заряд взрывчатого вещества и способ ведения взрывных работ

Формула изобретения

1. Заряд взрывчатого вещества, содержащий насыпную гранулированную пористую аммиачную селитру, пропитанную углеводородным топливом, и средство инициирования, отличающийся тем, что он выполнен в виде герметичного корпуса из полимерной оболочки толщиной до 3 мм и диаметром, меньшим критического диаметра детонации взрывчатого вещества, и дополнительно содержит в количестве от 0,1 до 50% по весу от общего веса взрывчатого вещества промотор конвективного горения, состоящий из смеси мелкодисперсных компонентов: порошка металла, например алюминия, с размером частиц до 100 мкм и порошка нитрата, например аммиачной селитры, с размером частиц до 500 мкм в стехиометрическом соотношении, а средство инициирования расположено в толще заряда и выполнено с возможностью обеспечения быстрого конвективного горения.

2. Заряд по п.1, отличающийся тем, что средство инициирования выполнено в виде тонкой взрывающейся металлической проволочки или тонкой металлической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку.

3. Заряд по п.1, отличающийся тем, что средство инициирования содержит химический усилитель энергии, выполненный в виде воспламенительного состава, например мелкодисперсной термитной смеси или мелкодисперсной смеси частиц тефлона и металла, например алюминия.

4. Способ ведения взрывных работ, включающий размещение заряда в скважине, герметизацию скважины и сжигание заряда, отличающийся тем, что используют заряд по пп.1-3, герметизацию скважины осуществляют путем заполнения зазора между корпусом заряда и стенками скважины сухим песком или водой с последующим засыпанием скважины забойкой из песка и сжигание заряда производят в режиме быстрого конвективного горения путем подачи на средство инициирования заряда высоковольтного электрического импульса.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области взрывного дела и могут использоваться для дробления твердых и скальных пород при прокладке дорог и в строительстве, для разрушения крупных объектов, например, при разделке на фрагменты бетонных строительных конструкций и т.п.

Известны заряд взрывчатого вещества (ВВ) на основе черного пороха и способ ведения взрывных работ при добыче штучного камня, в котором заряд помещают в шпур, свободную от заряда часть шпура заполняют забоечным материалом, а инициирование порохового заряда производят от пламени огнепроводного шнура или электровоспламенителя (Технические правила ведения взрывных работ на дневной поверхности. Под редакцией Ф.А.Авдеева. М.: Недра, 1972, с.240).

К недостаткам указанных заряда и способа можно отнести низкую эффективность (малую фугасность) черного пороха в реализуемом режиме конвективного горения и высокую степень опасности при снаряжении заряда из-за легкой воспламеняемости черного пороха и большой скорости горения при атмосферном давлении.

Известен заряд ВВ на основе порохового состава, предназначенный для ведения скважинных работ и содержащий, мас.%: баллиститное топливо 99.5-98.5% (в виде бесканальных цилиндрических элементов диаметром 3-7 мм и длиной 4-8 мм с влажностью до 0.7-2%) и приборное масло 0.5-1.5% (Заявка РФ №5067418, С 06 В 25/24), опубл. 20.07.96 г.).

Основной недостаток данного заряда заключается в высокой стоимости баллиститного топлива и возможности его воспламенения при атмосферном давлении.

Наиболее близким решением к предлагаемому заряду является заряд ВВ в виде порошкообразной смеси на основе аммиачной селитры и горючих материалов, например заряд, заполненный насыпной гранулированной пористой аммиачной селитрой, пропитанной углеводородным топливом. Заряд предназначен для размещения в шпуре или скважине. Подрыв заряда осуществляют в режиме детонации с помощью средства инициирования: капсюля-детонатора и патрона-боевика. (А.Г.Горст. Пороха и взрывчатые вещества. М.: Машиностроение, 1972, с.208).

К недостаткам заряда-прототипа можно отнести необходимость использовать опасный капсюль-детонатор для подрыва заряда, а также невозможность осуществления экономичного дробления породы на крупные фрагменты, поскольку при детонации ВВ в результате сильного бризантного эффекта значительная часть энергии тратится на ненужное измельчение породы. Кроме того, для обеспечения устойчивого процесса детонации необходимо применять заряды большого диаметра, превышающего критический (практически, более 10 см), что приводит к выбросу грунта, сильному шуму и образованию сейсмической волны при взрыве.

Наиболее близким решением к предлагаемому способу ведения взрывных работ является способ проведения взрывных работ при разрыве пласта давлением пороховых газов, включающий закачку в скважину жидкости разрыва, герметизацию скважины жидкостью и сжигание порохового заряда, в котором герметизацию осуществляют путем закачки вязкоупругой жидкости (SU 1116781, Е 21 В 43/263, опубл. 10.05.99 г.).

