Удлиненный заряд взрывчатого вещества

Полезная модель относится к удлиненным зарядам промышленных взрывчатых веществ, размещенных в подземных зарядных горных выработках, для производства крупномасштабных взрывов специального назначения для образования профильных земельно-скальных сооружений (каналов, котлованов, плотин, дамб, перемычек).

Сущность полезной модели: удлиненный заряд взрывчатого вещества содержит слои взрывчатых веществ с разной скоростью детонации, инициируемые одновременно промежуточным детонатором, поперечные размеры которого равны поперечным размерам заряда, размещенного в торцевой или средней частях заряда, а высоты слоев взрывчатых веществ пропорциональны их скоростям детонации.

Предлагаемый удлиненный заряд позволяет увеличить мощность взрыва, скорость разлета продуктов детонации с поверхности заряда за счет снижения угла наклона фронта детонационной волны с 90° до некоторого острого угла, увеличить передачу энергии взрыва в окружающую заряд среду.

1 фиг.

Полезная модель относится к удлиненным зарядам промышленных взрывчатых веществ, размещенных в подземных зарядных горных выработках, для производства крупномасштабных взрывов специального назначения для образования профильных земельно-скальных сооружений (каналов, котлованов, плотин, дамб, перемычек).

В настоящее время сравнительно дешевые аммиачно-селитренные взрывчатые вещества получили большое распространение в промышленности и строительстве, в том числе и для производства крупномасштабных взрывов по сооружению взрывонабросных плотин. Разработана гранулированная пористая аммиачная селитра, оборудование для измельчения гранулированной плотной и пористой аммиачной селитры, что позволяет изготавливать взрывчатые вещества одного компонентного состава, значительно отличающиеся своей плотностью и скоростью детонации. Они обладают пониженной чувствительностью к внешнему импульсу, что позволяет решать вопросы безопасного заряжания взрывных подземных выработок большого объема (камеры, штольни), но требует разработки мероприятий по обеспечению безотказности их инициирования, повышению мощности и полезного использования энергии взрыва при разрушении твердой среды.

В производственной практике при осуществлении крупномасштабных взрывов наибольшее применение получили удлиненные заряды взрывчатого вещества, размещаемые в горизонтальных (слабонаклоненных) подземных горных выработках - штольнях. Масса взрывчатых веществ в таких зарядах достигает тысяч тонн, а линейная плотность - 40-45 т/м.

Инициирование малочувствительных взрывчатых веществ удлиненных зарядов осуществляется обычно сосредоточенными промежуточными детонаторами из бризантного взрывчатого вещества типа тротила или смеси тротила с гексогеном, взрывной импульс которому передается электрическим или неэлектрическим детонатором или детонирующим шнуром. Тип и форма инициатора взрыва оказывает существенное влияние на направление фронта детонационной волны, распространяющегося по заряду. При инициировании заряда взрывчатого вещества сосредоточенным детонатором в нем распространяется сферическая детонационная волна, быстро формирующаяся в плоскую, фронт которой с границей раздела «взрывчатое вещество - горная порода» составляет прямой угол. При инициировании заряда линейным инициатором, размещенным по всей его длине, в заряде распространяется фронт детонационной волны конической формы, который с границей раздела «взрывчатое вещество - горная порода» составляет некоторый острый угол. Экспериментально установлено, что с уменьшением угла наклона фронта детонационной волны с 90° до 0° давление волны напряжений возрастает более, чем в 2 раза, массовая скорость среды - в 1,8-1,9 раза, доля потенциальной энергии, перешедшей в среду, возрастает на 40%, эффективность взрыва возрастает на 20-30%.

При производстве крупномасштабных взрывов большое значение имеют тип взрывчатого вещества, конструкция и геометрические параметры заряда (длина, высота), тип и месторасположение инициатора взрыва.

Известен камерный заряд взрывчатого вещества, состоящий из аммиачной селитры и дизельного топлива, формируемый в зарядной выработке чередованием слоев аммиачной селитры во влагонепроницаемых мешках с предварительным определением пустотности такого слоя и слоев россыпной аммиачной селитры, обработанных дизельным топливом путем подачи его по специально проложенному трубопроводу (1). Недостатком указанного камерного заряда является сложность обеспечения однородности компонентного состава по высоте штабеля, т.к. дизельное топливо подается по трубопроводу на предварительно выложенный штабель аммиачной селитры в виде мешков и россыпи.

