Патент на изобретение №2356009

(54) КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к взрывным работам и может быть использовано для вторичного дробления негабаритных кусков породы на открытых и подземных горных работах, разрушения строительных конструкций, отходов металлургического производства, различных видов специальных взрывных работ, связанных с направленным действием взрыва. Кумулятивный заряд взрывчатого вещества содержит взрывчатое вещество в оболочке, кумулятивную облицовку, размещенную в кумулятивной выемке, средство инициирования. В качестве оболочки заряда используется полимерный контейнер, дно которого выполнено в виде нескольких параллельно расположенных удлиненных кумулятивных профилированных выемок с соотношением высоты кумулятивной выемки к ее ширине от 0,85 до 1,9, примыкающих друг к другу или разделенных плоскими участками дна шириной, равной 0,3-0,4 ширины кумулятивной выемки. На противоположных стенках полимерного контейнера на уровне размещения линейных инициаторов взрыва выполнены сквозные отверстия. В качестве средства инициирования он содержит линейные инициаторы взрыва одинаковой длины, инициируемые одновременно, расположенные в верхнем слое взрывчатого вещества над ребром, проходящим над вершиной каждой кумулятивной выемки на расстоянии от него не более высоты кумулятивной выемки. Инициаторы закрыты сверху слоем взрывчатого вещества высотой, равной не менее половины критического диаметра детонации взрывчатого вещества. Концы линейных инициаторов взрыва выведены наружу. В верхней части полимерного контейнера над слоем взрывчатого вещества размещается крышка или забойка из инертного материала. Кумулятивный заряд устанавливается непосредственно на поверхности негабарита или на расстоянии от нее не более четырех высот кумулятивной выемки. Изобретение обеспечивает повышение эффективности дробления, снижение стоимости, расширение номенклатуры используемых взрывчатых веществ. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к взрывным работам и может быть использовано для вторичного дробления негабаритных кусков породы на открытых и подземных горных работах, разрушения строительных конструкций, отходов металлургического производства, а также различных видов специальных взрывных работ, связанных с направленным действием взрыва при разрушении твердой среды.

При существующей технике и технологии отбойки пород скважинными зарядами на рудниках и карьерах выход негабаритных кусков, особенно в трудновзрываемых породах, достигает 20% и более. Высокий выход негабарита ухудшает технико-экономические показатели работы предприятий, усложняет технологический процесс переработки горного сырья, снижает производительность погрузочно-транспортного оборудования, повышает себестоимость добычи полезных ископаемых.

Разделку негабаритных кусков на горнодобывающих предприятиях производят главным образом взрывным способом.

Известно использование метода шпурового взрывания зарядов взрывчатых веществ для дробления негабарита, заключающееся в посекционном бурении негабарита горизонтальными или вертикальными шпурами, заряжании их взрывчатыми веществами и подрыве зарядов [1-3]. Недостатком дробления негабаритов с использованием шпуровых зарядов взрывчатых веществ является высокая трудоемкость бурения и сложность организации взрывных работ в производственных условиях.

Известны накладные заряды, порошкообразные взрывчатые вещества которых размещают непосредственно на поверхности негабарита в насыпном виде или предварительно расфасованными в полимерные пакеты [4-6]. Недостатком таких зарядов является повышенный удельный расход взрывчатых веществ, значительный разлет осколков, воздушная ударная волна большой интенсивности, высокая стоимость работ.

