СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ И ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДЛЯ ЗАРЯДОВ ТЕПЛОВОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
MANUFACTURING METHOD OF PYROTECHNIC CHARGES, AND PYROTECHNIC COMPOSITION FOR CHARGES OF THERMAL DESTRUCTION OF SOLID BODIES

Группа изобретений, связанных общим техническим замыслом, относится к строительству и горному делу, а более конкретно к технологии разрушения сооружений из бетона, железобетона, кирпича и раскалывания природных камней без применения взрывчатых веществ.
Уровень данной области техники характеризует способ проведения буровзрывных работ, описанный в патенте RU 2026987 С1, Е21С 7/00, 1995 г., который заключается в размещении в приготовленных шпурах (скважинах) твердых тел жидкого или пастообразного реагента с бездетонационной реакцией разложения, которая возбуждается запалом или введением катализатора.
В качестве реагентов используются термически нестабильные жидкости с экзотермической реакцией разложения, например перекись водорода, гидразин и т.п., Пастами являются смеси этих жидкостей с мелкодисперсными порошками.
В качестве катализатора используют вещество, которое при контакте с жидким реагентом инициирует в нем активную реакцию разложения, например состав на основе перманганата калия для перекиси водорода.
Запалом служит заряд воспламеняющегося вещества, преимущественно дымного пороха, и устройство, инициирующее его воспламенение, - штатный электровоспламенитель.
Интенсивность реакции разложения, температуру газов и энергетический эффект реакции регулируют разбавлением жидкого реагента нереагирующей жидкостью, например водой.
Заряды жидкого или пастообразного реагента могут заключаться в ампулы и размещаться в скважинах, заполненных инертной жидкостью.
Возбуждаемая в легко воспламеняющихся жидких реагентах, обладающих высокой энергоемкостью (перекиси водорода, гидразине, гидразингидрате, окиси этилена), реакция разложения, которая в дальнейшем поддерживается самостоятельно, протекает без детонации, в отличие от действия взрывчатых веществ, что снижает требования безопасности работ, которые не требуют использования высококлассных специалистов.
Жидкий реагент заливают в скважину (шпур) или размещают в ампулах, затем заряд герметизируют забойкой скважины, чтобы повысить эффективность воздействия (через жидкость) давления генерируемых газов на разрушаемый монолитный блок.
Порошки, сгущающие функциональную жидкость до пастообразного состояния, могут участвовать в реакции с выделением теплоты и тем самым увеличивать энергетический эффект реакции. Так, в реакции разложения перекиси водорода с участием целлюлозы, древесной муки, торфа, алюминиевой пудры увеличивается тепловой эффект реакции, который происходит за счет окисления этих примесей.
Отсутствие детонации в жидком реагенте при плавном росте давления в ходе реакции разложения ослабляют сейсмические волны в обрабатываемом массиве и выброс продуктов реакции и осколков породы, сравнительно со взрывом ВВ одинаковой энергии.
Недостатками описанного способа разрушения твердых тел являются необходимость герметизации зарядов, сложность размещения реагента в шпурах, пробуренных горизонтально или под отрицательным углом к горизонтали, технологическая опасность проведения работ, связанная с выделением большого количества газов при горении.
Отмеченные недостатки устранены в способе разрушения твердых тел по патенту RU 2457328 С1, Е21С 37/00, 2011 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков является наиболее близким аналогом предложенного способа.
Известный способ включает размещение зарядов в шпурах, выполненных в обрабатываемом монолите, возбуждение в зарядах экзотермической бездетонационной реакции устройством, инициирующим их воспламенение.
Особенностью известного способа является то, что в качестве функционального заряда используют пиротехническую смесь, включающую алюминий или магний, или сплавы на их основе, оксид металла и органическое горючее связующее, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
порошок горючего металла
20-32
порошок оксида металла
54-75
органическое горючее связующее
3-6
В качестве металлического горючего предпочтительно на практике используется порошок алюминиево-магниевого сплава по ГОСТ 5593-78 марок ПАМ-3, ПАМ-4, в качестве кислородсодержащего компонента - порошок оксида железа (ОСТ В 8-2341-87) или железная окалина, а в качестве органического связующего - фенолформальдегидная смола, растворенная в этиловом спирте, каучук бутадиен-нитрильной марки СКН или жидкое натриевое стекло по ГОСТ 13078-91.
