PL182548B1 - Urządzenie do odstrzeliwania twardego materiału - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie do odstrzeliwania twar- dego materialu, zawierajace umieszczony na dnie otworu wywierconego w tym materiale nabój majacy zewnetrzna oslone przymo- cowana do podstawy naboju usytuowanej w poblizu wolnego konca nabijaka osadzo- nego we wlocie otworu i siegajacego dolnej jego czesci, znamienne tym, ze w co naj- mniej czesci zewnetrznej oslony naboju (31, 208, 312), w odleglosci (d4) od wolne- go konca (256) nabijaka (4, 18, 29, 48, 60, 236), znajduje sie odsprzezony ladunek wybuchowy (21, 35, 44, 58, 216, 304), przy czym podstawa naboju (20, 32, 51, 59, 204) jest odksztalcalna, a jej granica plastyczno- sci jest mniejsza od granicy plastycznosci nabijaka (4,18, 29, 48, 60, 236). Fig 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do odstrzeliwania twardego materiału.

Urządzenie takie ma zastosowanie w górnictwie, w kamieniołomach oraz w budownictwie lądowym i wodnym do urabiania litej, twardej skały i innych twardych materiałów za pomocą odpalania niewielkich ładunków wybuchowych.

Najpospoliciej stosowanymi sposobami urabiania skały są metody „wierć i strzelaj”. Metody te nie mogą być jednak stosowane w środowiskach miejskich ze względu na przepisy. W technice wydobywczej metody „wierć i strzelaj” są o tyle niekorzystne, że ich wydajność jest ograniczona. Natomiast przy rozbudowie kopalń lub też przy drążeniu tuneli w budownictwie lądowym i wodnym metody „wierć i strzelaj” są niewygodne ze względu na cykliczną naturę procesu wiercenia i strzelania na dużą skalę.

Tunelowe maszyny wiertnicze stosuje się do wyrobisk wymagających długich, stosunkowo prostych tuneli o przekrojach kołowych. Maszyny te są rzadko używane do prac górniczych.

Maszyny przodkowe używa się w górnictwie i w budownictwie, ale tylko do umiarkowanie twardych, niełupliwych formacji skalnych. Mechaniczne kruszarki udarowe używa się do odbijania części nadmiarowych skały i konstrukcji z betonu oraz z żelbetu. Jako narzędzie urabiania ogólnego mechaniczne kruszarki udarowe używa się jedynie do stosunkowo słabych formacji skalnych o wysokim stopniu spękania. W twardszych formacjach skalnych (o wytrzymałości na ściskanie w otwartej przestrzeni większej niż 120 MPa) skuteczność urabiania mechanicznej kruszarki udarowej jest niewielka, przy dużym zużyciu koronki narzędziowej. Mechaniczne kruszarki udarowe same nie mogą prowadzić urabiania w podziemnym przodku litych, twardych formacji skalnych.

We wszystkich formacjach skalnych, w tym także w litych, twardych formacjach można stosować technikę odstrzeliwania małymi ładunkami wybuchowymi. W metodzie tej jednorazowo używa się małych ilości ładunków wybuchowych (zwykle 2 kg lub mniej).

W przeciwieństwie do tego, niektóre operacje konwencjonalnej metody „wierć i strzelaj” wymagają wiercenia wielu wzorów otworów, ładowania ładunków wybuchowych w te otwory, milisekundowej synchronizacji strzałów w poszczególnych otworach i zużycia dziesiątków do tysięcy kilogramów ładunków wybuchowych. Konieczna jest wentylacja i usuwanie urobku.

Zgodnie z tą metodą odstrzeliwania małymi ładunkami wybuchowymi można odstrzeliwać pojedyncze otwory lub kilka otworów równocześnie. Oddziaływanie sejsmiczne takiego strzelania jest stosunkowo niewielkie, ponieważ każdorazowo stosuje się niewielką ilość ładunku wybuchowego.

Z opisu patentowego US 5 098 163 znany jest sposób i urządzenie do kruszenia twardych, zwartych skał i betonu. Rozwiązanie to dotyczy kruszenia skały przez wywoływanie charakterystycznego pęknięcia, nazywanego pęknięciem rozchodzącym się stożkowo PCF (Penetrating Cone Fracture), przy użyciu urządzenia podobnego do działa lub wtryskiwacza gazu do spalania paliwa napędowego w komorze spalania. Odpalone i spalone paliwo rozpręża się w dół wzdłuż krótkiej tulei, wywiera nacisk na dno otworu i wywołuje pękanie. Proces ten jest nazywany sposobem iniektorowym. Jest on trudny do stosowania w otworach wypełnionych wodą która może uszkodzić wylot wtryskiwacza gazu. Inną niedogodnością sposobu iniektorowego jest wymaganie spalenia dodatkowego paliwa we wtryskiwaczu, w celu wywołania ciśnienia w jego wnętrzu. To dodatkowe paliwo po spaleniu wywołuje podmuch

182 548 powietrza, drgania ziemi i rozrzut odłamków skalnych, co stanowi niepożądany efekt procesu kruszenia skały.

W opisie patentowym US 5 308 149 został ujawniony sposób polegający na bezwybuchowym wytwarzaniu ciśnienia w dnie otworu, w którym jest umieszczone paliwo miotające.

Opis patentowy US 4 886 126 dotyczy urządzenia detonacyjnego, które opuszcza się w ścianę na linie stalowej i odpala się je. Urządzenie to zawiera obudowę detonatora z wyłącznikiem zapłonu, dolną część rurową zawierającą obwód wyczuwania ciśnienia w wywierconym otworze i działo udarowe. Nad działem jest osadzony uszczelniacz.

Urządzenie do odstrzeliwania twardego materiału zawierające, umieszczony na dnie otworu wywierconego w tym materiale, nabój mający zewnętrzną osłonę przymocowaną do podstawy naboju, usytuowanej w pobliżu wolnego końca nabijaka osadzonego we wlocie otworu i sięgającego dolnej jego części, według wynalazku jest charakterystyczne tym, że w co najmniej części zewnętrznej osłony naboju, w odległości od wolnego końca nabijaka, znajduje się odsprzężony ładunek wybuchowy. Podstawa naboju jest odkształcalna, a jej granica plastyczności jest mniejsza od granicy plastyczności nabijaka.

Korzystnie, podstawa naboju ma grubość od 50 mm do 250 mm.

Korzystnie, granica plastyczności podstawy naboju stanowi około 75% granicy plastyczności nabijaka.

Korzystnie, podstawa naboju znajduje się w styku z wolnym końcem nabijaka.

Korzystnie, podstawa naboju ma kształt stożkowy. W jednej części zewnętrznej osłony naboju znajduje się ładunek wybuchowy, a drugą jej część stanowi wolna przestrzeń. Natomiast trzecia część zewnętrznej osłony naboju, sąsiadująca z podstawą naboju, jest zbieżna.

Korzystnie, wierzchołkowa część zewnętrznej osłony naboju, przeciwległa do podstawy naboju ma grubość od 0,75 mm do 5 mm.

Korzystnie, ładunek wybuchowy jest wybrany z grupy złożonej z mieszaniny azotanu amonowego i nitrometanu, dynamitu, oktolu, emulsyjnych materiałów wybuchowych, materiałów wybuchowych w postaci żelu wodnego i żelowego środka zapalającego.

Korzystnie, w części zewnętrznej osłony naboju znajduje się wolna przestrzeń, której objętość stanowi od 200% do 500% objętości ładunku wybuchowego.

Korzystnie, ładunek wybuchowy znajduje się w odległości nie większej niż około 15 mm od dna otworu.

Korzystnie, odległość ładunku wybuchowego od wolnego końca nabijaka wynosi od 13 mm do 76 mm.

Korzystnie, urządzenie zawiera elementy prowadzące do osiowego ustawiania podstawy naboju względem wolnego końca nabijaka.

Korzystnie, nabijak ma pierwotne uzwojenie indukcyjne sprzężone elektrycznie z wtórnym uzwojeniem indukcyjnym naboju.

Korzystnie, stosunek długości naboju do jego średnicy wynosi od 1 do 4.

Korzystnie, nabijakiem jest podłużny pręt osadzony w otworze.

Korzystnie, stosunek grubości podstawy naboju do jej średnicy wynosi od 0,15 do 0,60.

Korzystnie, objętość wolnej przestrzeni stanowi 50 - 75% całkowitej objętości zewnętrznej osłony naboju.

Urządzenie do odstrzeliwania twardego materiału, według drugiego wariantu wynalazku jest charakterystyczne tym, że w naboju znajduje się ładunek wybuchowy i wolna przestrzeń.

Korzystnie, zewnętrzna osłona naboju ma część podstawową zamocowaną do podstawy naboju i część wierzchołkową przeciwległą do podstawy naboju stykającą się z dnem otworu, zaś ładunek wybuchowy znajdujący się w zewnętrznej osłonie naboju styka się z jej częścią wierzchołkową.

Korzystnie, materiał wybuchowy jest odsprzężony i umieszczony w odległości od wolnego końca nabijaka, a granica plastyczności podstawy naboju jest mniejsza niż granica plastyczności nabijaka.

Korzystnie, co najmniej 50% powierzchni części wierzchołkowej zewnętrznej osłony naboju stykającej się z dnem otworu styka się także z ładunkiem wybuchowym.

182 548

Urządzenie do odstrzeliwania twardego materiału, według kolejnego wariantu wynalazku jest charakterystyczne tym, że w naboju znajduje się ładunek wybuchowy odsprzężony od wolnego końca nabijaka i oddalony od podstawy naboju.

Korzystnie, stosunek grubości podstawy naboju do jej średnicy wynosi od 0,15 do 0,60.

Korzystnie, ładunek wybuchowy znajduje się w odległości wynoszącej od 13 mm do 64 mm od podstawy naboju.

Korzystnie, grubość zewnętrznej osłony naboju przy dnie otworu wynosi od 0,75 mm do około 5 mm.

Korzystnie, w zewnętrznej osłonie naboju znajduje się ponadto stykająca się z podstawą naboju wewnętrzna osłona naboju zawierająca ładunek wybuchowy, zaś między ładunkiem wybuchowym a podstawą naboju jest wolna przestrzeń.

Korzystnie, grubość ścianki wewnętrznej osłony naboju wynosi od 0,2 mm do 1 mm.

Korzystnie, nabijakiem jest wydłużony pręt umieszczony w otworze.

Korzystnie, objętość wolnej przestrzeni wynosi od 17% do 50% objętości wewnętrznej osłony naboju.

Korzystnie, w zewnętrznej osłonie naboju znajduje się ponadto wolna przestrzeń.

Urządzenie do odstrzeliwania twardego materiału, według innego wariantu wynalazku jest charakterystyczne tym, że w naboju znajduje się ładunek wybuchowy odsprzężony od wolnego końca nabijaka, a co najmniej część ładunku wybuchowego jest oddalona od podstawy naboju i wolnej przestrzeni.

Korzystnie, granica plastyczności podstawy naboju jest nie większa niż 70% granicy plastyczności nabijaka.

Urządzenie do odstrzeliwania twardego materiału jest urządzeniem skutecznie kruszącym skały. W czasie odstrzeliwania odłamki skalne są rozrzucane z małą prędkością, tak że sprzęt do wiercenia, do usuwania urobku skalnego, do transportu, oraz sprzęt naziemny mogą pozostawać na przodku roboczym podczas operacji kruszenia skały.

Urządzenie, według wynalazku zapewnia mniejszy koszt urabiania skały, większą wydajność urabiania, poprawę bezpieczeństwa i zmniejszenie kosztów zabezpieczeń, lepszą kontrolę dokładności procesu urabiania oraz sposób urabiania możliwy do zaakceptowania w miastach i w obszarach, spełniający wymagania związane z ochroną środowiska.

Umieszczenie ładunku wybuchowego w pewnym odstępie od podstawy naboju rozprasza falę uderzeniową wytworzoną podczas detonacji ładunku wybuchowego. Przestrzeń do sterowania ciśnienia gazu w otworze zapobiega działaniu nadmiernego ciśnienia gazu na dno otworu.

Zastosowanie protektorowej podstawy naboju powoduje, że odkształca się ona plastycznie pod działaniem tłumionej fali uderzeniowej detonacji wcześniej niż nabijak. Dzięki temu nabijak nie niszczy się przy odstrzeliwaniu i nadaje się do powtórnego użycia.

Urządzenie według wynalazku jest szczególnie użyteczne przy odstrzeliwaniu małych ładunków dla rozkruszania twardego materiału.