Известно использование кумулятивных зарядов для дробления негабаритов, которые размещают непосредственно на поверхности негабарита или в специальных устройствах, устанавливаемых на поверхности негабарита [7-11]. Недостатком указанных кумулятивных зарядов является высокая стоимость взрывчатых веществ, сложность монтажа их на поверхности негабарита, высокая металлоемкость конструкций для их размещения.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является кумулятивный заряд взрывчатого вещества в оболочке с кумулятивной выемкой, облицованной металлической фольгой, и средством инициирования [12], принятый авторами в качестве прототипа. Заряд-прототип трудоемок в изготовлении и дорог по используемому взрывчатому веществу. Такие кумулятивные заряды изготавливаются методом прессования октогена, гексогена, ТЭНа, из литых смесей тротил-гексоген, тротил-октоген, термопластичных или пластизольных взрывчатых веществ со скоростями детонации 7,5-8,5 км/с, теплотой взрыва 5,2-5,5 МДж/кг, плотностью 1,6-1,65 г/см³, а облицовка металлом или металлополимером кумулятивной выемки осуществляется под давлением.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности дробления негабаритных кусков горных пород за счет упрощения схемы монтажа накладного заряда, снижения стоимости, расширения номенклатуры используемых взрывчатых веществ.

Техническая задача была решена разработкой кумулятивного заряда для дробления негабарита, содержащего взрывчатое вещество в оболочке, кумулятивную облицовку, размещенную в кумулятивной выемке, и средство инициирования, в котором в качестве оболочки заряда используется полимерный контейнер, дно которого выполнено в виде нескольких параллельно расположенных удлиненных кумулятивных профилированных выемок с соотношением высоты кумулятивной выемки к ее ширине от 0,85 до 1,9, примыкающих друг к другу или разделенных плоскими участками дна шириной, равной 0,3-0,4 ширины кумулятивной выемки, со сквозными отверстиями на противоположных стенках полимерного контейнера на уровне размещения линейных инициаторов взрыва; в качестве средства инициирования он содержит линейные инициаторы взрыва одинаковой длины, инициируемые одновременно, расположенные в верхнем слое взрывчатого вещества над ребром, проходящим над вершиной каждой кумулятивной выемки на расстоянии от него не более высоты кумулятивной выемки, и закрытые сверху слоем взрывчатого вещества высотой, равной не менее половины критического диаметра детонации взрывчатого вещества, концы линейных инициаторов взрыва выведены наружу; в верхней части полимерного контейнера над слоем взрывчатого вещества размещается крышка или забойка из инертного материала; при этом кумулятивный заряд устанавливается непосредственно на поверхности негабарита или на расстоянии от нее не более четырех высот кумулятивной выемки.

Полимерный контейнер может закрываться крышкой, которая вставляется внутрь него или расположена сверху и крепится к полимерному контейнеру любым известным способом. Стенки полимерного контейнера в сечении могут иметь гладкий или волнообразный профиль для повышения прочности и устойчивости полимерного контейнера. Материал кумулятивной облицовки – различные металлы или металлополимеры. Дно полимерного контейнера может быть выполнено в виде удлиненных профилированных кумулятивных выемок различной формы – треугольной, трапециевидной, прямоугольной, параболической, элипсовидной и др.

Сущность предлагаемого кумулятивного заряда поясняется фиг.1-5.

Фиг.1 – кумулятивный заряд с профилированными удлиненными кумулятивными выемками клиновидной формы.

Фиг.2 – кумулятивный заряд с плоскими участками дна между профилированными удлиненными кумулятивными выемками клиновидной формы.

Фиг.3 – формы профилированных удлиненных кумулятивных выемок:

а – трапециевидная,

б – щелевидная,

в – элипсовидная.

Фиг.4 – схема размещения кумулятивного заряда непосредственно на поверхности негабарита.

Фиг.5 – схема размещения кумулятивного заряда на поверхности негабарита на подставке.

Обозначения:

1 – полимерный контейнер;

2 – кумулятивные выемки дна;

3 – плоский участок дна;

4 – кумулятивная облицовка;

5 – ВВ;

6 – линейный инициатор взрыва;

7 – вершина кумулятивной выемки;

8 – кумулятивный заряд;

9 – стенка полимерного контейнера;

10 – сквозное отверстие в стенке полимерного контейнера;

11 – забойка из инертного материала;

12 – поверхность негабарита;

13 -подставка;

Нв – высота кумулятивной выемки, мм;

В – ширина кумулятивной выемки, мм;

Ни – расстояние от линейного инициатора взрыва до вершины (ребра) кумулятивной выемки, мм;

Нвв – высота слоя ВВ над линейным инициатором взрыва, мм;

Нз – высота слоя забойки, мм;

А – ширина плоского участка дна полимерного контейнера, мм;

F – высота установки кумулятивного заряда над поверхностью негабарита, мм.

