предохранительный электродетонатор для взрывных работ

Формула изобретения

1. Предохранительный ЭД для системы короткозамедленного взрывания в шахтах и рудниках, опасных по газу и пыли, имеющий несколько серий замедления, состоящий из электровоспламенителя с мостиком накаливания и выводными проводами, соединенного с гильзой, в которую запрессован заряд БВВ и замедлитель, представляющий собой металлический колпачок, содержащий заряд зажигательного и замедлительного состава, заряд ИВВ в виде азида свинца и заряд БВВ, на наружную поверхность гильзы нанесен пламегасящий состав, отличающийся тем, что мостик накаливания выполнен из константана диаметром 40 мкм при отношении его длины к диаметру l/d₁=25÷50, отношение толщины слоя пламегасящего состава к диаметру гильзы составляет /d₂=0,01÷0,042, а отношение высоты заряда азида свинца к его диаметру составляет Н/d₃ не менее 0,09, отношение разности высоты столбика Н_n+1 замедлительного состава последующей и Н_n предыдущей серий замедления к скорости горения U замедлительного состава в конструкции изделия составляет

2. Предохранительный ЭД-КЗ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пламегасящего состава использован тринатрийфосфат гидрат, а в качестве связующего использован бакелитовый лак в растворе циклогексанона и спирта в соотношении 1:1.

3. Предохранительный ЭД-КЗ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пламегасящего состава использована поливинилхлоридная хлорированная смола.

4. Предохранительный ЭД-КЗ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве замедлительного состава использован состав рецептуры, мас.%:

Ферросиликохром (ФСХ)	50-52
Свинцовый сурик	48-50
Связующее	0,4-2,5 сверх 100

при удельной поверхности ФСХ (S_уд) 2200-3500 см²/г.

5. Предохранительный ЭД-КЗ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве замедлительного состава, не содержащего соединений свинца, использован состав рецептуры, мас.%:

Ферросиликохром	55-65
Перекись бария,
обработанная абиетиновой смолой	35-45
Связующее	0,4-2,5 сверх 100

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области средств инициирования и может быть использовано при взрывных работах для короткозамедленного взрывания зарядов взрывчатых веществ (ВВ), в том числе в рудниках и шахтах, опасных по газу и (или) пыли.

Известны предохранительные электродетонаторы (ЭД) повышенной мощности ЭД-КЗ-ПМ с диапазоном времен замедления от 4 до 120 мс с интервалом между сериями замедления 15 мс и ЭД-КЗ-П с временем замедления до 125 мс и с интервалом между сериями 25 мс [М.М.Граевский. Справочник по электрическому взрыванию зарядов ВВ, Москва, Рандеву-АМ, 2000 г., с.43]. По конструкции ЭД короткозамедленного действия состоят из азидо-гексогенового капсюля-детонатора (КД) повышенной мощности (т.е. увеличенной навески бризантного ВВ-гексогена - до 1,3-1,4 г), замедлителя и электровоспламенителя. ЭД предназначены для взрывания зарядов предохранительных ВВ типа ПЖВ-20 в угольных, сланцевых и других шахтах, опасных по газу и пыли. На боковую поверхность гильзы ЭД наносится пламегасящий состав, состоящий из 55% сернокислого калия и 45% нитроцеллюлозного лака. Эти ЭД имеют небольшое количество серий замедления, обладают недостаточной чувствительностью к статическому электричеству и токам наводки.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению являются электродетонаторы ЭД-КЗ-ПКМ ТУ 84-1162-87, они имеют девять серий замедления, не считая так называемой «нулевой серии», время которой около 4 мс, обладают более высокой стойкостью к зарядам статического электричества. Время замедления каждого ЭД определяется прежде всего отношением столбика замедляющего состава к его скорости горения , а интервал между сериями замедления определяется прежде всего разностью высот замедляющего состава, отнесенного к его скорости горения. Поскольку давление прессования является величиной постоянной (Р=200-250 МПа), то скорость горения состава одинаковой рецептуры, запрессованного при P=const, тоже U=const. Таким образом, интервал замедления в ЭД-КЗ равен , где H_n - высота столбика замедляющего состава предыдущей серии, a H_n+1 - высота столбика замедляющего состава последующей серии. В ЭД-КЗ-ПКМ интервал между сериями замедления составляет 20-25 мс в диапазоне от 4 до 200 мс [Ю.Г.Щукин, Г.Г.Лютиков, В.Г.Поздняков. Средства инициирования промышленных взрывчатых веществ, М.: Недра, 1996 г., с.59].

