При взрыве сосредоточенного заряда, запас которого достаточен для преодоления сопротивления грунта, образуется воронка с вершиной в центре заряда. Воронка получается несиметричной, спасаемый объект либо деформирован, либо сорвана попытка его вывода из грунта (см. также Дермидюк Г. П. , Дубнов Л.В. Стоянов В.В. и др. Техника и технология взрывных работ на рудниках. - М.: Недра, 1978 г.).

Сделать полезными несколько форм действия взрыва одновременно помогают предлагаемые технические решения.

Известные взрывчатые вещества представляют собой нитросоединения. К ним можно отнести тринитротолуол (тротил с температурой плавления 80^oC и плотностью 1,66 г/см³), циклотриметилентрицитратин (гексоген с температурой плавления 202^oC и плотностью 1,82 г/см³), применяемые в различных видах взрывных работ.

Продуктами взрыва нитросоединения являются азот, вода, углекислый газ, окись углерода, водород. При избытке кислорода во взрывчатом веществе, например у глицерина тринитрата, продукты взрыва содержат свободный кислород, а окись углерода и водород практически отсутствуют. При сильном недостатке кислорода во взрывчатом веществе (тринитротолуол) в продуктах взрыва появляется свободный углерод в виде сажи, а количество окиси углерода и водорода увеличивается за счет уменьшения количества углекислого газа и воды. Продукты взрыва в этом случае содержат горючие газы, способные бурно реагировать с кислородом воздуха с выделением значительного количества энергии. Этот эффект усиливает воздушную волну взрыва, недостаточную для повреждения конструкции спасаемого объекта, но способную дополнительно более равномерно размельчить и выбросить фрагменты взломанного грунта. (См., например, Миндели Э.О. Разрушение горных пород. - М.: Недра, 1975 г.). Поэтому кислородный баланс взрывчатого вещества должен находиться в пределах от 20 до 48%. В данном предложении рекомендуется использовать взрывчатое вещество именно с недостаточным содержанием кислорода, например октоген, имеющий кислородный баланс 21,6%, диэтиленгликольдинитрат с кислородным балансом 40,8% или тетрил с кислородным балансом 47,4% (см., например, Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. Теория детонации. - М., 1955 г.).

Что касается выбора размера внутреннего диаметра зарядной камеры, то пределы этого выбора определены экспериментально с учетом решения поставленной задачи. При выходе за указанный диаметр наблюдалось резкое снижение эффекта по влиянию на спасаемый объект.

Зарядная камера 3 выполнена следующим образом.

По форме зарядная камера представляет собой кольцо, а его сечение поперек осевой линии тела лучше выполнять в форме квадрата. Корпус зарядной камеры изготавливается из сплава на основе железа (сталь, чугун) с учетом свойств дробимости материала. Зарядная камера после снаряжения герметизируется с учетом срока пребывания в грунте. С учетом крепости грунта в зарядную камеру помещают один виток удлиненного детонирующего заряда 5 (см. фиг. 6), выполненный в виде разомкнутого тора (см. фиг. 7), два витка удлиненного детонирующего заряда 5, свернутого в цилиндрическую спираль (см. фиг. 5), или три витка удлиненного детонирующего заряда 5, свернутые в коническую спираль (см. фиг. 4). Витки удлиненного детонирующего заряда устанавливаются в зарядной камере с воздушными промежутками, повышающими эффективность действия заряда. Взрывчатое вещество 6 удлиненного детонирующего заряда в виде нитросоединения (выбирается с учетом свойств грунта) заключено в алюминиевую оболочку 7, позволяющую придать заряду форму тора или свернуть его в спираль (цилиндрическую или коническую). Открытые торцы взрывчатого вещества закрываются колпачками 8. Выбор материала оболочки обусловлен условиями обеспечения высокой скорости детонации удлиненного детонирующего заряда и технологичностью его производства. Инициирование удлиненного детонирующего заряда осуществляется электродетонатором 9 с газоводной втулкой 10, устанавливаемом в узле приема электрической связи 11, выполненной в виде прилива с резьбовым отверстием на донной части зарядной камеры. Детонатор на чертежах показан условно.

