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). Недостатком известного устройства является 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 жидким 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 данного устройства 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 обеспечивает 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, которое в качестве горючего наполнителя содержит смесь минерального окислителя, твердого органического горючего и газообразующей добавки в стехиометрическом соотношении, а по оси корпуса размещена тонкостенная перфорированная трубка диаметром менее 5 мм из горючего или негорючего материала, полая или заполненная полностью или частично воспламенительным составом, внутри которой или на ее поверхности размещено средство инициирования.
В качестве минерального окислителя предлагаемое устройство может содержать калийную или натриевую селитру.
В качестве газообразующей добавки предлагаемое устройство может содержать мелкодисперсную мочевину в количестве до 20%.
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, размещенной на внешней поверхности полой тонкостенной перфорированной трубки.
Средство инициирования в предлагаемом устройстве может быть выполнено в виде тонкой взрывающейся проволочки, размещенной внутри тонкостенной перфорированной трубки, заполненной воспламенительным составом.
Крышка корпуса предлагаемого устройства может быть выполнена в виде самозаклинивающейся конструкции.
Благодаря отмеченным выше особенностям выполнения устройства обеспечивается технический результат, который состоит в увеличении эффективности и безопасности проведения работ, их удешевлении и обеспечении надежности срабатывания удлиненных зарядов, длина которых превышает их диаметр.
Предлагаемое устройство было разработано на основе детальных экспериментальных исследований параметров конструкции и состава, а также конструкции средства инициирования и параметров низковольтного и высоковольтного электрического импульса.
Конструктивные особенности предлагаемого устройства обеспечивают его безопасность в обращении, так как исходная смесь при атмосферном давлении трудно воспламеняется от открытого огня, медленно и нестабильно горит на атмосфере и не способна к переходу в режим быстрого конвективного горения. Применение в качестве окислителя таких безопасных минеральных компонентов, как калийная или натриевая селитра - сельскохозяйственных удобрений, широко выпускаемых промышленностью, позволяет существенно удешевить работы.
Применение в качестве твердого органического горючего, например, идитола, древесной муки, крахмала, полимерного порошка или каких-либо органических порошкообразных отходов химической и перерабатывающей промышленности обеспечивает дешевизну устройства и нечувствительность смеси к механическим воздействиям.
Применение инертной газообразующей добавки, например мочевины, с одной стороны, снижает горючесть смеси, а с другой стороны, увеличивает фугасный эффект устройства за счет дополнительного газовыделения.
Размещение воспламенительного состава на основе смеси минерального окислителя с порошком металла, например алюминия, в тонкостенной перфорированной трубке, который может заполнять ее полностью или частично, позволяет увеличить надежность воспламенения. Трубка может быть выполнена из негорючего полимера или горючего пористого полимера, например бумаги, пропитанной окислителем, или покрыта изнутри воспламенительным составом. Перфорирование трубки, например, щелевыми прорезями позволяет удерживать наполнитель от просыпания в полость полой трубки и в то же время обеспечить надежное воспламенение всего наполнителя через множество щелевых прорезей. Наличие перфорированных щелей в трубке создает множество очагов воспламенения наполнителя и сокращает время задержки воспламенения. Применение трубки из горючего пористого полимера, например бумаги, пропитанной окислителем, или ее покрытие изнутри воспламенительным составом позволяет упростить и удешевить конструкцию устройства.
Применение стандартного электровоспламенителя типа МБ-2Н или средства инициирования в виде тонкой взрывающейся проволочки дополнительно удешевляет конструкцию устройства. Надежное воспламенение наполнителя возможно как с использованием стандартного электровоспламенителя, размещенного в тонкостенной перфорированной трубке диаметром менее 5 мм, заполненной полностью или частично воспламенительным составом, и соединенного с источником низковольтного электрического импульса напряжением ~5 вольт, так и при инициировании устройства от взрывающейся проволочки, размещенной на внешней поверхности полой тонкостенной перфорированной трубки или размещенной внутри тонкостенной перфорированной трубки, заполненной воспламенительным составом, если энергия инициирующего высоковольтного электрического импульса при напряжении 3-5 кВ превышает критическую величину, равную примерно 1 кДж. Применение средства инициирования, выполненного в виде взрывающейся проволочки, дополнительно увеличивает степень безопасности устройства при проведении работ по разрушению твердых пород.
Расположение по оси корпуса тонкостенной перфорированной трубки из горючего или негорючего материала, заполненной полностью или частично воспламенительным составом, внутри которой или на ее поверхности размещено средство инициирования, обеспечивает возможность быстрого воспламенения наполнителя по всей длине трубки. Это обусловливает возможность применения удлиненных устройств с длиной, намного превосходящей диаметр, что позволяет увеличить, удельный объем разрушаемой породы или бетона и снизить стоимость работ.
Изготовление крышки корпуса устройства в виде самозаклинивающейся конструкции обеспечивает динамическую герметизацию шпура и обеспечивает высокую эффективность устройства даже при его использовании в шпурах небольшой глубины ~0,5 м, при этом в качестве забойки может быть использована вода вместо песка. Самозаклинивающаяся конструкция может быть стандартной, а в простейшем варианте может представлять собой металлическую чашечку с вертикальными прорезями.
Герметичная конструкция и герметичный ввод проводов для средства инициирования через торцевую крышку устройства обеспечивают длительное и безопасное его хранение, транспортировку и размещение на месте проведения работ, а также использование воды в качестве забойки шпура.