Известен многослойный камерный заряд, имеющий примерно одинаковую плотность по высоте заряда за счет того, что взрывчатое вещество в оболочках размещают в оболочку из термоусадочной пленки, после чего производят уплотнение взрывчатого вещества до заданной плотности с одновременным принудительным выдавливанием лишнего воздуха из оболочек, непосредственно после уплотнения производят обогрев термоусадочной оболочки горячим воздухом, далее размещают на дно заряжаемой выработки оболочки с взрывчатым веществом с наименьшей объемной плотностью, т.е. избытком воздуха, который принудительно не удаляли из оболочек, затем оболочки с взрывчатым веществом, из которых частично был удален воздух, а в верхнюю часть заряда укладывают оболочки с взрывчатым веществом, из которых удален воздух настолько, насколько технически это было возможно в данных конкретных условиях (2), принятый авторами в качестве прототипа. Недостатком заряда-прототипа является высокая трудоемкость формирования штабеля взрывчатого вещества из предварительно уплотненных блоков разной плотности путем принудительного удаления воздуха с целью достижения одинаковой плотности взрывчатого вещества по высоте штабеля, отсутствие данных по количественному соотношению высот слоев взрывчатых веществ разной плотности и типу инициатора взрыва. Эффективность взрыва удлиненного заряда в подземной выработке в значительной степени зависит от типа промежуточного детонатора (линейный или сосредоточенный) и места его расположения. Эффективность взрыва заряда-прототипа может быть обеспечена только за счет применения линейного инициатора, проложенного вдоль всего удлиненного заряда, параметры которого в прототипе не определены. Учитывая габариты камерного заряда (большую высоту - несколько метров и большую длину - несколько десятков метров) размещение вдоль всего заряда линейного инициатора, способного возбудить полноценную детонацию взрывчатого вещества удлиненного штольневого заряда, является трудновыполнимой задачей в реальных производственных условиях.

Технической задачей полезной модели являлось повышение эффективности взрыва за счет повышения детонационной мощности удлиненного заряда взрывчатого вещества и увеличения передачи энергии взрыва в окружающую заряд среду.

Эффективность взрыва любого заряда, в том числе и удлиненного, зависит от угла встречи фронта детонационной волны с преградой (со стенками зарядной камеры). Наибольший рост давления достигается при встрече фронта детонационной волны со стенкой зарядной камеры под углом 0°, а наименьший - при 90°. Угол наклона фронта детонационной волны можно регулировать за счет послойного размещения в зарядной протяженной выработке взрывчатых веществ с разной скоростью детонации и высотой этих слоев.

Техническая задача была решена разработкой удлиненного заряда взрывчатого вещества, состоящего из слоев взрывчатого вещества, средства инициирования и забойки из инертного материала, который содержит слои взрывчатых веществ с разными скоростями детонации, инициируемые одновременно промежуточным детонатором, поперечные размеры которого равны поперечным размерам заряда, размещенного в торцевой или средней частях заряда, а высоты слоев взрывчатых веществ пропорциональны их скоростям детонации.

Распространяющийся фронт детонационной волны подходит к границе раздела взрывчатого вещества с горной породой не под прямым углом, а под острым из-за разных скоростей детонации слоев взрывчатого вещества. Угол наклона фронта детонационной волны к поверхности заряда (_Д) зависит от скоростей детонации взрывчатых веществ слоев и теоретически определяется формулой , где D_Н, D_В - скорости детонации взрывчатых веществ слоев удлиненного заряда, имеющих разные значения (D_Н<D_В).

Разлет продуктов детонации с поверхности удлиненного (протяженного) заряда зависит от угла наклона фронта детонационной волны _Д, под которым она подходит к его поверхности. Разлет продуктов детонации происходит по нормали к поверхности заряда. Равнодействующая скорость разлета продуктов взрыва в пустоту (D_р) определяется показателем политропы (к), скоростью детонации взрывчатого вещества (D) и углом наклона фронта детонационной волны (_Д) к поверхности заряда: . Максимальная скорость разлета - при _Д=0°; минимальная - при _Д=90° (4).

Уменьшение угла наклона фронта детонационной волны с 90° (инициирование сосредоточенным промежуточным детонатором, формирующим детонационную волну с плоским фронтом, распространяющуюся вдоль поверхности заряда), до 0° (фронт детонации параллелен поверхности заряда) сопровождается повышением скорости разлета продуктов взрыва с поверхности заряда в 1,22-1,26 раза, увеличением передачи энергии взрыва (E) в окружающую заряд среду в 1,49-1,59 раз: .