Кумулятивный заряд (фиг.1) состоит из полимерного контейнера 1, дно которого выполнено в виде нескольких параллельно расположенных удлиненных профилированных кумулятивных выемок 2, например, клиновидной формы и плоских участков дна 3. На внутренней поверхности профилированных кумулятивных выемок размещена облицовка 4 из металла или металлополимера, повторяющая форму кумулятивной выемки и полимерного дна оболочки заряда. Полимерный контейнер заполняется ВВ 5, способным детонировать от первичных средств инициирования. ВВ инициируется линейными инициаторами взрыва 6, например отрезками детонирующего шнура одинаковой длины, которые расположены в верхнем слое взрывчатого вещества над каждым ребром, проходящим через вершину 7 кумулятивной выемки. Высота слоя ВВ 5 над линейным инициатором взрыва (Нвв) берется не менее половины критического диаметра детонации ВВ. Инициирование всех линейных инициаторов взрыва осуществляется одновременно. Фиксируется линейный инициатор взрыва в слое взрывчатого вещества полимерного контейнера отверстиями 10 противоположных стенок 9 полимерного контейнера. Над слоем ВВ размещается полимерная крышка или слой забойки из инертного материала. Инертный материал забойки из веществ различной плотности может быть взят в виде сыпучих твердых частиц, жидкости или геля в полимерном пакете. Забойка снижает действие ударного воздействия, разлет осколков горной породы, а жидкая или гелевая забойка из растворов различных химических реагентов дополнительно способствует снижению загрязнения окружающей среды токсичными газами, образуемыми продуктами взрыва и пылью, образующейся при взрывном разрушении негабаритов. Готовый кумулятивный заряд 8 устанавливается непосредственно на поверхности 12 негабарита (фиг.4). Кумулятивный заряд 8 может устанавливаться на поверхности 12 негабарита на специальной подставке 13 на расстоянии (F) не более четырех высот кумулятивной выемки (фиг.5) для усиления фокусирующего действия взрыва.

Высота кумулятивной выемки (Нв) и ее ширина (В), соотношение высоты (глубины) и ширины кумулятивной выемки (Нв/В), расстояние от линейного инициатора взрыва до вершины кумулятивной выемки (Ни), высота слоя ВВ над линейным инициатором взрыва (Нвв), ширина слоя взрывчатого вещества по плоскому участку дна полимерного контейнера (А), расстояние от полимерного контейнера до поверхности негабарита (F) выбраны экспериментально и обеспечивают оптимальное и гарантированное разрушение негабарита. Экспериментально установлено, что при расположении линейного инициатора взрыва на расстоянии больше высоты кумулятивной выемки, при ширине плоских участков дна больше 0,4 ширины кумулятивной выемки увеличивается расход ВВ, снижается кумулятивный эффект. При высоте слоя ВВ над линейным инициатором взрыва менее половины критического диаметра детонации ВВ, при соотношении высоты к ширине кумулятивной выемки менее 0,85 и более 1,9, при ширине плоских участков дна меньше 0,3 ширины кумулятивной выемки ухудшается кумулятивный эффект.

