УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ПОРОД ИЛИ БЕТОНА
HARD ROCK OR CONCRETE DESTRUCTING DEVICE

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.
2
4
7
2
Применение в качестве кристаллогидрата таких промышленно производимых веществ, как глауберова соль - десятиводный кристаллогидрат сульфата натрия, десятиводный кристаллогидрат карбоната натрия, бура - NaBO·10НО, 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:
2
3
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 AlO, 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.