Przedmiot wynalazku w przykładach realizacji jest odtworzony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia skałę poddaną procesowi kontrolowanego kruszenia metodą małych minerskich ładunków wybuchowych SCB-EX (Small-Charge Blasting Explosive), po detonacji ładunku wybuchowego, z wywierconym otworem, na dnie którego znajduje się przytrzymywany przez lity nabijak nabój zawierający ładunek wybuchowy, z uwidocznionym pęknięciem w kształcie rozchodzącego się stożka typowego dla twardych, niełupliwych formacji skalnych, w przekroju; fig. 2 - skałę poddaną procesowi kontrolowanego kruszenia metodą SCB-EX, po detonacji ładunku wybuchowego, z wywierconym otworem, na dnie którego znajduje się przytrzymywany przez lity nabijak nabój zawierający ładunek wybuchowy, z uwidocznieniem rozszerzania się uprzednio istniejącego pęknięcia lub pęknięć przecinających się blisko dna otworu, typowych dla formacji skalnych hipliwych lub popękanych, w przekroju; fig. 3 - nabijak i nabój w wywierconym otworze przed zainicjowaniem wybuchu metodą kontrolowanego kruszenia SCB-EX, w przekroju; fig. 4 - nabijak i nabój z uwidocznioną konstrukcją korka podstawy naboju podlegającego odrzutowi w procesie kontrolowanego kruszenia SCB-EX, oraz z ładunkiem wybuchowym ściśle sprzężonym z dnem otworu,

182 548 w przekroju; fig. 5 - nabijak i nabój z uwidocznioną konstrukcją korka podstawy naboju podlegającego odrzutowi w procesie kontrolowanego kruszenia SCB-EX, oraz z ładunkiem wybuchowym odsprzęgającym impuls ciśnienia od dna otworu, w przekroju; fig. 6 - nabijak i alternatywną konfigurację naboju, w której ładunek wybuchowy jest odsprzężony od dna otworu i zamontowany w korku podstawy, tak aby izolować nabijać od wszelkich udarowych przebiegów nieustalonych, w przekroju; fig. 7 - alternatywną konfigurację nabijaka z uwidocznioną stożkowo zwężającą się jego częścią umożliwiającą wpasowanie tego nabijaka w wywiercony otwór, w przekroju; fig. 8 - skałę poddaną procesowi kontrolowanego kruszenia SCB-EX po detonacji ładunku wybuchowego, z uwidocznieniem uszczelniającego działania odrzutowego korka podstawy naboju SCB-EX, kiedy ścianka naboju nie pęka w okolicy końca nabijaka, w przekroju; fig. 9 - skałę poddaną procesowi kontrolowanego kruszenia SCB-EX po detonacji ładunku wybuchowego, z uwidocznieniem działania uszczelniającego zapasowego pierścienia uszczelniającego naboju, kiedy ścianka naboju pęka w okolicy nabijaka, w przekroju; fig. 10 - wyliczony przebieg ciśnienia przy dnie otworu, dla przypadku kiedy skała nie pęka w procesie SCB-EX, z ładunkiem wybuchowym wstępnie odsprzężonym od dna otworu, na wykresie; fig. 11 - wyliczony przebieg ciśnienia przy dnie otworu, dla przypadku kiedy skała pęka w procesie SCB-EX, z ładunkiem wybuchowym wstępnie odsprzężonym od dna otworu, na wykresie; fig. 12 - wyliczony rozdział gazu, dla przypadku kiedy skała pęka w procesie SCB-EX, pojawia się nieszczelność wokół nabijaka i odsłania się przestrzeń pęknięcia, na wykresie; fig. 13 - wyliczony przebieg ciśnienia przy dnie otworu, dla przypadku kiedy skała pęka w procesie SCB-EX, z ładunkiem wybuchowym wstępnie sprzężonym z dnem otworu by spotęgować mikropęknięcia, na wykresie; fig. 14 - wyliczony przebieg ciśnienia przy dnie otworu, dla przypadku kiedy skała nie pęka, w metodzie z ładunkiem w otworze, opartej na paliwie, na wykresie; fig. 15 - wyliczony przebieg ciśnienia przy dnie otworu, dla przypadku kiedy skała nie pęka, w metodzie iniektorowej, opartej na paliwie, na wykresie; fig. 16 - wyliczony rozdział gazu w metodzie iniektorowej, opartej na paliwie, w przypadku gdy skała pęka, pojawia się nieszczelność poza końcówką tulei i odsłania się przestrzeń pęknięcia, na wykresie; fig. 17 - środek transportu z wysięgnikiem dla urządzenia do odpalania małych ładunków, zawierającego elementy do wiercenia krótkiego otworu w skale, mechanizm przestawiający, układ wprowadzania naboju SCB-EX do otworu oraz do odpalania strzału, w widoku z boku; fig. 18A - urządzenie do odpalania małych ładunków zamontowane na mechanizmie przestawiającym, który z kolei jest zamontowany obrotowo na końcu przegubowego zespołu wysięgnikowego, w widoku z boku; fig. 18B - mechanizm przestawiający, z uwidocznieniem urządzenia do wiercenia w skale i urządzenia do odpalania małych ładunków, w widoku z góry; fig. 19 - inny przykład realizacji urządzenia według wynalazku, z nabojem zawierającym obudowę wewnętrzną i zewnętrzną, w przekroju, zaś fig. 20 przedstawia jeszcze inny przykład realizacji wynalazku z nabojem nie zawierającym obudowy wewnętrznej, w przekroju.

Wynalazek dotyczy urządzenia do kruszenia skały lub innego twardego materiału, np. betonu, przez nawiercenie krótkiego otworu w skale, umieszczenie w nim naboju zawierającego ładunek wybuchowy, następnie umieszczenie w tym samym otworze litego nabijaka stykającego się z nabojem i zdetonowanie ładunku wybuchowego. Metoda ta polega na odstrzeliwaniu małych ładunków minerskich, w odróżnieniu od metody mechanicznej lub metody typu „wierć i strzelaj” w wielu wzorach otworów.

Metoda odstrzeliwania małych ładunków minerskich, polega na tym, że skała jest odłamywana w małych ilościach, zwykle rzędu 0,5 - 3 m³ na jeden strzał, w przeciwieństwie do epizodycznych konwencjonalnych operacji „wierć i strzelaj”, które wymagają cyklicznego wiercenia wielu wzorów otworów, załadowania tych otworów ładunkiem wybuchowym, odstrzelenia z synchronizacją wybuchu w każdym otworze, wentylacji i usunięcia urobku skalnego.

Odstrzeliwanie małych ładunków obejmuje wszystkie te metody, w których jednorazowo zużywa się niewielkie ilości ładunków minerskich (zwykle kilka kilogramów lub mniej). Odstrzeliwanie małych ładunków zwykle odbywa się w pojedynczych otworach ale może też

182 548 odbywać się w kilku otworach równocześnie. Oddziaływanie sejsmiczne jest stosunkowo niewielkie, ponieważ jednorazowo używa się małą ilość ładunku wybuchowego.

Podziemne odpalanie małych ładunków zwykle powoduje usuwanie około 0,3-10 m³ ławicy, korzystniej 1 - 10 m³ ławicy, a najkorzystniej 3 - 10 m³ ławicy na jeden strzał, przy zużyciu około 0,15 - 0,5 kg, korzystniej 0,15 - 0,3 kg, a najkorzystniej 0,15 - 0,2 kg ładunku minerskiego, zależnie od zastosowanej metody.

Powierzchniowe odpalanie małych ładunków zwykle powoduje oddzielenie od skały około 10 - 100 m³ ławicy, korzystniej 15 -100 m³ ławicy, a najkorzystniej 20 - 100 m³ ławicy, przy zużyciu około 1-3 kg, korzystniej 1 - 2,5 kg, a najkorzystniej 1 - 2 kg ładunku minerskiego, zależnie od zastosowanej metody. Ilość mgławicy jest to ilość m³ skały w jej miejscu pierwotnym, a nie ilość m³ luźnej skały oddzielonej od lica skały. Ilość ładunku minerskiego na jeden strzał mieści się w zakresie 0,1-2 kg, korzystniej 0,1 - 1 kg, a najkorzystniej 0,1 -0,4 kg.

Utrzymywanie odpowiedniego ciśnienia gazów przy dnie otworu jest możliwe dzięki zastosowaniu litego, nadającego się do powtórnego użycia nabijaka, który utrzymuje gaz przy dnie otworu zapewniając szczelność i minimalizując odrzut naboju podczas procesu kruszenia skały. Przez zmianę geometrii ładunku wybuchowego dno wywierconego otworu może być poddane działaniu ciśnienia w sposób najbardziej odpowiedni dla skutecznego skruszenia konkretnej formacji skalnej - od miękkiej, popękanej skały do twardego monolitu. Ta metoda kontrolowanego odstrzeliwania jest nazywana metodą małych minerskich ładunków wybuchowych, metodą wybuchową lub metodą SCB-EX. Jest ona znacznie bardziej wydajna niż znane metody „wierć i strzelaj” lub inne mechaniczne sposoby urabiania skały. Skała urabiana metodą SCB-EX pęka w sposób kontrolowany.

W sposobie według wynalazku stosuje się wyraźnie odmienne środki wywołujące kontrolowane pękanie skały przy dnie otworu, tj. pękanie rozchodzące się stożkowo PCF. Różni się on od sposobu iniektorowego tym, że ładunek wybuchowy umieszcza się bezpośrednio na dnie otworu wywierconego udarowo. Różni się także od sposobu „ładunek w otworze” (według opisu patentowego US 5 308 149) tym, że: (1) używa się raczej detonacyjny ładunek wybuchowy a nie niedetonacyjny materiał miotający, (2) ładunek wybuchowy kształtuje się tak, aby zwiększyć mikropęknięcia przy dnie otworu, (3) działanie ciśnienia na dno otworu jest znacznie bardziej gwałtowne, (4) nabój nie odgrywa roli w spalaniu czynnika minerskiego. Jednakże, wynalazek zachowuje a nawet pomnaża główne zalety sposobów iniektorowego i „ładunek w otworze”, w których skała jest kruszona skutecznie, a powstający przy odstrzeliwaniu rozrzut skały jest tak niewielki, że podczas kruszenia skały urządzenia mogą pozostawać przy przodku roboczym.

Jeżeli skała ma dużą wytrzymałość i jest lita bez rozległych ciosów, to kontrolowane pękanie charakteryzuje się rodzajem podstawowego pęknięcia w skale, zwanego pęknięciem rozchodzącym się stożkowo PCF. Skała poddana procesowi kruszenia metodą SCB-EX z pęknięciem rozchodzącym się stożkowo PCF jest przedstawiona na fig. 1. Pęknięcie rozpoczyna się i rozchodzi osiowo symetrycznie od kącika dna krótkiego wywierconego otworu poddanego gwałtownemu działaniu ciśnienia. Takie pęknięcie początkowo rozchodzi się w dół w skałę, a następnie powraca ku swobodnej powierzchni, ponieważ efekt powierzchniowy nabiera znaczenia, powodując oddzielenie dużej objętości skały. Pozostawiony w licu skały stożek powstały podczas wstępnego rozchodzenia się pęknięcia w skale jest podstawą nazwy (pęknięcie rozchodzące się stożkowo PCF) nadanej temu typowi kruszenia skał.

Jeżeli skała ma ciosy lub inne uprzednio istniejące pęknięcia, które przecinają dno otworu poddanego działaniu ciśnienia, jak pokazano na fig. 2, to podczas kontrolowanego pękania będą się one rozwierały i rozchodziły jak główne pęknięcie. W każdym z tych przypadków kruszenie skały charakteryzuje się kontrolowanym pęknięciem spowodowanym przez właściwe działanie ciśnienia tylko na dno wywierconego otworu.

Metodę SCB-EX małych minerskich ładunków wybuchowych można stosować albo w otworze wywierconym wiertłem o stałej średnicy, albo w otworze wywierconym schodkowe. W przypadku otworu schodkowego dno otworu jest wiercone wiertłem o nieco mniejszej średnicą niź górna część otworu. Można to osiągnąć za pomocą wiertła pilotującego z podą

182 548 żającym za nim rozwiertakiem. Długość otworu pilotującego o mniejszej średnicy jest nieco większa niż długość naboju SCB-EX. Głównym zadaniem otworu schodkowego jest zapewnienie dodatkowego luzu pomiędzy nabijakiem a ściankami nawierconego otworu, aby ułatwić wprowadzenie naboju z nabijakiem. Schodkowy otwór umożliwia również wprowadzania naboju z mniejszym dopasowaniem tolerancji niż w przypadku otworu o stałej średnicy, ponieważ ustawienie nabijaka w osi nawierconego otworu jest wtedy mniej krytyczne.

Jakość dna wierconego otworu jest bardzo ważna w metodzie z małymi minerskimi ładunkami wybuchowymi SCB-EX. zwłaszcza w twardszych, bardziej masywnych formacjach skalnych. Od dna otworu wymaga się aby miało ono ostry kąt i liczne mikropęknięcia. Najlepiej można to osiągnąć przez udarowe wiercenie otworu wiertłem o ostrym kącie.

To właśnie kąt dna otworu, będzie miejscem gdzie zostanie zainicjowane główne pęknięcie przy braku uprzednio istniejących pęknięć. Gdy tylko w otworze pojawi się ciśnienie, w skale wokół otworu powstaje pole naprężeń, a linia maksymalnego naprężenia przebiega pod kątem 45° w dół od kąta dna otworu. Im bardziej ostry jest ten kąt, tym większa jest koncentracja naprężeń i tym łatwiej rozpoczyna się główne pęknięcie przy kącie dna otworu.

Powstawanie głównego pęknięcia, przy braku uprzednio istniejących pęknięć, wspomaga także mikropęknięcie przy dnie otworu, które osłabia skałę wokół tego miejsca, gdzie ma być zainicjowane główne pęknięcie. Mikropęknięcie jest prawie tak samo skuteczne jak nacięcie kącika w dnie otworu. Zaobserwowano, że wiercenie otworu wiertarką udarową powoduje wystarczająco dużo mikropęknięć przy dnie otworu, przynajmniej w miękkich i umiarkowanie twardych formacjach skalnych. Mikropęknięcia można zwiększyć przez zwiększenie energii uderzeń wiertarki skalnej przy zakończeniu cyklu wiercenia otworu.

Średnica wierconego otworu, w metodzie SCB-EX, mierzona przy dnie otworu, mieści się w granicach 50 - 250 mm, korzystnie 50- 125 mm, a najbardziej korzystnie 75- 100 mm.

Stosunek długości otworu do jego średnicy, mierzonej przy dnie otworu, wynosi 40 - 20, korzystnie 5 - 15, a najbardziej korzystnie 5-12.

Jeżeli otwór jest schodkowy, wówczas stosunek średnicy w miejscu największego rozwiercenia otworu do średnicy otworu pilotującego wynosi 1,10 - 1,50, korzystniej 1,15 - 1,40, a najkorzystniej 1,15 -1,25.

Układ kruszenia małymi minerskimi ładunkami wybuchowymi SCB-EX jest przedstawiony na fig. 3, gdzie w krótkim wywierconym otworze znajduje się nabój zawierający ładunek wybuchowy umieszczony na dnie otworu i nabijak do utrzymywania pod wysokim ciśnieniem gazów wytworzonych przy zdetonowaniu ładunku wybuchowego aż do chwili odłamania skały.

Ładunek wybuchowy, przedstawiony na fig. 3, jest przeznaczony do wyzwalania energii, która spowoduje powstanie żądanego średniego ciśnienia w dolnej części otworu. To średnie ciśnienie lub ciśnienie równowagi można obliczyć ze wzoru:

p = (γ -1) p e (1 + p η) gdzie p = średnie ciśnienie gazu γ = współczynnik ciepła właściwego gazów będących produktem wybuchu p = średnia gęstość gazu e = energia gazu na jednostkę masy η = współczynnik współobjętościowy gazów będących produktem wybuchu.