Способ-прототип проведения взрывных работ, используемый для разрыва пласта давлением пороховых газов, с размещением порохового заряда в жидкой среде является неэффективным, так как скорость сгорания такого заряда мала, что приводит к высоким теплопотерям в стенке скважины, а проведение взрывных работ по этому способу для дробления твердых и скальных пород при прокладке дорог и в строительном деле, для разрушения крупных объектов является проблематичным из-за невозможности достижения высокого давления в шпуре при затяжном процессе горения пороха, погруженного в жидкость.

Задачей предлагаемого изобретения является создание такого заряда ВВ и способа ведения взрывных работ, которые обеспечили бы уменьшение огневой опасности при подготовке и использовании заряда, упрощение установки (размещения) его на различных объектах, повышение надежности системы инициирования, длительность хранения и безопасность транспортировки, снижение себестоимости и трудоемкости взрывных работ, а также обеспечили бы снижение шума при взрыве и уменьшение интенсивности сейсмической волны.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым зарядом взрывчатого вещества, содержащим насыпную гранулированную пористую аммиачную селитру, пропитанную углеводородным топливом, и средство инициирования, который, согласно изобретению, выполнен в виде герметичного корпуса из полимерной оболочки толщиной до 3 мм и диаметром, меньшим критического диаметра детонации взрывчатого вещества, и дополнительно содержит в количестве от 0,1 до 50% по весу от общего веса взрывчатого вещества в заряде промотор конвективного горения, состоящий из смеси мелкодисперсных компонентов: порошка металла, например алюминия, с размером частиц до 100 мкм и порошка нитрата, например аммиачной селитры, с размером частиц до 500 мкм в стехиометрическом соотношении, а средство инициирования расположено в толще заряда и выполнено с возможностью обеспечения быстрого конвективного горения.

Средство инициирования в предлагаемом заряде может быть выполнено в виде тонкой взрывающейся металлической проволочки или тонкой металлической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку.

Средство инициирования в предлагаемом заряде может содержать химический усилитель энергии, выполненный в виде воспламенительного состава, например мелкодисперсной термитной смеси или мелкодисперсной смеси частиц тефлона и металла, например алюминия.

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым способом ведения взрывных работ, включающим размещение заряда в скважине, герметизацию скважины и сжигание заряда, в котором согласно изобретению используют заряд ВВ, выполненный в виде герметичного корпуса из полимерной оболочки толщиной до 3 мм и диаметром, меньшим критического диаметра детонации ВВ, содержащий насыпную гранулированную пористую аммиачную селитру, пропитанную углеводородным топливом, и промотор конвективного горения, состоящий из смеси мелкодисперсных компонентов: порошка металла, например алюминия, с размером частиц до 100 мкм и порошка нитрата, например аммиачной селитры, с размером частиц до 500 мкм в стехиометрическом соотношении, в количестве от 0,1 до 50% по весу от общего веса ВВ в заряде (включая промотор) и снабженный средством инициирования, расположенным в толще заряда и выполненным с возможностью обеспечения быстрого конвективного горения, герметизацию скважины осуществляют путем заполнения зазора между корпусом заряда и стенками скважины сухим песком или водой с последующим засыпанием скважины забойкой из песка и сжигание заряда производят в режиме быстрого конвективного горения путем подачи на средство инициирования заряда высоковольтного электрического импульса.

Средство инициирования в используемом заряде может быть выполнено в виде тонкой взрывающейся металлической проволочки или тонкой металлической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку.

Средство инициирования в используемом заряде может содержать химический усилитель энергии, выполненный в виде воспламенительного состава, например мелкодисперсной термитной смеси или мелкодисперсной смеси частиц тефлона и металла, например алюминия.

Предлагаемые заряд и способ были разработаны на основе детальных экспериментальных исследований параметров конструкции и состава заряда ВВ, а также конструкции и состава средства инициирования и параметров высоковольтного электрического импульса.

До настоящего времени такие заряды быстрого конвективного горения в способе ведения взрывных работ не использовались, и нельзя было заранее предвидеть возможность практической реализации идеи.

Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление возможности организации быстрого конвективного горения смеси и достижения 100% полноты сгорания заряда. Опыты с зарядами, содержащими пористую гранулированную селитру с размерами зерен от 1 до 3 мм, пропитанную дизельным топливом в стехиометрическом соотношении, имеющими диаметр 40 мм, длину от 250 до 500 мм и размещенными на дне скважины диаметром 50 мм и глубиной от 2 до 2,5 м, показали, что происходит полное сгорание заряда в режиме быстрого конвективного горения, если энергия инициирующего высоковольтного электрического импульса при напряжении 3-5 кВ превышает критическую величину, равную примерно 3 кДж, при времени импульса менее 0.1 мсек. Такой короткий высокоэнергетический импульс приводит к резкому повышению локального давления до величины свыше 10 кбар и быстрому проникновению высокотемпературной плазмы разряда в поры между зернами горючей смеси. Происходит объемное воспламенение окружающей смеси, приводящее к развитию быстрого конвективного горения всей смеси. После сгорания заряда в скважине в замкнутом объеме за время порядка 1 мсек достигается давление продуктов горения смеси свыше 10-20 кбар, что приводит к растрескиванию твердой породы на фрагменты размером от 10 см до 1 м. Если энергия инициирующего электрического импульса меньше критической величины, то конвективное горение затухает из-за опережающего процесса уплотнения смеси и закрытия пор между зернами горючей смеси из-за высокого градиента давления. Включение в состав заряда промотора конвективного горения увеличивает скорость конвективного горения смеси и позволяет снизить энергию инициирующего высоковольтного электрического импульса до 1 кДж. Использование средства инициирования, содержащего химический усилитель энергии, выполненный в виде воспламенительного состава, позволяет еще более снизить энергию инициирования до 10-100 Дж. Это позволяет использовать для инициирования заряда стандартную взрывную машинку, генерирующую сильноточный импульс с напряжением 1.5-3 кВ, что снижает стоимость взрывных работ.