Эти компоненты смешивают до однородного состава, помещают в шпур, а затем посредством термитной спички возбуждают экзотермическую бездетонационную реакцию, в процессе протекания которой происходит интенсивное тепловое воздействие на монолитный объект при температуре от 1800 до 3000°С.
Разрушение монолитных камней, бетона или железобетона происходит от продолжительного локализованного действия высокой температуры, за счет возникновения термических напряжений под действием высоких температур. При этом количество газообразных продуктов реакции составляет менее 5% от общей массы продуктов экзотермической бездетонационной реакции, в результате чего осколки обрабатываемого монолита разваливаются, но не разбрасываются.
Недостатком известного способа разрушения твердых тел является неудовлетворительная удельная эффективность термического локализованного воздействия при экзотермической бездетонационной реакции горения заряда, в котором не оптимизировано массовое соотношение термической основы пиротехнического состава: металлическое горючее/оксид металла.
Применяемые органические горючие связующие жестко связывают компоненты состава, формируя прочный заряд, который приготавливается непосредственно в шпуре перед функционированием по назначению, что ограничивает технологические возможности способа, в котором не используются готовые заряды разного диаметра и различной протяженности.
Практическое использование заряда осуществляется при наполнении шпура приготавливаемой на месте пиротехнической смесью, где она схватывается без дополнительной герметизации, что просто, но нетехнологично и трудоемко. В «полевых» условиях трудно обеспечить стабильность свойств и характеристик изготавливаемых зарядов.
Изготовление протяженного уплотненного заряда, который возможно в готовом виде устанавливать в сопрягаемом шпуре диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м, не представляется практически возможным из-за жесткости его структуры, которая по определению исключает гибкое адаптирование к поверхности шпура при снаряжении.
Технической задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является усовершенствование способа более эффективного локализованного разрушения твердых тел за счет изготовления автономных и гибких зарядов из оптимизированного пиротехнического состава, равнопрочных по большой протяженности, пригодных для мобильного снаряжения шпуров, изготовленных ручным бурением.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления пиротехнических зарядов, получаемых уплотнением смеси порошков алюминиево-магниевого сплава, оксида железа или железной окалины и органического горючего связующего, которые используют для теплового разрушения твердых тел, согласно изобретению пиротехническую смесь, которая включает в качестве органического горючего связующего раствор канифоли в веретенном масле, предварительно гранулируют с размером гранул 2-3 мм, после чего вибрационно уплотняют, последовательно порциями в объеме четверти-половины заряда, в течение 2-3 минут каждая.
Другой особенностью предложенного комплексного технического решения является то, что пиротехнический состав для зарядов теплового разрушения твердых тел, содержащий смесь порошков алюминиево-магниевого сплава, оксида железа или железной окалины и органического горючего связующего, по предложению авторов, содержит в качестве органического связующего раствор канифоли в веретенном масле, при следующем соотношении компонентов (мас.%):
порошок алюминиево-магниевого сплава
29-36
железная окалина или оксид железа
62-67
раствор канифоли в веретенном масле
2-4.
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили новое качество изготавливаемых протяженных пиротехнических зарядов, примыкающих к поверхности шпуров в обрабатываемых твердых телах, гибкость для пространственной ориентации вдоль несоосных поверхностей шпура, пробуренного вручную, и совместимость заряда с профилем шпура при снаряжении.
Технологическое связующее - раствор канифоли в веретенном масле - обеспечивает полное смачивание частиц порошковых компонентов состава для прочного сцепления смеси в формуемых на сите гранулах, которые при виброуплотнении в технологических моделях образуют арочные связи между собой, создавая прочную сотовую структуру гибкого заряда.
Особенностью арочной конструкции является то, что в местах ее связей при механических нагрузках возникают реакции как сжатия, так и растяжения, что обеспечивает работу сотовой структуры в пределах упругих деформаций, достаточных для адекватного сопряжения заряда с профилем поверхности шпура на всем протяжении контакта.
Размер гранул пиротехнической смеси в диапазоне 2-3 мм определен экспериментально из условий практического снаряжения шпуров для использования зарядов по назначению.
