Заряд взрывчатого вещества и способ ведения взрывных работ (варианты)

Заряд взрывчатого вещества и способ ведения взрывных работ (варианты)

Реферат

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), содержащий корпус, жидкое взрывчатое вещество (ЖВВ) - смесь четырехокиси азота (N₂O₄) и углеводородного горючего, и скрепленное с корпусом средство взрывания, выполненное в виде взрывающейся проволочки или мостика, и способ ведения взрывных работ, включающий размещение заряда и средства взрывания на объекте, монтаж электровзрывной сети в пределах опасной зоны и подсоединение к ней средства взрывания, осуществляемые до заполнения корпуса заряда ЖВВ (Патент RU 2084806, кл. F 42 B 1/02, F 42 D 3/00, 1995).

Недостатками данных решений являются высокая степень огневой опасности изготовления и применения заряда ЖВВ на месте, трудности его использования при разделении сложнопрофильных объектов. Четырехокись азота, другие применяемые окислители и унитарные ЖВВ, как правило, являются высокотоксичными и летучими веществами. Заполнение зарядов ЖВВ непосредственно на месте проведения работ требует большой осторожности и длительного времени, особенно при заливке множества зарядов на протяженном или сложнопрофильном объекте. Из-за высокой летучести окислителя резко ограничены возможности работы с ЖВВ в летнее время при высокой температуре окружающей среды. Поэтому указанные заряд и способ представляют большую огневую и токсикологическую опасность для человека (взрывника) при выполнении операции заполнения корпуса заряда ЖВВ. Кроме того, способ ведения взрывных работ трудоемок. Нахождение средства взрывания, выполненного в виде взрывающейся проволочки или мостика, в среде, содержащей активный окислитель, резко снижает надежность системы инициирования из-за коррозии проволочки.

Наиболее близкими решениями (выбранными за прототип) к предлагаемым заряду взрывчатого вещества и способу ведения взрывных работ являются заряд и способ, описанные в патенте RU 2174110, кл. С 06 В 47/00, F 42 B 3/087, F 42 D 1/02, опубл. 27.09.2001.

Известный заряд-прототип содержит корпус, двухкомпонентное ЖВВ и средство взрывания. Корпус заряда выполнен герметичным, а заряд выполнен бинарным, то есть содержит не перемешанные окислитель и горючее, для чего компоненты ЖВВ: окислитель, например четырехокись (тетраокись) азота, и горючее, например углеводородное горючее, размещены в разных объемах, разделенных герметичной оболочкой (перегородкой), причем средство взрывания размещено в объеме с горючим.

Способ-прототип ведения взрывных работ включает размещение бинарного заряда жидкого взрывчатого вещества на объекте, монтаж электровзрывной сети в пределах опасной зоны, подсоединение к ней средства подрыва и подрыв заряда, причем образование ЖВВ в корпусе заряда осуществляют в результате смешения компонентов ЖВВ путем удаления оболочки (перегородки) между окислителем и горючим после монтажа электровзрывной сети и подсоединения к ней средства подрыва. Оболочка (перегородка) между окислителем и горючим может быть выполнена либо из тонкой полимерной пленки в виде двойного вывернутого внутрь рукава, либо из хрупкого материала, например стекла. Удаление разделяющей оболочки (перегородки) осуществляют либо путем вытягивания оболочки из корпуса заряда через обжимной узел цилиндрической втулки, либо путем импульсного разрушения хрупкой перегородки. После удаления оболочки (перегородки) производят подрыв заряда.

Недостатками этих решений является ограниченная удельная мощность заряда, так как используется простой двухкомпонентный состав на основе только жидких компонентов. При подготовке взрывных работ не предусмотрена процедура увеличения мощности ВВ путем введения дополнительного твердого компонента.

