Скважинный заряд взрывчатого вещества с газодинамическим стабилизатором детонации

Полезная модель относится к горному делу и может быть использована при заряжании сухих и обводненных скважин взрывчатыми веществами. Суть полезной модели: скважинный заряд взрывчатого вещества с газодинамическим стабилизатором детонации содержит газодинамический стабилизатор детонации заряда взрывчатого вещества из материала с акустической жесткостью, превышающей детонационный импеданс взрывчатого вещества, в виде двух полых усеченных конусов, имеющих соотношение высот , совмещенных между собой меньшими основаниями, диаметром не менее критического диаметра детонации заряда взрывчатого вещества, сужающих сечение скважины на величину, равную , диаметры верхнего и нижнего оснований совмещенных усеченных конусов одинаковы и равны диаметру заряда взрывчатого вещества; газодинамические стабилизаторы детонации установлены по высоте скважины вплотную к ее стенкам во взрывчатом веществе, которое одновременно заполняет внутренний объем усеченных конусов; усеченный конус большей высоты направлен навстречу фронта распространения детонационной волны по заряду взрывчатого вещества. Полезная модель позволяет повысить кпд взрыва путем стабилизации скорости детонации по всему заряду с одновременной задержкой оттока продуктов детонации из скважины или шпура. 2 фиг., 2 зав. п. формулы.

Полезная модель относится к горному делу и может быть использована при заряжании сухих и обводненных скважин взрывчатыми веществами.

Эффективность применения любого взрывчатого вещества определяется полнотой протекания процесса детонации, при этом важно обеспечить не только полноту протекания реакции взрывчатого разложения, но также устойчивый незатухающий характер скорости детонации по всей длине зарядов взрывчатых веществ.

Эффективность действия взрыва можно повысить двумя путями:

- первый - создать условия, обеспечивающие приближение детонации всего заряда к мгновенной;

- второй - на некоторый момент времени воспрепятствовать дискретному оттоку продуктов детонации и восстановить скорость распространения детонационной волны в случае ее затухания до первоначального значения.

Первый путь реализуется применением многоточечного или линейного инициирования зарядов взрывчатого вещества (1-3).

Второй путь реализуется за счет увеличения времени до разгерметизации скважины путем использования рассредоточенных зарядов различных конструкций (4-9), применением инертных забоек повышенной прочности, позволяющих запирать продукты взрыва в зарядной полости скважин до полного разрушения массива (10-14). Забойки повышенной прочности задерживают отток продуктов детонации из скважины, но не обеспечивают постоянства скорости детонации взрывчатого вещества вдоль всего заряда.

Известно, что взрывчатое вещество детонирует со сверхзвуковой скоростью. Сверхзвуковые скорости можно поддерживать постоянными при установке вдоль газового потока устройств типа сопла Лаваля, представляющего собой канал, сечение которого сначала уменьшается, а затем увеличивается. Сверхзвуковой поток газов в сужающемся канале замедляется, а в расширяющемся ускоряется.

Известен скважинный заряд взрывчатого вещества, включающий взрывчатое вещество, средство взрывания и устройство для рассредоточения заряда (скважинный затвор) в виде полой емкости биконической формы из пластической массы, заполненной щебнем фракции 10-20 мм (15), принятый авторами в качестве прототипа. Названное устройство используется для формирования воздушных промежутков, оно заполнено щебнем, увеличивает время нахождения продуктов взрыва в скважине, но не оказывает влияния на скорость детонации.

Технической задачей создания полезной модели являлось повышение эффективности ведения буровзрывных работ за счет увеличения кпд взрыва путем стабилизации скорости детонации по всему заряду с одновременной задержкой оттока продуктов детонации из скважины.

