УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ПОРОД ИЛИ БЕТОНА Российский патент 2011 года по МПК E21C37/00 

Изобретение относится к устройствам, применяемым в области строительства и горного дела, и может использоваться при прокладке дорог для дробления твердых (скальных) пород, а также в строительстве для разрушения крупных монолитных объектов, например, при разделке на фрагменты бетонных конструкций и т.п.

Известно устройство для разрушения материалов, в том числе твердых плотных скальных пород и бетона, содержащее средство для генерирования газа и связанное с ним средство для впрыскивания газа в шпур. Шпур выполнен в разрушаемом материале на расстоянии от его свободной поверхности. Имеется также средство для уплотнения газа в шпуре, которое обеспечивает уплотнение газа в шпуре вблизи его дна. Средство для впрыскивания газа в шпур и средство для уплотнения газа размещены внутри шпура (RU 2081313, E21C 37/00, опубл. 10.06.1997). Недостатком известного устройства является конструктивная сложность, что удорожает процесс разрушения и снижает надежность работы устройства.

Известно устройство для разрушения природных и искусственных объектов, содержащее герметичный корпус, заполненный соосно корпусу горючими элементами - полиэтиленовыми трубками с диаметром 2,5-7,0 мм и толщиной стенки 0,05-0,7 мм. Пространство между трубками заполнено частицами неорганического окислителя. При этом концы трубок должны выступать над слоем окислителя на 2-7 мм. Средство для инициирования горения монтируется в крышке, закрывающей верхнюю часть корпуса (RU 2153069, E21C 37/00, 20.07.2000). Недостатками известного устройства являются необходимость использования в качестве горючих элементов тонких полиэтиленовых трубок и необходимость их соосного и равномерного распределения по объему корпуса. При длине корпуса 300-500 мм обеспечить равномерное распределение тонких полиэтиленовых трубок в объеме окислителя практически очень сложно. Это не только усложняет процедуру изготовления устройства, но и приводит к отказам в его работе. Кроме того, применение данного устройства для дробления твердых и скальных горных пород малоэффективно, так как используемые в нем составы характеризуются низкой скоростью горения (~1 мм/сек), что не обеспечивает быстрого газовыделения, и, следовательно, фугасный эффект от применения данного устройства очень мал.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для дробления твердых и скальных пород, выполненное в виде герметичного корпуса из полимерной оболочки толщиной до 3 мм и диаметром, меньшим критического диаметра детонации взрывчатого вещества (ВВ), содержащее горючий наполнитель, включающий насыпную гранулированную пористую аммиачную селитру, пропитанную углеводородным топливом, и промотор конвективного горения, состоящий из стехиометрической смеси мелкодисперсных компонентов: порошка металла, например алюминия, и аммиачной селитры. Средство для инициирования горения расположено в толще заряда и выполнено с возможностью обеспечения быстрого конвективного горения (RU 2262069, F42D 1/00, F42B 3/087, опубл. 10.10.2005 - прототип).

Недостатком устройства-прототипа является использование смеси, широко используемой во взрывном деле, а наличие промотора конвективного горения на основе мелкодисперсных компонентов - порошка металла, например алюминия и аммиачной селитры - резко увеличивает вероятность перехода конвективного режима горения в детонационный с вытекающими отсюда негативными явлениями. Кроме того, применение крупноразмерной гранулированной селитры и размещение средства инициирования в толще заряда не обеспечивают полное сгорание всего состава из-за медленного сгорания зерен селитры, а в удлиненных зарядах (диаметр 40 мм, длина от 250 до 500 мм) это дополнительно усугубляется из-за возникновения опережающей волны уплотнения, препятствующей развитию конвективного горения.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка такого устройства для разрушения твердых пород или бетона, применение которого позволит значительно повысить эффективность и безопасность проведения работ, удешевит работы и обеспечит надежность срабатывания удлиненных зарядов.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым устройством для разрушения твердых пород или бетона, включающим герметичный корпус из полимерной оболочки, заполненный горючим наполнителем, и средство инициирования, размещенное внутри корпуса, в котором горючий наполнитель содержит три компонента: металл, кристаллогидрат и минеральный окислитель в стехиометрическом соотношении, а по оси корпуса расположена тонкостенная полимерная перфорированная трубка диаметром менее 5 мм, заполненная полностью или частично воспламенительным составом, внутри которой размещено средство инициирования.

