Детонационное горение в гетерогенных системах специальной структуры на основе детонационной

Детонационное горение в гетерогенных системах специальной структуры на основе детонационной оптики с целью обеспечения безопасности и эффективности взрывного процесса

Теория детонации, в принципе, допускает существование недосжатых детонационных волн без химпика, если имеется какой-либо физический механизм, обеспечивающий перенос фронта инициирования химической реакции со скоростью, большей скорости детонации Чепмена – Жуге. В гетерогенных системах общая ситуация значительно сложнее и возможны случаи, когда детонация заряда в целом будет протекать в недосжатом режиме со скоростью выше идеальной Д0. По исследованиям В.В.Митрофанова, детально рассматриваются упорядоченные гетерогенные системы одного простого типа, в которых благодаря структурным особенностям заряда имеются особо благоприятные условия для осуществления детонации с повышенной скоростью. При детонации чувствительного ВВ, типа тэн, получена кумулятивная струя и ударная волна со скоростью 1,8 D0. Это слоистые либо трубчатые заряды (рис.1), состоящие из продольных слоёв конденсированного вещества 2 (ВВ либо пороха), способного экзотермическому превращению, и промежуточных слоёв (каналов) другого вещества 1 с намного меньшей плотностью, также способного к экзотермическому превращению, либо инертного.

1- ВВ, 2 – воздушное пространство

Рис.1. Заряд с воздушными трубчатыми каналами

Типичным примером вещества 1 является воздух. Двухслойная среда является наиболее простой структурной разновидностью гетерогенных сред. Ее структура упорядочена и однородна в одном направлении (ось X). В удлиненных зарядах с продольными каналами (УЗПК) может развиваться высокоскоростной детонационный процесс, называемый двухслойной детонацией. Ведущим элементом волнового комплекса двухслойной детонации является ударная волна в газовом слое (канальная волна), которая инициирует взрывное разложение окружающего ВВ и сама поддерживается за счет обжатия газового слоя продуктами взрыва (рис.2).

Рис.2. Двухслойный режим детонации заряда ВВ с канальной волной

Интересные и полезные эффекты дает осевой канал при взрыве скважинных и шпуровых зарядов с грубодисперсными промышленными ВВ. При этом достигается более равномерное дробление руды, расширяется зона разрушения горного массива у дна скважины, увеличивается импульс, Сообщаемый отбитой от уступа карьера горной массе (шире развал породы). Повышается безотказность взрывания длинных зарядов с осевой полостью по сравнению со сплошными того же диаметра. Такие заряды с наружным диаметром d = 40 - 256 мм и внутренним – (0,25-0,4)d успешно применяются уже в течение почти 10 лет в ряде шахт и карьеров Криворожского бассейна. Из-за низкой чувствительности применяемых ВВ двухслойный режим с прямым инициированием детонации с канальной волной здесь невозможен, тем не менее, скорость детонационной волны вдоль заряда оказывается выше, чем в сплошном заряде.

Удлиненные заряды с продольными каналами (УЗПК) обладают повышенной восприимчивостью к передаче детонации через воздушный промежуток. В усилении разрушающего действия на породу в конце скважины, по-видимому, существенную роль играет кумулятивная струя продуктов взрыва. Оценки показывают, что при ударе такой струи о дно скважины возникают давления, достаточные для инициирования в ВВ встречной детонационной волны. Однако чисто энергетическая оценка дополнительного воздействия кумулятивной струи не объясняет наблюдаемого значительного усиления разрушающего эффекта у дна скважины. В целом процесс детонации полномасштабных зарядов промышленных ВВ с каналами ещё не вполне ясен и требует дальнейшего изучения. В частности, нет однозначного объяснения об устойчивости полноты детонации зарядов промышленных ВВ с осевыми каналами, а так же данными о затухании детонации и увеличении критического диаметра за счёт переуплотнения пористого ВВ перед фронтом детонации («канальный эффект»). Режимы по механизму конвективного горения, расширяющие пределы взрыва УЗПК, для промышленных ВВ ещё требуют подтверждения [1].