. Masa ładunku wybuchowego stosowana w systemie SCB-EX jest różna w zależności od zastosowania. Przy urabianiu pod ziemią masa ładunku wybuchowego wynosi 0,15 - 0,5 kg, korzystniej 0,15 - 0,3 kg, a najkorzystniej 0,15 - 0,2 kg. Przy urabianiu odkrywkowym masa ładunku wybuchowego wynosi 1 - 3 kg, korzystniej 1 - 2,5 kg, a najkorzystniej 1 - 2 kg.

Zarówno w przypadku, gdy ładunek SCB-EX jest ściśle sprzężony z dnem otworu, jak i dla przypadku gdy ładunek jest odsprzężony, ciśnienie średnie lub ciśnienie równowagi istniejące w objętości będącej do dyspozycji przy dnie otworu, przy braku odrzutu nabijaka oraz braku uchodzenia gazu i braku pęknięcia, obliczone na podstawie równania p = (γ - 1) p e (1 + p η), wynosi od 100 do 1200 MPa, korzystniej od 200 do 1000 MPa, a najkorzystniej 200 - 750 MPa.

182 548

Ładunek wybuchowy można ukształtować tak, aby skierować silny impuls udarowy na dno otworu, jak pokazano na fig. 4. Najpierw ma miejsce silne uderzenie, a natychmiast po tym występuje ostra fala rozrzedzeniowa, tak że wzrost i spadek ciśnienia występuje w czasie krótkim w porównaniu z czasem potrzebnym, by fala sejsmiczna przeszła przez objętość skały, na którą działa ten impuls udarowy.

Kiedy ładunek wybuchowy jest ściśle sprzężony z dnem otworu, wówczas silny impuls udarowy zostaje skierowany w skałę przy dnie otworu i wywołuje dodatkowe mikropęknięcia, ponieważ wytrzymałość skały na ściskanie zostaje znacznie przekroczona Powiększanie się mikropęknięć pomaga w powstaniu głównego pęknięcia. Ta zdolność może okazać się decydująca w bardzo twardych, masywnych formacjach skalnych, gdzie energia udarów wiertła jest ograniczona.

Ładunek wybuchowy może być ukształtowany tak, by był sprzężony bezpośrednio tylko wokół krawędzi dna otworu, aby wytwarzać mikropęknięcia tylko przy tej krawędzi, gdzie właśnie jest pożądane zainicjowanie głównego pęknięcia.

Gdy ładunek wybuchowy SCB-EX jest ściśle sprzężony z dnem otworu amplituda impulsu udarowego, mierzona przy dnie otworu, wynosi 1500 - 5000 MPa, korzystniej 2000 4500 MPa, a najkorzystniej 2500 - 3500 MPa.

Silny impuls udarowy można zmniejszyć lub wyeliminować przez wprowadzenie szczeliny pomiędzy spodem ładunku wybuchowego a dnem otworu, jak pokazano na fig. 5. Może być to pożądane w bardziej miękkich, silnie spękanych formacjach skalnych, gdzie potrzebne jest tylko wytworzenie gazu bez żadnego silnego uderzenia. Siła impulsu udarowego działająca na dno otworu może być regulowana za pomocą zmiany wielkości szczeliny pomiędzy spodem ładunku wybuchowego a dnem otworu.

W przypadku ładunku wybuchowego SCB-EX odsprzężonego od dna otworu długość szczeliny oddzielającej spód ładunku wybuchowego od dna otworu wynosi korzystnie 19-60 mm, korzystniej 10-50 mm, a najkorzystniej nie więcej niż około 40 mm. W takich warunkach amplituda impulsu udarowego, mierzona przy dnie otworu, wynosi 600 - 2000 MPa, korzystnie 600 - 1500 MPa, a najbardziej korzystnie 600 - 1000 MPa.

Ciśnienia wytwarzane wewnątrz naboju SCB-EX i działające na dno otworu są mniejsze niż ciśnienia wytwarzane w przypadku konwencjonalnej metody „wierć i strzelaj”, w której ładunek wybuchowy zasadniczo wypełnia wywiercony otwór, styka się ze ścianami otworu i naraża skałę w bezpośrednim sąsiedztwie wywierconego otworu na działanie pełnego ciśnienia detonacji ładunku wybuchowego. Ciśnienia gazu wystarczające do powstania kontrolowanego pękania, ale mniejsze od ciśnień, które mogłyby spowodować pęknięcie naboju można uzyskać w sposób kontrolowany. Tak wytworzone ciśnienia utrzymuje się poniżej ciśnień, które mogłyby spowodować odkształcenie lub zniszczenie zakończenia nabijaka, i poniżej ciśnień, które mogłyby rozkruszyć skałę wokół otworu. Ciśnienia wytworzone w procesie SCB-EX są regulowane, a ściany skalne przy dnie otworu są narażone na ciśnienia porównywalne z ciśnieniami występującymi w części zamkowej lufy broni palnej o dużej sile rażenia

Główne zadania naboju SCB-EX są następujące: zabezpieczenie ładunku wybuchowego podczas wprowadzania w wywiercony otwór; zapewnienie wewnętrznej przestrzeni potrzebnej do regulowania ciśnień powstających na dnie otworu; zabezpieczenie ładunku wybuchowego przed wodą w wilgotnym otworze; oraz izolowanie nabijaka od silnych fal uderzeniowych powodowanych przez ładunek wybuchowy.

Ścianka naboju przy podstawie może być tak zaprojektowana, aby rozszerzała się w kierunku ściany wydrążonego otworu bez rozrywania się, zapobiegając w ten sposób przed bezpośrednim działaniem z dużym ciśnieniem gazów, będących produktem wybuchu, na ścianę otworu lub na pęknięcia (naturalne lub powstałe) wzdłuż ściany otworu. Takie zamknięcie gazów będących produktem wybuchu utrzymuje je pod ciśnieniem tak, że działają one głównie tworząc żądane kontrolowane pęknięcia, przykładowo pęknięcie rozchodzące się stożkowo, poczynając od koncentracji naprężeń wywołanych przy dnie otworu.

Ważne jest, by uniemożliwić uchodzenie gorących gazów z otworu wokół pręta stalowego. Takie uchodzenie gazów może zmniejszyć w niewielkim stopniu zarówno ciśnienie jak

182 548 i objętość gazu potrzebne dla kontrolowanego kruszenia SCB-EX. Ponadto uchodzące gazy mogą uszkodzić nabijak na skutek procesów erozji konwekcyjnego przenoszenia ciepła. Uchodzenie gazów przy nabijaku wielokrotnego użycia można zmniejszyć przez zastosowanie niewielkiego luzu pomiędzy nabijakiem a ścianą otworu. Obliczenia metodą skończonych różnic wykazują, że pierścieniowy luz mniejszy niż 0,38 mm w otworze o średnicy 76 mm odpowiednio zminimalizuje uchodzenie gazów wysoko sprężonych.

Dodatkową integralność naboju uzyskuje się przez zastosowanie w naboju przesuwnej stożkowej podstawy naboju, jak pokazano na fig. 4 i 5. W tych przykładach wykonania część ścianki naboju jest zbieżna z cylindryczną stroną zewnętrzną i ze stożkową stroną wewnętrzną, oraz uszczelniający korek podstawy o dopasowanym stożkowym kształcie, który można przesuwać wewnątrz stożkowej wewnętrznej ścianki naboju. Podczas odrzutu nabijaka z otworu na skutek ciśnienia gazów, korek podstawy przesuwa się za nim, przez co utrzymuje szczelność od gazów będących produktem wybuchu przez czas wystarczająco długi by zakończyć proces kontrolowanego pękania przy dnie otworu.

Wielkość odrzutu powstającego w czasie gdy ciśnienie na dnie otworu wzrasta i rozbicie skały jest zakończone wynosi 5-50 mm, korzystnie 10-40 mm, a najbardziej korzystnie 10-20 mm. Ta wielkość odrzutu jest głównie regulowana za pomocą masy bezwładnościowej układu nabijaka i ciśnienia wytwarzanego na dnie otworu w funkcji czasu.

W przypadku ściśle sprzężonej lub odsprzężonej konfiguracji ładunku SCB-EX kąt pomiędzy podstawą naboju a ścianką korpusu naboju, w którym podstawa może poruszać się w trakcie odrzutu, wynosi 1° - 10°, korzystnie 2° - 8°, a najbardziej korzystnie 3° - 6°.

Ścianka naboju jest cienka przy i w pobliżu dna otworu. Powinna być ona wystarczająco gruba, by wytrzymała proces wprowadzania naboju w wywiercony otwór. Jednakże powinna być na tyle cienka, by pękać przy zdetonowaniu ładunku wybuchowego tak, aby zostawić dość duże kawałki do zatykania pęknięć zapoczątkowanych przy narożniku dna otworu.

W przypadku ściśle sprzężonej lub odsprzężonej konfiguracji ładunku SCB-EX grubość ścianki zewnętrznej osłony naboju przy dnie otworu wynosi 0,75 - 5 mm, korzystnie 0,75 - 4 mm, a najbardziej korzystnie 0,75 - 3 mm. Pożądane jest wykonanie nacięć w dnie naboju, aby zapewnić jego pęknięcie przy zdetonowaniu ładunku wybuchowego.

Ładunek wybuchowy, jak pokazano na fig. 4 i 5, detonuje się i zużywa niezależnie od wpływu ścianek naboju. Konstrukcja naboju jest determinowana przez inne czynniki, nie uwzględniające detonacyjnego spalania ładunku wybuchowego. Pozostaje to w sprzeczności ze sposobami, w których używane są niedetonacyjne materiały miotające. Nabój stosowany w tych metodach musi być skonstruowany tak, aby zapewnić pewne początkowe zamknięcie, by materiał miotający mógł spalić się prawidłowo aż do żądanego ciśnienia. Nakłada to dodatkowe wymagania konstrukcyjne na nabój.

Na fig. 4 pokazano nabój SCB-EX zawierający: zwrócony do dna otworu koniec nabijaka, zbieżną podstawę naboju przemieszczającą się wewnątrz ścianki naboju, ładunek wybuchowy ściśle sprzężony z dnem otworu, wewnętrzną wolną przestrzeń do regulowania przez czas dłuższy średniego ciśnienia produktów wybuchu, oraz pomocniczy metalowy pierścień uszczelniający na wypadek, gdyby ścianka naboju pękła w pobliżu podstawy naboju.

Figura 5 przedstawia nabój SCB-EX zawierający: zwrócony do dna otworu koniec nabijaka, zbieżną podstawę naboju przemieszczającą się wewnątrz ścianki naboju, ładunek wybuchowy odsprzężony od dna otworu, wewnętrzną wolną przestrzeń do regulowania przez czas dłuższy średniego ciśnienia produktów wybuchu, oraz pomocniczy metalowy pierścień uszczelniający na wypadek, gdyby ścianka naboju pękła w pobliżu podstawy naboju.

Figura 6 przedstawia alternatywny kształt naboju SCB-EX, który zawiera: zwrócony do dna otworu koniec nabijaka, zbieżną podstawę naboju przemieszczającą się wewnątrz ścianki naboju, ładunek wybuchowy ściśle sprzężony z dnem otworu ale odsprzężony od podstawy naboju by izolować nabijak od silnych impulsów udarowych, wewnętrzną wolną przestrzeń do regulowania przez czas dłuższy średniego ciśnienia produktów wybuchu, oraz pomocniczy metalowy pierścień uszczelniający na wypadek, gdyby ścianka naboju pękła w pobliżu podstawy naboju.

182 548

Nabój SCB-EX może zostać zniszczony podczas jednego strzału. Koniec nabijaka jest narażony na sterowany impuls ciśnieniowy, podobny do wytwarzanego wewnątrz broni palnej na ładunek miotający. Jeśli nabój jest zabezpieczony np. przez protektorową zbieżną podstawę naboju oraz ma izolację udarową w postaci szczeliny pomiędzy dolnym końcem podstawy naboju a górnym końcem ładunku wybuchowego, nieprawdopodobne jest wystąpienie uszkodzenia przy dużej liczbie odpaleń. Nawet jeśli koniec nabijaka w sąsiedztwie naboju zostanie uszkodzony od czasu do czasu, wymiana lub naprawa uszkodzonego końca jest stosunkowo prostą i tanią operacją.

Nabój można wprowadzić do otworu zarówno mechanicznie, za pomocą długiego drąga lub pręta, jak i pneumatycznie, przez wprowadzenie giętkiej rury i wtłoczenie naboju do dna otworu za pomocą sprężonego powietrza przy różnicy ciśnień rzędu 10 kPa. Nabój może być również wprowadzany do otworu bezpośrednio przez przymocowanie go do samego nabijaka.

Utrzymywanie gazu pod ciśnieniem przy dnie otworu, zanim nie zostanie on uwolniony w odsłoniętych kontrolowanych pęknięciach, odbywa się za pomocą litego bezwładnościowego nabijaka, który blokuje odpływ gazu z otworu, z wyjątkiem niewielkiej ścieżki przecieku między nabijakiem a ścianami otworu. Przedstawiono to na fig. 6 i 7, gdzie pokazano dwie odmiany nabijaka.

Szerokość pierścieniowej szczeliny między powierzchnią boczną końca nabijaka zwróconego do dna otworu a ścianami otworu, w położeniu strzałowym wynosi 0,1 - 0,5 mm, korzystnie 0,1 - 0,3 mm, a jeszcze korzystniej 0,1 - 0,2 mm.

Tę niewielką nieszczelność dodatkowo redukuje się przez odpowiednią konstrukcję naboju zawierającego ładunek wybuchowy oraz konstrukcję nabijaka. Ścianka naboju zwęża się ku dołowi i jest najgrubsza w pobliżu nabijaka. Podobnie jest zwężona podstawa naboju i może się przesuwać wewnątrz ścianek naboju podczas odrzutu nabijaka. Tego typu mechanizm uszczelniający zmniejsza możliwość przedwczesnego pęknięcia naboju i uchodzenia gazów wytworzonych przy wybuchu. W celu uzyskania lepszego lub pełnego uszczelnienia przy dnie otworu może również zastosować podobny mechanizm uszczelniający nabijaka.