Недостатком данной конструкции ЭД-КЗ-ПКМ является малый безопасный ток (0,2 А), что ограничивает применение ЭД из-за опасности преждевременного взрыва при воздействии блуждающих токов. Поскольку в шахтах в настоящее время применяется большое количество высоковольтных установок (комбайны, струги, вентиляторы, электроводная откатка и др.), всегда могут быть блуждающие токи, значение которых превышает 0,2 А.

К недостаткам следует также отнести неоптимальный заряд азида свинца, толщину слоя и материал пламегасителя, покрывающего оболочку гильзы, а также замедляющие составы - кремний - двуокись свинца -50/50, кремний - свинцовый сурик - 45/55 и ферросиликохром - свинцовый сурик - 45/55, которые не позволяют увеличить диапазон замедлений выше 270-300 мс без резкого увеличения процента воспламенения метано-воздушной смеси, что определяет предохранительность ЭД.

Выброс в призабойное пространство высокотемпературных остатков гильз ЭД и конденсированных продуктов сгорания замедляющих составов является причиной многих пожаров при взрывных работах в шахтах, опасных по газу и пыли. Гильза ЭД-КЗ подвергается многократному температурному воздействию со стороны горящего замедляющего состава, инициирующего ВВ и ВВ вокруг ЭД. От количества компонента замедляющего состава зависит продолжительность его горения и соответственно температура нагрева гильзы. Пренебрегая теплоотдачей в окружающую среду, был произведен расчет температуры нагрева гильзы ЭД. Температура нагрева зависит от времени замедления и изменяется от 200 до 400°С. Поверхность контакта ВВ с гильзой нагревается также от воздействия ударной волны. Под действием ее металл сжимается, а затем при выходе на свободную поверхность расширяется. Приблизительные расчеты с использованием ударной адиабаты для меди дают температуру от 200 до 360°С. Выбрасываемые из шпуров при взрывных работах раскаленные частицы представляют собой неостывшие шлаки от сгорания замедляющих составов, остатки от металлических гильз и колпачков, куда снаряжаются замедляющие составы. При этом основную опасность представляют конденсированные продукты сгорания замедляющих составов, которые могут быть в виде мелких частиц или кусков шлака, обладающие наибольшей температурой. Таким образом, увеличение высоты (массы) столба замедляющего состава приводит к увеличению вероятности воспламенения метановоздушной смеси. Увеличение массы боевого заряда бризантного ВВ в ЭД-КЗ приводит при прочих равных условиях к еще более высокой вероятности воспламенения метановоздушной смеси, что связано с увеличением бризантности: дробление колпачка замедлителя и выносу горячих кусочков шлаков в призабойное пространство.

В отличие от предохранительных ЭД ведущих зарубежных стран отечественные предохранительные ЭД должны обладать высокой мощностью (боевой заряд более 1,4 г) для обеспечения инициирования промышленных предохранительных ВВ (IV-VI классов) типа аммонит ПЖВ-20, которые обладают малой восприимчивостью к детонационной волне при подрыве ЭД-КЗ и чувствительность которых может значительно понижаться, кроме того, из-за переуплотнения ВВ в результате предыдущего взрыва заряда в соседнем шпуре. По этой причине зарубежные ЭД, имеющие мощность на уровне ЭД №8 (боевой заряд около 0,5 г), не могут применяться в отечественных шахтах опасных по газу и пыли. За рубежом в основном используются нитроглицериновые ВВ с добавками, восприимчивость которых к детонационной волне гораздо больше. В отечественной промышленности выпуск таких ВВ типа угленит Э-6, №5, селектит №1, угленит №7 ограничен.

Кроме того, к недостаткам ЭД-КЗ-ПКМ следует отнести малый интервал между сериями замедления. При номинальных значениях интервалов между сериями замедления 20-25 мс фактические интервалы могут составлять до 15 мс, что приводит к взрыванию шпуровых зарядов в зажатой среде. Это снижает уровень безопасности работ, поскольку усиливает деформирующее воздействие на крепь призабойного пространства. При этом увеличивается объем горной массы, выбрасываемой в отработанное пространство, и, как следствие, возрастает опасность пожаров при взрывных работах в лавах.

