Способ разрушения природных и искусственных объектов

 

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной промышленности, связано с работами при проходке железнодорожных тоннелей и метро, при добыче поделочных и полудрагоценных камней, при разрушении естественных и искусственных преград. Основной отличительной особенностью предлагаемого изобретения является проведение реакций в композициях на основе твердых окислителей с предлагаемыми горючими веществами в дефлаграционном - недетонационном режиме горения в газогенераторе. Недетонационный режим горения обеспечивают использованием в качестве горючего, например, трубок из материалов, допущенных к длительному контакту с применяемым окислителем (или смесью окислителей), например, из углеводородов, с диаметром меньше критического для данного вещества (смеси веществ). На основании экспериментов внутренний диаметр трубок принят 2,5 - 7,0 мм, толщина стенки 0,05 - 0,7 мм. Окислитель заполняет остальное пространство. Это исключает дробящий эффект (бризантность), практически исключает возможность образования сейсмических волн и тем самым образование трещин и микротрещин как в отделяемой породе, так и в самом массиве, образование и разлет мелких осколков. Параметры процесса поддаются регулированию в широких пределах путем изменения концентрации компонентов, их типа, дисперсности, а также доли катализатора. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к способу по разрушению естественных и искусственных объектов в горно-рудной промышленности, в транспортном строительстве и других отраслях народного хозяйства, например при добыче "штучного" камня (блоков), работам, связанным с проходкой железнодорожных туннелей и метро, при разрушении негабаритов, валунов и искусственных преград.

Известен способ разрушения объектов (природных и искусственных), заключающийся в использовании реакции взрывчатого превращения вещества (ВВ), помещенного в пробуренные шпуры, герметизированного в них [1].

Использование "штатных" ВВ, например при добыче блоков, проходке тоннелей шпуровыми зарядами, снижает выход кондиционного камня [2] или происходит законтурное разрушение массива вследствие напряжений, возникающих под воздействием детонации (и связанной с ней бризантностью), присущей всякому ВВ в той или иной мере. Применение таких ВВ при разработке драгоценных и полудрагоценных камней (в том числе алмазов) сопровождается не только снижением количества добываемого камня и срока эксплуатации месторождения - из-за образования трещин в массиве, но и снижением качества добываемых блоков вследствие образования в них микротрещин. Выход кондиционного камня с применением такой технологии на новом месторождении дает не более 20% [2]. Последнее особенно важно для алмазов, ибо всякие микротрещины переводят его из драгоценного сырья в техническое (со всеми вытекающими отсюда последствиями). Используемые ВВ с уменьшенной скоростью детонации (следовательно, и меньшей бризантностью), например Гранилен-1,2,3 или заряды шланговые типа ЗША-14 и ЗША-25 [3] не исключают полностью этих вредных явлений. Разрушение естественных или искусственных преград (сооружений) особенно в населенных пунктах "штатными" ВВ требует проведения целого комплекса мероприятий для обеспечения безопасности (разлет осколков, ударная волна, учет розы ветров, оповещение населения и т.п.).

Известен способ ведения таких работ, заключающийся в бурении шпуров по линии намечающегося разрыва, установки и герметизации в них зарядов жидких или пастообразных реагентов с бездетонационной реакцией разложения, инициируемой запалом или введением катализатора [4]. В качестве таких реагентов предлагается использование термически нестабильные жидкости с экзотермической бездетонационной реакцией разложения: концентрированный пероксид водорода, гидразин, гидразингидрат, окись этилена или пасты на их основе. Воспламенение зарядов осуществляется с помощью дымного пороха или введением в жидкость катализатора. Интенсивность газообразования, величину температуры и соответственно энергетический эффект регулируют разбавлением водой - нереагирующей жидкостью. Для снижения потерь энергии скважины заполняют водой.