Zamknięcie wysoko sprężonych gazów przy dnie otworu realizuje się przez właściwe wzajemne oddziaływanie kilku czynników. Są to bezwładność nabijaka minimalizująca przemieszczenie naboju przy odrzucie, rozszerzenie się naboju w kierunku ścian otworu bez rozerwania, oraz niewielka szczelina pomiędzy powierzchnią końca nabijaka a ścianą otworu eliminująca uchodzenie wysoko sprężonych gazów przy nabijaku w ciągu krótkiego okresu czasu, jaki jest potrzebny na zainicjowanie, rozchodzenie się i zakończenie kontrolowanego pękania.

Końcówkę nabijaka, przedstawioną na fig. 4, 5 i 6, umieszcza się na stopniu schodkowe wierconego otworu, by uniknąć pękania naboju SCB-EX. Natomiast końcówkę nabijaka, przedstawioną na fig. 7, umieszcza się na gładkiej części przejściowej pomiędzy górną częścią wywierconego otworu o większej średnicy a dolną częścią wywierconego otworu o mniejszej średnicy. Ten typ otworu może być wykonany za pomocą specjalnego zespołu wierteł. Nabijak wprowadza się w otwór, a jego zwężającą się część osadza się w zwężającej się części otworu, by już na wstępie uzyskać dokładne uszczelnienie dla wysoko sprężonych gazów, które zostaną wytworzone przy dnie otworu. Gazy te będą powodować odrzut nabijaka, odsłaniając przy tym szczelinę pomiędzy zwężającą się częścią nabijaka a zwężającą się częścią otworu. Zwężająca się część otworu jest mniej wrażliwa na odpryskiwanie i niedokładności w skale niż ostro schodkowany otwór, taki jak pokazany na fig. 4, 5 i 6. Umożliwia to lepsze sterowanie rozszerzaniem szczeliny i uchodzeniem wysoko sprężonych gazów.

Ponieważ zwrócony do dna otworu koniec nabijaka wypełnia większość przekroju poprzecznego otworu, zapewnia odpowiednią szczelność przy ciśnieniach gazu wytwarzanych przez ładunek miotający. Kiedy ładunek miotający jest prawidłowo wyzwalany i spala się szybko do swego szczytowego przewidywanego ciśnienia, tylko niewielka część gazów miotających uchodzi poprzez szczelinę pomiędzy nabijakiem a ścianami otworu. To resztkowe uchodzenie gazu, chociaż nie zmniejsza poważnie ciśnienia przy dnie otworu, może spowodować uszkodzenie nabijaka po dużej liczbie strzałów. Zmniejszyć lub wyeliminować szcząt

182 S48 ko we uchodzenie gazów będących produktami wybuchu można przez właściwą konstrukcję uszczelnienia przy podstawie naboju lub przy końcu nabijaka zwróconym do dna otworu.

Uszczelnienie przy końcu nabijaka może mieć postać uszczelki w kształcie litery V, pierścienia uszczelniającego o przekroju okrągłym, niepodpartej uszczelki powierzchniowej, uszczelki klinowej itd. Uszczelki te można wymieniać po każdym odpaleniu naboju lub też, korzystnie, uszczelki mogą być wielokrotnego użytku. Zapewnienie podstawowego uszczelnienia przez nabijak powoduje, że konstrukcja naboju może być znacznie uproszczona.

Nabój SCB-EX i nabijak można łatwo wprowadzać w otwór z niewielkim prześwitem przez wiercenie schodkowego otworu z górną sekcją o większej średnicy, jak przykładowo pokazano np. na fig. 5.

Uszczelnienie otworu można wspomóc, a ciężar urządzenia można zmniejszyć przez przyspieszone wprowadzanie nabijaka w kierunku do dna otworu, tuż przed zapłonem materiału miotającego w naboju.

Wprowadzanie nabijaka można przyspieszyć za pomocą hydraulicznego lub pneumatycznego źródła energii, które jest wykorzystane do przemieszczenia wysięgnika lub środka transportu urządzenia SCB-EX, lub za pomocą innych dostępnych środków. Nabijak przyspiesza się w kierunku dna otworu do prędkości, która jest porównywalna z przeciwnie skierowaną prędkością odrzutu powodowaną przez spalenie materiału miotającego. Prędkości te są rzędu 1,5 - 15 m/s. Przyspieszenie przed odpaleniem musi być wystarczające, by osiągnąć żądaną prędkość na krótkim odcinku, rzędu trzeciej części średnicy otworu (2,5 cm lub mniej przy średnicy otworu wynoszącej 7,5 cm). Technika ta nazywana jest „odpalaniem pozabateryjnym” i czasami jest wykorzystywana przy eksploatacji dużych dział, w celu zmniejszenia sił odrzutu.

Ponieważ prędkość odrzutu urządzenia SCB-EX odgrywa ważną rolę w procesie uszczelniania otworu, pożądane jest zmniejszenie tej prędkości odrzutu do minimum. Technika „odpalania pozabateryjnego” może być tu przydatna. Alternatywnie, gdyby prędkość odrzutu była możliwa do zaakceptowania, technikę tę można wykorzystać do zmniejszenia masy odrzutu. W sposobie SCB-EX ciężar urządzenia SCB-EX stanowi dużą część masy odrzutu, a zatem ciężar tego urządzenia należy zmniejszyć. Zmniejszenie ciężaru jest ważnym celem, ponieważ środek transportu i wysięgnik mogą pracować wydajniej przy mniejszym ciężarze świdra i urządzenia SCB-EX.

Technika „odpalania pozabateryjnego” może również wspomagać uszczelnianie zapewniane przez nabój z ładunkiem wybuchowym. Uszczelnienie zapewniane przez nabój zwykle przerywa się, gdy podstawa naboju pęka i oddziela się od korpusu naboju, a nabijak zostaje wyrzucony z otworu. Korpus naboju jest przytrzymywany przy ścianach otworu przez wysoko sprężone gazy będące produktem wybuchu i nie może poruszać się względem otworu. Przy „odpalaniu poza bateryjnym” prędkość odrzutu nabijaka można zmniejszyć, a wyrzucenie nabijaka z otworu można opóźnić, dając wysokosprężonym gazom, będącym produktem wybuchu, znacznie więcej czasu na działanie na dno otworu i doprowadzenie do zakończenia żądanego kontrolowanego pękania.

Figury 3, 8 i 9 przedstawiają proces SCB-EX. Figura 3 przedstawia system przed detonacją ładunku wybuchowego. Przewiduje się dwie możliwości zachowania się tyłu naboju. W pierwszym przypadku, pokazanym na fig. 8, zwężająca się podstawa naboju podlega odrzutowi wraz z nabijakiem, a ścianki naboju są trzymane przy ścianach otworu przez sprężony gaz. W tym przypadku gazy będące produktem wybuchu nie uchodzą z tyłu naboju. Przedni koniec naboju zostaje rozczłonkowany, i dno otworu znajduje się pod działaniem pełnego ciśnienia gazów. W drugim przypadku, pokazanym na fig. 9, ścianka naboju przy podstawie naboju została przerwana. Wysoko sprężony gaz wtłoczył część materiału ścianki i stalowy pierścień pomocniczy w szczelinę pomiędzy nabijak a ściany otworu, aby uszczelnić wszelkie dalsze uchodzenie gazu przy nabijaku. W tym przypadku ściany otworu przy dnie otworu są poddane działaniu wysoko sprężonych gazów, co może być korzystne dla formacji skalnych posiadających liczne uprzednio istniejące spękania. Poza tym działanie tego układu jest takie samo jak układu przedstawionego na fig. 8.

182 S48

Figury 10, 11, 13, 14, 15 przedstawiają przebieg ciśnienia przy dnie otworu w funkcji czasu, obliczony przy użyciu komputerowego kodu skończonych różnic. Kod ten modeluje detonacje ładunku wybuchowego w naboju, odrzut nabijaka, uchodzenie gazu przy nabijaku i rozwój typowej objętości pęknięcia.

Figura 10 przedstawia przebieg ciśnienia przy dnie otworu, w przypadku kiedy skała nie pęka, co może się zdarzyć gdy otwór jest wywiercony zbyt głęboko. Obliczenie to obejmuje odrzut nabijaka i pewne uchodzenie gazu przy tym nabijaku. Obliczenie przeprowadzono dla 200 g trotylu TNT (TrójNitroToluene), który jest wstępnie odsprzężony od dna wywierconego otworu o średnicy 89 mm. Do dna otworu został wprowadzony umiarkowany impuls uderzeniowy przez produkty wybuchu szybko rozprężające się we wstępnej szczelinie 30 mm oddzielającej ładunek od dna otworu. Ciśnienie przy dnie otworu pojawiło się w ciągu 25 ps od momentu odpalenia TNT i gwałtownie oscyluje w niewielkiej dostępnej objętości. Odrzut nabijaka i uchodzenie gazu powodują tłumienie średniego ciśnienia z biegiem czasu.

Figura 11 przedstawia przebieg ciśnienia przy dnie otworu, w przypadku kiedy skała pęka, a ładunek jest odsprzężony. Obliczenie obejmuje odrzut nabijaka, pewne uchodzenie gazu przy nabijaku i odsłonięcie się objętości pęknięcia przy dnie otworu. W porównaniu z przebiegiem ciśnienia przedstawionym na fig. 10, ciśnienie działające na dno otworu maleje szybciej w ostatniej części przebiegu, ze względu na zwiększającą się objętość pęknięcia, do której uchodzą wysoko sprężone gazy.

Figura 12 przedstawia rozdział masy gazów w funkcji czasu, w przypadku, gdy skała pęka. Obejmuje ona gaz pozostający wewnątrz objętości naboju, gaz uchodzący z podstawy naboju (przyjmując niedokładne uszczelnienie) i gaz wprowadzany w dno otworu i w pęknięcia skały. W obliczeniu tym zakłada się, że podstawa naboju uległa rozerwaniu po odrzucie 2,5 mm a gaz wypływa szczeliną pomiędzy nabijakiem a ścianami wywierconego otworu. Po 4 ms 45 g gazu pozostaje w objętości pierwotnego naboju, 18 g uszło przy nabijaku, a 137 g zostało wprowadzone w dno otworu i rozchodzące się pęknięcia. Po 4 ms pęknięcie rozeszło się na 1 m i skała została skutecznie oddzielona. Z punktu widzenia uchodzenia gazu jest to sytuacja najgorsza, ponieważ przyjęto tu, że szczelina pomiędzy nabijakiem a ścianami wywierconego otworu jest szeroko otwarta i nie jest blokowana przez żaden materiał naboju ani przez pomocniczy metalowy pierścień uszczelniający.

Figura 13 przedstawia przebieg ciśnienia przy dnie otworu, w przypadku kiedy skała pęka, a ładunek jest sprzężony. Pokazano tu znacznie silniejszy impuls uderzeniowy wprowadzony w dno otworu. Chociaż impuls taki związany jest z niewielką ilością energii, powoduje on powstanie mikropęknięć przy dnie otworu. Ten początkowy impuls uderzeniowy powinien według oczekiwań spowodować znacznie większe mikropęknięcia niż w przypadku pokazanym na fig. 11.

Figura 14 przedstawia przebieg ciśnienia przy dnie otworu dla przypadku znanego ze stanu techniki z ładunkiem w otworze (US 5 308 149), przy czym ładunkiem jest materiał miotający, a skała nie pęka. Obliczenie przeprowadzono dla 250 g szybko palącego się materiału miotającego, w takiej samej objętości otworu, jak użyta w poprzednich obliczeniach dla systemu SCB-EX. Przebieg ten można porównać bezpośrednio z przebiegiem ciśnienia SCB-EX przedstawionym na fig. 10, gdzie skała nie pęka, a odrzut pręta i uchodzenie gazu powodują zmniejszanie się średniego ciśnienia z biegiem czasu. Istotną różnicą jest stosunkowo powolne narastanie ciśnienia i brak silnego impulsu uderzeniowego w przypadku materiału miotającego. Występuje tu znacznie większy odrzut nabijaka zanim ciśnienia wzrosną do wartości progowej, przy której zaczynają być inicjowane pęknięcia.

Figura 15 przedstawia przebieg ciśnienia przy dnie otworu dla znanego ze stanu techniki systemu iniektorowego z materiałem miotającym (US 5 098 163). Obliczenie przeprowadzono dla 380 g szybko palącego się materiału miotającego w komorze spalania iniektora gazu. Zastosowano taką samą objętość przy dnie otworu jak przy poprzednich obliczeniach SCBEX. Ten przebieg ciśnienia można porównać bezpośrednio z przebiegiem przedstawionym na fig. 10, gdzie skała nie pęka a odrzut pręta i uchodzenie gazu powodują, że średnie ciśnienie maleje z czasem. Główną różnicą jest to, że gaz wprowadzony do dna otworu przepływa z powrotem poprzez lufę iniektora gazu i powoduje szybki spadek ciśnienia przy dnie otworu,

182 548 nawet jeśli skała nie pęka. W sposobie z iniektorem gazu, gazy materiału miotającego powstałe w komorze sprania muszą rozchodzić się w dół przez lufę iniektora by dojść do dna otworu. Kiedy te gazy o dużej prędkości napotykają dno otworu, energia kinetyczna zostaje gwałtownie przetworzona z powrotem w energię cząsteczkową i ciśnienie gazu gwałtownie wzrasta. Fala ciśnienia odbija się z powrotem do iniektora i w rezultacie stanowi „główne ujście” gazu utrzymujące ciśnienie przy dnie otworu. Brak tu jakiegokolwiek silnego impulsu uderzeniowego.

Figura 16 przedstawia rozdział gazu dla przypadku z iniektorem, kiedy skała pęka. Rozkład ten przedstawia gaz pozostający w objętości iniektora gazu, gaz uchodzący z dna otworu poprzez uszczelnienie przy wylocie lufy i gaz wprowadzany w dno otworu oraz w pęknięcia skały. Po 4 ms działania ciśnienia na dno otworu 145 g gazu pozostaje w objętości iniektora gazu, 61 g uszło z objętości otworu, a 174 g zostało wprowadzone w dno otworu i rozchodzące się pęknięcia. Przez ten czas pęknięcia doszły do powierzchni i skała została skutecznie rozkruszona. Podstawowa obserwacja polega na tym, że 145 g z początkowych 380 g gazów wytworzonych z materiału miotającego pozostaje w iniektorze gazu po zakończeniu kruszenia skały. Gaz ten musi następnie ujść z iniektora gazu i jest głównym źródłem hałasu i energii dla odłamków skalnych.