Для отработки способа взрывного дробления грунтов на выброс брался спасаемый объект с наибольшим наружным габаритом 650 мм, устанавливался в грунт (глина) на глубине H = 1500 мм и находился в грунте в условиях температурного режима средней полосы России в период декабрь 1997 - март 1998 года. На высоте H_p от спасаемого объекта, равной 1000 мм, была установлена кольцевая зарядная камера, выполненная из снарядной стали, внутренний диаметр которой составил 530 мм (величины рассчитаны по предлагаемой зависимости). Зарядную камеру оснастили тремя витками удлиненного детонирующего заряда, свернутого в коническую спираль. Взрывчатым веществом служил рекомендованный выше октоген. На открытых торцах заряда были установлены колпачки. Между зарядом, торцами заряда и стендами зарядной камеры оставлены воздушные промежутки. Зарядная камера устанавливалась перпендикулярно земной вертикали ее наибольшей осью, т.е. горизонтально. В узел приема вворачивалась газоводная втулка, скрепленная с детонатором. Навеска детонатора (на чертеже не показана) выбиралась из условия разрушения оболочки удлиненного детонирующего заряда толщиной 1 мм, выполненной из алюминия. Зарядная камера соединялась со спасаемым объектом электрической связью и герметизировалась.

Электрическая связь необходима для передачи команды на временную задержку, с которой производится вывод спасаемого объекта из грунта. Пределы задержки проверялись экспериментально и составили (10 - 350)• 10^-3 с с учетом времени протекания процесса и действующих силовых факторов. Управление процессом может вестись дистанционно. При засыпке установленного комплекса в глину добавлена галька в объеме 10%. Испытывался сезонно-мерзлый грунт, коэффициент крепости которого составил 4,0.

По команде оператора был инициирован удлиненный детонирующий заряд, помещенный в кольцевую зарядную камеру. Навеска детонатора обеспечила форс пламени, направленный по газоводной втулке на оболочку удлиненного детонирующего заряда. Под его воздействием оболочка разрушилась и срабатывал удлиненный детонирующий заряд.

Толщины материалов оболочки удлиненного детонирующего заряда и зарядной камеры выполнены с учетом их дробимости на осколки, не способные оказать влияние на спасаемый объект. А вот форма выполнения зарядной камеры и кислородный баланс взрывчатого вещества (октоген, 21,6%) имеют особое значение для достижения цели. Обеспечивают необходимую форму и глубину воронки и доводят взломанный грунт до мелких фракций путем доокисления продуктов взрыва с выделением необходимой для этого энергии.

Работа факторов взрыва была представлена выше.

Электрическая линия связи передала команду на вывод спасаемого объекта из грунта. С задержкой, равной 0,20 с, на спасаемом объекте срабатывает узел, предназначенный для его подъема (на чертежах не показан). К этому моменту вес препятствия перед спасаемым объектом устранены и его вывод осуществляется с подъемом массы дробленого грунта.

Предлагаемый комплекс изобретений обеспечивает надежный и безопасный вывод спасаемого объекта из любого грунта, имеющегося на земном шаре.

Для заявленных изобретений, в том виде как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы, подтверждается возможность их осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета методов и средств.

В свою очередь заявленные изобретения при их осуществлении способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем результата. Следовательно, они соответствуют критерию "промышленная применимость".