В представленных ниже материалах, как нам кажется, изложены ответы на некоторые вопросы, которые не нашли ответа в предыдущих исследованиях. Совершенствование взрывного разрушения горных пород должно обеспечиваться разработкой новой технологии, способной конкурировать на уровне мировых стандартов. Новизна подходов по решению этой проблемы должна обеспечиваться путем значительного энергоснабжения, а именно снижением удельного расхода ВВ на кубический метр разрушаемых горных пород и уменьшением затрат на буровые работы [1],[2].

Для решения этой проблемы разработан новый способ рассредоточенной интенсивной концентрации импульсных нагрузок в заряде ВВ, позволяющий резко повысить энергию взрыва взрывчатого вещества, схема которой показана на рис.3, где в конструкции скважинного заряда размещены элементы детонационной оптики, предназначение которой состоит в интенсификации и дифференцировании взрывного импульса. Практически установлено увеличение скорости продуктов взрыва в 10 и более раз.

Рис.3. Скважинный заряд с интенсивной концентрацией взрывного импульса

Многократно усиленная кумулятивная струя пробивает пустоту оптического устройства и на основе канального эффекта возбуждает ВВ вокруг нее. При этом меняется направление детонационного потока на 90 градусов, обеспечивая одновременно разрушение и торможение продуктами взрыва. Таким образом, оптическое устройство обеспечивает резкое возрастание энергии в местах установки этих устройств за счет увеличения скорости продуктов взрыва. А между оптическими устройствами детонация взрывного процесса в заряде переходит в режим Чепмена – Жуге.

Поставленная задача обеспечения высокой эффективности и безопасности взрывных работ решается созданием высокочастотного взрывания на основе одновременного действия многих факторов взрывного процесса.

Во-первых, рассредоточено и резко ускоряется время взрывного импульса с оптическим устройством, где продолжительность времени измеряется в диапазоне, измеряемом в нано- или микросекундах (рис.3,а).

Рис.3,а Разрез скважинного заряда с ускорителем времени взрывного импульса

Рис.3,б. Разрез скважинного заряда, где показан фрагмент возбуждения взрыва заряда большей массы

Во-вторых, осуществляется рассредоточенное возбуждение взрыва заряда вокруг оптического устройства. Продукты взрыва меняют своё направление на 900 и обеспечивают единовременное взрывание большей массы заряда ВВ в единицу времени, (см. рис. 3, б).

В-третьих, изменяется направление действия ускоренных продуктов взрыва перпендикулярно оси заряда, что создает динамическое торможение выходу взрывных газов из скважины (шпура), (см. рис.3,б).

В-четвёртых, создается концентрация волн напряжений за пределами заряда в разрушаемом массиве горных пород, за счет вогнутой во внутрь боковой поверхности специальной конструкции оптического устройства в заряде ВВ (см. рис.2, с).

Рис.3,с. Разрез скважинного заряда с концентрацией волн напряжений за пределами заряда

Рис.3, в. Разрез скважинного заряда с показом обратного действия продуктов взрыва

В- пятых, возбуждение скважинного заряда осуществляется каскадным методом от устья в донную часть уступа. В результате этого ускоренные продукты взрыва устремляются вначале от устья скважины в ее донную часть по методу «домино», а за тем в обратную сторону, (см. рис.3, в).

В-шестых, при каскадном методе возбуждения взрыва от устья скважины в ее донную часть, скорость продуктов взрыва снижается в воздушных полостях, а за тем она ускоряется при вхождении взрывных газов взрыва заряда ВВ через оптическое устройство следующей части заряда. На рис.4. показана конструкция заряда безралетного действия. В результате интенсивного рассредоточенного ускорения продуктов взрыва горные породы разрушаются в основном силами на растяжение и изгиб. Изменение направления продуктов взрыва и метода разрушающего действия взрыва обеспечивает безразлётное взрывание горных пород.

Рис.4. Скважинный заряд безразлетного действия

Рис. 4, а. Разрез скважинного заряда с формированием принципа волнового действия

В результате почти одновременного действия во времени сконцентрированных взрывных импульсов, скачков энергий от взрыва больших масс заряда ВВ, продукты взрыва направляются перпендикулярно оси скважины. Суммированная энергия взрыва направляется от устья скважины в её донную часть уступа и пульсирующее действие продуктов взрыва за счёт воздушных промежутков в заряде создаёт высокочастотное волновое разрушение горных пород (см. рис.4, а).