Техническая задача была решена разработкой скважинного заряда взрывчатого вещества с газодинамическим стабилизатором детонации, включающего взрывчатое вещество, средство взрывания, забойку из инертного материала и устройство в виде полой емкости биконической формы из пластической массы, который в качестве устройства содержит газодинамический стабилизатор детонации из материала с акустической жесткостью, превышающей детонационный импеданс взрывчатого вещества, состоящий из двух полых усеченных конусов, имеющих соотношение высот , совмещенных между собой меньшими основаниями, диаметром не менее критического диаметра детонации заряда взрывчатого вещества, сужающих сечение скважины на величину, равную , диаметры верхнего и нижнего оснований совмещенных усеченных конусов одинаковы и равны диаметру заряда взрывчатого вещества; газодинамические стабилизаторы детонации установлены по высоте скважины вплотную к ее стенкам во взрывчатом веществе, которое одновременно заполняет внутренний объем усеченных конусов; усеченный конус большей высоты направлен навстречу фронта распространения детонационной волны;

где: - H₁, H ₂ - высоты усеченных конусов, м,

- H _К - величина сужения скважины в плоскости совмещения оснований усеченных конусов, м.

При ведении взрывных работ в обводненных скважинах при формировании заряда взрывчатого вещества в водонепроницаемых полимерных рукавах газодинамический стабилизатор детонации (далее по тексту - газодинамический стабилизатор, стабилизатор) размещается также в полимерном рукаве.

В скважине может устанавливаться несколько стабилизаторов.

В скважинах, диаметр которых больше высоты стабилизатора, последний перед подачей его в скважину помещается в тонкостенную цилиндрическую оболочку, диаметром равным диаметру скважинного заряда.

Схемы газодинамического стабилизатора детонации и скважинного заряда взрывчатого вещества с газодинамическим стабилизатором детонации, изображены на фиг.1, 2 (в разрезе):

Фиг.1 - схема газодинамического стабилизатора детонации.

Фиг.2 - схема скважинного заряда взрывчатого вещества с газодинамическим стабилизатором детонации.

Скважинный заряд взрывчатого вещества (фиг.2) состоит из взрывчатого вещества 8, размещенного в зависимости от обводненности скважин непосредственно в скважине 9 или в водонепроницаемом полимерном рукаве, установленном в скважине. Во взрывчатом веществе 8 по высоте заряда устанавливаются газодинамические стабилизаторы детонации 10.

Газодинамический стабилизатор детонации (фиг.1) представляет собой конструкцию из материала высокой акустической жесткости, состоящую из двух полых усеченных конусов 2, 4 разной высоты (H₁, H ₂), совмещенных между собой меньшими основаниями 3, диаметром d_К не менее критического диаметра детонации заряда взрывчатого вещества. Диаметры верхнего и нижнего оснований 1, 5 совмещенных усеченных конусов 2, 4 одинаковы и равны диаметру заряда взрывчатого вещества d_ВВ (диаметру скважины). Газодинамические стабилизаторы детонации 10 установлены во взрывчатом веществе 8 по высоте заряда вплотную к стенкам скважины. Взрывчатое вещество 8 заполняет внутренний объем усеченных конусов 2, 4, в результате чего образуется непрерывная колонка заряда взрывчатого вещества переменного сечения. Усеченный конус 2 большей высоты (H₁) направлен навстречу фронта распространения детонации взрывчатого вещества, т.е. средство взрывания 11 находится над усеченным конусом большей высоты (обратной конусности). При соотношении высот усеченных конусов, равным 3, образующие усеченных конусов находятся под прямой углом друг к другу (=90°). При совмещении усеченных конусов меньшими основаниями образуется выемка 7, происходит сужение скважины на величину, равную . Усеченные конусы, изготовленные из высоко прочных материалов, например, литьевых сплавов металла, имеют высокую прочность боковых стенок, поэтому выемка 7 между боковыми стенками усеченных конусов и стенками скважины заполнена воздухом (фиг.2). При совмещении полых усеченных конусов из низко прочных материалов, выемка может быть заполнена прочным материалом 6 (фиг.1), например песчаноцементными, асбоцементными, или бетонными смесями с получением монолитной конструкции стабилизатора в процессе его изготовления.

