Горючий реагент газогенератора для буровзрывных работ

 

Изобретение относится к горным работам, осуществляемым, например, при разрушении негабаритных камней и валунов, сооружений из кирпича, бетона, отбойке штучного камня и блоков, проходке туннелей, и может быть использовано в процессе добычи полезных ископаемых и драгоценных и полудрагоценных камней. Задачей изобретения является как снижение трудоемкости изготовления самого горючего реагента, так и снижение трудоемкости работ в целом. Технический результат достигается тем, что горючий реагент газогенератора для буровзрывных работ выполнен в виде устройства со сквозными каналами, ориентированными вдоль его оси, при этом толщина стенки канала характеризуется зависимостью, согласно которой эта величина выбирается как частное от деления произведения экспериментального коэффициента на насыпную для сыпучего материала и истинную для жидкости плотность используемого окислителя на произведение плотности материала горючего реагента на стехиометрическое соотношение масс окислителя и горючего элемента, а площадь поперечного сечения канала равна произведению экспериментального коэффициента на толщину стенки канала в квадрате. 9 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к горным работам, осуществляемым, например, при разрушении негабаритных камней и валунов, сооружений из кирпича, бетона, отбойке штучного камня и блоков, проходке туннелей, и может быть использовано в процессе добычи полезных ископаемых и драгоценных и полудрагоценных камней.

Известно использование для проведения буровзрывных работ взрывчатого вещества (ВВ) (1). Из-за бризантности ВВ в отбиваемом блоке и коренной породе образуются трещины, что снижает качество блоков, при этом повышается опасность работ.

Известно применение концентрированного пероксида водорода, гидразина, гидразингидрата, окиси этилена или паст на их основе для инициирования бездетонационной реакции разложения (2). Использование указанных реагентов значительно улучшает качество получаемого материала.

Применение гидразина и гидразингидрата крайне нежелательно из-за их ядовитого воздействия. Гидразин и гидразингидрат являются канцерогенами первого класса опасности, достаточно дороги и в недалеком будущем станут просто недоступны.

При использовании окиси этилена возможно образование детонационной смеси с кислородом воздуха, что значительно снижает безопасность работ и соответственно ухудшает качество получаемой продукции.

При использовании пероксида водорода в ходе процесса, инициируемого запалом или катализатором, он разлагается в соответствии с реакцией 2Н₂O₂=2H₂O+O₂ Однако энергетика процесса значительно ниже, чем при горении штатных ВВ. Так, для 80% пероксида водорода выделяется 296 кДж/кг, тогда как для ВВ - 730 кДж/кг.

Известен горючий реагент газогенератора для буровзрывных работ, выполненный в виде макроразмерного элемента из горючего полимерного материала из группы, включающей полиолефин, полиамид, поливинилхлорид и их производные, а также металлические материалы (3). Макроразмерным элементом согласно известному изобретению является элемент с достаточно большими размерами (порядка 100-200 мм), а также порошок, представляющий собой смесь макроразмерных элементов (частиц с размерами в диапазоне 0,025-3,0 мм).

Горючий реагент может быть выполнен, например, в виде порошка, гранул, трубок, лент, в том числе гофрированных, пористых губчатых тел с открытой пористостью и других форм, обеспечивающих контакт с целевым реагентом. Для изготовления горючего реагента может быть использовано как первичное, так и вторичное сырье.

Горючий реагент в известном решении смешивают с окислителем в необходимой пропорции при нормальных условиях на специальном оборудовании, размещают в газогенераторе в шпуре и инициируют взрыв.

Однако необходимо заметить, что при использовании известного горючего реагента не всегда достигается равномерное распределение окислителя. Это связано с тем, что пространство между трубками или частицами (в т.ч. комками частиц) может быть в ряде случаев недоступно для окислителя. В итоге воспламенение состава происходит неодновременно по сечению газогенератора, что снижает качество продукции.

В качестве недостатка известного решения можно указать и высокую трудоемкость изготовления горючего реагента и загрузки его в газогенератор.

Аналогичные недостатки имеет горючий реагент, известный из решения (4). Согласно (4) горючий реагент выполнен в виде трубок, изготовленных из материалов, допущенных к длительному контакту с применяемым окислителем (или смесью окислителей), например, углеводородов. Изготовление одинаковых трубок, а также операция загрузки с одновременной ориентацией их вдоль оси шпура являются весьма трудоемкими, при этом последняя не может быть механизирована. В итоге повышается трудоемкость буровзрывных работ. Решение (4), как наиболее близкое по технической сущности, выбрано авторами в качестве прототипа.

Задачей заявляемого изобретения является создание горючего реагента газогенератора для буровзрывных работ, позволяющего повысить качество получаемой продукции и снизить трудоемкость как изготовления самого горючего реагента, так и буровзрывных работ в целом.

