способ разрушения массивов со свободной поверхностью из материалов с малой прочностью на растяжение

Формула изобретения

СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ МАССИВОВ СО СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ИЗ МАТЕРИАЛОВ С МАЛОЙ ПРОЧНОСТЬЮ НА РАСТЯЖЕНИЕ, включающий образование наклонных к свободной поверхности массива каналов и заполнение их сильно сжатым газом с последующим выбросом материала в сторону свободной поверхности, отличающийся тем, что в нем образование наклонных каналов осуществляют посредством подрыва кумулятивных зарядов с металлической облицовкой кумулятивной выемки, устанавливаемых под углом к свободной поверхности массива, а заполнение наклонных каналов сжатым газом производят путем последующего подрыва газокумулятивных зарядов, устанавливаемых на свободной поверхности массива соосно с образованными каналами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровзрывным работам, в частности к способам разрушения крупных массивов из материалов с малой прочностью на растяжение, например при демонтаже подин электролизеров в производстве алюминия.

Как известно, при производстве алюминия широко используются электролизеры, катодная часть которых представляет собой тонкостенную обфутерованную ванну с размещенными в ней катодными секциями, каждая из которых содержит запрессованные в графитовый наполнитель токоподводящие элементы блюмсы, наружные концы которых введены за пределы ванны. Набор катодных секций образует подину электролизера. Материал подины имеет значительную толщину, малую по сравнению с металлами прочность на растяжение ( _вр 1,18 10⁷ Па), достаточно высокую твердость, к тому же он сильно нагрет, так как демонтаж, как правило, производится из-за экономии времени на неокончательно охлажденных подинах (охлаждение подины до нормальной температуры требует много времени, а использование воды нецелесообразно из экологических соображений). Разрушение материала нагретой подины с целью демонтажа выработавших ресурс электролизерных ванн и их дальнейшее восстановление и повторное использование является важной составной частью техпроцесса массового производства алюминия.

Известны способы взрывного разрушения крупных массивов твердых и прочных материалов, основанные на последовательном подрыве накладных зарядов ВВ различной формы и конструкции [1] или шпурении массивов с последующей закладкой в образуемые шпуры соответствующих зарядов ВВ [2]

Недостатками таких способов являются общий большой расход ВВ для решения поставленной задачи, значительные с точки зрения техники безопасности и экологии массы зарядов ВВ, трудоемкость бурения шпуров, необходимость устанавливать заряды на поверхности массива или внутри массива, который, например, в случае с подиной электролизера может быть сильно нагрет.

Известным способом разрушения крупных массивов материалов (металл, железобетон и т.п.) на более мелкие части является комбинированное действие кумулятивного и фугасного зарядов, когда с помощью кумулятивного заряда образуется предварительное отверстие в материале, в которое затем закладывается фугасный заряд соответствующей массы [3]

Отличие этого способа заключается в том, что шпурение осуществляется не специальным инструментом, а с помощью кумулятивного заряда. Однако необходимость получения значительных по размеру каналов для закладки вскрывающих зарядов ВВ, а также необходимость чистоты канала для последующей закладки вскрывающих зарядов ВВ, что реально реализуется лишь на металлических массивах при принятии особых мер по непопаданию в образуемый канал "песта", резко ограничивают возможность использования такого способа, особенно при решении задачи демонтажа и последующего восстановления электролизерных ванн в специальных ремонтных цехах путем рыхления застывшего специфического материала с малой прочностью на растяжение, который будет осыпаться в процессе проникания кумулятивной струи и "забивать" образуемый канал.

Известен способ разрушения массивов со свободной поверхностью из материалов с малой прочностью на растяжение, включающий образование наклонных к свободной поверхности каналов и заполнение их сильно сжатым газом с последующим выбросом материала в сторону свободной поверхности [4] В этом способе наклонные каналы в массиве образуются посредством бурения, а их заполнение сильно сжатым газом осуществляется посредством подрыва фугасных зарядов, предварительно размещаемых в образованных каналах. При подрыве заряда формируется ударная волна, распространяющаяся в сторону свободной поверхности и отражающаяся от нее в виде волны разгрузки. В волне разгрузки реализуются значительные растягивающие напряжение, что в сочетании с действием расширяющихся сильно сжатых газов приводит к разрушению материала и его последующему выбросу в сторону свободной поверхности.

Недостатками способа являются высокие трудоемкость и стоимость работ, связанные с необходимостью бурения шпуров, что особенно проявляется при работе с массивами из материалов с высокой твердостью и прочностью на сжатие, к числу которых относится, например, материал подины электролизеров. Кроме того, при разрушении горячих массивов (неокончательно охлажденные подины электролизеров) размещение зарядов ВВ в шпурах допускается при температуре, меньшей 200^оС, что в значительной степени ограничивает возможности способа.

Целью изобретения является повышение производительности и снижение стоимости работ, в частности, при демонтаже электролизерных ванн.

Цель достигается тем, что в известном способе разрушения массивов со свободной поверхностью из материалов с малой прочностью на растяжение, включающем образование наклонных к свободной поверхности каналов и заполнение их сильно сжатым газом с последующим выбросом материала в сторону свободной поверхности, в нем образование наклонных каналов осуществляют посредством подрыва кумулятивных зарядов с металлической облицовкой кумулятивной выемки, устанавливаемых под углом к свободной поверхности, а заполнение наклонных каналов сжатым газом производят путем последующего подрыва газокумулятивных зарядов, устанавливаемых на свободной поверхности соосно с образованными каналами.