Задачей предлагаемых изобретений является создание такого заряда ВВ и способа ведения взрывных работ, которые обеспечили бы более высокую мощность взрыва при возможном упрощении конструкции заряда, повышении его безопасности и надежности, а также позволили бы реализовать режим быстрого турбулентного горения, не приводящий к образованию сильных сейсмических волн.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:

- зарядом взрывчатого вещества, содержащим герметичный корпус и не перемешанные жидкие окислитель и горючее, для чего окислитель и горючее размещены в разных объемах, разделенных герметичной перегородкой, в котором, согласно изобретению, в объеме с жидким горючим размещен дополнительный компонент - мелкодисперсный металлический порошок при массовом соотношении металлический порошок: жидкое горючее, равном (0,01-1):1, причем общая масса металлического порошка и жидкого горючего составляет от 10 до 90% от суммарной массы взрывчатого вещества.

В качестве мелкодисперсного металлического порошка в заряде может быть использован порошок алюминия или магния.

В объеме с жидким горючим заряда может быть размещено средство для перемешивания, выполненное в виде металлических или стеклянных тел, например шариков диаметром до 10 мм.

- зарядом взрывчатого вещества, содержащим герметичный корпус и не перемешанные окислитель и горючее, имеющим, согласно изобретению, один объем, заполненный жидким окислителем или водой, в который помещен в качестве горючего мелкодисперсный металлический порошок в виде пассивированных частиц в количестве 10-90%, при этом разность значений плотности жидкого окислителя или воды и металлического порошка обеспечивает их разделение в поле гравитации Земли.

В качестве мелкодисперсного металлического порошка в виде пассивированных частиц в заряде может быть использован порошок алюминия или магния.

В объеме заряда может быть размещено средство для перемешивания, выполненное в виде металлических или стеклянных тел, например шариков диаметром до 10 мм.

В объеме заряда может быть размещено средство для перемешивания, выполненное в виде тел из магнитного материала, например шариков диаметром до 10 мм, при этом корпус заряда должен быть изготовлен из немагнитного материала, например алюминия, и поверх корпуса расположено устройство для приведения в движение магнитным полем средства перемешивания, выполненное, например, в виде нескольких витков изолированного провода.

- способом ведения взрывных работ, включающим размещение на объекте заряда взрывчатого вещества, содержащего не перемешанные жидкие окислитель и горючее, для чего окислитель и горючее размещены в разных объемах, разделенных герметичной перегородкой, монтаж электровзрывной сети, подсоединение к ней средства подрыва, образование взрывчатого вещества путем удаления перегородки между окислителем и горючим и подрыв заряда, в котором, согласно изобретению, используют заряд, в объеме с жидким горючим которого размещен дополнительный компонент - мелкодисперсный металлический порошок, а при удалении перегородки между окислителем и горючим осуществляют образование взрывчатого вещества в виде суспензии или геля металлического порошка в жидких компонентах.

Заряд перед размещением на объекте можно встряхивать для образования суспензии или геля металлического порошка в жидком горючем.

Для облегчения и ускорения образования суспензии или геля при встряхивании заряда можно использовать заряд, в объеме с жидким горючим которого размещено средство для перемешивания, выполненное в виде металлических или стеклянных тел, например шариков диаметром до 10 мм.

Образование суспензии или геля металлического порошка в жидком горючем можно осуществлять отдельно от заряда, а заполнение объема для горючего в заряде этой суспензией или гелем производить на месте проведения взрывных работ перед размещением заряда на объекте.

Решение поставленной задачи достигается также способом ведения взрывных работ, включающим размещение на объекте заряда взрывчатого вещества, содержащего не перемешанные окислитель и горючее, монтаж электровзрывной сети, подсоединение к ней средства подрыва и подрыв заряда, в котором, согласно изобретению, используют заряд, содержащий один объем, заполненный жидким окислителем или водой, в который помещен в качестве горючего мелкодисперсный металлический порошок в виде пассивированных частиц, при этом разность значений плотности жидкого окислителя или воды и металлического порошка обеспечивает их разделение в поле гравитации Земли, и заряд перед размещением на объекте встряхивают для образования суспензии или геля металлического порошка в жидком окислителе или воде.

Для облегчения и ускорения образования суспензии или геля можно использовать заряд, в объеме которого размещено средство для перемешивания, выполненное в виде металлических или стеклянных тел, например шариков диаметром до 10 мм.

