АППАРАТ, СИСТЕМА И СПОСОБ Российский патент 2019 года по МПК F42D1/04 F42D1/05 F42B3/113 F42C13/02 

ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

[01] Данная заявка связана с предварительной заявкой США № 61/971,205, поданной 27 марта 2014 г. на имя Orica International Pte Ltd., все описание которой включено сюда посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[02] Данное изобретение относится в целом к аппаратам, запальным блокам, системам и способам электронного инициирования взрыва, например, системам для инициирования заглубленных взрывчатых веществ в приложениях, включающих в себя открытые разработки, подземные разработки, карьерные разработки, гражданское строительство и/или сейсмическую разведку на суше или в океане.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[03] В приложениях, связанных с проведением взрывных работ, например, открытых разработках, подземных разработках, карьерных разработках, гражданском строительстве и/или сейсмической разведке на суше или в океане, взрывчатые вещества заглубляют, например, в буровых скважинах в выбранных сетках. Чтобы инициировать заглубленные взрывчатые вещества, используют различные аппараты инициирования, например, с детонационным шнуром (также известным как «детшнур») или с электрически управляемые детонаторами. Критичной для успеха операции взрывания может оказаться синхронизация взрывных волн зарядов взрывчатых веществ в разных местах в сетке взрывных скважин.

[04] В некоторых окружающих средах и осложненных приложениях, подсоединение заглубленных взрывчатых веществ физическими соединителями, например, детшнурами или электрическими кабелями, может оказаться нежелательным. Например, такие соединители могут вызывать проблемы, если они развешены по месту разработок.

[05] Предложена беспроводная связь с электронными детонаторами, но существующие системы остаются неподходящими для некоторых приложений. Например, некоторые предложенные беспроводные системы, в которых используются радиочастотные (РЧ) сигналы, требуют соединения в пределах прямой видимости от взрывной машинки до устья каждой буровой скважины. Помимо этого, возможность активации электронных детонаторов с помощью беспроводных сигналов может сделать хранение, транспортировку и развертывание таких детонаторов исключительно опасными, если сигналы произведения взрыва принимаются и интерпретируются в ненадлежащий момент времени или интерпретируются неправильно.

[06] Первый класс беспроводных электронных систем инициирования взрыва может предусматривать обычные передачи посредством радиоволн в буровую скважину и из нее. В этих системах приемник или приемопередатчик в каждой буровой скважине имеет, по меньшей мере, одну антенну снаружи буровой скважины для осуществления связи, поскольку радиоволны могут не проходить сквозь породу или даже сквозь забоечный материал. Может понадобиться вторичный канал связи между «верхней коробкой» и скважинным устройством, в котором проводится синхронизация и которое в нужный момент времени вызовет инициирование цепи взрывчатых веществ в буровой скважине.

[07] Второй класс беспроводных электронных систем инициирования взрыва может предусматривать беспроводную связь сквозь породу, и при этом связь осуществляется посредством генерирования по сетке взрывных скважин управляемого магнитного поля, которое обнаруживают магнетометры, являющиеся частью устройств для инициирования внутри каждой буровой скважины.

[08] Инициирование, которое основано на радиосвязи с каждой буровой скважиной (и - по выбору - из этой скважины) имеет недостаток, обуславливаемый необходимостью доступа посредством радиоволн к приемнику в устье буровой скважины в момент произведения взрыва. Поскольку связь в пределах прямой видимости обычно гораздо надежнее, в общем случае весьма предпочтительно основывать ее на отражении или рефракции волн для осуществления связи в момент произведения взрыва. В частности, при подземных разработках сохранность связи в пределах прямой видимости от каждого передатчика зажигания к каждому приемнику в устье скважины иногда затруднено и может оказаться невозможным (например, из-за небезопасных грунтовых условий). Связь сквозь породу, - которую можно назвать связью, «проходящей сквозь землю» (ПСЗ), -может оказаться выгодной в случае проведения взрывных работ, когда доступ к устьям скважин может быть неудобным или небезопасным или даже невозможным.

[09] Описанные беспроводные системы связи сквозь породу включают в себя детонатор. В этих системах магнитно передаваемые команды принимаются принимающими устройствами в каждой буровой скважине. Затем принимающее устройство посылает надлежащую команду в электрический или электронный детонатор, который функционирует в качестве первого элемента в традиционной цепи взрывчатых веществ. Недостатком этой системы является наличие детонатора, который должен быть собран с принимающим устройством либо на предприятии-изготовителе, либо в полевых условиях. Детонаторы в общем случае содержат инициирующие (первичные) взрывчатые вещества, которые чувствительнее к электромагнитным помехам (ЭМП), нагреванию, трению, искрению и ударному воздействию - как при изготовлении, так и при использовании, - чем вторичные взрывчатые вещества. Например, мостик накаливания может улавливать электромагнитный (ЭМ) сигнал, поскольку обычно имеет неудовлетворительную ЭМ защиты, даже если электронные части детонатора имеют ЭМ защиту. Может потребоваться особое обращение с детонаторами, а также их транспортирование и хранение, что вносит неудобство и увеличивает издержки использования детонаторов как существенных компонентов.

[10] Лазерные инициирующие системы для инициирования взрыва могут предусматривать наличие лазера снаружи буровой скважины и наличие оптического волокна для направления энергии к взрывчатому веществу в буровой скважине, или диодного лазера, входящего в состав электронных средств управления, подсоединенного в скважинное оборудование; однако существующие лазерные системы требуют электрических или оптических соединений от устройства инициирования, идущих из буровой скважины, и поэтому подвержены отказам в некоторых приложениях, например - где материал, окружающий устройство инициирования, перемещается до произведения взрыва (например, из-за других, более ранних подрывов в той же самой зоне), и может вносить вклад в нежелательный расход проводов или кабелей на месте взрывных работ.

[11] По меньшей мере в некоторых приложениях существует потребность в упрощении электронных систем инициирования взрыва для повышения их безопасности.