Технический результат достигается тем, что горючий реагент газогенератора для буровзрывных работ, выполненный в виде макроразмерного тела, по меньшей мере, из одного материала из группы, содержащей углеводороды, алюминий, магний и их сплавы, выполнен в виде устройства со сквозными каналами, ориентированными вдоль его оси, толщина стенки канала характеризуется следующей зависимостью: t = k•ρ_нок/ρ_г•g, (1) где t - толщина стенки канала, мм; ρ_нок - насыпная (для сыпучего материала) или истинная (для жидкости) плотность используемого окислителя, кг/м³; ρ_г - плотность материала горючего реагента, кг/м³; g - стехиометрическое соотношение между массой окислителя и горючего элемента; к - экспериментальный коэффициент, к=0,5÷50 мм, а площадь поперечного сечения канала характеризуется следующей зависимостью:
a=n•t², (2)
где а - площадь поперечного сечения канала, мм²;
n - экспериментальный коэффициент, n=50÷250;
t - толщина стенки канала, мм.

Поперечное сечение канала может иметь форму круга, квадрата, шестиугольника и любую другую форму, обеспечивающую плотнейшую упаковку каналов. Минимальный размер сечения и минимальная толщина стенки канала определяются технологическими возможностями оборудования.

Зависимости (1) и (2), позволяющие рассчитать габариты горючего элемента для заданного окислителя, были установлены авторами в ходе экспериментальных исследований.

Заявляемое устройство и его элементы могут быть изготовлены из термопластов методом литья под давлением, а также вакуум-формованием, экструзией и другими подходящими способами в зависимости от используемого материала и заданной структуры каналов.

Горючий элемент может быть выполнен с возможностью изменения длины, например, путем соединения, по меньшей мере, двух частей одинаковой или разной длины. Такое соединение позволяет варьировать длину устройства. Указанные части соединяют попарно с помощью выполненных на них канавок и ответных им выступов. Для предотвращения поворота друг относительно друга части устройства дополнительно снабжены шипами и ответными им пазами.

Из материалов, подходящих для изготовления заявляемого устройства, можно, в частности, указать следующие: полиэтилен высокой плотности, полиэтилен низкой плотности, полипропилен, полистирол, ударопрочный полистирол, акрилонитрилбутадиенстирол, алюминий, магний, их сплавы и различные сочетания указанных материалов.

Методом литья под давлением из термопластов, изготовленных на основе указанных органических материалов, изготавливают весь реагент или его части, которые затем собирают в устройство необходимой длины. Для литья пригодны металлические формы. Заданные размеры устройства (диаметр, длина, толщина стенок) определяются размерами соответствующих формообразующих деталей литьевой формы. Технологический режим литья зависит от выбранной марки термопласта.

Заявляемое устройство может быть выполнено с каналами, имеющими рифленые стенки. В этом случае возможно использование пленочных материалов (гладкой подложки) совместно с гофрированными материалами, а также ленты Корекс (обычно применяемой для упаковки) и металлов. В качестве подходящих материалов можно указать Аl-фольгу, плакированную полиэтиленом, и картон, плакированный полиэтиленом. Гладкий материал подвергают гофрированию или используют готовый материал с рифлением, например гофрокартон. Последний совместно с гладкой подложкой (или другой материал подобного вида) скручивают в рулон. Толщина стенки канала и в этом случае определяется по формуле (1). При этом длина изделия обеспечивается подбором материала необходимой ширины.

Горючий реагент заряда (отделенные его части) может быть изготовлен из разных материалов, например из металла и углеводорода (целлюлозы и т.п.) Подбирая комбинации материалов, можно увеличить энергетику и скорость горения состава.

Для повышения жесткости горючий реагент может быть снабжен внешней оболочкой, выполненной из того же материала, что и реагент, или картона, или металла и т.п.

Изобретение поясняется графическими материалами, на которых изображены:
на фиг. 1 - горючий элемент (или часть его) с внешней оболочкой. Изометрическая проекция, общий вид. Сечение канала - квадрат;
на фиг.2 - то же, в разрезе;
на фиг.3 - то же, в разрезе;
на фиг.4 - вид В разреза, представленного на фиг.3;
на фиг.5 - вид С разреза, представленного на фиг.3;
на фиг.6 - горючий реагент с рифлеными стенками каналов, выполненный из гофрокартона с полиэтиленовой подложкой;
на фиг.7 - горючий реагент с рифлеными стенками каналов, выполненный из ленты Корекс.

Горючий реагент содержит оболочку 1, систему каналов со стенками 2, шип 3 и ответный ему паз 4, выступ 5 и ответную ему канавку 6, предназначенные для соединения частей устройства. Горючий реагент с рифлеными стенками каналов выполнен из слоистого материала, содержащего подложку - слой гладкой пленки 7 и гофрированную пленку 8, или из ленты Корекс с углублениями 9 на одной стороне и выступами 10 на другой.