Для создания возможности образования суспензии или геля после размещения заряда на объекте (и после монтажа электровзрывной сети и подсоединения к ней средства подрыва) используют заряд, в объеме которого размещено средство для перемешивания, выполненное в виде тел из магнитного материала, например шариков диаметром до 10 мм, при этом корпус заряда изготовлен из немагнитного материала, например алюминия, и поверх корпуса размещено устройство для приведения в движение магнитным полем средства перемешивания, выполненное, например, в виде нескольких витков изолированного провода, а образование суспензии или геля металлического порошка в жидком окислителе или воде осуществляют путем подачи импульсов электрического тока на устройство для приведения в движение магнитным полем средства перемешивания после монтажа электровзрывной сети и подсоединения к ней средства подрыва непосредственно перед подрывом заряда.

Предлагаемые заряд и способ (в двух вариантах) были разработаны на основе теоретических расчетов и детальных экспериментальных исследований параметров конструкции заряда и способа ведения взрывных работ.

Соотношение количеств жидкого окислителя, жидкого горючего и мелкодисперсного металлического порошка (твердого горючего) в бинарном заряде (окислитель и горючее размещены в разных объемах), или соотношение жидкого окислителя и твердого горючего в заряде, содержащем один объем, выбиралось из условия обеспечения способности ВВ, содержащем горючее в виде суспензии или геля, к детонации и горению в быстром турбулентном режиме после смешения компонентов. До настоящего времени такие заряды ВВ и способ ведения взрывных работ не использовались и нельзя было заранее предвидеть возможность практической реализации идеи.

Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление возможности организации быстрого, эффективного и безопасного образования суспензии или геля мелкодисперсного металлического порошка, находящегося на дне объема с жидким горючим бинарного заряда или на дне объема с жидким окислителем или водой во втором варианте заряда, что позволило получать более мощное ВВ.

В бинарном заряде смешивание всех компонентов производят путем импульсного разрушения герметичной оболочки (перегородки) между объемами с жидкими горючим и окислителем, при этом возникает сильная турбулизация жидкости и быстро образуется мощное ВВ в виде суспензии или геля.

Предварительное встряхивание бинарного заряда перед размещением на объекте позволяет повысить КПД заряда, также сказывается на увеличение КПД и снаряжение объема заряда для жидкого горючего заранее приготовленной суспензией (или гелем) металлического порошка в жидком горючем.

В варианте заряда с одним объемом образование мощного ВВ в виде суспензии или геля металлического порошка в жидком окислителе или воде осуществляют путем энергичного встряхивания заряда перед размещением его на объекте.

При необходимости осуществления образования суспензии или геля ВВ в заряде с одним объемом после размещения заряда на объекте (например, в случае одновременной установки на протяженном объекте большого количества зарядов) используют заряд с устройством для приведения в движение магнитным полем магнитного средства перемешивания, размещенного в объеме заряда, что позволяет получать ВВ в виде суспензии или геля дистанционно непосредственно перед подрывом заряда.

Опыты показали, что при встряхивании цилиндрического объема диаметром 10-40 мм и длиной 100-250 мм время образования однородной суспензии при смешении керосина и алюминиевого порошка в виде мелкодисперсных сферических частиц размером до 100 мкм не превышало 10 с, чему способствовала сильная турбулизация жидкости.

Еще быстрее происходило образование суспензии или геля мелкодисперсного металлического порошка в жидкости (в обоих вариантах заряда) при использовании средства для перемешивания.

Термодинамические расчеты и эксперименты показали, что наиболее подходящими окислителями для бинарного заряда являются четырехокись (тетраокись) азота, азотная кислота, их смесь, перекись водорода и др., а для заряда, содержащего один объем, дополнительно к перечисленным - раствор нитратной соли, например аммиачной селитры в воде (с добавкой мочевины или без), а также просто вода. В качестве жидкого горючего можно использовать углеводородное жидкое горючее, низшие спирты и др. В качестве твердого горючего мелкодисперсные порошки алюминия, магния и др. (размер частиц не выше 100 мкм). Такие стехиометрические составы, как тетраокись азота + углеводородное горючее + Me (где Me означает, например, алюминий или магний), перекись водорода + этиловый спирт + Me, тетраокись азота + Me, азотная кислота + Me, азотная кислота + тетраокись азота + Me, перекись водорода + Me или вода + Me обладают энергией взрыва Q от 7000 до 14000 кДж/кг. Например, стехиометрический состав N₂O₄+Al имеет удельную теплоту взрыва Q=13700 кДж/кг, у состава HNO₃+Al теплота Q=12500 кДж/кг, у состава Н₂O+Al теплота Q=7580 кДж/кг, что в несколько раз превосходит удельную теплоту взрыва окислителей N₂O₄ или HNO₃ с углеводородным топливом без добавки алюминия.