[12] Желательно справиться с одним или несколькими недостатками или ограничениями, связанными с известными техническими решениями, - смягчить эти недостатки или ограничения, либо по меньшей мере разработать полезную альтернативу.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[13] В соответствии с данным изобретением, предложен аппарат инициирования (АИ) для взрывных работ, включающий в себя:

магнитный приемник, конфигурация которого обеспечивает прием магнитного сигнала связи сквозь землю посредством обнаружения магнитного поля;

контроллер, который электрически связан с магнитным приемником, для обработки магнитного сигнала связи с целью определения команды произведения взрыва; и

источник света, который электрически связан с контроллером, для генерирования луча света с целью инициирования светочувствительного взрывчатого вещества (СЧВВ) в соответствии с командой.

[14] В данном изобретении также предложен запальный блок, включающий в себя:

вышеописанный АИ;

взрывной аппарат с СЧВВ, подключенный к АИ; и

инициирующий заряд вокруг СЧВВ.

[15] В данном изобретении также предложена система инициирования взрыва, включающая в себя;

множество аппаратов инициирования, каждый из которых представляет собой вышеописанный АИ;

контроллер взрыва для генерирования команды; и

магнитную передающую систему, которая электрически связана с контроллером взрыва для приема команды и конфигурация которой обеспечивает генерирование сигнала магнитной связи, отображающего команду.

[16] В данном изобретении также предложен способ проведения взрывных работ, включающий в себя этапы, на которых:

принимают магнитный сигнал связи сквозь землю путем обнаружения квазистатического магнитного поля;

обрабатывают магнитный сигнал связи для определения команды произведения взрыва; и

генерируют луч света для инициирования светочувствительного взрывчатого вещества (СЧВВ) в соответствии с командой.

[17] В данном изобретении также предложен аппарат инициирования (АИ) для взрывных работ, включающий в себя:

магнитный приемник для приема магнитного сигнала связи сквозь землю посредством обнаружения магнитного поля;

контроллер, который электрически связан с магнитным приемником, для обработки магнитного сигнала связи с целью определения команды инициирования взрыва; и

электромеханический интерфейс для управления источником света на основе электрической связи из контроллера для генерирования луча света с целью инициирования светочувствительного взрывчатого вещества (СЧВВ) в соответствии с командой.

[18] В данном изобретении также предложен аппарат инициирования (АИ) для взрывных работ, включающий в себя:

контроллерный компонент для управления АИ в соответствии с командой произведения взрыва; и

оптическое средство подключения, предназначенное для подключения контроллерного компонента к кодеру с целью осуществления связи с кодером перед проведением взрывных работ.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[19] Далее, лишь в качестве примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, будут описаны предпочтительные варианты осуществления данного изобретения, при этом:

[20] на фиг.1 представлен схематический чертеж варианта осуществления системы инициирования взрыва;

[21] на фиг.2 представлен аппарат инициирования (АИ) в системе инициирования взрыва;

[22] на фиг.3 представлен схематический чертеж запального блока, включающего в себя аппарат инициирования (АИ); и

[23] на фиг.4 представлена блок-схема последовательности операций способа проведения взрывных работ с помощью системы для проведения взрывных.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Обзор

[24] Здесь описывается система инициирования взрыва, обеспечивающая беспроводное инициирование сквозь породу и скважинное инициирование светом (или фотоинициирование) светочувствительного взрывчатого вещества. Описываемая система инициирования взрыва допускает использование аппаратов инициирования с контейнерами с электронной аппаратурой, которые не содержат взрывчатое вещество и поэтому безопаснее, чем детонаторы и т.п., которые включают в себя взрывчатые вещества. Аппарат инициирования не обязательно должен изготавливаться на заводе, имеющем лицензию на производство взрывчатки, и его можно изготавливать, транспортировать и хранить не как опасные материалы, а как любой другой электронный аппарат. Поэтому нет нужды в подсоединении длинных участковых проводов к аппарату инициирования: добавление длинных участковых проводов к существующим беспроводным детонаторам может добавить им сложности, увеличить затраты на изготовление, транспортировку и хранение. Описываемая система инициирования взрыва не требует проводных соединений, идущих от заглубленного аппарата инициирования. Во время инициирования взрыва, описываемая система инициирования взрыва не требует доступа к устью буровой скважины, в которой заглублен аппарат инициирования. Аппаратом инициирования можно управлять, достигая инициирования с программируемой синхронизацией на основе скважинной задержки, которая может обеспечить управляемый фронт горения во время взрывных работ. Описываемой системе для проведения взрывных работ может не требоваться ни детонатор, ни инициирующее взрывчатое вещество.

Система инициирования взрыва

[25] Как изображено на фиг.1, система 100 инициирования взрыва включает в себя множество аппаратов 200 инициирования (АИ) (также называемых «приемниками» или «скважинными модулями обработки») в земле 102. Термин «земля» 102 может включать в себя породу и почву и т.д. Конфигурация каждого АИ 200 обеспечивает инициирование взрыва в соответствующем заглубленном месте или «скважине» 104 (например, буровой скважине) путем помещения АИ 200 в дополнительный заряд для образования запального блока 300 (который также можно назвать «запалом») и путем загрузки взрывчатого вещества 116 без оболочки вокруг запального блока 300 в скважине 104. Скважина 104 обеспечивает заглубленное место для заглубляемого АИ 200, например, в породе, в земле, в строительных материалах, и т.д. в зависимости от места приложения.

[26] Система 100 включает в себя магнитную передающую систему 106, конфигурация которой обеспечивает посылку сигналов в аппараты 200 инициирования сквозь землю 102. Беспроводная связь сквозь землю (которую можно назвать проходящей сквозь землю (ПСЗ) связью или проходящей сквозь породу связью для случая, когда земля содержит главным образом породу) включает в себя связь посредством беспроводной передачи сквозь землю 102 сигналов по беспроводным трактам 118 сигналов, проходящих сквозь землю, сквозь взрывчатое вещество 116 без оболочки, сквозь запальный блок 300 и в АИ 200.

[27] Беспроводная связь сквозь землю обеспечивается системой 100 между передающей системой 106 и аппаратом 200 инициирования в их соответствующих скважинах 104. Например, в момент произведения взрыва система 100 может обеспечивать одностороннюю связь от передающей системы 106 и каждого аппарата 20 инициирования (или каждого выбранного аппарата 200 инициирования) в его скважине 104 для инициирования аппарата 200 инициирования и тем самым - взрыва.