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 представлено предлагаемое устройство.
Устройство содержит герметичный корпус 1, наполнитель 2, тонкостенную перфорированную трубку 3, полую или заполненную воспламенительным составом 4, и средство инициирования 5 (электровоспламенитель или взрывающаяся проволочка - на чертеже показан электровоспламенитель), герметичный ввод проводов 6 для средства инициирования 5 через торцевую крышку с самоуплотняющейся втулкой 7, выполненную, например, в виде металлической чашечки с вертикальными прорезями.
Устройство работает следующим образом. Высокоэнергетический импульс от срабатывания воспламенителя или при электровзрыве металлической проволочки приводит к быстрому проникновению форса пламени или высокотемпературной плазмы разряда в поры между частицами воспламенительного состава или в полость полой трубки. В результате объемного воспламенения состава или заполнения полой трубки высокотемпературной плазмой давление в перфорированной трубке возрастает, что приводит к ее деформации и раскрытию щелевых прорезей. Происходит поджигание наполнителя по всей длине трубки через ее перфорации, приводящее к развитию быстрого конвективного горения наполнителя в радиальном направлении. Так как конвективное горение в наполнителе распространяется на небольшое расстояние, равное радиусу устройства, то реализуется очень быстрое и полное сгорание всего наполнителя без формирования волны уплотнения наполнителя. Быстрому завершению горения способствует малый размер частиц компонентов.
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, конвективное горение не образуется или затухает из-за низкого давления газов при воспламенении.
Применение инертной газообразующей добавки, например мочевины, в количестве до 20%, с одной стороны, снижает горючесть смеси, а с другой стороны, увеличивает фугасный эффект устройства за счет дополнительного газовыделения. Уменьшение количества добавки приводит к уменьшению фугасного эффекта из-за снижения дополнительного газовыделения и увеличения горючести наполнителя. Увеличение количества добавки приводит к уменьшению фугасного эффекта из-за значительного снижения температуры продуктов сгорания наполнителя.
Экспериментальные исследования предлагаемого устройства, реализованного в виде опытного образца, показали его эффективность и безопасность проведения работ. Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление безопасности устройства, связанное с неспособностью 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. При испытаниях устройства в лабораторных условиях и в шпурах установлен режим быстрого конвективного горения наполнителя и достижения 100% полноты его сгорания. Опыты с устройствами диаметром 38 мм, содержащими стандартные мелкодисперсные компоненты, выпускаемые промышленностью, где в качестве окислителя использовалась калийная селитра, в качестве органического горючего - порошок идитола, в качестве инертной добавки - мочевина, все компоненты в стехиометрическом соотношении, и размещенными в гранитной породе на дне шпура диаметром 40 мм и глубиной от 0,5 до 2,5 м с забойкой из песка, показали, что происходит полное сгорание наполнителя в режиме быстрого конвективного горения и растрескивание породы на фрагменты с характерным размером 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.
2
3
Продемонстрировано, что предлагаемое безопасное устройство обладает эффективностью, в 2-3 раза превосходящей эффективность аналогичного заряда на основе широко используемого промышленного ВВ марки 6ЖВ. Удельный расход наполнителя при использовании удлиненных устройств при разрушении скальной породы прочностью 2000 кг/см равен всего лишь 150-200 г/м. Это связано с тем, что дробление породы происходит на крупные фрагменты размером от 0,1 до 1 м при отсутствии бризантного эффекта (как в случае применения ВВ), когда значительная часть энергии тратится на ненужное измельчение породы. Полученные фрагменты легко удаляются машинным методом. Все это удешевляет стоимость работ. Значительная экономия при производстве работ достигается также при изготовлении шпуров небольшого диаметра до 50 мм и благодаря отсутствию дополнительных затрат на транспортировку, хранение и проведение охранных мероприятий в отличие от детонационно-способных зарядов ВВ и необходимых для их инициирования опасных капсюлей-детонаторов.
Увеличение эффективности устройства на 10-20% достигается при засыпании зазора между корпусом размещенного в шпуре устройства и стенками шпура сухим песком, буровой мелочью или заполнении зазора водой, что связано с увеличением давления продуктов горения в закрытом пространстве. Показано, что при «мягком» режиме энерговыделения в условиях быстрого конвективного горения при использовании предлагаемого устройства в шпуре глубиной 0,5-2,5 м с забойкой из песка или воды отсутствует разлет каких-либо осколков, уровень шума при быстром сгорании наполнителя и разрушении породы не превышает 60 дБ, интенсивность сейсмической волны более чем на порядок ниже по сравнению с детонацией промышленного ВВ эквивалентной мощности. Проведенные эксперименты продемонстрировали, что предлагаемое устройство может быть эффективно использовано в строительстве для дробления твердых пород или бетона в стесненных городских условиях на расстоянии 5-10 метров от жилых объектов, магистралей или даже внутри промышленных объектов для разрушения бетонных конструкций без прерывания их функционирования.
Использование заявляемого устройства позволит добиться увеличения эффективности и безопасности проведения работ, их удешевления и обеспечения надежности срабатывания удлиненных устройств, длина которых намного превышает их диаметр. Устройство может быть эффективно использовано в строительстве для дробления твердых пород и бетона в стесненных городских условиях.