Применение в качестве реагентов таких веществ как гидразин или гидразингидрат возможно в некоторых исключительных случаях и нежелательно из-за их чрезвычайной токсичности (канцерогены, первый класс опасности и т.п.), аммиак как один из продуктов разложения также является ядовитым веществом. Использование окиси этилена кроме ее наркотического действия ограничено как низкой ее температурой кипения (+13^oC), так и опасностью образования детонационных смесей с кислородом воздуха [5]. Реакция разложения высококонцентрированного пероксида водорода (ПВ), обеспечивая экологичность продуктов реакции и бездетонационность (и отсутствие бризантности), вместе с тем крайне неэффективна из-за низкой энергетики процесса по сравнению со "штатными" ВВ.

С учетом наших климатических условий возможно использование ПВ концентрацией не более 80% (температура замерзания -25^oC). В таком случае энергетическая эффективность его примерно в 2.5 раза ниже, чем у тола - "штатного" ВВ (296 кДЖ/кг против 750 кДЖ/кг соответственно [6]). Применение стандартных воспламенителей с черным порохом для инициирования реакции разложения ПВ сопровождается отказами (не менее 50%) и нуждается в переработке как конструкции воспламенителя, так и его состава. Использование каталитического инициирования процесса разложения ПВ резко усложняет (удорожает) конструкцию и снижает надежность одновременного срабатывания зарядов при групповом их подрыве.

Необходимо отметить неудобства, присущие при эксплуатации всякой жидкости в горном деле: возможно использование только вертикальных шпуров (или с небольшим отклонением от вертикали), трудности при транспортировке, снаряжении и т.п.

Задачей предлагаемого изобретения является - увеличить энергетическую и экономическую эффективность процесса при сохранении положительных качеств, свойственных прототипу.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - расширение области применения подобных работ, увеличение выхода кондиционной продукции, повышение производительности труда, снижение стоимости и повышение безопасности работ.

Заявляемый способ ведения работ включает установку устройств-газогенераторов на дно шпура или на каменное ложе (в случае шпуров, глубиною более 1.5 м), засыпку и трамбовку буровой мелочью или песком ГГК и инициированием в них реакции, сопровождающейся выделением большого количества энергии и газов, и отличается тем, что в качестве их источника используется реакция горения композиций на основе твердых окислителей с горючими веществами в дефлаграционном (недетонационном) режиме. В качестве горючих элементов композиций используют вещества (материалы), допустимые к длительному (в условиях складского хранения при температуре не более 30^oC), в течение 6 месяцев и без заметного взаимодействия) контакту с твердыми окислителями. К таковым можно отнести, например, полиэтилен (ПЭ), полистирол (ПС), капрон, алюминий, магний, титан и т.п.

Интенсивность газообразования, температура и состав продуктов реакции, а также энергетическая эффективность композиции определяется концентрацией компонентов, их дисперсностью и наличием того или иного катализатора. Согласно проведенным термодинамическим расчетам работоспособность (RT) 1 кг двухкомпонентной композиции (окислитель - хлорат натрия плюс полиэтилен, при коэффициенте избытка окислителя, равном 0.55) составляет 1021 кДЖ/кг против 730 кДЖ/кг - для тротила. Введением в композицию алюминия, магния и т. п. можно повысить энергетику процесса до 1340 кДЖ/кг для рассматриваемой в качестве примера композиции. Интенсивность газообразования определяется не только составом, но и дисперсностью горючего элемента: размером частиц компонента, толщиной пленки - в случае применения пленочного материала - или толщиной стенки и диаметром трубок. В последнем случае зависимость более сложная.