[28] Система 100 может включать в себя кодирующий блок (например, портативный компьютер с подходящим интерфейсом) для программирования аппарата 200 инициирования перед развертыванием в скважины 104. Подходящие интерфейсы могут включать в себя кабель универсальной последовательной шины (USB), кабель RS232, оптическое средство подключения, РЧ средство подключения с малой дальностью действия, и т.д.

Передающая система

[29] Магнитная передающая система 106 (также называемая «передатчиком») может включать в себя генератор 108 сигналов, конфигурация которого обеспечивает посылку модулированного тока в проводящий контур или катушку 110 малого сопротивления. Катушка 110 может включать в себя катушку с одним или несколькими витками проводника, способную нести большой модулированный электрических ток, например, 50 А.

[30] Конфигурация передающей системы 106 обеспечивает достижение выбранного диапазона передачи и выбранной напряженности поля для магнитных сигналов связи, генерируемых передающей системой 106. Диапазон передачи выбирают на основании условий применения, например: (i) планируемого объема заряда при использовании АИ 200; (ii) предварительно определенной чувствительности АИ 200; и (iii) фонового магнитного шума в окружающей среде в системе 100 и около нее (т.е., фонового магнитного шума в микротесловом или более высоком диапазоне, который смогут обнаружить АИ 200 в скважинах 104). Напряженностью генерируемого магнитного поля можно управлять на основе диаметра и количества витков обмоток в катушке 110, а также амплитуды тока, текущего по обмоткам. Количество витков в обмотке передающей катушки 110 может быть малым и может быть равно единице. Амплитуда тока может составлять от десятков до сотен ампер, например, может находиться между значениями 10 ампер (A) и 1000 A. Диаметр катушки может составлять от десятков до сотен метров, например, может находиться между значениями 10 метров (м) и 1000 м. Катушка 110 может содержать множество отдельных обмоток, питаемых от совместно используемого источника тока и генератора 108 сигналов: в такой многообмоточной компоновке, обмотки располагаются так и имеют такую конфигурацию, что обеспечивается сложение генерируемых магнитных полей обмоток, а каждая обмотка достаточно мала, чтобы ее мог переносить, например, человек. Множество обмоток могут иметь диаметры со значениями между 0,1 м и 10 м.

[31] Частоты модулированного электрического тока в катушке 110, а значит - и частоты генерируемого магнитного поля, могут находиться в диапазоне от 20 герц (Гц) до 2500 Гц.

[32] Генератор 108 сигналов включает в себя один или несколько электронных модулирующих компонентов (например, схемы, модули, процессоры и/или машиночитаемое запоминающее устройство), конфигурация которого или которых обеспечивает модуляцию сигналов для передачи посредством магнитного поля. Электронные модулирующие компоненты могут обеспечивать модуляцию на основе частотной манипуляции (ЧМн), широтно-импульсной модуляции (ШИМ), амплитудной модуляции (АМ) и/или частотной модуляции (ЧМ).

[33] Обеспечиваемую модуляцию выбирают на основе типа магнитного приемника 204 в АИ 200. Если магнитный приемник 204 включает в себя один или несколько индуктивных датчиков, то модуляция предусматривает несущую переменного тока (ПеТ) или осциллирующую несущую для индукции тока в магнитном приемнике 204. Если магнитный приемник 204 включает в себя один или несколько магнитометров, модуляция представляет собой квазистатическую модуляцию, чтобы обеспечить обнаружение квазистатических составляющих генерируемого магнитного поля.

[34] Передающая система 106 может включать в себя источник электропитания, включающий в себя соединение для подключения к сети, топливные генераторы и/или батарею питания, например - поставляемые промышленностью генераторы или блоки свинцово-кислотных батарей.

[35] Передающая система 106 может включать в себя контроллер 109 взрыва (который будет именоваться «запальником» или «взрывной машинкой») для управления генератором 108 сигналов. Конфигурация контроллера 109 взрыва может обеспечить генерирование команд произведения взрыва для генератора 108 сигналов с целью посылки в АИ 200. Контроллер 109 взрыва может включать в себя поставляемое промышленностью вычислительное устройство (например, персональный компьютер) и программное обеспечение инициирования взрыва.

[36] Передающая система 106 может включать в себя пользовательский интерфейс (ПИ) для эксплуатации системы 100. ПИ может включать в себя переднюю панель на ящике, в котором заключен генератор 108 сигналов. ПИ может включать в себя портативное устройство, осуществляющее электрическую связь (например, с помощью провода под напряжением или оптических средств связи или радиочастотных передатчиком и приемников с малой или большой дальностью действия) с генератором 108 сигналов.

[37] Передающую систему 106 можно размещать близко к заряду, поскольку практично минимизировать расстояния, проходимые сквозь землю, между передающей системой 106 и АИ 200. В некоторых вариантах осуществления, в качестве средства защиты в непосредственной близости к заряду можно предусмотреть ящик, включающий в себя защитный корпус, например - стальной кожух.

[38] Катушка 110 может быть выполнена съемной, что позволяет размещать ее очень близко к скважинам 104, или даже между ними либо вокруг них. Конфигурация катушки 110 может обеспечивать ее сменность за счет формирования катушки 110 с использованием недорогих проводящих элементов, например - с изоляцией, предназначенной для одноразового использования. Катушке 110, размещенной очень близко к скважинам 104, может потребоваться меньшая мощность передачи, а значит - и меньшая пропускная способность по току, вследствие чего в катушке 110 можно использовать проводящие элементы с повышенным полным сопротивлением. За счет по меньшей мере частичного разрушения или повреждения катушки 110 во время взрыва, например - из-за нагревания проводящих элементов и влияния взрывания, можно снизить вероятность ошибочно передаваемых команд в нежелательно несработавшие АИ 200.