Изобретение относится к взрывным работам и может быть использовано для вывода из грунта спасаемого объекта. Сущность способа взрывного дробления грунтов на выброс для извлечения объектов заключается в следующем. В грунт помещают удлиненный детонирующий заряд, устанавливаемый в зарядную камеру, выполненную в форме кольца, с воздушными промежутками по периметру и высоте и инициируют его. Камеру размещают в грунте над спасаемым объектом горизонтально на расстоянии от спасаемого объекта, определяемом по зависимости Н_р = f • ((H•D² - 1,78 • D₃³)/(H • D)), где f - коэффициент крепости грунта, равный 2,0-4,0, D - наибольший наружный габарит спасаемого объекта, мм, Н - глубина установки в грунте спасаемого объекта, мм, D₃ - диаметр зарядной камеры по ее внутренней поверхности, мм, выбираемый в пределах 0,75-1,25 наибольшего наружного габарита спасаемого объекта. Соединяют зарядную камеру и спасаемый объект электрической связью и выводят спасаемый объект из грунта с временной задержкой, равной (10-350)•10^-3 с от времени инициирования удлиненного детонирующего заряда. Зарядная камера выполнена в виде герметичного корпуса в форме кольца, а в качестве материала корпуса использован сплав на основе железа. На корпусе выполнен узел приема электрической связи, в котором крепятся детонатор с газоводной втулкой. Удлиненный детонирующий заряд содержит помещенное в оболочку взрывчатое вещество в виде нитросоединения с недостаточным кислородным балансом в пределах 20-48%, размещенное в алюминиевой оболочке, выполненной в виде разомкнутого тора или в виде спирали. Спираль может быть цилиндрической и содержать два витка или конической и содержать три витка. Изобретение позволяет извлекать спасаемые объекты без деформации внешней оболочки. 4 с. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ взрывного дробления грунтов на выброс для извлечения объектов, при котором в грунт помещают удлиненный детонирующий заряд, устанавливаемый, в свою очередь, в зарядную камеру с воздушными промежутками по периметру и высоте и инициируют его, отличающийся тем, что удлиненный детонирующий заряд помещают в зарядную камеру, выполненную в форме кольца, которую размещают в грунте над спасаемым объектом горизонтально на расстоянии от спасаемого объекта, определяемом по зависимости
Н_p=f•((Н•D²-1,78•D_з³)/(Н•D)),
где F - коэффициент крепости грунта, равный 2,0-4,0;
D - наибольший наружный габарит спасаемого объекта, мм;
H - глубина установки в грунте спасаемого объекта, мм;
D_з - диаметр зарядной камеры по ее внутренней поверхности, мм, выбираемый в пределах 0,75-1,25 наибольшего наружного габарита спасаемого объекта,
соединяют зарядную камеру и спасаемый объект электрической связью и выводят спасаемый объект из грунта с временной задержкой, равной (10-350)•10^-3 с от времени инициирования удлиненного детонирующего заряда. 2. Зарядная камера для реализации способа по п.1, выполненная в виде емкости, отличающаяся тем, что емкость выполнена в виде герметичного корпуса в форме кольца, а в качестве материала корпуса использован сплав на основе железа, при этом на корпусе выполнен узел приема электрической связи, в котором крепятся детонатор с газоводной втулкой. 3. Зарядная камера по п.2, отличающаяся тем, что поперечное сечение корпуса выполнено в форме квадрата. 4. Зарядная камера по п.2 или 3, отличающаяся тем, что узел приема электрической связи выполнен в виде прилива с резьбовым отверстием, размещенным на донной части корпуса зарядной камеры. 5. Удлиненный детонирующий заряд для реализации способа по п.1, содержащий помещенное в оболочку взрывчатое вещество в виде нитросоединения, отличающийся тем, что в нем использовано нитросоединение с недостаточным кислородным балансом в пределах 20-48% и оно размещено в алюминиевой оболочке, выполненной в виде разомкнутого тора. 6. Удлиненный детонирующий заряд для реализации способа по п.1, содержащий помещенное в оболочку взрывчатое вещество в виде нитросоединения, отличающийся тем, что в нем использовано нитросоединение с недостаточным кислородным балансом в пределах 20-48% и оно размещено в алюминиевой оболочке, выполненной в виде спирали. 7. Удлиненный детонирующий заряд по п.6, отличающийся тем, что спираль выполнена цилиндрической и содержит два витка. 8. Удлиненный детонирующий заряд по п.6, отличающийся тем, что спираль выполнена конической и содержит три витка.