Горючий наполнитель выполнен в виде чередующихся по высоте корпуса слоев - слой смеси порошков металла и кристаллогидрата, затем слой порошка минерального окислителя, снова слой смеси порошков металла и кристаллогидрата и т.д.

В качестве кристаллогидрата предлагаемое устройство может содержать глауберову соль.

В качестве минерального окислителя предлагаемое устройство может содержать калийную, натриевую или аммиачную селитру.

В качестве воспламенительного состава предлагаемое устройство может содержать смесь минерального окислителя с порошком металла, например алюминия.

В качестве минерального окислителя в воспламенительном составе устройство может содержать калийную, натриевую или аммиачную селитру.

Средство инициирования в предлагаемом устройстве может быть выполнено в виде стандартного электровоспламенителя типа МБ-2Н.

Средство инициирования в предлагаемом устройстве может быть выполнено в виде тонкой взрывающейся проволочки.

Благодаря отмеченным выше особенностям выполнения предлагаемого устройства обеспечивается технический результат, который состоит в увеличении эффективности и безопасности проведения работ, их удешевления и обеспечения надежности срабатывания удлиненных зарядов, длина которых превышает их диаметр.

Предлагаемое устройство было разработано на основе детальных экспериментальных исследований параметров конструкции и состава горючей смеси, а также конструкции средства инициирования и параметров низковольтного и высоковольтного электрического импульса.

Конструктивные особенности предлагаемого устройства обеспечивают безопасность обращения с ним. Исходный горючий наполнитель, заполняющий полимерный корпус устройства (ранее нигде не использовавшийся - ни в пиротехнических составах, ни в ВВ), при атмосферном давлении трудно воспламеняется от открытого огня, а после воспламенения самопроизвольно гаснет. Расположение наполнителя по высоте корпуса в виде чередующихся слоев - слой смеси порошков металла и кристаллогидрата, затем слой порошка минерального окислителя, затем снова слой смеси порошков металла и кристаллогидрата и т.д. - дополнительно увеличивает безопасность устройства, так как минеральный окислитель в принципе не способен к воспламенению и собственному горению. Воспламенительный состав, размещенный в тонкостенной полимерной трубке малого диаметра (менее 5 мм), также не способен к длительному самостоятельному послойному горению при атмосферных условиях из-за сильного теплоотвода от фронта горения в слои наполнителя.

Применение в качестве кристаллогидрата таких промышленно производимых веществ, как глауберова соль - десятиводный кристаллогидрат сульфата натрия, десятиводный кристаллогидрат карбоната натрия, бура - Na₂B₄O₇·10Н₂О, так называемая «твердая вода», получаемая при смешении 90% воды и 10% кремниевой кислоты, и др., существенно удешевляет проведение работ.

Применение в устройстве в качестве горючего промышленного порошка алюминия марки ПАП более чем в два раза увеличивает удельную энергию предлагаемого устройства по сравнению с прототипом, где используется органическое горючее (жидкое углеводородное топливо), что увеличивает производительность работ.

Герметичная конструкция и герметичный ввод проводов для средства инициирования через торцевую крышку устройства позволяет длительное и безопасное его хранение, транспортировку и размещение на месте проведения работ, а также использование воды в качестве забойки шпура.

Размещение воспламенительного состава (смеси минерального окислителя с порошком металла, например алюминия) в тонкостенной перфорированной трубке, расположенной по оси корпуса устройства, который может заполнять ее полностью или частично, позволяет увеличить надежность воспламенения. Перфорирование трубки, например, щелевыми прорезями не позволяет наполнителю просыпаться в ее полость и в то же время обеспечивает надежное воспламенение по всему объему наполнителя - наличие перфорированных щелей в трубке создает множество очагов воспламенения и сокращает время задержки воспламенения. Это обусловливает возможность применения удлиненного устройства - с длиной, намного превосходящей диаметр, что позволяет увеличить удельный объем разрушаемой породы или бетона и снизить стоимость работ.

Применение стандартного электровоспламенителя типа МБ-2Н или средства инициирования в виде тонкой взрывающейся проволочки дополнительно удешевляет устройство. Средство инициирования размещено в тонкостенной перфорированной трубке. Надежное воспламенение возможно как с использованием стандартного электровоспламенителя, соединенного с источником низковольтного электрического импульса напряжением ~5 вольт, так и при инициировании горения от взрывающейся проволочки, если энергия инициирующего высоковольтного электрического импульса при напряжении 3-5 кВ превышает критическую величину, равную примерно 1 кДж. Применение средства инициирования в виде взрывающейся проволочки дополнительно увеличивает степень безопасности устройства при проведении работ.