Аппарат инициирования

[39] Как показано на фиг.2, аппарат инициирования (АИ) 200 включает в себя источник 215 света. Источник 215 света может находиться на одном краю или конце АИ 200, служа окончанием АИ 200. Источник 215 света может включать в себя один или несколько из светоизлучающего диода (СИДа), лазерного диода (ЛДа) и устройств фотовспышки. Источник света можно эксплуатировать в импульсном режиме, получая, по меньшей мере, один короткий импульс света высокой интенсивности. Время реакции целевого светочувствительного взрывчатого вещества (СЧВВ) может быть малым, например, менее 1 миллисекунды, а предпочтительно - менее 100 микросекунд, чтобы достичь момента взрыва, выбираемого в пределах ближайшей миллисекунды. Источник 215 света включает в себя схему питания, которая получает электропитание от электронных компонентов АИ 200. Источник 215 света может включать в себя оптические элементы (например, линзу или систему линз), которые направляют импульс света с выбранным размером и/или формой пятна так, что он наталкивается на СЧВВ. Возможный источник света может быть промышленно поставляемым лазерным диодом, конфигурация которого обеспечивает срабатывание при получении пиковой мощности 200 Вт и менее 5 миллиджоулей (мДж) энергии.

[40] Как показано на фиг.2, аппарат инициирования (АИ) 200 включает в себя следующие электронные компоненты:

[41] энергоаккумулирующий компонент 202 долговременного действия (который можно назвать «источником энергии» для АИ 200), предназначенный для аккумулирования электрической энергии, например - по меньшей мере, одну промышленно поставляемую батарейку (например, батарейки типоразмера «ААА» на 1,5 В, каждая из которых обладает энергией, по меньшей мере, 1 кДж) или конденсатор с длительным сроком службы и достаточной емкостью для питания источника 215 света и электронных компонентов в АИ 200;

[42] магнитный приемник 204 (который можно назвать «магнитным принимающим компонентом») для обнаружения передаваемых магнитных сигналов, обеспечиваемых посредством модулированного магнитного поля в месте нахождения магнитного приемника 204 (передаваемые магнитные сигналы можно назвать передаваемыми «в» магнитном поле);

[43] контроллер 206 АИ (который также можно назвать контроллерным компонентом, процессорным компонентом или модулем), включающий в себя по меньшей мере один микропроцессор, для демодуляции и декодирования обнаруживаемых сигналов с целью генерирования электронных предписаний или команд (которые могут быть цифровыми командными сигналами);

[44] устройство 208 для хранения данных, которое можно назвать «компонентом для хранения информации» (включая, например, по меньшей мере одно промышленно поставляемое электронное устройство для хранения данных), предназначенное для электронного (например, в виде цифровых данных) хранения по меньшей мере следующих параметров: программируемого времени задержки, такого кода, как идентификатор группы (ИДГ) или индивидуальный идентификатор (ИИД), и т.д.;

[45] аккумулирующий энергию компонент 210 кратковременного действия (например, включающий в себя конденсатор зажигания), предназначенный для получения электрической энергии из аккумулятора 202 энергии и аккумулирования ее в подходящей форме (например, по меньшей мере, 5 мДж в конденсаторе) для создания условий быстрого разряда с целью активации источника 215 света;

[46] таймер 212, который можно назвать отсчитывающим время компонентом, для отсчета в сторону убывания времени задержки (этот процесс называется «обратным отсчетом»); и

[47] переключатель 214 для запуска, по меньшей мере, одного импульса света из источника 215 света, когда истекает (т.е., заканчивается) время обратного отсчета, посредством подачи электрического тока в источник 215 света с целью инициирования светочувствительного взрывчатого вещества (СЧВВ).

[48] Переключатель 214 может быть промышленно поставляемым переключателем, например, устройством на полевых транзисторах со структурой «металл-оксид-полупроводник» (устройством на полевых МОП-транзисторах).

[49] Источник 215 света и электронные компоненты 202-214 в АИ 200 электрически соединены электрическими проводниками 218, например, электропроводными проводами или токопроводящими дорожками по меньшей мере на одной печатной плате.

[50] Аппарат 200 инициирования может быть встроенным устройством, компоненты которого образуют блок внутри корпуса 216, как показано на фиг.2. Источник 215 света и электронные компоненты 202-214 в АИ 200 и проводники 218 могут быть смонтированы на печатной схеме в корпусе 216 аппарата 200 инициирования. В альтернативном варианте, компоненты аппарата 200 инициирования могут быть сформированы внутри множества отдельных корпусов, которые соединяют, делая их электрически связанными друг с другом. Компоненты 202-215 внутри корпуса 216 или корпусов могут быть защищены от неблагоприятных условий, особенно - динамичного удара, с помощью упругих и неупругих компонентов в корпусе (корпусах) 216, а также уплотнительных структур, например - из пластичного или эластомерного компаунда, который не становится хрупким, когда подвергается механическому удару, тем самым защищая компоненты 202-215 от удара. В вариантах осуществления, корпусу 216 можно придать такую конфигурацию, что он окажется достаточно стойким, чтобы выдерживать условия окружающей среды, например, такие, как гидростатическое давление до примерно 1 МПа (10 бар), среда взрывчатого вещества на водной или текучей или сыпучей основе с высоким содержанием нитратов, иногда - с pH на уровне примерно 2, динамические ударные давления в результате произведения взрыва в соседних скважинах, составляющие примерно от 10 МПа до 100 МПа (от 100 до 1000 бар), и времена ожидания в скважине, составляющие порядка месяцев. В вариантах осуществления, корпус 216 может быть сформован из полимера (например, полипропилена). В некоторых вариантах осуществления, корпус 216 также может включать в себя металлические (например, стальные) гильзы поверх некоторых или всех компонентов для придания прочности.