Сущность полезной модели поясняется фиг.1, на которой представлена схема удлиненного (штольневого) заряда (в продольном разрезе):

- а) заряд состоит из взрывчатых веществ, размещенных в два слоя;

- б) заряд состоит из взрывчатых веществ, размещенных в три слоя;

- в) заряд состоит из взрывчатых веществ, размещенных в два слоя, промежуточный детонатор в средней части заряда.

Обозначения:

1 - подземная зарядная камера (штольня),

2 - граница раздела слоев взрывчатых веществ,

3, 4, 5 - слои взрывчатых веществ,

6 - промежуточный детонатор,

7 - забойка из инертного материала,

H_Н, H_В , - высоты слоев взрывчатых веществ с низкой и высокой скоростью детонации, м,

H_Ш, L_Ш - высота и длина штабеля взрывчатого вещества, м,

_Д - угол наклона фронта детонационной волны, °.

Отличительной особенностью и преимуществом предлагаемого удлиненного заряда взрывчатого вещества является:

- формирование штабеля из слоев взрывчатых веществ с разными скоростями детонации, обеспечивающих снижение угла наклона фронта детонационной волны при ее встрече со стенками взрывной камеры,

- промежуточный детонатор, установленный в торцевой или средней части заряда по всему его сечению, обеспечивающий одновременное инициирование всех слоев взрывчатого вещества, размещенных в подземной зарядной выработке,

- высоты слоев взрывчатого вещества, пропорциональные скоростям их детонации, одновременность завершения детонации всех слоев взрывчатого вещества, обеспечивающих увеличение скорости разлета продуктов взрыва, повышение передачи энергии взрыва в массив горных пород и удельной мощности взрыва.

Удлиненный заряд представляет собой штабель, сформированный из слоев взрывчатых веществ 3, 4, 5, размещенных в подземной горной выработке 1. Взрывчатые вещества слоев штабеля могут иметь одинаковый состав, но отличаться плотностью и скоростью детонации; или иметь разный состав и разные скорости детонации. Промежуточный детонатор 6 размещается по всему поперечному сечению заряда в торцевых частях заряда, например, на границе с забойкой 7 из инертного материала или в средней части удлиненного заряда.

Порядок формирования заряда и его работа.

В зависимости от массы взрываемого заряда (с соответствии с проектом взрыва) рассчитываются параметры зарядной камеры (длина, высота, объем), выбирается конструкция многослойного удлиненного заряда и его параметры. В зарядной камере выкладываются слои взрывчатых веществ в виде штабеля из упаковок взрывчатых веществ. Размещается промежуточный детонатор по всему поперечному сечению заряда. Масса многослойного штабеля может достигать тысяч тонн.

Известно, что длительность действия давления продуктов взрыва прямо пропорциональна высоте слоя взрывчатого вещества (4). Для многослойного заряда должно выполняться условие одновременности завершения детонации каждого слоя взрывчатого вещества в плоскости, перпендикулярной продольной оси заряда, т.е. времена детонации каждого слоя должны быть равны между собой: t₁=t₂==t_i. С учетом известной высоты слоя взрывчатого вещества (H) и скорости его детонации (D) условие одновременности завершения детонации каждого слоя может быть записано следующим образом: или H₁:H₂:H_i=D₁:D₂:D_i.

Взрывная эффективность многослойного удлиненного заряда взрывчатого вещества оценивается по величине его удельной детонационной мощности (N_ВВ), равной , где - приведенная удельная энергия многослойного заряда взрывчатого вещества, ккал/кг; ; E_В, E_Н - удельная энергия (теплота взрыва) взрывчатого вещества слоя с большей и меньшей скоростью детонации соответственно; n - количество слоев взрывчатых веществ в удлиненном заряде.

Примеры осуществления полезной модели.

Пример 1 (фиг.1 a). Удлиненный заряд массой 2200 т в зарядной выработке (штольне) выполнен в виде двухслойного штабеля длиной L_Ш=50 м, высотой H_Ш=7 м, шириной B _Ш=7 м из мешков взрывчатого вещества порошкообразного гранулита РП (нижний слой) со скоростью детонации 3 км/с, теплотой взрыва 900 ккал/кг и аммонита 6ЖВ (верхний слой) со скоростью детонации 5 км/с, теплотой взрыва 1000 ккал/кг.