Количество газодинамических стабилизатора детонации, их высота, расстояние между ними определяются экспериментально, исходя из предполагаемого места затухания детонации. В скважинах, диаметр которых значительно превышает высоту стабилизатора, для предотвращения заклинивания, перекоса или неправильного его размещения в скважине стабилизатор предварительно помещается в тонкостенную оболочку 12, длина которой превышает диаметр скважины, и в ней опускается в скважину.

Отличительной особенностью заявляемого скважинного заряда взрывчатого вещества является:

- конструкция газодинамического стабилизатора детонации;

- непрерывная колонка скважинного заряда взрывчатого вещества переменного сечения с газодинамическим стабилизатором детонации.

Принцип действия скважинного заряда.

Газодинамические стабилизаторы располагаются во взрывчатом веществе на принятом расстоянии между ними в местах возможного затухания скорости детонации. Средство взрывания находится над газодинамическим стабилизатором детонации, размещенного обратной конусностью (усеченным конусом большей высоты) навстречу потоку продуктов детонации.

После срабатывания средства взрывания возбуждается детонация участка взрывчатого вещества, расположенного над стабилизатором. Возникающая детонационная волна и поток продуктов взрыва входит в сужающийся канал стабилизатора. При прохождении детонационной волны поток продуктов детонации отражается от боковых стенок усеченного конуса и концентрируется в направлении детонации. Известно, что в самом узком сечении достигается максимальное давление и критическая скорость детонации. На выходе из сужающегося канала за счет отражения газового потока от стенок усеченного конуса к оси стабилизатора возрастает их скорость и скорость детонации восстанавливается до первоначального максимального значения, что способствует возбуждению и поддержанию детонации участка взрывчатого вещества под стабилизатором. При этом задерживается отток продуктов детонации из скважины, повышается местное давление, что способствует более полному протеканию вторичных реакций в продуктах детонации и соответственно повышается энергия, увеличивается время до разгерметизации скважины, и тем самым повышается коэффициент полезного действия взрыва. Заряд работает в пульсирующем режиме, создавая в окружающей горной породе многократные импульсы механических напряжений, повышается эффективность дробления взрываемой горной породы.

Потеря массы и энергии взрывчатого вещества за счет установки газодинамических стабилизаторов детонации из инертного материала компенсируется стабилизацией скорости детонации взрывчатого вещества заряда и ее поддержания на более высоком уровне в направлении детонации, увеличением давления и времени разгерметизации скважины.

Пример использования предлагаемого скважинного заряда. Скважинный заряд высотой L=10 м, диаметром D=0,25 м выполнен в скважине диаметром 0,25 м из аммиачно-селитренного взрывчатого вещества Гранулита РП с критическим диаметром детонации заряда взрывчатого вещества в прочной оболочке d_КР.ВВ=0,040 м. Экспериментально определено, что для обеспечения стабильной скорости детонации по заряду необходимо установить два газодинамических стабилизатора детонации из бетонной смеси с высотой усеченных конусов H₁=0,162 м, H ₂=0,054 м . Диаметры верхнего и нижнего оснований совмещенных между собой меньшими основаниями усеченных конусов равны диаметру скважины d_ВВ=0,25 м. Диаметр оснований совмещаемых усеченных конусов принимается равным 0,06 м (d_К>d_КРВВ ; 0,06>0,04), т.е. больше критического диаметра детонации заряда взрывчатого вещества Величина сужения скважины в месте совмещения усеченных конусов .

Колонка заряда формируется в следующей последовательности (от дна скважины): взрывчатое вещество - газодинамический стабилизатор скорости детонации, устанавливаемый на слой взрывчатого вещества усеченным конусом меньшей высоты, - взрывчатое веществ - газодинамический стабилизатор детонации, устанавливаемый на слой взрывчатого вещества усеченным конусом меньшей высоты, - взрывчатое вещество - средство взрывания (шашка-детонатор с детонирующим шнуром) - взрывчатое вещество - забойка из сыпучего инертного материала. Полый объем усеченных конусов заполняется в процессе заряжания скважины взрывчатым веществом.

