УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ НЕПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к горнодобывающей и строительной отраслям промышленности, а именно к устройствам для разрушения горных пород и искусственных диэлектрических и слабо проводящих материалов, и может найти применение при разрушении и измельчении негабаритных обломков горных пород, при строительстве и расширении тоннелей, при демонтаже и утилизации монолитных бетонных конструкции, при расчистке мест завалов и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций и т.д.
Известно устройство для электровзрывного разрушения горных пород [ЕР 1033551 А2, МПК Е21С 37/18, опубл. 2000.09.06], выполненное в виде патрона с высоковольтным и заземленным электродами. Патрон состоит из проводящего цилиндра, объединенного с заземленным электродом и имеющего открытый конец, на котором плотно закреплена диэлектрическая пластина, центрирующая высоковольтный электрод. Высоковольтный электрод разделен диэлектрическими промежутками и расположен внутри цилиндрической камеры, заполненной электролитом. Во время подачи высокого напряжения в промежутках высоковольтного электрода растет температура при протекании через них сильного тока, в результате чего образуется плазма, под действием которой происходит термитная реакция, сопровождаемая выделением энергии, которая расходуется на разрушение горной породы. Основными недостатками устройства является необходимость применения специального электролита, а так же трудоемкость и сложность процесса изготовления, так как при производстве такого рода патронов затрачивается широкий спектр материалов.
Известен патрон разового действия для электроимпульсной развальцовки труб [SU 594639 МПК B21D 26/12, опубл. 27.06.1996]. Устройство состоит из взрывающегося элемента и корпуса. Внутри корпуса установлена втулка, выполненная из гигроскопического материала, например, бумаги фильтровальной или промокательной, с центрирующим отверстием для ввода взрывающегося элемента. Основным недостатком устройства является использование гигроскопического материала (бумага и вода) с относительно низкой акустической жесткостью, что снижает эффективность передачи волн давления, и в конечном итоге эффективность всего процесса.
Известно устройство для разрушения твердых пород или бетона [RU 2422637 С1, МПК Е21С 37/00, опубл. 27.06.2011], которое 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. Устройство включает 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 из горючего или негорючего материала, полая или заполненная полностью или частично воспламенительным составом. Несмотря на то, что устройство позволяет увеличить эффективность и безопасность проведения работ и обеспечить надежность срабатывания удлиненных зарядов, существуют сложности, связанные с регламентом проведения взрывных работ в черте города и экологическими последствиями применения взрывчатых веществ (ВВ), что несомненно является недостатком и делает востребованным поиск альтернативных способов разрушения, с меньшим негативным воздействием на окружающую среду. Также к недостаткам можно отнести то, что для инициирования горючего наполнителя, изначально требуется инициировать воспламенительный состав.
Известно устройство для разрушения электрическим разрядом [RU 2165526, МПК Е21С 37/18, опубл. 20.04.2001], в котором используется коаксиальный кабель, состоящий из внутренней металлической жилы и внешней металлической жилы, разделенных оболочкой. Концы жил погружены в разрушающее вещество и используются как электроды. Различные конфигурации соединения электродов между собой тонким проводником позволяют изменять параметры электрического разряда. В качестве передающего ударную волну вещества используется жидкое вещество, например вода. При подаче на электроды напряжения, тонкий проводник взрывается с образованием плазменного канала. Генерируется ударная волна, которая распространяется по передающему ударную волну веществу в твердый материал, вызывая его разрушение. Основным недостатком устройства является сложность замены электродной системы, так как в качестве электродов выступает концевая часть коаксиального кабеля. За счет термического и механического воздействия разряда на электроды происходит постепенное разрушение центральной и внешней жилы коаксиального кабеля, что в результате приводит к уменьшению длины подводящего энергию коаксиального кабеля. Также недостатком указанного устройства является сложность фиксации объема жидкости необходимого для успешного разрушения в горизонтальных и потолочных шпурах.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является устройство для осуществления способа электроразрядного разрушения твердых материалов [RU 2500889 С1, МПК Е21С 37/18, опубл. 10.12.2013], содержащее картридж из пластичного материала, предающего ударную волну, взрываемый проводник, инициирующий разряд, который расположен по оси картриджа. Взрываемый проводник через коаксиальный электрод и кабельную линию подключен к емкостному накопителю энергии. Коаксиальный электрод выполнен в виде гибкого кабеля с внутренним и внешним проводниками, разделенными слоем высоковольтной изоляции. Пластичный материал, предающий ударную волну, имеет акустическую жесткость близкую к акустической жесткости разрушаемого материала (полиэтилен или пластилин).