После сгорания наполнителя в замкнутом объеме устройства, размещенного в шпуре, за время менее 1 мсек достигается давление продуктов горения свыше 5-10 кбар, что приводит к растрескиванию твердой породы на фрагменты размером от 0,1 до 1 м.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит герметичный корпус 1, заполненный послойно смесью порошков металла и кристаллогидрата 2 и порошком минерального окислителя 3, тонкостенную полимерную перфорированную трубку 4, частично или полностью заполненную воспламенительным составом 5, и средство инициирования 6 (электровоспламенитель или взрывающаяся проволочка - на чертеже показан электровоспламенитель). Ввод проводов 7 для средства инициирования 6 выполнен герметичным через торцевую крышку корпуса 1.

Устройство работает следующим образом. Высокоэнергетический импульс от срабатывания электровоспламенителя или при электровзрыве металлической проволочки в средстве инициирования 6 приводит к быстрому проникновению форса пламени или высокотемпературной плазмы разряда в поры между частицами воспламенительного состава 5 в перфорированной трубке 4. В результате объемного воспламенения состава 5 давление в перфорированной трубке 4 резко возрастает, что приводит к ее деформации и раскрытию щелевых прорезей. По всей длине перфорированной трубки 4 в горючей смеси порошков металла и кристаллогидрата 2 возникает множество очагов воспламенения, приводящих к развитию быстрого конвективного горения слоев 2 и 3 наполнителя в радиальном направлении.

Процесс горения наполнителя (с использованием, например, натриевой селитры) описывается следующими уравнениями:

Химическая реакция в соответствии с уравнением (1) протекает в слоях смеси порошков металла и кристаллогидрата с выделением водорода (всего образуется 12 моль газообразных продуктов), при этом выделяется энергия примерно 4,9 кДж на 1 г смеси и развивается высокая температура ~3000 К. Образующийся твердый пористый остаток Al₂O₃, являясь резервуаром тепла, затягивает время охлаждения газообразных продуктов горения. Все это способствует увеличению фугасного эффекта при срабатывании устройства.

Горячий водород при высоком давлении быстро проникает в соседние слои натриевой селитры, образуя горючую композицию, воспламеняющуюся и сгорающую также в конвективном режиме с выделением дополнительной теплоты, так что суммарный эффект от сгорания наполнителя составляет примерно 5 кДж/г. Суммарное количество газообразных продуктов при использовании натриевой селитры составляет 16 моль, что обеспечивает высокий фугасный эффект при работе устройства. При использовании аммиачной селитры фугасный эффект возрастает более чем в 1,6 раз (суммарное количество газообразных продуктов увеличивается до 27 моль).

Так как конвективное горение в наполнителе распространяется на небольшое расстояние, равное радиусу корпуса устройства, то реализуется очень быстрое и полное сгорание без формирования волны уплотнения наполнителя. Быстрому завершению горения способствует также малый размер частиц компонентов наполнителя.

Выбранные параметры устройства определяются следующим образом.

Увеличение диаметра тонкостенной перфорированной трубки свыше 5 мм снижает безопасность устройства, так как возрастает масса воспламенительного состава, уменьшение диаметра трубки затрудняет размещение в ней электровоспламенителя.

При инициировании устройства от взрывающейся проволочки, если энергия инициирующего электрического импульса меньше критической величины 1 кДж, то конвективное горение не возникает или затухает из-за низкого давления газов при воспламенении.

Толщина слоев минерального окислителя должна быть меньше толщины слоев смеси порошков металла и кристаллогидрата пропорционально отношению массы минерального окислителя и массы смеси порошков металла и кристаллогидрата согласно вышеприведенным уравнениям, то есть в соответствии со стехиометрическим соотношением используемых компонентов. Например, толщина слоев из натриевой селитры примерно в 1,5 раза меньше толщины слоев смеси порошков алюминия и кристаллогидрата. Толщина слоев смеси порошков алюминия и кристаллогидрата выбирается не более величины радиуса корпуса устройства для обеспечения сопоставимости времен фильтрации горячих газов в радиальном и осевом направлениях. Это обеспечивает полноту реагирования водорода.