Заявленный технический результат - повышение эффективности ведения буровзрывных работ за счет увеличения кпд взрыва путем стабилизации скорости детонации по всему заряду с одновременной задержкой оттока продуктов детонации из скважины:

- повышение кпд взрыва за счет пульсирующего режима детонации взрывчатого вещества заряда, взаимодействия волн напряжений, движения потока продуктов взрыва по каналу с сужением-расширением, увеличения времени разгерметизации скважин достигается использованием газодинамического стабилизатора детонации предлагаемой формы, соотношением его габаритных размеров и его месторасположением;

- полнота детонации заряда взрывчатого вещества за счет переменного сечения колонки заряда, стабилизацией и постоянством скорости детонации по высоте заряда достигается путем установки газодинамического стабилизатора детонации предлагаемой формы.

Ведение буровзрывных работ предлагаемыми зарядами взрывчатых веществ позволило повысить равномерность дробления горной породы за счет снижения в основном выхода негабаритной (крупнокусковой) фракции, улучшить проработку подошвы уступа, повысить производительность погрузочно-транспортного и дробильно-сортировочного оборудования и снизить затраты на буровзрывные работы.

Выполненная в производственных условиях проверка заявляемого скважинного заряда взрывчатого вещества показала его безотказную и надежную работу при дроблении горных пород в сухих, предварительно осушенных, частично и полностью обводненных скважинах диаметром 0,12-0,25 м, глубиной до 20 м.

В процессе проведения взрывов отказов и аномальной работы предлагаемого заряда взрывчатого вещества для обводненных скважин не зафиксировано.

Источники информации:

1 Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва, Государственное издательство физико-математической литературы, М., 1959

2 Патент РФ 2123661

3 Патент РФ 2234052

4 Патент РФ 2309522

5 Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. Недра, М., 1976

6 Скважинные заряды с воздушными промежутками. Наука., Новосибирск, 1974

7 Патент РФ 2260770

8 Патент РФ 2112207

9 Патент РФ 2308667

10 Патент РФ 2329463

11 Патент РФ 2365872

12 Патент РФ 2291394

13 Патент РФ 2291390

14 Патент РФ 2390722

15 Патент РФ 2437056

1. Скважинный заряд взрывчатого вещества с газодинамическим стабилизатором детонации, включающий взрывчатое вещество, средство взрывания, забойку из инертного материала и устройство в виде полой емкости биконической формы из пластической массы, отличающийся тем, что в качестве устройства он содержит газодинамический стабилизатор детонации заряда взрывчатого вещества из материала с акустической жесткостью, превышающей детонационный импеданс взрывчатого вещества, состоящего из двух полых усеченных конусов, имеющих соотношение высот , совмещенных между собой меньшими основаниями, диаметром не менее критического диаметра детонации заряда взрывчатого вещества, сужающих сечение скважины на величину, равную , диаметры верхнего и нижнего оснований совмещенных усеченных конусов одинаковы и равны диаметру заряда взрывчатого вещества; газодинамические стабилизаторы детонации установлены по высоте скважины вплотную к ее стенкам во взрывчатом веществе, которое одновременно заполняет внутренний объем усеченных конусов; усеченный конус большей высоты направлен навстречу фронта распространения детонационной волны по заряду взрывчатого вещества,

где H₁ H₂ - высоты усеченных конусов, м,

H_K - величина сужения скважины в плоскости совмещения оснований усеченных конусов, м.

2. Заряд по п.1, отличающийся тем, что допускается размещать газодинамический стабилизатор детонации в тонкостенной оболочке диаметром, равным диаметру скважинного заряда.

3. Заряд по п.1, отличающийся тем, что газодинамический стабилизатор детонации в обводненной скважине устанавливается в водонепроницаемый полимерный рукав.