[51] Магнитный приемник 204 включает в себя один или несколько датчиков магнитного поля. Магнитный приемник 204 может быть магнитно-индуктивным приемником с одним или несколькими магнитно-индуктивными датчиками; например, возможны промышленно поставляемые магнитно-индуктивные приемники. Магнитный приемник 204 может представлять собой датчик квазистатического магнитного поля или магнитометр, включающий в себя один или несколько магнитометрических датчиков, например - промышленно поставляемых магнитно-резистивных устройств. Магнитно-индуктивные устройства могут представлять собой катушки тонкого провода с ферритовым сердечником. Такие устройства, когда их заказывают для генерируемых полей (например, с конкретными напряженностями поля), в общем случае могут оказаться более чувствительными, чем магнитно-резистивные устройства. Магнитный приемник 204 может включать в себя электронные малошумящие усилители с очень большим коэффициентом усиления, предназначенные для усиления электрических сигналов из датчиков магнитного поля, включая, например, промышленно поставляемые операционные усилители. Принимающий компонент 204, включающий в себя магнитные датчики, усилители и один или несколько процессоров сигналов, сможет, например, принимать (т.е., обнаруживать с приемлемым отношением «сигнал-шум») осциллирующее магнитное поле, напряженность которого составляет порядка 100 нТл или менее; в вариантах осуществления, диапазон может составлять примерно 1 нТл или менее.

[52] Контроллер 206 АИ может быть цифровым процессором сигналов (ЦПС) на основе промышленно поставляемого ЦПС, конфигурация которого обеспечивает демодуляцию и декодирование усиленного электрического сигнала из магнитного приемника 204. Для интерпретации поступающих сигналов как команд, можно запрограммировать один или несколько программируемых логических контроллеров (ПЛК) или интегральных схем прикладной ориентации (ИСПО), а для каждой команды можно инициировать подходящую последовательность событий. Контроллер 206 АИ может включать в себя машину состояний со следующими состояниями: режим экономии электроэнергии, режим активного прослушивания, режим боевого взвода, режим зарядки и режим произведения взрыва.

[53] Нижеследующие поступающие команды могут обеспечивать управление контроллерным компонентом 206 для решения нижеследующих задач:

[54] команда АКТИВИЗАЦИЯ: активизация с переводом из режима экономии электроэнергии в режим активного прослушивания;

[55] команда СИНХРОНИЗАЦИЯ: синхронизация генератора тактовых импульсов в контроллере 206 АИ с некоторым моментом в команде;

[56] команда ИДГ: сравнение идентификаторов групп (ИДГ) команды с хранимым ИДГ АИ 200 (например, хранимым в цифровом запоминающем устройстве в компоненте 208 для хранения данных) чтобы определить, совпадают ли они, для постановки АИ 200 на боевой взвод с целью перевода в режим боевого взвода;

[57] команда ИИД или команда БОЕВОЙ ВЗВОД: сравнение хранимого индивидуального идентификатора (ИИД) в АИ 200 с одним или несколькими ИД команд в поступающих командах, а если они совпадают - постановка АИ 200 на боевой взвод для дальнейшего воздействия путем перевода машины состояний в режим снятия с предохранителя;

[58] команда ВРЕМЕННАЯ ЗАДЕРЖКА: прием времени задержки и применение поправок к нему в команде для группы АИ 200 (с общим ИДГ) или для индивидуального АИ 200 (на основе ИД);

[59] команда ЗАРЯДКА: генерирование напряжения зажигания для зарядки аккумулятора 210 кратковременного действия в режиме зарядки; и

[60] команда ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВЗРЫВА: управление таймером 212 для начала обратного отсчета хранимого времени задержки в режиме произведения взрыва, что ведет к взрыванию путем разрядки энергии, аккумулированной в аккумуляторе 210, в источник 215 света.

[61] Конфигурация таймера 212 обеспечивает наличие коэффициента неравномерности, который составляет примерно 0,1 % или менее, а предпочтительно составляет примерно 0,01 % или менее. Конфигурация временной задержки обеспечивает наличие времени задержки, которое выбирают с точностью примерно 1 мс. Таймер 212 может быть промышленно поставляемым отсчитывающим время компонентом, например - генератором с кварцевой стабилизацией частоты.

Кодер

[62] АИ 200 можно запрограммировать на месте использования посредством кодера 112. Кодер 112 может быть портативным устройством, которое легко сможет носить пользователь, и надлежащим образом дооборудованным для горнотехнических условий. В вариантах осуществления, кодер 112 может посылать команды в контроллерный компонент 206 без какого-либо подтверждения или иного обратного сигнала из контроллерного компонента 206. В других предпочтительных вариантах осуществления возможна двухсторонняя связь между кодером 112 и контроллерным компонентом 206. Канал для такой связи можно воплотить посредством провода или оптических устройств, соединенных с контроллерным компонентом 206, который временно соединяют с кодером 112 посредством такого беспроводного соединения с малой дальностью действия, как BlueTooth^®, посредством клеммы снаружи контроллерного компонента 206, которая сопряжена с клеммой на кодере 112, или с помощью оптического средства подключения между контроллерным компонентом 206 и кодером 112. Чтобы установить для этого оптический канал, как кодер 112, так и контроллерный компонент 206 можно оснастить светоизлучающим диодом (СИДом) и фотоэлементом, например, промышленно поставляемыми СИДом и фотоэлементом, подсоединяемыми к контроллеру 206 АИ и управляемыми им. В вариантах осуществления, оптический канал позволяет избежать наличия внешних электрических клемм на АИ 200, которые могут подвергаться коррозии в агрессивной химической среде, например, в горнотехнических приложениях. Возможный кодер может быть выполнен на основе промышленно выпускаемого портативного компьютера (например, Trimble NOMAD™), оснащенного внешним адаптером, который содержит аппаратуру оптической связи, причем миниатюрный портативный компьютер обеспечивает пользовательский интерфейс.

[63] Кодирование каждого АИ 200 может происходить перед развертыванием в скважину 104. Каждый АИ 200 может быть особым образом связан со своей скважиной 104, или количество АИ 200, приходящихся на одну скважину 104, может быть больше единицы, иногда - до десяти. Кодер 112 посылает в контроллерный компонент 206 его время задержки (в миллисекундах) и - по выбору - его ИДГ, а также восстанавливает из контроллерного компонента 206 его (запрограммированный на заводе-изготовителе) ИД и - по выбору - отчет об условиях функционирования.