Dobre porównanie metody z iniektorem, metody z ładunkiem w otworze CIH (Charge In the Holi) i metody odstrzeliwania małych ładunków SCB-HE (Smali Charge Blasting Hole Explosive) można przeprowadzić przez ocenę kompleksowego przebiegu ciśnienia (impulsu) przy dnie wywierconego otworu, w przypadku gdy skała nie pęka. W porównaniu tym wzięto pod uwagę odrzut nabijaka (o masie 772 kg) i uchodzenie gazu. Nie zachodzi tu powiększanie się objętości pęknięcia. Impuls został obliczony dla ciśnienia działającego na dno otworu w tym samym czasie trwania (około 4 ms). Z obliczeń wynika, że metody CIH i SCB-HE dają w przybliżeniu taki sam impuls działający na dno otworu a ilości uchodzącego gazu są porównywalne. W metodzie SCB-HE osiąga się to przy ładunku mniejszym o 50 g, głównie w wyniku większego ciepła właściwego produktów spalania materiału kruszącego (γ = 1,3) w porównaniu z produktami spalania materiału miotającego (γ = 1,22). W sposobie z iniektorem występuje znacznie mniejszy impuls przy znacznie większej masie ładunku.

Obliczenia te powtórzono dla przypadku kiedy skała pęka i pęknięcia się rozchodzą. Użyty tu model objętości pęknięcia zakłada, że pęknięcie rozchodzi się ze stałą prędkością (350 m/s) zaraz po przekroczeniu progu zainicjowania pęknięcia. Pęknięcie rozchodzi się na około 1,25 m w czasie 4 ms od przyłożenia ciśnienia, co jest uważane za wystarczające do zakończenia procesu kruszenia skały.

W obliczeniach tych nie uwzględniono wpływu impulsu uderzeniowego wytworzonego w metodzie SCB-HE na kruszenie skały. Jednakże wartość szczytowa amplitudy i krótki czas trwania tego impulsu uderzeniowego w przypadku ze sprzężeniem HE mają wartości właściwe, by móc wywołać znaczne mikropęknięcia w obszarze bezpośrednio pod dnem otworu.

Główne właściwości metody SCB-EX są następujące:

1. Wytwarzanie wystarczająco dużego ciśnienia do rozkruszenia twardej skały.

2. Kontrolowane użycie detonacyjnych ładunków wybuchowych jako źródła energii.

3. Środki dynamicznego uszczelnienia dna otworu do chwili skruszenia skały.

4. Środki wywoływania mikropęknięć tylko przy dnie otworu.

Kluczową cechą sposobu kontrolowanego kruszenia przy użyciu małych ładunków jest łagodny charakter odłamków skalnych, które umożliwiają pozostawienie urządzeń do wiercenia, usuwania urobku skalnego, sprzętu pomocniczego i transportowego na przodku w trakcie operacji kruszenia skały. Drugą kluczową cechą tego urządzenia jest to, że może być ono stosowane zarówno w otworach suchych, jak i w otworach wypełnionych wodą,

Ważną właściwością procesu SCB-EX jest wyeliminowanie pokruszonej skały, która jest głównym źródłem pyłu. Nadmiar pyłu wymaga dodatkowego sprzętu i czasu do opanowania go. Przy niektórych operacjach urabiania skały pył może doprowadzić do wtórnych wybuchów, które są niebezpieczne. Jak pokazano na fig. 3 jedyną częścią wywierconego otworu, która jest wystawiona na bezpośrednie działanie ciśnień powstających przy detonacji, jest samo dno otworu, które reprezentuje tylko niewielką część całego pola powierzchni otworu.

182 548

Podstawowymi częściami składowymi urządzenia SCB-EX do urabiania twardej skały są:

- zespół wysięgnikowy i środek transportu,

- urządzenie wiertnicze zamontowane na zespole wysięgnikowym,

- magazynek nabojów i mechanizm ładowania,

- nabijak i mechanizm zapłonu ładunku wybuchowego,

- nabój i spłonka,

- główny ładunek wybuchowy.

Podstawowe części składowe systemu urabiania SCB-EX są przedstawione schematycznie na fig. 17.

Środkiem transportu może być dowolny standardowy górniczy lub budowlany środek transportu lub specjalnie skonstruowany środek transportu, przeznaczony do zamontowania zespołu wysięgnikowego lub zespołów wysięgnikowych. Mogą to być specjalne środki transportu do drążenia szybów, do podsadzania wyrobisk, do urabiania wąskich żył i do operacji wojskowych, takich jak kopanie transzei, budowa stanowisk bojowych i umieszczanie ładunków burzących.

Zespół wysięgnikowy może być dowolnym standardowym górniczym lub budowlanym wysięgnikiem przegubowym lub dowolnym wysięgnikiem zmodyfikowanym lub wykonanym na zamówienie. Zadaniem zespołu wysięgnikowego jest ustawienie urządzenia wiertniczego i urządzenia SCB-EX w żądanym położeniu. Na zespole wysięgnikowym może być zamontowany mechanizm przestawiający. Urządzenie to podtrzymuje zarówno wiertnicę jak i zespół nabijaka SCB-EX i obraca się wokół osi zarówno wiertnicy jak i nabijaka SCB-EX. Gdy wiertnica wywierci krótki otwór w licu skały, mechanizm przestawiający obraca się, aby ustawić zespół nabijaka w gotowości do wprowadzenia go w wywiercony otwór. Mechanizm przestawiający likwiduje konieczność stosowania oddzielnych wysięgników dla wiertnicy i dla nabijaka. Masa wysięgnika i masa mechanizm przestawiający zapewnia masę odrzutu i stabilność wiertnicy oraz urządzenia SCB-EX.

Wiertnica (urządzenie do wiercenia skały) składa się z silnika, żerdzi i koronki wiertniczej. Silnik może być napędzany pneumatycznie lub hydraulicznie.

Korzystnym typem wiertnicy jest wiertnica udarowa, ponieważ powoduje ona powstawanie mikropęknięć przy dnie wywierconego otworu, które stanowią punkty wyzwalania pęknięcia rozchodzącego się stoźkowo. Można również stosować wiertnice obrotowe, diamentowe lub inne wiertarki mechaniczne. W takich przypadkach dno otworu będzie musiało być specjalnie przygotowane do wspomagania inicjacji pęknięcia typu PCF.

Można stosować standardowe żerdzie wiertnicze, które mogą być skrócone, aby spełnić wymaganie nawiercenia krótkiego otworu stawiane w metodzie SCB-EX.

Do wiercenia otworów mogą być stosowane standardowe górnicze lub budowlane koronki wiertnicze. Można też zastosować udarowe koronki wiertnicze, które zwiększają mikropęknięcia. Wiercone otwory mogą mieć średnicę 2,5 - 50 cm, a ich głębokość powinna wynosić 3-15 średnic otworu.

Koronki wiertnicze służące do wiercenia schodkowego otworu, dla łatwiejszego wprowadzania zespołu nabijaka, mogą się składać z koronki prowadzącej i koronki rozwiertakowej o nieco większej średnicy. Koronki wiertnicze do wiercenia otworu zwężającego się stopniowo, dla łatwiejszego wprowadzania zespołu nabijaka, mogą się składać z koronki prowadzącej i koronki rozwiertakowej o nieco większej średnicy. Wtedy koronka rozwiertakowa i koronka prowadząca powinny być specjalnie skonstruowane, aby zapewnić zwężające się przejście od większego otworu rozwierconego do mniejszego otworu prowadzącego.

Ukształtowanie nabijaka, stosowanego do zwężającego się otworu, powinno być takie, że kąt zwężania się części nabijaka wynosi 10 - 45°, korzystnie 15 - 40°, a najkorzystniej 15 - 30° stopni.

Naboje SCB-EX są przechowywane w magazynku podobnym do magazynka amunicyjnego działa z samoczynnym ładowaniem. Mechanizmem ładującym jest standardowe urządzenie mechaniczne, które pobiera nabój z magazynka i wprowadza go w wywiercony otwór.

182 548

Jako część składową mechanizmu ładującego do wprowadzania naboju w wywiercony otwór można stosować specjalny nabijak.

Mechanizm ładujący musi przenieść nabój z magazynka do wywierconego otworu w czasie nie krótszym niż 10 s, zwykle w czasie 30 s lub dłuższym. Czas ten jest więc stosunkowo długi, w porównaniu do czasu podawania nabojów w samoczynnych podajnikach amunicji dział szybkostrzelnych. Nie wywołuje więc znacznego przyspieszenia obciążeń naboju wybuchowego SCB-EX. Można zastosować pewne odmiany wojskowych technik samoczynnego ładowania lub przemysłowych systemów przeładowywania butelek i pojemników.

Średni czas pomiędzy kolejnymi odpaleniami małych ładunków wynosi 0,5 - 10 min, korzystnie 1-6 min, a najkorzystniej 1 - 3 min. Mechanizm ładujący musi przemieścić nabój z magazynka i wprowadzić go w wywiercony otwór w czasie krótszym niż czas cyklu strzelania.

Jedną z odmian mechanizmu ładującego jest pneumatyczny system przenoszenia, w którym nabój jest przepychany przez sztywną lub giętką rurę przy różnicy ciśnień rzędu 10 kPa.

Nabijak jest główną częścią składową urządzenia według wynalazku, zapewniającym bezwładnościowe szczelne zamknięcie przy dnie otworu wysoko sprężonych gazów, będących produktem spalania ładunku wybuchowego, przez zablokowanie większości powierzchni przekroju poprzecznego wywierconego otworu. Jest on elementem wielokrotnego użycia i jest wykonany ze stali o dużej wytrzymałości i odporności na kruche pękanie. Może być on również wykonany z innych materiałów, które mają dużą gęstość i masę (bezwładność), wytrzymałość na obciążenia ciśnieniowe bez odkształceń i odporność na kruche pękanie (trwałość). Alternatywnie, można zastosować stalowy nabijak o dużej wytrzymałości z niemetalową częścią końcową. Ta część końcowa powinna być wykonana z materiału o dużej udamości, takiego jak uretan, aby odizolować główny nabijak od sporadycznych przeciążeń wysoko ciśnieniowych.

Nabijak jest połączony z głównym wysięgnikowym mechanizmem przestawiającym, jak pokazano na fig. 17. Nabijak zwykle wchodzi głęboko w wywiercony otwór i styka się pewnie z nabojem zawierającym ładunek wybuchowy, aby zapewnić bliskie sąsiedztwo z elektryczną spłonką lub innym urządzeniem wyzwalającym ładunek wybuchowy, i aby ograniczyć nabój przy dnie wywierconego otworu gdy nastąpi detonacja ładunku wybuchowego. Średnica nabijaka jest tylko nieco mniejsza niż średnica wywierconego otworu, aby luz nabijaka w otworze był minimalny. Nabijak zawiera mechanizm odpalający nabój z ładunkiem wybuchowym. Ten mechanizm odpalający działa na zasadzie elektrycznej lub optycznej.

Przy nabojowym końcu nabijaka można zastosować dodatkowe uszczelnienie przed uchodzeniem gazów będących produktem spalania ładunku wybuchowego. Mogą to być uszczelki klinowe, pierścienie uszczelniające o przekroju okrągłym, niepodparte uszczelki powierzchniowe itd. To dodatkowe uszczelnienie będzie dodatkowo ograniczać niepożądane uchodzenie gazów z naboju i z dna otworu. Dodatkowe uszczelnienie gazów będących produktem spalania ładunku wybuchowego można również osiągnąć przez przyspieszanie nabijaka przy wprowadzaniu go do wnętrza otworu tuż przed zapłonem ładunku wybuchowego. Bezwładność nabijaka w otworze wywołuje dodatkowe siły przeciwstawiające się przemieszczaniu naboju z otworu. W konsekwencji nabój rozrywa się i wysoko sprężone gazy, będące produktem spalania ładunku wybuchowego, uciekają,

Zadania naboju SCB-EX są następujące:

- działanie w charakterze pojemnika na stały lub ciekły ładunek wybuchowy,

- służenie jako środek transportu ładunku wybuchowego z magazynka do miejsca urabiania,

- zabezpieczanie ładunku wybuchowego podczas wprowadzania w wywiercony otwór,

- służenie jako komora spalania ładunku wybuchowego,

- zapewnienie wewnętrznej wolnej przestrzeni do sterowania ciśnieniem powstającym przy dnie otworu,

- ochrona ładunku wybuchowego przed wodą w wilgotnym otworze,

- zapewnianie nabijakowi izolacji od silnych udarów nieustalonych wywołanych przez ładunek wybuchowy,

182 548

- utworzenie pomocniczego mechanizmu uszczelniającego dla gazów będących produktem spalania ładunku wybuchowego, po jego zdetonowaniu w wywierconym otworze.

We wnętrzu naboju SCB-EX, przedstawionym na fig. 4, 5 i 6, oprócz ładunku wybuchowego znajduje się nadmiarowa wolna przestrzeń do regulowania średniego ciśnienia w tym naboju na żądany poziom, który to poziom może być znacznie mniejszy niż w przypadku gdyby cała objętość naboju była wypełniona stałym lub ciekłym ładunkiem wybuchowym.

Jednym z głównych kryteriów konstrukcyjnych naboju jest zapewnienie prawidłowego uszczelnienia w wywierconym otworze dla gazów będących produktem detonacji lub wybuchu w kontrolowanych wanmkach. Nabój może być przeznaczony do uszczelniania okolic nabijaka wokół ścian wywierconego otworu. Będzie to chronić wysoko sprężone gazy przed uchodzeniem pomiędzy nabijakiem a ścianami wywierconego otworu i zapewni lepsze zamykanie wysoko sprężonych gazów, będących produktem ładunku wybuchowego, przy dnie wywierconego otworu. Prosta konstrukcja naboju zapewniająca prawidłowe uszczelnienia wywierconego otworu i zamykania gazów będących produktem ładunku wybuchowego jest pokazana na fig. 4.