Изменение в предлагаемых зарядах соотношений окислитель - жидкое горючее - металлический порошок или вода (жидкий окислитель) - металлический порошок дает возможность регулировать режим энерговыделения и кроме детонации осуществлять более мягкий режим быстрого турбулентного горения, что снижает уровень сейсмической волны после срабатывании заряда.

Частицы металла химически инертны по отношению к жидкому горючему и могут длительное время храниться в массе жидкого горючего. Более того для увеличения эффективности инициирования заряда, увеличения его детонационных параметров и реализации режима быстрого турбулентного горения возможно применение химически и механически активированных частиц порошка металла.

Предлагаемая конструкция бинарного заряда позволяет длительные и безопасные его хранение и транспортировку, быстрое и безопасное приведение его в рабочее состояние (путем встряхивания) на месте проведения взрывных работ, что значительно упрощает его установку (размещение) на различных объектах и преодолевает трудности его использования при разделении сложнопрофильных объектов.

Снаряжение бинарного заряда заранее приготовленной суспензией или гелем металлического порошка в жидком горючем является безопасной процедурой и может быть проведено на месте проведения взрывных работ.

Аналогично было установлено, что пассивированные частицы (покрытые оксидной пленкой) многих энергетически выгодных металлов, например алюминия и магния, химически инертны к указанным выше жидким окислителям, например к четырехокиси азота, к азотной кислоте или смеси азотной кислоты с четырехокисью азота, перекиси водорода и др., а также к воде, так что образование суспензии или геля в заряде, содержащем один объем, заполненный жидким окислителем или водой и металлическим порошком, при перемешивании компонентов путем встряхивания заряда на месте проведения взрывных работ перед монтажом заряда является безопасной процедурой.

Следует отметить, что заряды на основе воды и металлического порошка, например алюминия или магния, являются не только в высшей степени безопасными, но и экологически чистыми.

Время существования ("время жизни") суспензии или геля существенным образом зависит от размера частиц, их формы, вязкости жидкой фазы. Например, для частиц алюминия сферической формы размером порядка 1 мкм в четырехокиси азота это время составляет свыше 10 минут, а для частиц чешуйчатой формы размера 1×30 мкм - свыше 20 минут, что вполне достаточно для осуществления монтажа заряда и его подрыва. Для частиц меньшего размера возможно образование геля с временем существования до 1 часа. Сферические частицы крупного размера порядка 30-100 мкм образуют однородную суспензию с коротким временем жизни - от 1 минуты до 20 секунд, время жизни суспензии частиц такого же размера, но чешуйчатой формы существенно больше.

Следует подчеркнуть, что образование суспензии или геля с ограниченным "временем жизни" увеличивает безопасность заряда, так как в случае непредвиденных обстоятельств (например, отказа системы подрыва) спустя это время происходит расслоение суспензии, частицы металла выпадают на дно объема с жидкостью, и теплота последующего взрыва либо резко падает, либо заряд становится вообще не способным к энерговыделению.

В снаряженном состоянии предлагаемый заряд безопасен. В заряде с герметичной оболочкой (перегородкой) жидкий окислитель и жидкое горючее с металлическим порошком размещены в различных изолированных друг от друга объемах, а по отдельности ни окислитель, ни горючее не являются взрывчатыми веществами, способными к детонации. В заряде, содержащем один объем, окислитель или вода и металлический порошок в виде пассивированных частиц разделены естественным образом в поле гравитации Земли при концентрировании твердой фазы на дне заряда. Приведение заряда в рабочее состояние возможно только при интенсивном встряхивании заряда или путем подачи импульсов электрического тока на устройство для приведения в движение магнитным полем средства перемешивания.