[64] Поскольку сам АИ 200 взрывчатое вещество не содержит, работа с использованием кодера 112 безопасна при условии, что пользователь не может подвергнуться воздействию случайного импульса (или случайных импульсов) света, интенсивность и/или длительность которых вредна для здоровья, например, если АИ 200 неисправен. Факт отсутствия взрывчатого вещества в АИ 200 допускает тестирование АИ 200 на полной мощности, включая измерение мощности и/или длительности луча света из источника 215 света.

Запальный блок

[65] Сразу же по завершении кодирования с помощью кодера 112, АИ 200 подключают с помощью средства подключения к инициирующему заряду, содержащему светочувствительное взрывчатое вещество (например, в капсуле), формируя запальный блок 300 (который можно назвать «запалом»). Средство подключения включает в себя средства поддержания поверхностей, образующих оптический интерфейс, чистыми и обеспечения уплотнения, которое по существу непроницаемо для окружающей среды в скважине (например - как минимум - уплотнения, которое сможет выдержать гидростатическое давление примерно 1 МПа (10 бар)). Этот запальный блок 300 может быть развернут в скважину 104. Для вертикальных буровых скважин, развертывание предпочтительно проводят посредством троса, что позволяет избежать свободного падения запального блока 300.

[66] Как показано на фиг.3, запальный блок 300 включает в себя:

[67] АИ 200;

[68] капсулу 302 для взрывчатого вещества (также называемую «запальным фитилем»), содержащую светочувствительное взрывчатое вещество (СЧВВ);

[69] соединитель 304 (например, резьбовой соединитель), который обеспечивает механический интерфейс для соединения АИ 200 с капсулой 302;

[70] уплотнительное окно 306 между источником 215 света и СЧВВ;

[71] уплотнение 308 между капсулой 302 и АИ 200;

[72] инициирующее взрывчатое вещество 310; и

[73] корпус 312 запала (также называемый «стаканом» или «кожухом»).

[74] Примером светочувствительных взрывчатых веществ в капсуле 302 может быть тетранитропентаэритрит (PETN), содержащий сажу или другие вторичные взрывчатые вещества, такие, как гексоген (RDX) или октагон или тугоплавкое взрывчатое вещество (HMX). Сажа может быть эффективной присадкой на уровне от 2 % до 5 %, делающей PETN более чувствительным к свету; поглощение видимого и инфракрасного света и преобразование его в тепло воспламеняет PETN. Детонация может происходить за счет перехода быстрого горения в детонацию (известного в англоязычной литературе под названием DDT), который может происходить эффективнее в условиях высокой плотности заряжания. Количество и тип инициируемого светочувствительного взрывчатого вещества достаточны для инициирования цепи взрывчатых веществ в колонке промышленно поставляемых взрывчатых веществ и поэтому инициируют взрыв в месте нахождения аппарата 200 инициирования. Во время экспериментов обнаружено, что время выхода на полную детонацию составило менее 100 микросекунд без уплотнения дистального конца колонки PETN.

[75] Капсула 302 может включать в себя полый ограничивающий контейнер, например, короткую металлическую трубку. Внутренний диаметр этой трубки может находиться в диапазоне от 2 миллиметров (мм) до 5 мм, а предпочтительно составляет примерно 3 мм. Длину трубки выбирают на основе того параметра, который требуется для инициирования PETN. Например, трубку с PETN можно внедрить в промышленно поставляемый инициирующий заряд, например, включающий в себя пентолит (пентолит может включать в себя примерно от 40 до 60 % тротила (TNT), а остальное может составлять PETN), а предпочтительной может стать пентолитовая смесь в концентрации 50/50. Длина колонки прессованного PETN в трубке может находиться в диапазоне от 10 до 20 мм для адекватного инициирования пентолита, который ее непосредственно окружает.

[76] Поверхность или объем СЧВВ, например, на проксимальном конце колонки с присадкой PETN, конфигурация которого обеспечивает освещение источником 215 света, можно уплотнить с целью эффективного перехода быстрого горения в детонацию посредством окна 306 и уплотнений 308. Окно 306 прозрачно для длин волн света из источника 215 света; например, можно использовать кварц или сапфир с двойной целью - уплотнения и обеспечения прохождения импульса света. В качестве уплотнительного окна 306 можно использовать сферическую сапфировую линзу, например, диаметром около 2,5 мм. Окно 306 предпочтительно является исключительно прочным, стойким к событию перехода быстрого горения в детонацию, и обладает превосходными оптическими свойствами (например, высоким пропусканием, низким поглощением и низким уровнем искажений видимого и инфракрасного света). Окно 306 может быть закреплено в проксимальном конце капсулы 302 или АИ 200 или прикреплено к этому концу за счет наличия поверхности, подвергнутой точной механической обработке с приданием формы, соответствующей форме сферической линзы, и - по выбору - наличия тонкой прокладки между металлической трубкой и окном (например, сферической линзой). Окно 306 может включать в себя оптическую линзу или систему линз, выбираемую с учетом прозрачности и длин волн оптического источника 215, который фокусирует (или расфокусирует) луч света в некоторый выбранный объем СЧВВ (например, имеющего выбранные глубину и диаметр). Окно 306 может включать в себя два взаимодействующих окна, одно - в АИ 200, а другое - в капсуле 302, которая обеспечивает окно 306, когда капсула 302 соединена с АИ 200. Окно 306, соединитель 304 и уплотнение 308 образуют средство подключения для соединения АИ 200 с капсулой 302.