Экспериментальные испытания предлагаемого устройства, реализованного в виде опытного образца, показали его эффективность и безопасность проведения работ.

Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление безопасности устройства, связанной с неспособностью слоистого наполнителя к взрывному превращению в режиме детонации. Это было продемонстрировано при проведении стандартных тестов по методике ООН при диаметре заряда 48 мм, длине 400 мм, толщине металлической оболочки 4 мм и инициирующем бустерном заряде ВВ 160 г. Было также обнаружено, что наполнитель в виде чередующихся слоев смеси порошков алюминия и кристаллогидрата (глауберовой соли) и порошка селитры после воспламенения на атмосфере самопроизвольно погасает. Горение слоистого наполнителя с переходом в режим быстрого конвективного горения становится возможным только в замкнутом объеме при резком повышении давления.

Опыты проводились с устройствами диаметром 26 мм и длиной 150 мм, содержащими стандартные мелкодисперсные компоненты, выпускаемые промышленностью: порошок алюминия марки ПАП, порошок глауберовой соли и порошок натриевой селитры в стехиометрическом соотношении. Устройства размещались в толстостенной металлической трубе диаметром 1,5 дюйма и длиной 1,5 м с забойкой из песка, имитирующей шпур в твердой породе. Результаты экспериментов продемонстрировали высокий фугасный эффект от срабатывания устройства, приводящий к разрыву трубы на несколько фрагментов, при этом анализ показал, что происходит полное сгорание наполнителя в режиме быстрого конвективного горения. Быстрому завершению горения способствует малый размер частиц компонентов. После сгорания наполнителя в замкнутом объеме за время менее 1 мсек достигается давление продуктов горения свыше 10 кбар, что должно приводить к образованию трещин в твердой породе с образованием фрагментов размером порядка 0,1-1 м.

Установлено, что в качестве средства инициирования могут быть использованы дешевые стандартные электровоспламенители МБ-2Н ЛД.34.322.006ТУ, МКТА 773983.301 и др.

Использование заявляемого устройства позволит отказаться от применения известных взрывоопасных смесей, используемых в пиротехнических составах и ВВ, добиться увеличения эффективности и безопасности проведения работ, их удешевления и обеспечения надежности срабатывания удлиненных зарядов, длина которых намного превышает их диаметр. Устройство может быть эффективно использовано в строительстве для дробления твердых пород и бетона в стесненных городских условиях.

Изобретение относится к устройствам, применяемым в области строительства и горного дела, и может использоваться при прокладке дорог для дробления твердых пород, а также в строительстве для разрушения крупных монолитных объектов. Устройство включает герметичный корпус из полимерной оболочки, заполненный горючим наполнителем, средство инициирования, размещенное внутри корпуса. Горючий наполнитель содержит металл, кристаллогидрат и минеральный окислитель в стехиометрическом соотношении. По оси корпуса расположена тонкостенная полимерная перфорированная трубка диаметром 5 мм, заполненная полностью или частично воспламенительным составом, внутри которой размещено средство инициирования. Повышается эффективность и безопасность проведения работ, уменьшаются расходы, обеспечивается надежность срабатывания устройства. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для разрушения твердых пород или бетона, включающее герметичный корпус из полимерной оболочки, заполненный горючим наполнителем, и средство инициирования, размещенное внутри корпуса, отличающееся тем, что горючий наполнитель содержит три компонента: металл, кристаллогидрат и минеральный окислитель в стехиометрическом соотношении, а по оси корпуса расположена тонкостенная полимерная перфорированная трубка диаметром менее 5 мм, заполненная полностью или частично воспламенительным составом, внутри которой размещено средство инициирования.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что горючий наполнитель выполнен в виде чередующихся по высоте корпуса слоев - слой смеси порошков металла и кристаллогидрата, затем слой порошка минерального окислителя и т.д.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в качестве кристаллогидрата оно содержит глауберову соль.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в качестве минерального окислителя оно содержит калийную, натриевую или аммиачную селитру.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве воспламенительного состава оно содержит смесь минерального окислителя с порошком металла, например алюминия.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве минерального окислителя в воспламенительном составе оно содержит калийную, натриевую или аммиачную селитру.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство инициирования выполнено в виде стандартного электровоспламенителя типа МБ-2Н.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство инициирования выполнено в виде тонкой взрывающейся проволочки.