Размещение средства инициирования в толще заряда позволяет увеличить надежность воспламенения и сократить время сгорания заряда. Выбор корпуса из полимерной оболочки толщиной до 3 мм обеспечивает необходимую прочность и герметичность заряда. Герметичная конструкция заряда позволяет длительное и безопасное его хранение, транспортировку и размещение на месте проведения взрывных работ.

Заряд безопасен в обращении, так как исходная смесь при атмосферном давлении трудно воспламеняется от открытого огня и не способна к быстрому конвективному горению. Выбор в качестве основного состава гранулированной пористой аммиачной селитры, пропитанной углеводородным топливом, значительно уменьшает чувствительность смеси к механическим воздействиям. Заряд невозможно сдетонировать, так как его диаметр порядка 40-50 мм не превышает критический диаметр детонации (˜100-200 мм). Для инициирования заряда не требуется опасный капсюль-детонатор, а при использовании средства инициирования, выполненного в виде тонкой взрывающейся металлической проволочки или тонкой металлической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку, требуется высокоэнергетический высоковольтный электрический импульс. Все это обеспечивает высокую степень безопасности заряда при проведении взрывных работ.

Установлено, что предлагаемый заряд обладает эффективностью в 2-3 раза превосходящей эффективность аналогичного заряда на основе широко используемого промышленного ВВ марки 6 ЖВ. Удельный расход смеси заряда при разрушении скальной породы прочностью 2000 кг/см² равен всего лишь 200-300 г/м³. Это связано с тем, что дробление породы происходит на крупные фрагменты размером от 10 см до 1 м при отсутствии проявления бризантного эффекта, когда значительная часть энергии тратится на ненужное измельчение породы. Полученные фрагменты легко удаляются машинным методом. Все это удешевляет стоимость работ. Увеличение эффективности заряда на 20-30% достигается при засыпании зазора между корпусом размещенного в скважине (шпуре) заряда и стенками скважины (шпура) сухим песком или заполнением зазора водой, что связано с увеличением давления продуктов горения в закрытом пространстве.

Установлено, что при "мягком" режиме энерговыделения в условиях быстрого конвективного горения при использовании заряда в скважине глубиной 2-2.5 мс забойкой из песка отсутствует разлет каких-либо осколков, уровень шума при "взрыве" не превышает 60 дБ, интенсивность сейсмической волны более, чем на порядок ниже по сравнению с детонацией промышленного ВВ эквивалентной мощности. Проведенные эксперименты показали, что предлагаемый заряд может быть эффективно использован в строительстве для дробления твердых пород в стесненных городских условиях на расстоянии ˜5-10 метров от жилых и промышленных объектов или магистралей без прерывания их функционирования.

Значительная экономия при производстве взрывных работ достигается также при изготовлении скважин (шпуров) небольшого диаметра ˜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.

На чертеже представлен предлагаемый заряд.

Заряд содержит герметичный корпус 1, основной состав с промотором горения 2, средство инициирования 3 и химический усилитель 4, выполненный в виде воспламенительного состава.

В снаряженном состоянии заряд не опасен, так как не способен к быстрому конвективному горению при атмосфере и не способен к детонации, а для его инициирования требуется сильноточный электрический импульс.

При проведении взрывных работ по предлагаемому способу производят размещение в скважине (шпуре) заряда, засыпают зазор между корпусом заряда и стенками скважины (шпура) сухим песком или заполняют зазор водой, засыпают скважину (шпур) забойкой из песка и производят сжигание заряда в режиме быстрого конвективного горения путем подачи на средство инициирования высоковольтного электрического импульса.

Использование заявляемого изобретения позволит добиться увеличения безопасности при подготовке и использовании заряда, упрощения установки (размещения) его на различных объектах, повышения надежности системы инициирования, повышения длительности хранения и безопасности транспортировки, снижения себестоимости и трудоемкости взрывных работ, а также снижения уровня шума при "взрыве" и уменьшения интенсивности сейсмической волны. Заряд может быть эффективно использован в строительстве для дробления твердых пород в стесненных городских условиях.