Для инициирования заряда необходимо подать на средство взрывания высоковольтный электрический импульс с высокой энергией порядка нескольких килоджоулей или использовать капсюль-детонатор. Это повышает степень безопасности заряда. В качестве средства взрывания заряда может быть использована взрывающаяся проволочка.

На чертеже представлены заряд бинарной конструкции (а) и заряд, содержащий один объем (б).

Корпус заряда 1 в обоих вариантах герметичен.

В бинарном заряде (а) жидкий окислитель 2 и жидкое горючее 3 с металлическим порошком 4 размещены в разных объемах, разделенных герметичной оболочкой 5. В объем с жидким горючим 3 помимо металлического порошка 4 может быть помещено средство перемешивания 6.

В заряде, содержащем один объем (б), жидкий окислитель или вода 2 и металлический порошок 4 размещены в одном объеме, в котором помимо металлического порошка 4 может быть помещено средство перемешивания 6. Если средство перемешивания 6 в таком заряде изготовлено из магнитного материала, а корпус заряда 1 из немагнитного материала, то на корпусе заряда 1 может быть размещено устройство 7, выполненное в виде 10-12 витков изолированного провода, приводящее в движение магнитным полем средство перемешивания 6.

Проведение взрывных работ по предлагаемому способу осуществляют следующим образом.

При использовании бинарного заряда размещают в требуемых местах объекта снаряженные заряды, осуществляют монтаж электровзрывной сети в пределах опасной зоны с подсоединением к ней средства подрыва зарядов и затем приводят заряды в рабочее состояние, организуя смешение компонентов в каждом заряде путем удаления перегородки между окислителем и горючим. После приведения зарядов в рабочее состояние подают инициирующий импульс электрического тока от средства подрыва в электровзрывную сеть на средство взрывания зарядов и осуществляют их подрыв.

Перед размещением бинарных зарядов на объекте рекомендуется их встряхивать для образования суспензии или геля металлического порошка в объеме с жидким горючим.

Образование суспензии или геля металлического порошка в жидком горючем можно осуществлять отдельно от заряда, а заливку ее в объем для горючего бинарного заряда производить на месте проведения взрывных работ перед монтажом заряда.

При использовании заряда, содержащего один объем, образование суспензии или геля металлического порошка в жидком окислителе или воде (приведение заряда в рабочее состояние) производят путем встряхивания заряда на месте проведения взрывных работ перед монтажом заряда на объекте.

Для возможности приведения заряда с одним объемом в рабочее состояние после монтажа заряда используют заряд с устройством, позволяющим приводить средство перемешивания в движение магнитным полем дистанционно путем подачи импульсов электрического тока на это устройство.

После приведения зарядов с одним объемом в рабочее состояние их подрыв осуществляют так же, как и бинарных зарядов, - подают инициирующий импульс электрического тока на средство взрывания.

Использование заявляемых изобретений позволит существенно увеличить мощность взрыва, уменьшить интенсивность сейсмической волны при реализации энерговыделения в режиме быстрого турбулентного горения, а при использовании заряда с одним объемом существенно упростить конструкцию заряда, сделать его экологически чистым и в высшей степени безопасным.

1. Заряд взрывчатого вещества, содержащий герметичный корпус и не перемешанные жидкие окислитель и горючее, для чего окислитель и горючее размещены в разных объемах, разделенных герметичной перегородкой, отличающийся тем, что в объеме с жидким горючим размещен дополнительный компонент - мелкодисперсный металлический порошок при массовом соотношении металлический порошок: жидкое горючее, равном (0,01-1):1, причем общая масса металлического порошка и жидкого горючего составляет от 10 до 90% от суммарной массы взрывчатого вещества.

2. Заряд по п.1, отличающийся тем, что в качестве мелкодисперсного металлического порошка в нем использован порошок алюминия или магния.

3. Заряд по п.1 или 2, отличающийся тем, что в объеме с жидким горючим размещено средство для перемешивания, выполненное в виде металлических или стеклянных тел, например, шариков диаметром до 10 мм.