Действие предлагаемого кумулятивного заряда при дроблении негабаритных кусков горной породы осуществляется следующим образом. После одновременного срабатывания линейных инициаторов взрыва, например электродетонаторов, по всему сечению полимерного контейнера начинает распространяться фронт детонационных волн с образованием продуктов детонации. Под действием мощной газовой струи, создаваемой продуктами детонации, все кумулятивные облицовки начинают одновременно обжиматься с образованием параллельно расположенных кумулятивных струй, формирующих пелену или своеобразные кумулятивные «ножи», которые разрезают преграду – горную породу. Процессы схлопывания кумулятивной облицовки и формирование кумулятивной струи связаны с переходом части металла кумулятивной облицовки в кумулятивную струю. Основная часть энергии кумулятивного заряда «перекачивается» в металл облицовки так, что оказывается сконцентрированной в образующейся кумулятивной струе. Вследствие этого достигается повышенная плотность энергии в струе. В результате действия этой струи в массиве разрушаемой горной породы негабарита образуется ряд щелей в виде сплошной воронки разрушения. Параллельно с образованием воронки разрушения по породе негабарита распространяется сильная волна сжатия, образующая в породе трещины, которые обуславливают разрушение и раскалывание негабарита. Кумулятивный заряд, состоящий из нескольких единичных кумулятивных зарядов, образованных каждой кумулятивной выемкой с кумулятивной облицовкой, в полимерном контейнере (одной оболочке) усиливает развитие трещин негабарита в результате одновременного действия всех кумулятивных элементов. При этом трещины от каждой кумулятивной выемки распространяются навстречу друг другу за счет их параллельного расположения. Разрушение негабарита происходит за счет напряжений сдвига в динамическом поле напряжений, образованного действием кумулятивных струй каждой кумулятивной выемки, которые являются концентраторами напряжений. При этом за счет параллельного и соприкасающегося между собой расположения кумулятивных выемок и кумулятивных облицовок создаются условия для смыкания отдельных трещин с образованием единой магистральной трещины раскола негабарита. Энергоемкость такого процесса разрушения существенно ниже, чем при взрыве аналогичного накладного заряда, но без профилированных удлиненных кумулятивных выемок.

Предлагаемый заряд, выполненный в полимерном контейнере, имеющий несколько параллельно расположенных удлиненных кумулятивных выемок, создающих общий фронт волны напряжений, имеет большую площадь контакта с негабаритом. Параметры этой волны затухают медленнее, чем от одной кумулятивной выемки заряда-прототипа. Это приводит к увеличению объема деформации и гарантированному расколу негабарита при использовании даже сыпучего или эмульсионного ВВ с более низкими энергетическими параметрами и плотностью заряда, чем у заряда-прототипа, изготовленного из прессованных, литых бризантных ВВ с высокими значениями скорости детонации и теплоты взрыва ВВ.

Параллельное расположение нескольких кумулятивных выемок снижает влияние разнотолщинности облицовки по ее длине, разностенности слоя ВВ заряда в зоне кумулятивной выемки, смещения оси симметрии линии инициирования от ребра кумулятивной выемки, вызывающих искривление образующейся кумулятивной струи.

Преимущество предлагаемого кумулятивного заряда основано на направленном импульсном нагружении и воздействии поля напряжений, создаваемого профилированным дном полимерного контейнера из нескольких кумулятивных выемок с кумулятивными облицовками, что позволяет повысить качество дробления, снизить удельный расход ВВ и стоимость вторичного дробления трудновзрываемых негабаритов большого объема, расширить область использования ВВ, в том числе сыпучих и эмульсионных ВВ, чувствительных к действию первичных средств инициирования. Использование забойки из инертного материала дополнительно повышает экологическую чистоту взрывного разрушения негабарита.

Пример формирования и размещения предлагаемых удлиненных кумулятивных зарядов (фиг.1) – заряд состоит из полимерного контейнера с 4-мя параллельно расположенными кумулятивными выемками клиновидной формы шириной В=40 мм и высотой Нв=10 мм. Материал кумулятивной облицовки – сталь. Полимерный контейнер заполнен сыпучим ВВ – гексонитом ВП чувствительного к первичным средствам инициирования с плотностью 1,15 г/см³. Масса ВВ – 10 кг. Линейный инициатор взрыва – детонирующий шнур ДШ-12, расположенный в слое ВВ на расстоянии Ни=35 мм от ребра вершины каждой кумулятивной выемки. Негабарит – валун горной породы крепостью 10 по шкале М.М.Протодъяконова, объемом 10 м³. Заряд установлен непосредственно на поверхности негабарита. В результате взрыва негабарит расколот на две примерно равные части, разлет мелких осколков породы не превышал 5-7 м, чему способствовала забойка с высотой слоя 75 мм в виде емкости с водой. Расход ВВ – 1,0 кг/м³. При взрыве такого же по массе плоского заряда ВВ образовалась воронка взрыва без раскола куска негабарита.