При короткозамедленном взрывании интервалы между сериями замедлений целесообразно выбирать такой величины, чтобы более полно использовалась накопившаяся энергия упругих деформаций в объеме горного массива от действия предыдущего взрыва [Л.А.Цай. Физика разрушения горной породы при короткозамедленном взрывании. Известия вузов, Горный журнал, №8, Москва, 1989 г.]. Таким образом важно, чтобы последующий взрыв шпурового заряда ВВ производился в интервале времени, пока действует поле напряжений от предыдущего взрыва. При этом процессы, происходящие в массиве, зависят от состояния горно-геологических условий, расстояний между шпуровыми зарядами и от типа применяемых взрывчатых материалов [И.Г.Петров. Короткозамедленное взрывание в шахтах. - М.: Недра, 1964 г.; Б.Н.Кутузов. Разрушение горных пород взрывом. - М.: МГИ, 1992 г.].

Оптимальным временем замедления между подрываемыми зарядами, определяемым временем замедления ЭД, по условиям эффективности и безопасности можно считать только интервалы времени, при которых обеспечивается одновременно безопасность и достаточная эффективность взрывных работ. При использовании маломощных ВВ IV и VI классов для обеспечения достаточной эффективности взрывных работ требуется увеличение интервалов замедлений между смежными зарядами. Поэтому при использовании этих ВВ допустимое значение общего времени замедления необходимо было увеличить с 220 до 320 мс (Единые правила безопасности при взрывных работах (ПБВ-407-01, § 41), Москва, 2002 г.]. Это решение стимулировало работы по созданию новых ЭД с более широкими и оптимальными интервалами замедлений.

Целью настоящего изобретения является разработка предохранительного электродетонатора с девятью (не считая «нулевой серии») сериями замедления короткозамедленного действия, обеспечивающего более высокую эффективность и безопасность проведения взрывных работ в шахтах и рудниках, опасных по газу и пыли, производство его на существующих технологических линиях средств инициирования, надежная работа изделий в группах от отечественных взрывных машинок.

Предлагаемый электродетонатор состоит из электровоспламенителя с мостиком накаливания и выводными проводами, соединенного с гильзой, в которую запрессован заряд БВВ и замедлитель, представляющий собой металлический колпачок, содержащий заряд зажигательного и замедлительного состава, заряд ИВВ в виде азида свинца и заряд БВВ. На наружную поверхность гильзы нанесен пламегасящий состав.

Сущность изобретения заключается в том, что в качестве мостика накаливания в ЭД-КЗ используется константан диаметром 40 мкм при отношении l/d₁=25÷50 (l - длина мостика, d_l - диаметр мостика накаливания), интервал между сериями замедления ЭД-КЗ, определяемый как в диапазоне времен замедления от 4 до 320 мс (увеличение диапазона до 320 мс достигается использованием замедлительных составов с более низкой температурой горения), в качестве пламегасителя может использоваться тринатрийфосфат гидрат и (или) поливинилхлоридная хлорированная смола, нанесенная на наружную поверхность гильзы в виде лака (поливинилхлоридная хлорированная смола при этом является пламегасителем и одновременно связующим). В качестве связующего пламегасителя, покрывающего оболочку гильзы ЭД-КЗ, могут быть использованы лаки на основе поливинилхлоридной хлорированной смолы или бакелитового лака. Причем отношение толщины слоя пламегасителя ( ) к диаметру гильзы (d₂) должно быть /d₂=0,015÷0,05, а отношение высоты (Н) заряда азида свинца к его диаметру (d₃) должно быть H/d₃ не менее 0,09.

В качестве замедлительного состава предлагается использовать следующие рецептуры составов:

Состав №1, рецептура, мас.%:

ферросиликохром 50÷52;

свинцовый сурик 50÷48,

связующие 1-3% свыше 100%

с удельной поверхностью ферросиликохрома (S_у), см²/г 2200 S_уд 3500.

Состав №2, рецептура, мас.%:

ферросиликохром 60±5;

перекись бария, обработанная абиетиновой смолой 40±5

связующие 1-2,5% свыше 100%.

В табл. 1 представлены сравнительные термодинамические характеристики замедлительных составов, используемых в ЭД-КЗ-ПКМ, и предлагаемые замедлительные составы с пониженной температурой горения.