4. Заряд взрывчатого вещества, содержащий герметичный корпус и не перемешанные жидкий окислитель и горючее, отличающийся тем, что он содержит один объем, заполненный жидким окислителем, в качестве которого может использоваться вода, в который помещен в качестве горючего мелкодисперсный металлический порошок в виде пассивированных частиц в количестве 10-90%, при этом разность значений плотности жидкого окислителя или воды и металлического порошка обеспечивает их разделение в поле гравитации Земли.

5. Заряд по п.4, отличающийся тем, что в качестве мелкодисперсного металлического порошка в виде пассивированных частиц в нем использован порошок алюминия или магния.

6. Заряд по п.4 или 5, отличающийся тем, что в объеме с жидким окислителем или водой размещено средство для перемешивания, выполненное в виде металлических или стеклянных тел, например, шариков диаметром до 10 мм.

7. Заряд по п.4 или п.5, отличающийся тем, что в объеме с жидким окислителем или водой размещено средство для перемешивания, выполненное в виде тел из магнитного материала, например шариков диаметром до 10 мм, при этом корпус заряда изготовлен из немагнитного материала, например алюминия, и поверх корпуса расположено устройство для приведения в движение магнитным полем средства перемешивания, выполненное, например в виде нескольких витков изолированного провода.

8. Способ ведения взрывных работ, включающий размещение на объекте заряда взрывчатого вещества, содержащего не перемешанные жидкие окислитель и горючее, для чего окислитель и горючее размещены в разных объемах, разделенных герметичной перегородкой, монтаж электровзрывной сети, подсоединение к ней средства подрыва, образование взрывчатого вещества путем удаления перегородки между окислителем и горючим и подрыв заряда, отличающийся тем, что используют заряд, в котором в объеме с жидким горючим размещен дополнительный компонент - мелкодисперсный металлический порошок, а при удалении перегородки между окислителем и горючим осуществляют образование взрывчатого вещества в виде суспензии или геля металлического порошка в жидких компонентах.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что заряд перед размещением на объекте встряхивают для образования суспензии или геля металлического порошка в жидком горючем.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что для облегчения и ускорения образования суспензии или геля металлического порошка в жидком горючем используют заряд, в объеме с жидким горючим которого размещено средство для перемешивания, выполненное в виде металлических или стеклянных тел, например шариков диаметром до 10 мм.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что образование суспензии или геля металлического порошка в жидком горючем осуществляют отдельно от заряда, а заполнение объема для горючего в заряде этой суспензией или гелем производят на месте проведения взрывных работ перед размещением заряда на объекте.

12. Способ ведения взрывных работ, включающий размещение на объекте заряда взрывчатого вещества, содержащего не перемешанные окислитель и горючее, монтаж электровзрывной сети, подсоединение к ней средства подрыва и подрыв заряда, отличающийся тем, что используют заряд, содержащий один объем, заполненный жидким окислителем или водой, в который помещен в качестве горючего мелкодисперсный металлический порошок в виде пассивированных частиц, при этом разность значений плотности жидкого окислителя или воды и металлического порошка обеспечивает их разделение в поле гравитации Земли, и заряд перед размещением на объекте встряхивают для образования суспензии или геля металлического порошка в жидком окислителе или воде.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что для облегчения и ускорения образования суспензии или геля используют заряд, в объеме которого размещено средство для перемешивания, выполненное в виде металлических или стеклянных тел, например, шариков диаметром до 10 мм.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что для создания возможности образования суспензии или геля после размещения заряда на объекте используют заряд, в объеме которого размещено средство для перемешивания, выполненное в виде тел из магнитного материала, например шариков диаметром до 10 мм, при этом корпус заряда изготовлен из немагнитного материала, например алюминия, и поверх корпуса размещено устройство для приведения в движение магнитным полем средства перемешивания, выполненное, например, в виде нескольких витков изолированного провода, а образование суспензии или геля металлического порошка в жидком окислителе или воде осуществляют путем подачи импульсов электрического тока на устройство для приведения в движение магнитным полем средства перемешивания после монтажа электровзрывной сети и подсоединения к ней средства подрыва непосредственно перед подрывом заряда.