Промежуточный детонатор с площадью поперечного сечения 49 м² (7×7) массой 75 т был выполнен из порошкообразного взрывчатого вещества аммонита 6ЖВ в мешках и установлен в торцевой части заряда со стороны забойки.

Угол наклона фронта детонационной волны: ; _Д=37°. Соотношение высот слоев взрывчатых веществ в штабеле: .

Высота слоя гранулита РП: .

Высота слоя аммонита 6ЖВ: .

Приведенная удельная энергия взрывчатых веществ: .

Удельная детонационная мощность удлиненного двухслойного заряда взрывчатых веществ:

Пример 2 (фиг.1 б).

Удлиненный заряд массой 2200 т в зарядной выработке (штольне) выполнен в виде трехслойного штабеля длиной L_Ш=50 м, высотой H_Ш=7 м, шириной B_Ш=7 м из мешков взрывчатого вещества порошкообразного гранулита РП (нижний и верхний слои) со скоростью детонации 3 км/с, теплотой взрыва 900 ккал/кг и аммонита 6ЖВ (средний слой) со скоростью детонации 5 км/с, теплотой взрыва 1000 ккал/кг.

Промежуточный детонатор с площадью поперечного сечения 49 м² (7×7) массой 75 т был выполнен из порошкообразного взрывчатого вещества аммонита 6ЖВ в мешках и установлен в торцевой части заряда со стороны забойки.

Угол наклона фронта детонационной волны: ; _Д=37°. Соотношение высот слоев взрывчатых веществ в штабеле: .

Высота слоя аммонита 6ЖВ (среднего): .

Высота слоев гранулита РП (верхнего и нижнего): H_В(Н)=H_НШ=3,18×0,6=1,91 (м). Приведенная удельная энергия взрывчатых веществ удлиненного трехслойного заряда: .

Удельная детонационная мощность удлиненного трехслойного заряда: .

При сплошной конструкции удлиненного штольневого заряда угол наклона фронта детонационной волны при торцевом инициировании заряда со стороны забойки равен _Д=90°; удельная детонационная мощность заряда из гранулита РП составляет: , а из аммонита :ЖВ - 428 усл.ед.

Как следует из приведенных данных, замена однослойного заряда на многослойный тех же габаритов приводит к значительному увеличению мощности взрыва.

Заявленный технический результат - повышение эффективности взрыва - обеспечивается конструкцией заряда:

- увеличение мощности взрыва и скорости разлета продуктов детонации с поверхности заряда за счет снижения угла наклона фронта детонационной волны с 90° до некоторого острого угла, применения многослойного расположения взрывчатых веществ с разной скоростью детонации, одновременно инициируемыми промежуточным детонатором, поперечные размеры которого равны поперечным размерам заряда;;

- увеличение передачи энергии взрыва в окружающую заряд среду за счет одновременности завершения детонации всех слоев взрывчатых веществ в плоскости, перпендикулярной продольной оси заряда.

Проведена проверка заявляемого заряда из аммиачно-селитренных взрывчатых веществ при производстве крупномасштабного взрыва по возведению взрывонабросной плотины с положительными результатами. Удлиненный штольневой заряд в виде двухслойного штабеля формировался из мешков с аммиачно-селитренным взрывчатым веществом. Промежуточный детонатор выполнялся путем штабелирования упаковок (мешков) порошкообразного аммиачно-селитренного взрывчатого вещества в торцевой части заряда. Взрывчатые вещества изготавливались в мобильных передвижных смесительных установках, установленных на производственной площадке вблизи места производства крупномасштабного взрыва.

Источники информации

1. Патент РФ 1603919.

2. Патент РФ 2381437.

3. «Физика взрыва» под ред. К.П.Станюковича, «Наука», М., 1975.

4. Д.С.Райнхарт, Д.Пирсон «Взрывная обработка металлов», «Мир», М., 1966.

Удлиненный заряд взрывчатого вещества, состоящий из слоев взрывчатых веществ, средства инициирования и забойки из инертного материала, отличающийся тем, что он содержит слои взрывчатых веществ с разной скоростью детонации, инициируемые одновременно промежуточным детонатором, поперечные размеры которого равны поперечным размерам заряда, размещенного в торцевой или средней части заряда, а высоты слоев взрывчатых веществ пропорциональны их скоростям детонации.