[77] В варианте осуществления, источник 215 света может и не являться неотъемлемым компонентом корпуса 216, а может быть заключен внутрь инициирующего взрывчатого вещества 310, находясь в тесном контакте с окном 306 и капсулой 302. В этом варианте осуществления, соединение АИ 200 с инициирующим зарядом для формирования запала 300 влечет за собой формирование скорее электрического, нежели оптического соединения между двумя компонентами запала 300: т.е., в этом варианте осуществления, АИ 200 может включать в себя электронные задающие устройства для источника 215 света, а не сам источник 215 света, до окончания сборки АИ 200 для формирования запала 300. В этом варианте осуществления, АИ 200 включает в себя электромеханический интерфейс для управления источником 215 света на основе электрической связи из контроллера 206 АИ для генерирования луча света с целью инициирования светочувствительного взрывчатого вещества (СЧВВ) в соответствии с командой произведения взрыва. Источник 215 света и электронные модули АИ 200 связаны электрически и механически с помощью электромеханического интерфейса. Электромеханический интерфейс включает в себя электрические и механические компоненты на АИ 200, которые обеспечивают соединения, эквивалентные соединениям между источником 215 света и переключателем 214. Электромеханический интерфейс на АИ 200 может включать в себя соединители (электрические штырьки и вилки, а также байонет или винтовую резьбу), а источник 215 света (в своем собственном корпусе) может включать в себя соответствующие соединители (соответствующие электрическим штырькам и вилкам, а также байонету или винтовой резьбе). Электромеханический интерфейс для подключения к источнику света может включать в себя уплотнение, являющееся пыле- и/или водостойким, или непроницаемым. Это уплотнение может представлять собой крышку, сквозь которую проходят соединители.

[78] В приложениях, связанных с сейсмической разведкой, заряд СЧВВ может инициировать взрывчатое вещество (например, пентолит) для генерирования сигналов (ударных волн) с целью анализа на предмет определения геологических характеристик при поисках нефтяных и газовых залежей.

[79] В альтернативных вариантах осуществления, инициирующий заряд может включать в себя или может быть заменен детонационным шнуром, который может быть потом соединен с другими инициирующими зарядами обычным образом.

Способ проведения взрывных работ

[80] Система 100 может обеспечить способ 400, осуществляемый или предназначенный для проведения взрывных работ и включающий в себя, как показано на фиг.4, следующие этапы, на которых:

[81] определяют места и моменты времени произведения взрыва на основе предварительно определенных требований к сетке взрывных скважин (этап 402);

[82] осуществляют связь с каждым аппаратом 200 инициирования (АИ) с помощью кодера 112 для регистрации и задания: индивидуальных идентификаторов АИ, идентификаторов групп АИ, временных задержек, и т.д., на основе определенных мест и моментов времени (этап 404);

[83] помещают АИ 200 в инициирующий заряд для формирования запального блока 300 (этап 406);

[84] помещают запал 300 в место 104 в земле (этап 408);

[85] загружают взрывчатое вещество 116 вокруг запала 300, забивают скважину забоечным материалом 114 (этап 410);

[86] во время инициирования взрыва, подготавливаются к взрыванию с помощью передающей системы 106 (этап 412);

[87] передают из передающей системы 106 в АИ 200 сквозь землю 102 магнитные сигналы (этап 414), включающие в себя одну или несколько команд, например, «активизация», «синхронизация», «временная задержка», «боевой взвод» и «произведение взрыва»;

[88] принимают магнитные сигналы посредством АИ 200 (этап 416);

[89] обнаруживают посредством магнитного приемника 204 магнитный сигнал и усиливают этот магнитный сигнал (этап 418);

[90] декодируют посредством контроллера 206 АИ сигнал, чтобы определить электронные команды, распознают команду «произведение взрыва» и запускают таймер 212 для обратного отсчета времени задержки (этап 420);

[91] затем активизируют переключатель 214посредством таймера 212 (этап 422);

[92] активизируют импульс света посредством переключателя 214 за счет разрядки аккумулятора 210 кратковременного действия в источник 215 света (этап 424);

[93] пропускают импульс света через окно 306 в СЧВВ, вызывая быстрое горение (этап 426);

[94] осуществляют переход СЧВВ к детонации, начиная взрыв; и обеспечивают возможность инициирования посредством множества АИ в выбранной последовательности (этап 428); и

[95] обеспечивают возможность вывода перевода катушки 110 в нерабочее состояние посредством взрыва после передачи команды произведения взрыва (этап 430).

Интерпретация

[96] Специалистам в данной области техники будут очевидны многие модификации в рамках объема притязаний данного изобретения.

[97] Приводимая в этом описании ссылка на любую известную публикацию (или полученную из нее информацию), или на любой объект, который известен, не является и не должна считаться подтверждением или допущением или какой-либо формой предположения, что известная публикация (или полученная из нее информация) или известный объект образует часть известных сведений общего характера в области деятельности, к которой относится это описание.

Изобретение относится к инициированию взрывчатых веществ при открытых и подземных разработках, гражданском строительстве и/или сейсмической разведке на суше или в океане. Предложен запальный блок, включающий в себя аппарат инициирования (АИ) для инициирования взрыва, взрывной аппарат со светочувствительным взрывчатым веществом (СЧВВ), имеющим время реакции менее 1 миллисекунды, подключенный к АИ, и инициирующее взрывчатое вещество вокруг СЧВВ, при этом АИ включает в себя: магнитный приемник, включающий в себя магнитометр, для приема магнитного сигнала связи сквозь землю посредством обнаружения магнитного поля; контроллер, электрически связанный с магнитным приемником, для обработки магнитного сигнала связи с целью определения команды произведения взрыва и источник света, электрически связанный с контроллером, для генерирования луча света с целью инициирования светочувствительного взрывчатого вещества (СЧВВ) в соответствии с указанной командой. Система инициирования взрыва, включающая в себя множество запальных блоков; контроллер взрыва для генерирования указанной команды и магнитную передающую систему, которая электрически связана с контроллером взрыва для приема команды и выполнена с возможностью генерирования сигнала магнитной связи, отображающего указанную команду. Способ проведения взрывных работ, включающий в себя этапы, на которых принимают магнитный сигнал связи сквозь землю путем обнаружения магнитного поля с помощью магнитометра; обрабатывают магнитный сигнал связи для определения команды для аппарата инициирования (АИ) произведения взрыва и генерируют луч света для инициирования светочувствительного взрывчатого вещества (СЧВВ) в соответствии с указанной командой. Изобретение позволяет упростить электронные системы инициирования взрыва и повысить их безопасность. 3 н. и 30 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Запальный блок, включающий в себя:

аппарат инициирования (АИ) для инициирования взрыва,

взрывной аппарат со светочувствительным взрывчатым веществом (СЧВВ), имеющим время реакции менее 1 миллисекунды, подключенный к АИ, и

инициирующее взрывчатое вещество вокруг СЧВВ,

при этом АИ включает в себя:

магнитный приемник, включающий в себя магнитометр, для приема магнитного сигнала связи сквозь землю посредством обнаружения магнитного поля;

контроллер, электрически связанный с магнитным приемником, для обработки магнитного сигнала связи с целью определения команды произведения взрыва и

источник света, электрически связанный с контроллером, для генерирования луча света с целью инициирования светочувствительного взрывчатого вещества (СЧВВ) в соответствии с указанной командой.