Nabój SCB-EX musi mieć właściwą geometrię i musi być zbudowanym z właściwego materiału aby zapobiec przedwczesnemu rozerwaniu naboju, co spowodowałoby przedwczesny spadek ciśnienia gazu ładunku miotającego, a to z kolei zmniejszyłoby skuteczność pożądanego procesu kontrolowanego kruszenia przy dnie otworu. Konstrukcja naboju przedstawiona na fig. 4 spełnia te ogólne wymagania dzięki połączeniu zwężającej się ścianki i podobnie zwężającej się podstawy naboju. Oba te elementy zapobiegają przedwczesnemu uszkodzeniu naboju przy jego podstawie. Zwężenie ścianki w zakresie 1° - 10° jest zadowalające, a bardziej korzystne jest zwężenie ścianki w zakresie 3° - 5°.

Nabój może być wykonany z dowolnego wytrzymałego i giętkiego materiału, takich jak większość tworzyw sztucznych, metali i odpowiednio skonstruowanych kompozytów. Materiał, z którego jest wykonany nabój powinien dostatecznie odkształcać się sprężyście i/lub plastycznie zanim ulegnie rozerwaniu, aby zamknięcie naboju mogło podążać zarówno za rozszerzaniem ścian wywierconego otworu jak i za odrzutem nabijaka podczas gwałtownego wzrostu ciśnienia w otworze i podczas procesu kontrolowanego kruszenia. Nabój może być również wykonany z materiału palnego lub topliwego, takich jakie są stosowane w palnych nabojach sporadycznie używanych w amunicji do broni palnej. Korzystnymi materiałami są te, które zapewniają wymagane uszczelnienie i które są wytwarzane przy najniższych kosztach na sztukę.

W konstrukcji pokazanej na fig. 4, aby zredukować pewnych wymagań dotyczące kształtu geometrycznego i właściwości materiałowych pierwszej konstrukcji naboju, wykorzystano działanie mechaniczne. Nabój SCB-EX jest skonstruowany z giętkiej tulei i uszczelniającej podstawy naboju. Giętka tuleja zwęża się przy podstawie naboju aby zapewnić większą odporność na przedwczesne rozerwanie naboju, oraz zapewnić interferencyjne uszczelnienie za pomocą uszczelniającej podstawy naboju, która również zwęża się. Uszczelniająca podstawy naboju jest wykonana z dowolnego stałego taniego materiału, takiego jak tworzywo sztuczne, metal lub kompozyt. Uszczelniająca podstawa naboju zawiera spłonkę lub inny wyzwalacz potrzebny do zdetonowania ładunku wybuchowego.

Spłonka jest usytuowana w naboju przy końcu sąsiadującym z nabijakiem. Jej zadaniem jest inicjowanie detonacji głównego ładunku wybuchowego, na polecenie operatora. Mogą tu być stosowane standardowe techniki wyzwalania ładunków wybuchowych. Są to: bezzwłoczne spłonki elektryczne odpalane przez impuls prądu stałego lub indukcyjnie wyzwalany impuls prądowy, spłonki nieelektryczne, termalit, wysoko energetyczne spłonki oraz detonatory optyczne, w których impuls laserowy wyzwala ładunek spłonki czuły na światło.

Alternatywną konstrukcję naboju pokazano na fig. 6. Ta konstrukcja jest podobna do konstrukcji naboju pokazanej na fig. 4. Spełnia ona ogólne wymagania uszczelnienia dzięki zastosowaniu podstawy, która jest wpychana w szczelinę pomiędzy nabijakiem a skałą pod działaniem gazowych produktów wybuchu. Podstawa ta zawiera również elementy izolacji wstrząsowej, aby chronić koniec nabijaka przed uderzeniowymi przebiegami nieustalonymi

182 548 występującymi podczas detonacji ładunku wybuchowego. Podobnie jak w przypadku innych konstrukcji nabojów SCB-EX element powodujący inicjowanie wybuchu zawarty jest w podstawie naboju.

Ładunek wybuchowy jest umieszczony w pojemniku z tworzywa sztucznego, metalu lub tektury, który jest zamontowany wewnątrz naboju. Nadaje on ładunkowi wybuchowemu sztywność i umożliwia takie położenie wewnątrz naboju, aby ładunek wybuchowy był odsprzężony od ścian wywierconego otworu.

W urządzeniu do odstrzeliwania stosuje się raczej ładunki wybuchowe, a nie materiały miotające. Materiały miotające spalają się gwałtownie lub poddźwiękowo, a wzrost ciśnienia jest regulowany za pomocą geometrii materiału miotającego, chemii materiału miotającego, gęstości ładowania materiału miotającego, zapasową lub pustą przestrzenią w naboju oraz zamknięciem układu nabój/materiał miotający między ścianami wywierconego otworu a nabijakiem. Przy takim sterowaniu ciśnienia, dno wywierconego otworu może znajdować się pod wysokim ciśnieniem aż do momentu pęknięcia rozchodzącego się stożkowo lub innego kontrolowanego pęknięcia wzdłuż linii maksymalnej koncentracji naprężeń na obwodzie dna otworu. Gazy miotające rozprężają się następnie w tych pęknięciach i zagłębiają się w skalę i/lub dochodzą blisko swobodnych powierzchni.

Przy detonacji ładunku wybuchowego o spalaniu naddźwiękowym wytwarzane są silne fale uderzeniowe. Te fale uderzeniowe mogą być regulowane i kierowane tak, by ciśnienie działało na dno wywierconego otworu w określony sposób, tak żeby skała wokół wywierconego otworu nie kruszyła się nadmiernie. Przez ograniczenie masy ładunku wybuchowego można uzyskać żądane średnie ciśnienie w przestrzeni przy dnie otworu. Przez odpowiednie ukształtowanie ładunku wybuchowego można zapobiec przenikaniu silnych fal uderzeniowych w ściany przy dnie otworu lub kierować je na dno otworu w celu wywoływania mikropęknięć tam, gdzie mogą one działać jako miejsca inicjowania głównego pęknięcia.

Ładunki wybuchowe mogąbyć stałe, ciekłe lub w postaci zawiesiny.

Przykładami stałych ładunków wybuchowych są: dynamity, azotan amonowy, TNT, kompozycja 3, kompozycja 4 i oktol.

Przykładami ciekłych ładunków wybuchowych sąnitrometan i hydrazyna.

Przykładami zawiesinowych ładunków wybuchowych są: azotan amonowy z olejem napędowym, żele wodne, emulsje, zawiesiny, mieszaniny azotanu amonowego i nitrometanu.

Ładunkowi wybuchowemu zwiększa się czułość przez wprowadzenie do niego środka uczulającego, albo gdy jest ładowany, albo tuż przed użyciem. Mówi się wtedy, że ma on „czułość spłonki”.

Ładunek wybuchowy może również mieć dodane środki zmniejszające ilość toksycznych produktów ubocznych wytwarzanych podczas spalania.

Mechanizm kruszenia z pęknięciem rozchodzącym się stożkowo PCF przy odpalaniu małych ładunków, z zastosowaniem nabijaka do bezwładnościowego przytrzymywania naboju z ładunkiem wybuchowym na dnie krótkiego nawierconego otworu, jest przedstawiony na fig. 1. Nabój 1 wprowadza się do dna krótkiego otworu 2 wywierconego w powierzchni 3 skały. Bezwładnościowy nabijak 4 umieszcza się w otworze 2, by zamknąć wysoko sprężone gazy wytworzone przez mały ładunek wybuchowy zawarty w naboju 1. Gazy te wypełniają przestrzeń 5 i wywierają nacisk na dno otworu 2, aż do momentu gdy w skale 7 powstanie pęknięcie 6 typu PCF i rozszerzy się. Pęknięcie 6 przebiega ku powierzchni 3 skały i kiedy dojdzie do tej powierzchni 3 bryła skalna ograniczona tym pęknięciem 6 i powierzchnią 3 zostaje skutecznie oddzielona. '

Alternatywny mechanizm kruszenia przy odpalaniu małych ładunków, z zastosowaniem nabijaka do bezwładnościowego przytrzymywania naboju z ładunkiem wybuchowym na dnie krótkiego nawierconego otworu, jest przedstawiony na fig. 2. Nabój 8 wprowadza się do dna krótkiego otworu 9 wywierconego w powierzchni 10 skały. Bezwładnościowy nabijak 11 umieszcza się w otworze, by zamknąć wysoko sprężone gazy wytworzone przez niewielki ładunek wybuchowy zawarty w naboju 8. Gazy te wypełniają przestrzeń 12 i wywierają nacisk na dno otworu 9 aż do momentu gdy uprzednio istniejące pęknięcia 13 rozszerzą się w skale 14. Te pęknięcia 13 przebiegają krzywoliniowo w kierunku do powierzchni 10 skały,

182 548 a kiedy dojdą do powierzchni 10 skały, wówczas bryła skały ograniczona przez te pęknięcia 13 i powierzchnię 10 zostaje skutecznie oddzielona.

Figura 3 przedstawia układ SCB-EX umieszczony w wywierconym otworze 15, przed odpaleniem. Krótki otwór 15 wierci się w powierzchni 16 skały i nabój 17 wprowadza się do dna otworu 15. Nabój 17 można wprowadzić przez przymocowanie go do końca nabijaka 18. Skruszenie naboju 17 przez nabijak 18 jest uniemożliwione, ponieważ zatrzymuje się on na schodkowym uskoku 19 uformowanym blisko dna wywierconego otworu 15. Podstawa 20 naboju jest przymocowana do końca nabijaka 18 i może podlegać odrzutowi wraz z nabijakiem 18 pod wpływem wysoko sprężonych gazów wytworzonych przez ładunek wybuchowy 21. Układ wyzwalania 22 ładunku wybuchowego 21 jest usytuowany w nabijaku wzdłuż jego osi i służy do odpalenia spłonki 23 usytuowanej w podstawie 20 naboju 17. Rura 24 otacza ładunek wybuchowy 21 wewnątrz naboju 17. Ponieważ w naboju 17 znajduje się wolna przestrzeń 25, urządzenie SCB-EX może być wykorzystywane albo w otworze wypełnionym gazem, albo w otworze wypełnionym wodą W otworze wypełnionym wodą nabój 17 usunie większość wody z dna otworu 15. W tej konfiguracji ładunek wybuchowy 21 jest sprzężony bezpośrednio ze spodem naboju 17, aby wprowadzić silny impuls uderzeniowy w skałę 26 przy dnie otworu 15 i powiększyć mikropęknięcia przy dnie otworu 15. W celu uzyskania najlepszych wyników co najmniej 50% pola powierzchni czołowej części osłony naboju 17, która styka się z dnem otworu 15, jest także w kontakcie z ładunkiem wybuchowym 21. Korzystnie, pole powierzchni styku stanowi zewnętrzny obwód tej czołowej części osłony naboju 17, tak aby wywoływać mikropęknięcia w obszarze pierścieniowym wokół krawędzi dna otworu 15.

Figura 4 przedstawia nabój 27 typu SCB-EX umieszczony przy dnie wywierconego otworu 28 i przytrzymywany przez nabijak 29. Nabijak 29 nie może skniszyć naboju 27 dzięki schodkowemu uskokowi 30 w wywierconym otworze 28. Nabój 27 składa się z korpusu 31 i zwężającej się podstawy 32 naboju 27 oraz pomocniczego metalowego pierścienia uszczelniającego 33. Podstawa 32 naboju 27 ma wklęsłą tylną powierzchnię 34 aby ułatwić ustalanie centralnego położenia nabijaka 29. Ładunek wybuchowy 35 znajduje się w położeniu centralnym w stosunku do podstawy 32 naboju 27. Ładunek wybuchowy 35 nie wypełnia całkowicie naboju 27. W naboju 27 znajduje się wolna przestrzeń 36, która umożliwia rozprężanie się produktu spalania ładunku wybuchowego i kontrolowanie średniego ciśnienia wewnątrz naboju 27. Ładunek wybuchowy 35 jest zamknięty w osłonie lub w pojemniku 37, który zapewnia konstrukcyjne podparcie ładunku wybuchowego 35. Ładunek wybuchowy 35 jest sprzężony blisko z dnem korpusu 31 naboju 27, tak aby wprowadzać silny impuls uderzeniowy w dno wywierconego otworu 38. W podstawie 32 naboju 27 znajduje się uzwojenie elektryczne 39 połączone ze spłonką 40 wyzwalającą ładunek wybuchowy 35. Drugie uzwojenie elektryczne 41 znajduje się w nabijaku 29 i jest połączone z zewnętrznym obwodem zapłonowym (nie pokazanym na rysunku). Impuls prądowy wytworzony w drugim uzwojeniu elektrycznym 41 indukuje prąd w pierwszym uzwojeniu 39 wystarczający do inicjowania spłonki 40. Dzięki temu nabijak 29 nie musi być w bezpośrednim kontakcie z podstawą 32 naboju 27.

Figura 5 przedstawia nabój 43 typu SCB-EX zawierający ładunek wybuchowy 44, który jest oddzielony od dna korpusu 45 naboju 43 przez szczelinę 46. Szczelina 46 znacznie zmniejsza szczytowe ciśnienie impulsu udarowego wprowadzanego w dno 47 otworu 52. Poza tym nabój 43 jest zasadniczo taki sam jak nabój pokazany na fig. 4. Nabijak 48 ma schodkowe odsądzenie 49, które uniemożliwia nabijakowi 48 skruszenie naboju 43. Koniec nabijaka 48 jest wypukły 50, aby ułatwić ustawienie go zgodnie z wklęsłą podstawą 51 naboju 43. Głównym elementem uszczelniającym gazów wytworzone przez ładunek wybuchowy 44 jest koniec nabijaka 48, który wypełnia większość przekroju poprzecznego dna wywierconego otworu 52, pozostawiając jedynie szczelinę 53 dla uchodzenia wysoko sprężonych gazów. Dalsze uszczelnienie tych gazów jest realizowane przez metalowy pierścień uszczelniający 54 oraz części korpusu 45 naboju 43 i podstawy 55 naboju 43, które są wtłaczane w szczelinę 53 przez wysoko sprężone gazy.

182 548

Figura 6 przedstawia alternatywną wersję naboju 56 typu SCB-EX, który zawiera element izolacji uderzeniowej 57 przeznaczony do wspomagania w odsprzęganiu od podstawy 59 naboju 56 uderzeniowych przebiegów nieustalonych wytworzonych przez ładunek wybuchowy 58. Poza tym nabój 56 jest zasadniczo taki sam jak naboje pokazane na fig. 4 i 5.