Известно [6], что для многих экзотермичных соединений (в том числе и для твердых окислителей, каковым являются хлораты, перхлораты, нитраты калия (натрия, аммония и т.п.) существует критический диаметр заряда, меньше которого детонация не распространяется. Так, для игданита (~94.0% аммиачной селитры и ~ 6% диз. топлива) в шпуре, в прочной оболочке критический диаметр составляет 25 - 30 мм [6]. Использование трубок меньшего размера из горючего материала (в данном случае, например из ПЭ), заполненных данным компонентом, например аммиачной селитрой (хлоратами или перхлоратами) не только обеспечит отсутствие детонации, но и увеличит энергетику процесса по сравнению с чистыми окислителями. Разумеется, для этого толщина стенки трубок и их диаметр определяются требуемой энергетикой и скоростью процесса. В нашем случае для композиций на основе, например, хлората (перхлората) натрия, внутренний диаметр трубок из ПЭ выбирают от 2.5 до 7 мм при толщине стенки от 0.05 до 0.7 мм. В этом случае коэффициент избытка окислителя будет находиться в пределах от 0.5 до 1.7, а скорость горения будет определяться толщиной стенки. Разумеется, чем тоньше пленка и меньше диаметр трубки, тем больше скорость горения и наоборот. Нижний предел как диаметра трубки, так и ее толщины ограничен как технологическими возможностями их производства и загрузки окислителя в них, так и прекращением горения при малых концентрациях окислителя.

Применение трубок с диаметром более 7 мм нежелательно не только из-за снижения скорости горения (увеличение неоднородности состава) и из-за разброса по времени инициирования реакции, но из-за возможности перехода горения из режима дефлаграции в детонацию - для некоторых окислителей. Увеличение толщины трубок свыше 0.7 мм может привести к отказу воспламенения. Особо следует отметить, что применение ПЭ в виде трубок (или пленки) с толщиной стенки от 0.05 до 0.2 мм и соосно размещенных в окислителе (например, хлорате натрия), а не в виде порошка, перемешанного с окислителем, не только исключает практически возникновение детонационного режима горения композиций, но и увеличивает скорость горения с 1.0 мм/с - для порошковой композиции до 1.53 - 1.4 мм/с - для композиции с использованием трубок (пленок) - измерения проводились при атмосферных условиях, на лабораторной установке. Однако, если окислитель закрывает трубки или они выступают над поверхностью окислителя менее 2 мм, то это сопровождается отказом воспламенения композиции. С другой стороны, если выступание превышает 7 мм, то это тоже может привести к отказу. Поэтому во всех далее рассматриваемых случаях выступание трубок над поверхностью окислителя составляло 2 - 7 мм.

Для эффективного использования композиций шпуры глубиной более 1.5 м заполняют каменной мелочью и водой (раствором соли в зимний период) до отметки 1 - 1.5 м от поверхности. На дно шпура или на каменную мелочь (при глубине более 1.5 м) устанавливают ГГК, заполненный композицией, с воспламенительной головкой и проводами, а сверху герметизируют забойкой.

Пример 1.

Натурные испытания предлагаемого способа были проведены на гранитном блоке с размерами: высота камня 1500 - 1200, длина 1200 - 1300, ширина 1100 - 1000 мм. Проведено бурение двух шпуров диаметром 52 мм на глубину 510 - 410 мм с шагом 400 мм, на их дно устанавливались два устройства-газогенератора. В корпуса этих устройств-газогенераторов сначала загружались соосно корпусу трубки из ПЭ диаметром 5 мм с толщиной стенки ~ 0.1 мм, затем засыпался хлорат натрия до выступания трубок над окислителем в 2-4 мм. Масса композиции в устройстве-газогенераторе составляла ~ 35 г (коэффициент избытка окислителя = 1.2). В верхнюю часть устройств-газогенераторов монтировались крышки с воспламенителями и проводами.

Поверх устройств и до поверхности осуществлялась забивка песком и деревянной пробкой, провода от воспламенителей подсоединялись к источнику напряжения (>12 В). После подачи напряжения на воспламенители и срабатывания композиции в них блок гранита был расколот по линии шпуров без каких-либо побочных явлений и осложнений: нет трещин и микротрещин (результат дальнейших исследований), полное отсутствие копоти, дыма, запаха, а также осколков и мощной ударной, сейсмической и звуковой волн, характерных для взрыва любого ВВ.

Пример 2.