Продукты взрыва при интенсивной концентрации импульсных нагрузок в заряде пробивают внутреннюю пустоту оптического устройства и из её внутренней части возбуждают взрыв заряда ВВ, находящееся вокруг неё. Масса заряда ВВ, подлежащая инициированию в единицу времени, может регулироваться в большую или меньшую сторону. Это зависит от продолжительности времени концентрации взрывного импульса и параметров оптического устройства. При взрыве заряда ВВ, находящегося вокруг оптического устройства, создаётся концентрация волн напряжений за пределами заряда ВВ в разрушаемом массиве. Боковая поверхность оптического устройства ввиду её вогнутости вовнутрь способствует формированию волн напряжений за пределами заряда. Способы высокочастотного взрывания с конструкцией оптического устройства запатентованы.

При возбуждении взрыва скважинного заряда каскадным методом с верху вниз взрывается в начале только её первая верхняя часть, а затем инициирование последующих ее разделенных частей производится через интервал времени ступенчато пульсирующим методом, обеспечивая постепенное накопление энергии взрыва, направленное сверху вниз по методу «домино». Этот метод рекомендуется для ведения взрыва в безразлётном режиме. Сконцентрирована накопленная энергия взрыва из донной части уступа поднимает взорванную массу к устью скважины по принципу второго закона Ньютона, создавая дополнительное разрушение горной массы. В результате многократных усиленных волновых действий при взрыве заряда ВВ по разрушению пород достигается требуемая кусковатость и развал горной массы.

Экспериментально установлено, что при пятикратном ускорении времени взрывного импульса, скорость продуктов взрыва выросла с 3402 до 25 000 м/cек, т.е. получена кумулятивная струя и ударная волна со скоростью 8 и более раз большая чем скорость Чепмена-Жуге D0. Практически, при скважинной отбойке с диаметром скважины 250 мм, можно скорость продуктов взрыва увеличить на порядок и выше. Затухание детонации и увеличение критического диаметра за счёт переуплотнения пористого ВВ перед фронтом детонации не наблюдалось, чему больше способствовало, видимо, высокая скорость взрывного процесса.

Рис.5 Взрыв скважинного заряда, Рис.6. Разрушенный блок – в дальнем слева по новой - белый, справа по по новой, в ближнем плане по старой старой технологии красного цвета технологии

Проведены промышленные испытания способа высокочастотного взрывания каскадным методом возбуждения скважинного заряда на карьере «Шильбастау» пос. Горный Алматинской области (рис.5). Эксперименты показали, что, внедряя новую технологию взрывной отбойки, можно снизить затраты на буровзрывные работы в 2 раза. Как видно на рис. 4, облако белого цвета образовано от взрыва экспериментальных скважин. Скорость и высота распространения взрывного облака выше, чем по старому методу, хотя взрывной импульс начался от устья скважины и прошел до дна скважины и вернулся обратно. Взрывное облако красного цвета от взрыва по старой технологии, при возбуждении взрыва из середины скважины оно осталось на поверхности земли, что свидетельствует о низкой скорости взрывного процесса.

Таким образом, в данной работе нами экспериментально доказано, что скорость взрывного процесса можно регулировать в более широком диапазоне, при выдерживании критического диаметра низкоскоростные ВВ могут получать детонационное ускорение в требуемых диапазонах. Интенсифицируя и дифференцируя скорость продуктов взрыва, в канальном эффекте можно рассредоточено управлять энергией взрыва и создавать волновое высокочастотное разрушение в горном массиве, конечным результатом которой является дробление пород, руды и развал в режиме требуемых параметрах.

В работе предложена ресурсосберегающая и безопасная взрывная технология, которая может привести к качественному скачку совершенствование буровзрывного комплекса на горных предприятиях при добыче полезного ископаемого и щебня [2],[3].

ЛИТЕРАТУРА

  1. Митрофанов В.В. «Детонация гомогенных и гетерогенных систем». 2003 .
  2. Игбаев Т.М. «Разрушение горного массива кумулятивными зарядами». 1998.
  3. Игбаев Т.М., Данияров Н.А. Патенг №23622 РК «Способ разрушения горных пород высокочастотным взрывом». 2010.

 

Год: 2011
Город: Алматы
loading...