Расчет габаритов заявляемого горючего реагента приведем на примере конструкции, изображенной на фиг.6. В случае использования в качестве окислителя хлората натрия NaClO₃, а в качестве горючего - полиэтилена nCH₂ толщина стенки канала t равна 0,3 мм, а площадь поперечного сечения канала а - 14,4 мм². Указанные значения получены из формул (1) и (2) следующим образом:
t=(1,54•1400):(950•7,57)=0,3 мм,
где k=1,54,
ρ_нок=1400 кг/м³,
ρ_г =950 кг/м³,

a=160•0,09=14,4 мм².

Для проведения буровзрывных работ в каналы горючего элемента с оболочкой (или без нее), выполненного необходимой длины или собранного из нескольких частей с достижением необходимой длины, установленного в корпусе газогенератора, засыпают (заливают) окислитель, герметизируют его от внешней среды заглушкой, устанавливают в шпуре, а реакцию разложения (горения) инициируют подачей электроимпульса на воспламенитель.

Использование заявляемого устройства позволяет повысить производительность труда - снижается трудоемкость подготовки горючего реагента, упрощается его загрузка в газогенератор, обеспечивается механизация загрузки окислителя, а также повышается безопасность транспортировки газогенераторов. Конструкция устройства позволяет увеличить энергетику и скорость горения состава за счет сочетания различных материалов.

Конструкция горючего реагента обеспечивает меньший разброс в воспламенении состава и его сгорании из-за более равномерного распределения окислителя по сечению - нет полостей, недоступных для загрузки, т.е. повышается воспроизводимость изделий. Это в свою очередь повышает качество получаемой продукции.

Заявляемое устройство прошло испытания в карьере ЗАО "Интеркамень" Другорецкий 3 на породе габбро-диабаз. Отмечен разброс камней на 1,0-1,2 м. Мелкие осколки отсутствуют. Поверхность скола ровная. Производительность буровзрывных работ по сравнению с известным решением возросла в ~1,5 раза.

Источники информации
1. Ржевский Р.В. Открытые горные работы. М.: Недра. 1985, с.509.

2. Патент РФ 2026987 от 20.01.95, Е 21 С 37/00.

3. Патент РФ 2134782 от 13.11.98, Е 21 С 37/00.

4. Патент РФ 2153069 от 11.11.98, Е 21 С 37/00.

Формула изобретения

1. Горючий реагент газогенератора для буровзрывных работ, выполненный в виде макроразмерного тела по меньшей мере из одного материала из группы, содержащей углеводороды, алюминий, магний и их сплавы, отличающийся тем, что макроразмерное тело горючего реагента выполнено в виде устройства со сквозными ориентированными вдоль его оси каналами, при этом толщина стенки канала характеризуется следующей зависимостью:
t = k•ρ_нок/ρ_г•g, (1)
где t - толщина стенки канала, мм;
ρ_нок - насыпная (для сыпучего материала) или истинная (для жидкости) плотность используемого окислителя, кг/м³;
ρ_г - плотность материала горючего реагента, кг/м³;
g - стехиометрическое соотношение масс окислителя и горючего элемента;
k - экспериментальный коэффициент, k= 0,5-50,
а площадь поперечного сечения канала характеризуется следующей зависимостью:
a = n•t², (2)
где а - площадь поперечного сечения канала, мм²;
n - экспериментальный коэффициент, n= 50-250;
t - толщина стенки канала, мм.

2. Горючий реагент по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен из термопласта с возможностью изменения длины.

3. Горючий реагент по п. 2, отличающийся тем, что он выполнен по меньшей мере из двух частей, скрепленных при помощи канавок и ответных им выступов, при этом канавки и выступы выполнены на внешней поверхности указанных частей устройства.

4. Горючий реагент по п. 3, отличающийся тем, что части устройства дополнительно снабжены шипами и ответными им пазами, размещенными на их внешней поверхности.

5. Горючий реагент по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что он выполнен из термопласта на основе полиэтилена высокой плотности, или полиэтилена низкой плотности, или полипропилена, или полистирола, или ударопрочного полистирола, или акрилонитрилбутадиенстирола.

6. Горючий реагент по любому из пп. 2-5, отличающийся тем, что он выполнен методом литья под давлением, или экструзией, или вакуум-формованием.

7. Горючий реагент по п. 1, отличающийся тем, что каналы выполнены с рифлеными стенками.

8. Горючий реагент по п. 7, отличающийся тем, что он выполнен из гофрокартона с гладкой подложкой.

9. Горючий реагент по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что он дополнительно содержит наружную оболочку.

10. Горючий реагент по п. 9, отличающийся тем, что наружная оболочка выполнена из того же материала, что и горючий реагент.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7