Отбойка блока гранита от монолита с высотой от подошвы 2700 мм осуществлялась следующим образом: на расстоянии 2500 мм от фронтальной поверхности пробурено 9 шпуров диаметром 32 мм и глубиной 1500 мм. Семь устройств-газогенераторов (каждый массой 60 г, коэффициент избытка окислителя = 0.8), с первоначально установленных в корпуса устройств трубок из ПС с диаметром 4 мм и толщиной стенки 0.15 мм соосно корпусу, затем заполненных смесью перхлората аммония и алюминия, с выступанием трубок над окислителем в 3-5 мм, с воспламенителями и проводами в крышках устройств устанавливались на дно шпуров, поверх них осуществлялась забойка из "отсева". В два крайних шпура устройства не загружались. После подачи напряжения на воспламенители устройств происходил отрыв блока ~ 12.5 м³ по линии шпуров. При отрыве был слышен глухой звук, разлета осколков и детонационного удара не наблюдалось. Блок переместился в горизонтальной плоскости на расстояние 0.5 - 0.75 м по подошве. Образования трещин как в блоке, так и в массиве не отмечено.

Таким образом, применение предлагаемого изобретения при обеспечении безопасности работ (в карьерах, шахтах, тоннелях, в населенных пунктах и т. п. ) при исключении бризантности, при отсутствии образования трещин и микротрещин в добываемых блоках и в самом массиве экономически и технически более эффективно по сравнению с прототипом.

Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что все элементы, необходимые для изобретения, выпускаются отечественной промышленностью без ограничений. Отработаны технология способа разрушения природных и искусственных объектов, условия хранения, транспортировки и эксплуатации устройств.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. Справочник взрывника / Под ред. Б. Н. Кутузова. -М.: Недра, 1988. - 511 с.

2. Лигоцкий Д. Н. Потери гранита при добыче и обработке. - Проблемы теории проектирования карьеров. Межвуз. сб. науч. тр., 1995, С.-Петербург. С. 75,76.

3. Нефедов М. А., Здитовецкий А.В. и др. Новые типы зарядов взрывчатых веществ для отделения от массива блоков и монолитов горных пород. - Проблемы теории проектирования карьеров. Межвуз. сб. науч. тр., 1995, С.-Петербург. С. 115-119.

4. Патент России E 21 С 37/00 N 2026987. Способ ведения буровзрывных работ /В. Г. Лабейш, О.Н.Кирсанов. Приоритет от 24.03.1992, зарегистрирован 20.01.1995.

5. Паушкин Я. М. Химия реактивных топлив. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 436 с.

6. Росси Б.Д., Поздняков З.Г. Промышленные взрывчатые вещества и средства взрывания. - М: Недра, 1971. - 176 с.

Формула изобретения

1. Способ разрушения природных и искусственных объектов, включающий установку, забойку в шпурах устройств, заполненных химическим соединением или смесью веществ, способных при определенных условиях детонировать, инициирование в устройствах реакций горения компонентов в дефлаграционном - недетонационном режиме, сопровождающихся созданием соответствующего давления в шпурах, отличающийся тем, что недетонационный режим горения обеспечивают размещением равномерно по всему сечению устройства горючих элементов соосно направлению распространения горения в виде трубок или пленки, с внутренним диаметром или расстоянием между пленками меньше критического для данного вещества или смеси веществ и обеспечивающим толщиной стенки и диаметром трубок или расстоянием между пленками коэффициент избытка окислителя 0,5 - 1,5.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что горючий элемент используют из материала, допущенного к длительному контакту без заметного взаимодействия с данным окислителем или смесью в условиях складского помещения при температуре до +30^oC в течение 6 месяцев, например из полиэтилена, полипропилена, полистирола, капрона, алюминия, магния, титана и т.п.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сначала загружают горючий элемент в устройство-газогенератор, составом, толщиной материала и диаметром трубок или расстоянием между пленками которого при загрузке в устройство достигают после срабатывания в шпуре - заданной скорости газообразования и энерговыделения, а затем загружают окислитель или смесь в устройство-газогенератор, обеспечивая выступление горючего элемента над поверхностью окислителя или смесью на 2-7 мм.