Табл.1
Сравнительные характеристики замедлительных составов
Рецептуры	Температура при максимальной скорости горения (адиабатич.) T max, К	Полная энтальпия реакции - Н°, кДж/кг	Теплота фазовых переходов Q, кДж/кг	Теплоемкость при T max°C, кДж/кг·К	Объем газообразных продуктов V, см3/г
PbO2 - 50% Si - 50% (ЭД-КЗ-ПКМ)	1690	1320	471,2	0,65	0
Pb3O4 - 55% Si - 45% (ЭД-КЗ-ПКМ)	1690	870	98,5	0,61	0
ФСХ - 45% Pb3 O4 - 55% (ЭД-КЗ-ПКМ)	1431	520	19,6	0,51	0
ФСХ - 50% Pb3O4 - 50% (предлагаемый)	1165	410	13,9	0,51	0

Продолжение табл.1.
Рецептуры	Температура при максимальной скорости горения (адиабатич.) Tmax , K	Полная энтальпия реакции - Н°, кДж/кг	Теплота фазовых переходов Q, кДж/кг	Теплоемкость при Т max °C, кДж/кг·К	Объем газообразных продуктов V, см3/г
ФСХ-52% Pb3O4 - 48% предлагаемый	1059	360	13,5	0,50	0
ФСХ - 60±5% BaO 2 - 40±5% предлагаемый	920-1200	390-504	1,7-5,4	0,61-0,63	0

Как видно из табл.1, предлагаемые замедлительные составы позволяют снизить температуру горения на 490-770°С и значительно снизить процент воспламенения метановоздушой смеси (см. табл.2).

В настоящее время как в отечественных, так и в зарубежных ЭД-КЗ в замедлительных составах используются соединения свинца, что приводит к загазованности подземных выработок свинцовыми соединениями, ухудшению условий труда. Известно, что в течение 30 мин после взрыва концентрация аэрозолей свинца в 2÷8, а в отдельных забоях в 30 раз превышает предельно допустимую норму (0,01 мг/м ³) [П.И.Купшеров. Безопасность электровзрывания в угольных шахтах. - М.: Недра, 1980 г., с.41]. С целью уменьшения концентрации свинца в забое шахты предложен состав №2 на основе перекиси бария и ферросиликохрома (см.табл.1).

Использование в качестве пламегасящего состава тринатрийфосфат гидрата в растворе бакелитового лака, представляющего собой бакелитовую смолу в растворе циклогексанона со спиртом в соотношении 1:1) или на основе поливинилхлоридной хлорированной смолы (например в растворе бутилацетата с ацетоном при соотношении 1:1), при прочих равных условиях уменьшает процент воспламенения метановоздушной смеси на 15-30% по сравнению с сульфатом калия.

Важным фактором также является оптимальная навеска азида свинца, находящегося в колпачке замедлителя совместно с небольшим зарядом бризантного ВВ-гексогена. Инициирующая способность азида свинца зависит от высоты заряда, его плотности, диаметра инициируемого заряда БВВ, его восприимчивости к детонации, а также от высоты заряда БВВ. Поскольку давление прессования изменяется в небольших пределах 50,0-80,0 МПа, диаметр также, высота слоя БВВ более 3 мм согласно правилу Беляева А.Ф. [Г.Г.Ремпель. Возбуждение детонации в бризантных ВВ при их промышленном использовании. - М.: Взрывное дело, 1959 г., с.68], то основной причиной изменения инициирующей способности является нестационарность процессов детонации на начальных участках развития процесса. При d ₃ 5 отношение высоты заряда азида свинца к его диаметру должно быть не менее 0,09.

Таким образом, только комплексное решение ряда задач может позволить создать более совершенный ЭД-КЗ для короткозамедленного взрывания в шахтах и рудниках, опасных по газу и пыли. Влияние ряда конструкционных характеристик ЭД-КЗ на его работоспособность приведено в табл.3.

Применение константановой проволоки диаметром 40 мкм при 25 l/d₁ 50 обеспечивает безопасный ток 0,45 А и надежную работу изделий в группах от отечественного взрывного прибора Ж32460, предназначенного для взрывания ЭД в шахтах, опасных по газу и пыли. Число одновременно подрываемых ЭД находится на уровне ЭД-КЗ-ПКМ.

Увеличение диаметра мостика накаливания приводит к увеличению безопасного тока, но также к увеличению импульса воспламенения и уменьшению изделий при групповом подрыве, а уменьшение диаметра мостика приводит к уменьшению безопасного тока.

При отношении l/d₁<20 [J.H.Blockwell. The axial-flow errer in the thermalconductivity probe, Canod.J.Phys. - 1956-V/34, # 4-p.412-417] увеличивается теплоотдача в выводные провода изделия, что приводит к увеличению импульса воспламенения и уменьшению количества изделий при групповом подрыве.

При l/d₁>50 приводит к сильному провисанию моста в конструкции ЭД-КЗ или изменению конструкции электровоспламенителя, увеличению сопротивления.