Figura 7 przedstawia alternatywne rozwiązanie końcówki nabijaka 60 od strony dna otworu. Naboju nie pokazano. Nabijak 60 ma pogrubioną końcówkę 61 ze zwężającą się częścią 62. Wywiercony otwór ma górną sekcję 63 o większej średnicy, która przechodzi w dolną sekcję 64 o mniejszej średnicy poprzez zwężającą się sekcję 65. Tego typu otwór jest wiercony za pomocą specjalnego zespołu koronek wiertarskich. Nabijak 60 wprowadza się w wywiercony otwór, a jego zwężająca się część 62 zostaje osadzona na zwężającej się sekcji 65 wywierconego otworu, zapewniając wstępne ścisłe uszczelnienie dla wysoko sprężonych gazów, wytworzonych przy dnie otworu. Gazy te powodują odrzut nabijaka 60, przez co następuje odsłonięcie szczeliny pomiędzy zwężającą się częścią 62 nabijaka 60 a zwężającą się sekcją 65 wywierconego otworu. Zwężająca się sekcja 65 wywierconego otworu jest mniej wrażliwa na odhipywanie i wady w skale niż otwór ze schodkowym uskokiem, taki jak pokazano na fig. 4, 5 i 6. Zatem, odsłonięcie szczeliny i uchodzenie wysoko sprężonych gazów może być lepiej kontrolowane. Takie ukształtowanie nabijaka może być użyta z dowolną spośród konfiguracji naboju pokazanych na fig. 4, 5 i 6.

Figura 19 przedstawia inny przykład wykonania naboju 200 typu SCB-EX według przedmiotowego wynalazku. Nabój 200 zawiera protektorową podstawę 204 naboju 200, zewnętrzną osłonę 208 naboju 200, wewnętrzną osłonę 212 naboju 200, ładunek wybuchowy 216 i zespół detonacyjny 220. Zespół detonacyjny 220 zawiera inicjator detonacji 224, wtórne uzwojenie indukcyjne 228 i przewód 232 łączący to wtórne uzwojenie indukcyjne 228 z inicjatorem detonacji 224. Nabijak 236 zawiera środki do uszczelnienia naboju 200 w otworze 240 (to znaczy wąską szczelinę pomiędzy nabijakiem a ścianami otworu) oraz pierwotne uzwojenie indukcyjne 244 sprzęgane elektrycznie z wtórnym uzwojeniem indukcyjnym 228 dla wyzwalania detonacji ładunku wybuchowego 216.

W naboju 200 znajduje się wolna przestrzeń 248 ograniczona przez zewnętrzną osłonę 208 naboju 200, podstawę 204 naboju 200 i wewnętrzną osłonę 212 naboju 200. W wewnętrznej osłonie 212 naboju 200 znajduje się ponadto druga wolna przestrzeń 252 usytuowaną pomiędzy ładunkiem wybuchowym 216 a podstawą 204 naboju 200. Wolna przestrzeń 252 tłumi ciśnienia pochodzące od detonacji ładunku wybuchowego 216 umożliwiając rozprężanie do punktu, gdzie nie przeciąża ono podstawy 204 naboju 200, a nadmiar energii udarowej przenosi się na nabijak 236. Wolne przestrzenie 248 i 252 stanowią większość całej wolnej przestrzeni przy dnie 223 otworu 240. Korzystnie, wolna przestrzeń 252 wynosi 20 - 100% objętości ładunku wybuchowego 216, a obie wolne przestrzenie 248 i 252 razem są 2-5 razy większe od objętości ładunku wybuchowego 216. Wolna przestrzeń 252, korzystnie, stanowi 17 - 50% całej objętości wewnętrznej osłony 212 naboju 200. Suma wolnej przestrzeni 252, wolnej przestrzeni 248 i ładunku wybuchowego 216 równa się całkowitej objętości dostępnej dla gazów wytworzonych przez spalenie ładunku wybuchowego 216. Należy zauważyć, że wolna przestrzeń związana z odstępem pomiędzy zewnętrzną osłoną 208 naboju 200 a powierzchnią otworu 240 stanowi dalszą niewielką dodatkową objętość do całkowitej wolnej objętości przy dnie 223 otworu 240.

Podstawa 204 naboju 200 zabezpiecza, nadający się do powtórnego użycia, koniec 256 nabijaka 236 od strony dna 223 otworu 240 przed trwałym uszkodzeniem podczas detonacji ładunku wybuchowego 216. Zawiera ona część układu wyzwalającego i wspomaga uszczelnianie dna 223 otworu 240 dzięki zajmowaniu większości powierzchni przekroju poprzecznego otworu 240. Korzystnie, podstawa 204 naboju 200 ma granicę plastyczności nie większą niż granica plastyczności nabijaka 236. Zatem podstawa 204 naboju 200 ulega odkształceniu plastycznemu w odpowiedzi na zdetonowanie ładunku wybuchowego 216 wcześniej niż nabijak 236. Korzystnie, granica plastyczności podstawy 204 naboju 200 jest nie większa niż około 75% granicy plastyczności nabijaka 236. Podstawa 204 naboju 200 może być wykonana z wielu różnych tanich materiałów, wliczając w to stal, aluminium, tworzywo sztuczne, kompozyty itp. Korzystnie, grubość t podstawy 204 naboju 200 wynosi 13-50 mm. Średnica

182 548 podstawy 204 naboju 200 wynosi 50 - 250 mm, a stosunek jej długości do średnicy wynosi 0,15-0,60.

Kształt podstawy 204 naboju 200 ma duże znaczenie. Przykładowo, zewnętrzny koniec 260 podstawy 204 naboju 200 ma taki sam kształt jak koniec 256 nabijaka 236 po to, aby nabijak 236 mógł być ustawiony zgodnie z nabojem 200, co umożliwia elektryczne sprzężenie pierwotnego uzwojenia indukcyjnego 244 z wtórnym uzwojeniem indukcyjnym 228. Jak pokazano, korzystny kształt zewnętrznego końca 260 podstawy 204 naboju 200 i końca 256 nabijaka 236 jest krzywoliniowy. W miejscu gdzie podstawa 204 naboju 200 łączy się z zewnętrzną osłoną 208 naboju 200, jest ona ukształtowana stożkowo. Część zewnętrznej osłony 208 naboju 200 sąsiadująca ze stożkowo ukształtowaną częścią podstawy 204 naboju 200 zwęża się pod takim samym kątem, jak stożkowo ukształtowana część podstawy 204 naboju 200. Podczas detonacji ładunku wybuchowego 216 ta stożkowo ukształtowana część podstawy 204 naboju 200 dociska zewnętrzną osłonę naboju 208 do ścianek otworu 240, uszczelniając przez to nabój 200 przy dnie 223 otworu 240.

Zewnętrzna osłona 208 naboju 200 jest ukształtowana cylindrycznie i stanowi uszczelnienie wnętrze naboju 200 względem wody lub innych cieczy znajdujących się w otworze 240. Jak zauważono powyżej, zewnętrzna osłona 208 naboju 200 zawiera wolną przestrzeń konieczną do regulowania średniego ciśnienia szczytowego powstającego przy dnie 223 otworu 240, aby uniemożliwić działanie nadmiernego ciśnienia na dno 223 wywierconego otworu 240. W celu uzyskania najlepszych wyników zewnętrzna osłona 208 naboju 200 powinna ulegać fragmentacji przy detonowaniu ładunku wybuchowego 216, aby duże kawałki tej osłony 208 nie mogły blokować lub uniemożliwiać przepływu gazu w pęknięcia powstałe w dnie 223 otworu 240. Zewnętrzna osłona 208 naboju 200 może być wykonana z wielu różnych materiałów, wliczając w to stal, aluminium lub tworzywo sztuczne.

Wymiary naboju 200 zależą od specyficznego zastosowania. Korzystnie, grubość ścianki zewnętrznej osłony 208 naboju 200 wynosi 0,75 - 5 mm w zastosowaniach do urabiania podziemnego i odkrywkowego. Korzystnie, część wierzchołkowa 221 zewnętrznej osłony 208 naboju 200, usytuowana przy przeciwnym końcu zewnętrznej osłony 208 naboju 200 niż podstawa 204 naboju 200, ma grubość 0,25 - 0,75 mm w zastosowaniach do urabiania podziemnego i odkrywkowego.

Nabój 200 ma maksymalną średnicę 50 - 250 mm w zastosowaniach do urabiania podziemnego i odkrywkowego. Korzystnie, stosunek długości naboju 200 do jego średnicy wynosi 1 - 4.

Wewnętrzna osłona 212 naboju 200 zawiera ładunek wybuchowy 216 i ustawia go w stosunku do bocznych ścianek wywierconego otworu 240, w stosunku do podstawy 204 naboju 200 i utrzymuje żądany odstęp pomiędzy ładunkiem wybuchowym 216 a dnem 223 otworu 240. Podobnie jak w przypadku zewnętrznej osłony 208 naboju 200 ważne jest aby wewnętrzna osłona 212 naboju 200 ulegała fragmentacji przy detonowaniu ładunku wybuchowego 216, żeby nie było dużych kawałków, które by blokowały lub uniemożliwiały przepływ gazu w pęknięcia odsłonięte w dnie 223 otworu 240. Wewnętrzna osłona 212 naboju 200 może być wykonana z wielu różnych materiałów, wliczając w to stal, aluminium lub tworzywo sztuczne. Korzystnie, grubość ścianek wewnętrznej osłony 212 wynosi 0,2 -1 mm.

Ładunkiem wybuchowym 216 może być dowolny z wielu materiałów wybuchowych podanych powyżej. W przypadku ciekłych materiałów wybuchowych na powierzchni ładunku wybuchowego 216 potrzebna jest rozdzielająca ścianka 264 lub membrana utrzymująca ten ładunek wybuchowy 216 w dolnej części wewnętrznej osłony 212 naboju 200. Korzystnie, masa ładunku wybuchowego 216 wynosi 0,15 - 0,5 kg w zastosowaniach do urabiania podziemnego i 1 - 5 kg w zastosowaniach do urabiania odkrywkowego.

Zespół detonacyjny 220 zawiera inicjator detonacji 224, którym jest korzystnie spłonka nr 6 lub spłonka nr 8, albo inne urządzenie inicjujące detonację. Korzystnie, wtórne uzwojenie indukcyjne 228 ma średnicę drutu wystarczającą do przepuszczenia impulsu o natężeniu prądu elektrycznego 1 - 5 A, zaś pierwotne uzwojenie indukcyjne 244 ma średnicę drutu wystarczającą do przenoszenia impulsu o natężeniu prądu elektrycznego 20 - 200 A. W celu uzyskania najlepszych wyników maksymalna odległość d pomiędzy pierwotnym

182 548 a wtórnym uzwojeniem indukcyjnym powinna być nie większa niż około 3 mm. Skrzynka do odpalania pobudza pierwotne uzwojenie indukcyjne 244 impulsem prądowym, który indukuje prąd we wtórnym uzwojeniu indukcyjnym 228.

Usytuowanie przestrzenne różnych elementów składowych naboju 200 jest ważne dla optymalnego działania naboju 200. Odległość dl pomiędzy spodem wewnętrznej osłony 212 naboju 200 a spodem zewnętrznej osłony 208 naboju 200 determinuje stopień rozkruszenia skały powodowany przez ten nabój 200. Maksymalny stopień rozkruszenia uzyskuje się wtedy, gdy odległość dl wynosi zasadniczo 0, a zewnętrzna osłona 208 naboju 200 styka się z dnem 223 otworu 240. Korzystnie, dl jest nie większe niż około 15 mm. Korzystnie, odległość d2 od spodu zewnętrznej osłony 208 naboju 200 do dna 223 otworu 240 powinna być możliwie najmniejsza ale też zewnętrzna osłona 208 naboju 200 nie może być wciskania w dno 223 otworu 240 podczas wprowadzania naboju 200 w otwór 240. Zewnętrzna osłona 208 naboju może doznać znacznego uszkodzenia podczas wprowadzania, łącznie z przerwaniem. Korzystnie, odległość d2 nie może być większa niż około 15 mm. Odległość d3 jest odstępem między zewnętrzną osłoną 208 naboju 200 a bocznymi ścianami wywierconego otworu 240. Ta odległość d3 powinna być wystarczająca, by można było łatwo wprowadzić nabój do dna 223 otworu 240 bez powodowania znacznego uszkodzenia naboju. Odległość ta będzie oczywiście zmieniać się wraz z zużyciem koronki wiertniczej i nadmiarem urobku w różnych typach skał. Korzystnie, odległość d3 wynosi 0,2 - 3 mm.

Nabijak 236 powinien mieć ciężar wystarczający do wytrzymania znacznej części odrzutu podstawy 204 naboju 200 wywołanego detonacją ładunku wybuchowego 216. Korzystnie, nabijak ma ciężar 25 - 1000 kg. Średnica nabijaka 236 musi być wystarczająco duża, by powodować uszczelnienie pomiędzy bokami nabijaka 236 a ściankami otworu 240 i uniemożliwić uchodzenie gazu z dna 223 otworu 240, po detonacji ładunku wybuchowego 216. Korzystnie, średnica nabijaka 236 wynosi 50 - 250 mm w zastosowaniach do urabiania podziemnego i odkrywkowego. Zwykle powierzchnia przekroju nabijaka 236 wynosi co najmniej 95% powierzchni przekroju otworu 240.

Aby zabezpieczyć koniec 256 nabijaka 236 przed uszkodzeniem spowodowanym przez odrzut podstawy 204 naboju 200 podczas zdetonowania ładunku wybuchowego 216, ten ładunek wybuchowy 216 jest umieszczony w pewnej odległości d4 od podstawy 204 naboju 200, co powoduje rozproszenie fali uderzeniowej detonacji. Aby uzyskać najlepsze wyniki, odległość d4 wynosi 13-75 mm.