При размере гранул диаметром меньше 1,5 мм вырождается арочный эффект внутреннего строения заряда, который при этом утрачивает гибкость, необходимую для снаряжения протяженных шпуров, пробуренных вручную.
При размере гранул диаметром больше 3,5 мм пиротехнический заряд характеризуется неудовлетворительной продольной устойчивостью, в результате чего крошится, хрупко ломается при силовой установке в относительно извилистый шпур.
Порционная последовательность формирования протяженного функционального заряда вибрационным уплотнением гранулированной пиротехнической смеси навесками 1/4-1/3-1/2 полного его объема позволяет формировать плотный гибкий и практически равнопрочный заряд по длине.
Временной диапазон виброуплотнения ограничен минимально необходимым временем для связывания гранул в несущую сотовую структуру и верхним пределом технологического времени, выше которого не отмечается улучшения упаковки гранул и гибкости протяженного заряда.
Доступное и дешевое связующее, широко используемое в пиротехнике,н - раствор канифоли в веретенном масле - обеспечивает формирование гранул выбранного размера протиранием предложенной пиротехнической смеси на сите, что технологично и просто.
Заряд, приготовленный виброуплотнением из предложенного состава, сохраняет цилиндрическую форму и характеризуется продольной гибкостью в пределах упругой деформации его сотовой структуры из связанных гранул, что обеспечивает текущую пространственную подвижность заряда под воздействием профиля шпура.
В термической основе предложенного пиротехнического состава массовое соотношение металлическое горючее/оксид металла заметно снижено с 2,7 в прототипе до оптимального 2,0, что повысило его теплотворную способность при экзотермическом взаимодействии в реакции горения, обеспечив интенсивное тепловое нагружение обрабатываемого твердого тела по линии раскола, вдоль шпуров.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков.
Оптимальное значение массового содержания компонентов предложенного пиротехнического состава было рассчитано по математической модели планирования эксперимента и нашло подтверждение по результатам практических работ при снаряжении шпуров и по эффективности термического воздействия на раскалываемый монолит.
Для оптимизации количественного соотношения компонентов пиротехнического состава по изобретению были приготовлены композиции для испытаний, которые включают структурные элементы в пределах заявленного диапазона, в его середине и за границами оптимизированных значений минимально и максимально необходимого количества.
Предложенный состав приготавливается по принятой в пиротехнике технологии смешивания в штатном смесителе, куда помещают порошковообразные компоненты в следующем массовом соотношении (мас.%): 32,5±3,5 порошок алюминиево-магниевого сплава, 64,5±2,5 и заранее приготовленный раствор канифоли в веретенном масле и проводят смешивание в течение 10-15 минут.
Приготовленную смесь с равномерным распределением компонентов затем выгружают на нормированное сито и протирают, формируя гранулы диаметром 2-3 мм.
Далее гранулированный пиротехнический состав направляют на вибрационное уплотнение в заряды в моделях, вертикально размещенных на вибростенде.
Уплотнение гранулированного состава в форме заряда проводят послойно в моделях диаметром шпура.
Порции приготовленного состава загружают в модели в объеме четверти-трети-половины массы заряда и последовательно вибрационно уплотняют, последовательно добавляя порции состава до целого объема, приготавливая за четыре-три-два перехода заряд заданного диаметра и длиной, сопоставимой с длиной шпура.
Натурные испытания опытных образцов пиротехнических зарядов полностью подтвердили достижение улучшенных показателей назначения и пригодность более эффективного использования предложенных зарядов для производительного разрушения твердых тел, ориентировано и без разбрасывания частей.
Сравнение предложенных технических решений с выявленными аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.
Существенные отличия способа изготовления зарядов и пиротехнического их состава для разрушения твердых тел не являются очевидными для специалистов по пиротехнике и горному делу, которые прямо не следуют из постановки технической задачи.
Изготовление зарядов из пиротехнического состава по способу изобретения возможно осуществлять на действующем пиротехническом производстве и мобильно использовать для снаряжения шпуров при эффективном разрушении монолитных тел.
Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии группы изобретений условиям патентоспособности.
Использование готовых пиротехнических зарядов при удаленных работах по ориентированному разрушению твердых тел без разбрасывания осколков значительно упростило технологию утилизации строительных конструкций, горного дела и т.п. трудоемких процессов, что позволяет рекомендовать заказчикам для практического использования.