На чертеже представлена схема осуществления предлагаемого способа.

Разрушаемый материал 2 помещен в корпус (ванну электролизера) 1. На свободной поверхности 6 массива материала установлены под углом к ней и соосно относительно друг друга основной кумулятивный заряд 3 с металлической облицовкой кумулятивной выемки для образования металлической кумулятивной струи и газокумулятивный заряд 4 без металлической облицовки, который может иметь отверстие для прохождения струи основного кумулятивного заряда 3 (в случае реализации варианта конструкции "тандемного" типа) или не иметь его (в случае реализации раздельной последовательной установки и действия двух зарядов). На чертеже показана одна пара расположенных навстречу друг другу и под углом к свободной поверхности массива кумулятивных зарядов, однако на крупном массиве разрушаемого материала может быть расположено значительное число кумулятивных зарядов, определяемое габаритами массива и общей допустимой к использованию массой зарядов ВВ.

Кумулятивный заряд 3 формирует металлическую кумулятивную струю, которая пробивает массив материала 2 на определенную глубину с образованием отверстия 5, которое частично "забивается" осыпавшимся материалом или пестом. Взаимодействие образующейся при проникании кумулятивной струи баллистической ударной волны со свободной поверхностью 6 обеспечивает частичный выброс материала от оси канала в сторону свободной поверхности (направление А), особенно вблизи нее, трещинообразование в массиве 2, отколы со стороны свободной поверхности и т. п. Затем осуществляется вторичное действие по образованному каналу 5 газокумулятивного заряда 4. Образующаяся газокумулятивная струя как бы "продувает" отверстие и создает в нем значительное давление на окружающий материал 2, что приводит к выбросу последнего в наиболее ослабленном направлении А, т.е. в сторону свободной поверхности. В результате образуется либо свободная от материала выемка (траншея), либо, что более вероятно, область разрушенного материала, который может быть достаточно легко в последующем удален.

Для подтверждения реализуемости предлагаемого способа и оценки его эффективности были проведены теоретические и экспериментальные исследования.

Расчеты были проведены в рамках численного решения одномерных задач механики сплошной среды: одномерной плоской задачи движения газокумулятивной струи в предварительно образованном канале с определением закона изменения давления газов в различных сечениях этого канала и одномерной с осевой симметрией задачи расширения полости в материале подины под действием имеющегося в полости давления и при наличии свободной поверхности.

Расчеты показали, что при движении газокумулятивной струи в канале возникают значительные давления (до 50 10⁸ Па на дне канала и до (1,5-2,5) 10⁸ Па в средней его части). Действие такого давления на стенки канала порождает достаточно интенсивную ударную волну, распространяющуюся в сторону свободной поверхности. Растягивающие напряжения в волне разгрузки более чем в 10 раз превышают предел прочности на растяжение материала подины ( _вр 1,18 10⁸ Па), что позволяет сделать вывод о последующем его разрушении и выбросе материала от оси канала в сторону свободной поверхности.

Эксперименты, подтверждающие реализуемость предлагаемого способа, проводили в лабораторных условиях при использовании стандартных кумулятивных перфораторов ЗПКО-73 (диаметр заряда ВВ составлял 36,4 мм, внутренний диаметр медной конической облицовки толщиной 0,9 мм и углом раствора конуса 60^о составлял 34 мм, снаряжение пластифицированный гексоген ГФГ-2). Такой заряд с оптимального расстояния F 50 мм пробивает стальную преграду на глубину L 85 мм.

Заряды 3 устанавливали навстречу друг другу на "фокусном" расстоянии F 50 мм и под углом = 60^о от нормали к поверхности 6 массива 2 из твердого материала с малой прочностью на растяжение (имитировали реальный материал подины электролизера с плотностью 1,2 10³ кг/м³, см.чертеж).

Массив материала помещали в жесткий корпус 1 со стенками и дном размерами 950х500х300 м и заливали со стороны стенок бетоном (размер самого блока материала подины составлял 700х310х250 мм). Расстояние по поверхности массива между предполагаемыми точками вхождения кумулятивной струи в материал составляло S 340 мм). Подрыв зарядов осуществляли от быстродействующих электродетонаторов 9ВП.

В результате эксперимента образовались встречные каналы с отверстием от кумулятивной струи диаметром 8-10 мм, частично забитые осыпавшимся материалом. Произошел частичный выброс материала в направлении свободной поверхности между зарядами на глубину 70 мм, ширину 140 мм и длину 300 мм. Полностью канал был освобожден приблизительно на 1/2 часть глубины.

После этого вдоль оси канала устанавливали и "направляли" в образованное отверстие (в части еще не вскрытого полностью материала) газокумулятивный заряд (аналогичный перфоратор, но без кумулятивной облицовки), который подрывали от детонатора 9ВП. В результате полностью вскрывалась область материала между зарядами, ограниченная осями каналов и свободной поверхностью (в данном случае на ширину 80 мм, т.е. 2-2,5 d₃, где d₃ диаметр заряда ВВ).

Очевидно, при установке нескольких пар зарядов по одной линии образуется траншея соответствующей ширины. Две и более линии позволяет увеличить ее ширину, а максимальная глубина будет определяться перпендикуляром от места встречи кумулятивных струй к свободной поверхности.