Недостатком устройства прототипа является относительно низкая производительность процесса разрушения твердых материалов. Из-за достаточно короткого импульса тока, выделение энергии происходит за субмикросекундный промежуток, соответственно воздействие импульса давления на стенки шпура имеет такую же длительность, вследствие чего рост трещин быстро затухает, что приводит к неэффективному растрескиванию материала и в результате отрицательно сказывается на объеме отколото материла за один электровзрыв. Кроме того, при термическом и механическом воздействии разряда на коаксиальный электрод, происходит его деформация и разрушение, что исключает его повторное использование.
Задачей полезной модели является создание эффективного электровзрывного устройства, для реализации совместного воздействия импульса электрического разряда и энергии газогенерирующего пиротехнического состава.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении производительности процесса за счет комплексного воздействия на разрушаемый материал коротким импульсом давления от электрического разряда для зарождения сети трещин и более длинным импульсом давления газов, образующихся при горении пиротехнического состава для последующего развития магистральных (раскалывающих) трещин, что в совокупности приводит увеличению области разрушения и объема отколотого материала. Данное электровзрывное устройство позволяет осуществлять направленный откол без разлета осколков и эвакуации персонала с места проведения работ. Кроме того, используемый в электровзрывном устройстве коаксиальный электрод, слабо подвержен термическому и механическому воздействию от электрического разряда и от горения газогенерирующего пиротехнического состава, что позволяет неоднократно использовать данный коаксиальный электрод. Быстрая замена только электровзрывного картриджа позволяет сократить затраты времени на подготовительные работы при проведении электроразрядного разрушения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для электровзрывного разрушения твердых материалов, содержащем, как и прототип, картридж из пластичного материала, предающего ударную волну, взрываемый проводник, который соединен с медной шиной, расположенной по периметру картриджа и внутренним проводником коаксиального электрода, в отличие от прототипа, в картридже выполнена полость, которая заполнена газогенерирующим пиротехническим составом, внешний проводник коаксиального электрода выполнен из толстостенной латунной трубы, а на выступающий конец внутреннего проводника установлен изолятор из поликарбоната.
Принцип действия электровзрывного устройства, основан на использовании совместного воздействия импульса электрического разряда и энергии газогенерирующего пиротехнического состава. Газогенерирующий пиротехнический состав представляет собой смесь химических веществ, состоящую из окислителя и горючего вещества. В качестве окислителя могут быть использованы: хлораты, перхлораты, нитраты, сульфаты, перманганаты, хроматы, перекиси и окислы металлов. В качестве горючего вещества могут быть использованы: металлические стружки (Al, Mg, Zr, Si,) древесные стружки, смолы (идитол, бакелит, шеллак), масла, углеводороды (нефть, дизельное топливо, бензин, керосин), углеводы (тростниковый сахар, декстрин, целлюлоза). При протекании реакции горения газогенерирующего пиротехнического состава происходит рост энерговклада в процесс разрушения и увеличение времени воздействия на разрушаемый материал.
Для исключения возможности перехода реакции горения газогенерирующего пиротехнического состава в режим детонации, диаметр цилиндрического заряда используемого состава не должен превышать критического значения. В зависимости от типа пиротехнического состава, критический диаметр цилиндрического заряда может принимать различные значения. Определение производится экспериментально, путем использования модельных цилиндрических зарядов. Наличие или отсутствие детонации определяется по следам от взрыва.