Предлагаемый кумулятивный заряд для дробления негабаритов обеспечивает основной технический результат:

– повышение эффективности дробления негабарита за счет предлагаемой конструкции удлиненного кумулятивного заряда;

– расширение номенклатуры ВВ для изготовления кумулятивных зарядов за счет использования сыпучих или эмульсионных ВВ, чувствительных к действию первичных средств инициирования;

– снижение стоимости за счет использования более дешевых ВВ по сравнению с прессованными, литыми, пластизольными или термопластичными ВВ с высокой теплотой взрыва;

– уменьшение удельного расхода ВВ;

– повышение экологической чистоты взрывного разрушения негабаритов, снижение разлета осколков горной породы, снижение действия ударной волны взрыва за счет применения инертной забойки.

Высокая взрывная эффективность предлагаемого кумулятивного заряда подтверждена при дроблении негабаритов горных пород разной крепости на карьерах строительных материалов.

Источники информации

1. АС СССР 1254838.

2. Патент РФ 2045745.

3. Патент США 3104186.

4. В.И.Гущин. Справочник взрывника на карьере. М.: Недра, 1971.

5. Патент Великобритании 12433647.

6. ТУ 84-08628424-712-99.

7. АС СССР 184779.

8. АС СССР 129153.

9. Патент РФ 2444337.

10. Патент РФ 1235952.

11. Патент РФ 2229683.

12. Патент РФ 2300730.

Формула изобретения

1. Кумулятивный заряд взрывчатого вещества, содержащий взрывчатое вещество в оболочке, кумулятивную облицовку, размещенную в кумулятивной выемке, средство инициирования, отличающийся тем, что в качестве оболочки заряда используется полимерный контейнер, дно которого выполнено в виде нескольких параллельно расположенных удлиненных кумулятивных профилированных выемок с соотношением высоты кумулятивной выемки к ее ширине от 0,85 до 1,9, примыкающих друг к другу или разделенных плоскими участками дна шириной, равной 0,3-0,4 ширины кумулятивной выемки, со сквозными отверстиями на противоположных стенках полимерного контейнера на уровне размещения линейных инициаторов взрыва, в качестве средства инициирования он содержит линейные инициаторы взрыва одинаковой длины, инициируемые одновременно, расположенные в верхнем слое взрывчатого вещества над ребром, проходящим над вершиной каждой кумулятивной выемки на расстоянии от него не более высоты кумулятивной выемки, и закрытые сверху слоем взрывчатого вещества высотой, равной не менее половины критического диаметра детонации взрывчатого вещества, концы линейных инициаторов взрыва выведены наружу, в верхней части полимерного контейнера над слоем взрывчатого вещества размещается крышка или забойка из инертного материала, при этом кумулятивный заряд устанавливается непосредственно на поверхности негабарита или на расстоянии от нее не более четырех высот кумулятивной выемки.

2. Заряд по п.1, отличающийся тем, что забойка выполнена из твердого сыпучего инертного материала.

3. Заряд по п.1, отличающийся тем, что забойка выполнена из жидкого или гелеобразного материала.

4. 3аряд по п.1, отличающийся тем, что стенки полимерного контейнера имеют в сечении гладкий или волнообразный профиль.

5. Заряд по п.1, отличающийся тем, что в качестве взрывчатых веществ он содержит взрывчатые вещества, чувствительные к действию первичных средств инициирования.

6. Заряд по п.1, отличающийся тем, что удлиненные кумулятивные выемки имеют клиновидную, или трапецевидную, или щелевидную, или эллипсовидную, или параболическую форму.

РИСУНКИ