Использование в качестве мостика накаливания нихрома диаметром 40 мкм приводит к уменьшению безопасного тока (I_б 0,3 А), увеличение диаметра мостика накаливания до 50 мкм приводит к увеличению импульса воспламенения при групповом подрыве.

Отношение толщины слоя пламегасящего состава к диаметру КД /d₂<0,01 приводит к увеличению процента воспламенений метановоздушной смеси, а увеличение /d₂>0,042 является нетехнологичным: не обеспечивает равномерность покрытия гильзы.

Разность высот столбика замедляющего состава последующей серии замедления к предыдущей, отнесенная к его скорости горения, должна быть , что соответствует оптимальному интервалу между сериями замедления, обеспечивающему безопасность и эффективность взрывных работ в шахтах и рудниках, опасных по газу и пыли.

Заявленный предохранительный ЭД надежно выдерживает воздействие электростатического разряда напряжением 10 кВ, как между головкой и любым из проводов, так и при прямом разряде на мостик накаливания через резистор 0,5 кОм от конденсатора емкостью 2000 пФ (т.е. обладает даже более высокой устойчивостью к зарядам статического электричества, поскольку энергия разряда ). Сравнительные характеристики прототипа (ЭД-КЗ-ПКМ) и заявляемого предохранительного ЭД (ЭД-У-П) представлены в табл.4.

Образцы ЭД-У-П прошли предварительные испытания в ООО УК «Прокопьевск-уголь» с положительными результатами.

Табл.3 Влияние ряда конструкционных характеристик ЭД-КЗ на его работоспособность
№ п/п	Отношение толщины слоя пламегасителя к его диаметру гильзы, /d2	Отношение длины мостика накаливания к его диаметру, l/d 1	Отношение высоты заряда ИВВ к его диаметру, H/d3	Безопасный ток, I, A	Импульс воспламенения, кВ, мс·А 2	Процент воспламенения метано-воздушной смеси при номинальном времени замедления, tn =70 мс	Интервал времени замедления, мс	Результат
1	0,015	25	менее 0,085	0,45	6-10	-	-	10% неполных детонации
2	0,01	25	0,09	0,45	6-10	10	-	полная детонация
3	0,014	25	0,1	0,45	6-10	2	-	-«-
4	0,03	25	0,1	0,45	6-10	0	-	-«-
5	0,042	25	0,1	0,45	6-10	0	-	-«-
6	0,03	20	0,1	>0,5	более 10	0	-	-«-

№ п/п	Отношение толщины слоя пламегасителя к его диаметру гильзы, /d2	Отношение длины мостика накаливания к его диаметру, l/d 1	Отношение высоты заряда ИВВ к его диаметру, H/d3	Безопасный ток, I, A	Импульс воспламенения, кВ, мс·А 2	Процент воспламенения метано-воздушной смеси при номинальном времени замедления, tn =70 мс	Интервал времени замедления, мс	Результат
7	0,03	менее 20	0,1	>0,55-0,6	более 10	0	-	-«-
8	0,03	25	0,15	0,45	6-10	0	-	-«-
9	0,035	50	0,15	0,45	6-10	0	-	-«-
Испытания при групповом подрыве до 320 мс
10	0,04	25	0,15	0,45	6-10	-	15-20	сейсмический эффект разрушения крепи, вынос породы
11	0,04	25	0,15	0,45	6-10	-	30-35	нет разрушений и выноса природы
12	0,04	25	0,15	0,45	6-10	-	45-50	нет разрушений и выноса природы

Табл.4 Сравнительные характеристики предохранительных ЭД-КЗ
Наименование	Сопротивление мостика накаливания R, Ом (с выводными проводами L=2,7 м)	Материал мостика накаливания (диаметр)	Безопасный ток I б, A	Безопасный импульс воспламенения, мс·А2	Импульс воспламенения кВ, мс·А2	Диапазон серий замедления, мс	Интервал между сериями, мс	Количество ЭД, подрываемых в группе от машинки ЖЗ-2460, шт.	Чувствительность к статическому электричеству
Прототип ЭД-КЗ-ПКМ (ТУ 84-1162-87)	2,0-3,0	нихром (30 мкм)	0,2	не менее 0,6	не более 2,0	4-210	20-25	100-130	10 кВ/200 пФ
Заявляемый ЭД угольный предохранительный (ЭД-У-П)	0,9-1,5	константан (40 мкм)	0,45	не менее 3,0	не более 10,0	4-320	30-50	100-130	10кВ/2000пФ