На фиг. 1 представлено электровзрывное устройство, коаксиальный электрод, состоящий из внешнего проводника (толстостенной латунной трубы) - 3, в который помещен слой высоковольтной изоляции 2, например, в виде полиэтилена низкой плотности, и внутренний многожильный проводник 1, на выступающий конец внутреннего проводника 1 установлен изолятор 4 из поликарбоната. Электровзрывной картридж крепится к коаксиальному электроду так, чтобы медная шина - 5 плотно прилегала к внешнему проводнику 3. Оболочка картриджа 7 выполнена из пластичного материала, а внутренняя полость оболочки 7 заполнена газогенерирующим пиротехническим составом - 6. По оси картриджа натянут тонкий медный проводник - 8, с одной стороны он крепится к внутреннему проводнику 1, а с другой к шине 5, которая замыкает контур от внешнего проводника 3 до внутреннего проводника 1. Коаксиальный электрод подключен (например, при помощи болтового соединения) к кабелю, подводящему энергию от конденсаторной батареи.
На фиг. 2 представлена схема электроразрядного разрушения твердых материалов. Емкостной накопитель энергии Сг с общим сопротивлением контура R и суммарной индуктивностью контура L через коммутатор S подключен к электровзрывному устройству. При срабатывании коммутатора происходит разряд накопителя энергии на нагрузку, которой является металлический проводник 8. Вследствие протекания мощного импульса тока по проводнику, происходит его взрыв и инициирование канала разряда. Быстрое выделение энергии в малом объеме приводит к повышению давления в канале разряда с образованием ударно-волновых возмущений, распространяющихся в твердом материале. Указанный процесс реализуется за времена порядка сотен микросекунд, и приводит к развитию сети трещин в объеме твердого материала, окружающего шпур. Быстропротекающий процесс конвективной теплопередачи от плазменного канала к газогенерирующему пиротехническому составу, инициирует процесс высокоскоростного горения с дозвуковой скоростью (дефлаграции). Газообразные продукты горения пиротехнического состава, выделяясь в замкнутом объеме шпура, проникают в образованные ранее трещины и вызывают дополнительные растягивающие напряжения в материале, приводя к более эффективному разрушению объекта. Далее цикл повторяется в остальных шпурах до достижения необходимого результата откола или разрушения объекта.
Исследование совместного воздействия импульса электрического разряда и энергии газогенерирующего пиротехнического состава проводилось на накопителе электрической энергии с зарядным напряжением до 15 кВ, емкостью 1120 мкФ, индуктивностью контура 1,01 мкГн при длине кабеля 12 м и активным сопротивлением контура 0,009 Ом.
Осуществление электроразрядного разрушения с использованием электровзрывного устройства представлено на примере конкретного выполнения. В монолитном бетонном фундаменте формировались шпуры глубиной 80 см, в шпур помещали электровзрывное устройство. По оси электровзрывного картриджа был размещен взрываемый медный проводник диаметром 0,18 мм и длиной 90 мм. В качестве пластичного материала, из которого выполнена оболочка электровзрывного картриджа, использовался полиэтилен (ГОСТ 16338-85). Электровзрывное устройство, у которого внешний проводник коаксиального электрода выполнен из латунной трубы, с толщиной стенки 5 мм, подключалось к кабельной линии от накопителя энергии с С=1120 мкФ и зарядным напряжением 13 кВ. После срабатывания коммутатора происходил взрыв медного проводника и инициирование канала разряда. Дальнейшее выделение энергии приводило к расширению канала разряда и повышению давления в нем с образованием ударно-волновых возмущений, распространяющихся в бетон. Расширяющийся разрядный канал инициировал процесс горения газогенерирующего пиротехнического состава. В качестве газогенерирующего пиротехнического состава использовалась смесь нитрата аммония (90-92%) и керосина (8-10%). Каждый электровзрывной картридж наполнялся 18-20 граммами смеси. Энергетический вклад такого газогенерирующего пиротехнического состава 3,8 кДж/г, запасенная энергия в конденсаторной батареи 95 кДж. В таблице приведены результаты экспериментов с использованием предлагаемого электровзрывного устройства, и экспериментов, где в качестве рабочего инструмента использовался электрод выполненный из коаксиального кабеля как в прототипе, между внешним и внутренним проводниками также был натянут тонкий медный проводник, воздействие на разрушаемый материал происходило только за счет импульса давления от электрического разряда, при этом запасенная энергия в конденсаторной батареи 47 кДж. Таким образом, использование небольшого количества газогенерирующего пиротехнического состава позволяет увеличить энергоэффективность электроразрядной технологии разрушения твердых непроводящих материалов.