2. Запальный блок по п.1, в котором АИ включает в себя корпус вокруг магнитного приемника, контроллера и источника света для обеспечения механической защиты и для заглубления АИ.

3. Запальный блок по п.2, в котором корпус включает в себя металлическую гильзу вокруг магнитного приемника, контроллера и источника света.

4. Запальный блок по п.2 или 3, в котором корпус включает в себя компаунд вокруг магнитного приемника, контроллера и источника света.

5. Запальный блок по п.4, в котором компаунд включает в себя пластичный компаунд и/или эластомерный компаунд.

6. Запальный блок по любому из пп.1-5, в котором АИ включает в себя средство подключения для соединения АИ со взрывным аппаратом.

7. Запальный блок по п.6, в котором средство подключения включает в себя:

окно для пропускания луча света из источника света во взрывной аппарат;

соединитель для механического соединения АИ со взрывным аппаратом и

уплотнение для уплотнения светового пути луча света от источника света до взрывного аппарата.

8. Запальный блок по п.6 или 7, в котором взрывной аппарат включает в себя СЧВВ.

9. Запальный блок по любому из пп.6-8, в котором взрывной аппарат включает в себя капсулу для взрывчатого вещества с СЧВВ, при этом взрывной аппарат опционально включает в себя два взаимодействующих оптических окна, одно – в АИ и другое – в капсуле для взрывчатого вещества.

10. Запальный блок по любому из пп.6-9, в котором взрывной аппарат выполнен с возможностью его установки в инициирующем взрывчатом веществе для детонации основного заряда взрывчатого вещества без оболочки вокруг инициирующего взрывчатого вещества.

11. Запальный блок по любому из пп.1-10, в котором указанная команда является командой ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВЗРЫВА.

12. Запальный блок по любому из пп.1-11, в котором указанная команда включает в себя код команды, а контроллер включает в себя предписания по управлению контроллером для: (i) сравнения управляющего кода с хранимым кодом, который сохранен в АИ; и (ii) управления источником света для генерирования луча света, если текущий код совпадает с хранимым кодом.

13. Запальный блок по п.12, в котором контроллер выполнен с возможностью приема хранимого кода из кодирующего блока перед заглублением АИ.

14. Запальный блок по п.12 или 13, в котором код команды включает в себя код идентификатора группы (ИДГ), предназначенный для группы выбранных АИ.

15. Запальный блок по любому из пп.1-14, в котором магнитный приемник включает в себя магнитно-индуктивный датчик.

16. Запальный блок по любому из пп.1-15, в котором источник света включает в себя светоизлучающий диод.

17. Запальный блок по любому из пп.1-16, в котором источник света включает в себя диодный лазер.

18. Запальный блок по любому из пп.1-17, в котором источник света включает в себя устройство фотовспышки.

19. Запальный блок по любому из пп.1-18, включающий в себя внешний кожух для заглубления в буровой скважине.

20. Запальный блок по любому из пп.1-19,

в котором СЧВВ представляет собой тетранитропентаэритрит (PETN) и содержит 2% сажи и/или

включающий в себя соединитель для соединения АИ (200) с капсулой для взрывчатого вещества с СЧВВ, причём соединитель представляет собой соединитель в виде винтовой резьбы или байонета.

21. Система инициирования взрыва, включающая в себя:

множество запальных блоков по любому из пп.1-20;

контроллер взрыва для генерирования указанной команды и

магнитную передающую систему, которая электрически связана с контроллером взрыва для приема команды и выполнена с возможностью генерирования сигнала магнитной связи, отображающего указанную команду.

22. Система для инициирования взрыва по п.21, в которой магнитная передающая система включает в себя:

генератор электрических сигналов и

проводящую катушку для генерирования магнитного поля.

23. Система для инициирования взрыва по п.22, в которой проводящая катушка имеет по меньшей мере один виток для генерирования магнитного поля.

24. Система для инициирования взрыва по п.23, в которой проводящая катушка имеет лишь один виток для генерирования магнитного поля.

25. Система для инициирования взрыва по п.24, в которой проводящая катушка имеет диаметр между 10 и 1000 м.

26. Система для инициирования взрыва по п.23, в которой проводящая катушка имеет множество витков для генерирования магнитного поля.

27. Система для инициирования взрыва по п.26, в которой проводящая катушка имеет диаметр между 0,1 и 10 м.

28. Система для инициирования взрыва по любому из пп.22-27, в которой проводящая катушка проводит электрический ток от 10 до 1000 А для генерирования магнитного поля.

29. Система для инициирования взрыва по любому из пп.22-28, в которой проводящая катушка включает в себя один или несколько алюминиевых проводящих элементов.

30. Система для инициирования взрыва по любому из пп.22-29, в которой

проводящая катушка выполнена с возможностью одноразового использования,

диаметр проводящей катушки опционально составляет сотни метров,

амплитуда тока в проводящей катушке опционально составляет десятки ампер,

амплитуда тока опционально составляет 50 А.

31. Способ проведения взрывных работ, включающий в себя этапы, на которых:

принимают магнитный сигнал связи сквозь землю путем обнаружения магнитного поля с помощью магнитометра;

обрабатывают магнитный сигнал связи для определения команды для аппарата инициирования (АИ) произведения взрыва и

генерируют луч света для инициирования светочувствительного взрывчатого вещества (СЧВВ) в соответствии с указанной командой.

32. Способ по п.31, в котором магнитное поле является квазистатическим магнитным полем.

33. Способ по п.31, в котором магнитное поле является осциллирующим магнитным полем.