Figura 20 przedstawia inny przykład realizacji naboju 300 typu SCB-EX według przedmiotowego wynalazku. W odróżnieniu od naboju 200 z poprzedniego przykładu realizacji nabój 300 nie ma wewnętrznej osłony naboju. Natomiast ładunek wybuchowy 304 jest umieszczony w części wierzchołkowej 306 zewnętrznej osłony 312 naboju 300. Zastosowano też ściankę przegradzającą 316 do oddzielenia ładunku wybuchowego, zwłaszcza w przypadku ciekłych ładunków wybuchowych 304, od wolnej przestrzeni 320 naboju 300. Korzystnie, wolna przestrzeń 320 stanowi 50 - 75% całkowitej objętości zewnętrznej osłony 312 naboju 300. Ładunek wybuchowy 304 zajmuje pozostałą część objętości zewnętrznej osłony 312 naboju 300.

Figura 8 przedstawia układ SCB-EX w sytuacji po odpaleniu, gdzie ścianka 66 naboju nie rozerwała się w pobliżu końca nabijaka 67. Ładunek wybuchowy został odpalony i ciśnienie wzrastało powodując odrzut nabijaka 67 i podstawy 68 naboju z równoczesnym rozszerzeniem się ścianek 66 naboju do ściany wywierconego otworu 69. Przednia część naboju uległa fragmentacji, powodując, że wypełnienie otworu 69 gazami będącymi produktem spalenia ładunku wybuchowego zainicjowało kontrolowane pęknięcie 70 przy lub w pobliżu dna wywierconego otworu 71. Podczas odrzutu stożek podstawy 68 naboju został dociśnięty do stożka ścianki 72 naboju, aby utrzymywać dynamiczne uszczelnienie w trakcie procesu kruszenia skały.

Figura 9 przedstawia układ SCB-EX w sytuacji po odpaleniu, gdzie ścianka 73 naboju pękła i została rozerwana w miejscu 74 w pobliżu podstawy 76 naboju. Wysoko sprężone gazy, będące produktem spalania ładunku wybuchowego, wcisnęły następnie metalowy

182 548 pierścień pomocniczy 77 w szczelinę 78 między końcem nabijaka 75 a ścianą wywierconego otworu 79, uszczelniając układ przed uchodzeniem gazu z dna otworu.

Działanie SCB-EX w przypadku odsprzężonego ładunku wybuchowego jest pokazane na fig. 10 w postaci wyliczonego przebiegu ciśnienia 80 w funkcji czasu 81, na dnie wywierconego otworu. Obliczenie dotyczy przypadku, gdy skała nie pęka. Ciśnieniowy impuls 82 jest wytwarzany natychmiast po detonacji, jako wynik rozprężenia się produktów wybuchu w szczelinie (fig. 5). Następują potem oscylacje ciśnienia 83, gdy gaz wytworzony przez produkty wybuchu przepływa tam i z powrotem w dostępnej objętości. Z czasem przy odrzucie nabijaka (zwiększenie dostępnej objętości) i przy uchodzeniu gazu przy nabijaku następuje zanik oscylacji 84. Wykres przedstawia przebieg oscylacji ciśnienia przy dnie otworu przez około 4 ms od detonacji.

Działanie SCB-EX w przypadku odsprzężonego ładunku wybuchowego i gdy skała pęka, jest pokazane na fig. 11 w postaci wyliczonego przebiegu ciśnienia 85 w funkcji czasu 86. na dnie wywierconego otworu. Ciśnieniowy impuls 87 jest wytwarzany natychmiast po detonacji, w wyniku rozprężenia się produktów wybuchu poprzez szczelinę (fig. 5). Następują potem oscylacje ciśnienia 88, gdy gaz wytworzony przez produkty wybuchu przepływa tam i z powrotem w dostępnej objętości. Z czasem przy odrzucie nabijaka (wzrost dostępnej objętości) oraz gdy gaz uchodzi przy nabijaku i gdy przepływa do zwiększającego się układu pęknięcia następuje zanik oscylacji 89. Wykres przedstawia przebieg oscylacji ciśnienia przy dnie otworu przez około 4 ms od detonacji.

Na fig. 12 przedstawiono wyliczony rozdział gazu w naboju SCB-EX i przy dnie otworu. Obliczenie wykonano dla przypadku, kiedy skała pęka, a przebieg ciśnienia jest przedstawiony na fig. 11. Masa gazu pozostającego w objętości naboju 90, masa gazu uchodzącego z systemu 91 oraz masa gazu wprowadzanego w dno otworu i w system pęknięcia 92 jest pokazana w funkcji czasu 93. Po detonacji gazy będące produktem wybuchu rozprężają się i wypełniają całą objętość naboju i przy dnie otworu. Kiedy ciśnienie osiągnie krytyczną wartość progową (rzędu 30% wytrzymałości skały na ściskanie w otwartej przestrzeni), rozpoczyna się pękanie. Gaz nadal przepływa z naboju w rozchodzące się pęknięcia. Równocześnie w tym obliczeniu zakłada się, że ścianka naboju przy podstawie naboju pęka po odrzucie 2,5 mm, co umożliwia przepływ gazu przez szczelinę pomiędzy nabijakiem a ścianą wywierconego otworu. Masowe natężenie przepływu gazu zakłada się jak w warunkach chodzenia przez przewężenie dźwięku, co jest podyktowane przez pole przekroju poprzecznego szczeliny oraz przez lokalną dźwiękową prędkość gazu i gęstość gazu. Po 4 milisekundach pęknięcie dojdzie do powierzchni lica skały i kruszenie skały uznaje się za zakończone. Z obliczeń wynika, że niewielka część gazu uszła z systemu (około 18 g z pierwotnych 200 g). Większość gazu (137 g) została wprowadzona w dno otworu i w pęknięcia.

Działanie SCB-EX w przypadku ściśle sprzężonego ładunku wybuchowego, jest pokazane na fig. 13, w postaci wyliczonego przebiegu ciśnienia 94 w funkcji czasu 95, na dnie wywierconego otworu. Obliczenie jest przedstawione dla przypadku kiedy skała pęka. Silny impuls ciśnienia 96 jest natychmiast wytwarzany, w wyniku odbicia fali detonacyjnej z ładunku wybuchowego znajdującego się w kontakcie ze spodem naboju (patrz fig. 4). Gdy gaz wytworzony przez produkty wybuchu porusza się tam i z powrotem w dostępnej objętości występują oscylacje ciśnienia 97. Z czasem, po odrzucie nabijaka (dostępna objętość się zwiększa) a gaz uchodzi przy nabijaku i wciska się w rozchodzące się pęknięcia następuje zanik oscylacji 98. Wykres przedstawia przebieg oscylacji ciśnienia przy dnie otworu przez około 4 ms od detonacji.

Na fig. 14 przedstawiono działanie sposobu odstrzeliwania z ładunkiem w otworze, przy czym ładunkiem jest materiał miotający, w postaci obliczonego przebiegu ciśnienia 99 w funkcji czasu 100, przy dnie wywierconego otworu. Obliczenie to dotyczy przypadku, kiedy skała nie pęka i można je porównać z działaniem SCB-EX z fig. 10. Wyraźnie brak ciśnieniowego impulsu na początku wykresu, a ciśnienie wzrasta stosunkowo powoli w porównaniu z wykresem z fig. 10. Zanik 101 ciśnienia następuje z czasem po odrzucie nabijaka (zwiększa się dostępna objętość) i gdy gaz uchodzi przy nabijaku. Wykres przedstawia przebieg oscylacji ciśnienia przy dnie otworu przez około 4 ms.

182 548

Działanie urządzenia z iniektorem gazu, wykorzystującego materiał miotający, przedstawiono na fig. 15, w postaci obliczonego przebiegu ciśnienia 102 w funkcji czasu 103, przy dnie wywierconego otworu. Obliczenie dotyczy przypadku, gdy skała nie pęka i można go porównać z działaniem SCB-EX z fig. 10 oraz z działaniem ładunku miotającego w otworze z fig. 14. Wyraźnie brak impulsu ciśnieniowego, a ciśnienie wzrasta stosunkowo powoli w porównaniu z metodą SCB-EX. Zanik 104 ciśnienia następuje z czasem po odrzucie nabijaka (zwiększa się dostępna objętość), gaz uchodzi przy nabijaku i ucieka z powrotem w lufę iniektora gazu. Wykres przedstawia przebieg oscylacji ciśnienia przy dnie otworu przez około 4 ms.

Na fig. 16 przedstawiono wyliczony rozdział gazu w iniektorze gazu i przy dnie otworu. Obliczenie wykonano dla przypadku, kiedy skała pęka. Masa gazu w objętości iniektora gazu 105, masa gazu uchodzącego z systemu 106 i masa gazu wprowadzanego w dno otworu i w system pęknięć 107 jest przedstawiono w funkcji czasu 108. W przybliżeniu 4 ms po pojawieniu się ciśnienia przy dnie otworu pęknięcie dochodzi do powierzchni lica skały i fragmentację skały uważa się za zakończoną. Jak widać, znaczna część gazu uszła z systemu (61 g z pierwotnych 380 g). Dużo gazu (145 g) pozostaje w iniektorze gazu. Gaz pozostający w iniektorze gazu po zakończeniu fragmentacji skały może być źródłem podmuchu powietrza i energicznego rozrzucania odłamków skalnych.

Przykład urządzenia do urabiania skały oparty na zastosowaniu systemu SCB-EX jest przedstawiony na fig. 17. Są tu dwa przegubowe zespoły wysięgnikowe 108 i 109 przymocowane do ruchomego środka transportu 110. Zespół wysięgnikowy 108 ma zamontowane na nim urządzenie 110 do odpalania małych ładunków SCB-EX. Na zespole wysięgnikowym 109 jest zamocowana mechaniczna kruszarka udarowa 112 i przystawka podsiębierna 113 do ładowania pokruszonej skały z przodka na układ przenośnikowy 114, który odprowadza pokruszoną skałę do środka transportu (nie pokazano).

Typowy mechanizm przestawiający urządzenia do odpalania małych ładunków jest przedstawiony na fig. 18A i fig. 18B. Ten mechanizm przestawiający 115 łączy urządzenie 116 odpalania małych ładunków SCB-EX z przegubowym wysięgnikiem 117. Na mechanizmie przestawiającym 115 jest zamontowana wiertnica skalna 118 i mechanizm 118 wprowadzania ładunków SCB-EX. Wysięgnik 117 ustawia zespół przestawiający 115 przy przodku skalnym tak, że wiertnica skalna 118 może wiercić krótki otwór w licu skały. Kiedy wiertnica skalna 118 zostaje wyciągnięta z otworu, zespół przestawiający 115 obraca się wokół swej osi 120 za pomocą mechanizmu hydraulicznego 121, tak aby ustawić mechanizm 119 wprowadzania ładunku SCB-EX zgodnie z osią wywierconego otworu. Mechanizm 119 wprowadzania ładunku SCB-EX zostaje następnie wprowadzony w wywiercony otwór i mały ładunek jest gotowy do odpalenia.

Urządzenie do kruszenia miękkiej, średniej i twardej skały jak również betonu ma wiele zastosowań w górnictwie, budownictwie i w kamieniołomach oraz w wojsku. Może ono służyć do drążenia tuneli, kawern i szybów, do eksploatacji sztolni w górnictwie, urabiania ścian, komór i filarów. Stosuje się go do wybierania magazynowego, wybieranie z podsadzką, wybieranie wąskich żył, wybierania selektywnego, wybieranie z wrąbem przyspągowym w przypadku wybierania z pionowym kraterem od granic do szybu, do wybierania stropowego z zawałem, do wtórnego kruszenia i zmniejszania nadmiarowego wymiaru. Urządzenie można stosować do kopania rowów, drążenia szybów nadsięwłomem, do przecinania skał, przy precyzyjnych robotach strzałowych, podczas burzenia, czyszczenia wyrobiska odkrywkowego, przy robotach strzałowych w wyrobisku odkrywkowym, do kruszenia głazów narzutowych i wybierania warstwami w kamieniołomach, do budowania stanowisk bojowych i schronów w skale oraz do usuwania przeszkód naturalnych i sztucznych podczas ruchu wojsk.

182 548

182 548

182 548

Fig. 3

182 548

Fig. 4

182 548

Fig. 5

182 548

Fig. 6

182 548

Fig. 7

182 548

Fig. 8

182 548

Fig. 9

182 548

CIŚNIENIE (MPA)

CIŚNIENIE PRZY DNIE OTWORU (MPA) W FUNKCJI CZASU (S)

Fig. 10

182 548

CIŚNIENIE (MPA)

CIŚNIENIE PRZY DNIE OTWORU (MPA) W FUNKCJI CZASU (S)

Fig. 11

182 548

I I

MASA (G)

NABÓJ 45,4_

OTWÓR 137

UCHODZENIE 17,8—

czas (S)·θ04

MASA GAZU (KG) W FUNKCJI CZASU (S)

Fig. 12

182 548

2E+09 ]--------------1 Γ

V_96

CIŚNIENIE (MPA)

MAKS. AMPLITUDA WYNOSI 4.86E+09

95----— czas (S) .004

CIŚNIENIE PRZY DNIE OTWORU (MPA) W FUNKCJI CZASU (S)

Fig. 13

182 548

CIŚNIENIE (MPA)

CIŚNIENIE PRZY DNIE OTWORU (MPA) W FUNKCJI CZASU (S)

Fig. 14

182 548

CIŚNIENIE (MPA)

CIŚNIENIE PRZY DNIE OTWORU (MPA) W FUNKCJI CZASU (S)

Fig. 15

182 548

Fig. 16

182 548

182 548 ig. 18A

119

LL

182 548

Fig. 19

182 548

Fig. 20

182 548

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 6,00 zł.

Claims (32)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do odstrzeliwania twardego materiału, zawierające umieszczony na dnie otworu wywierconego w tym materiale nabój mający zewnętrzną osłonę przymocowaną do podstawy naboju usytuowanej w pobliżu wolnego końca nabijaka osadzonego we wlocie otworu i sięgającego dolnej jego części, znamienne tym, że w co najmniej części zewnętrznej osłony naboju (31, 208, 312), w odległości (d4) od wolnego końca (256) nabijaka (4,18, 29, 48, 60, 236), znajduje się odsprzężony ładunek wybuchowy (21, 35, 44, 58, 216, 304), przy czym podstawa naboju (20,32, 51, 59, 204) jest odkształcalna, a jej granica plastyczności jest mniejsza od granicy plastyczności nabijaka (4,18,29,48,60,236).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że podstawa naboju (20, 32, 51, 59, 204) ma grubość od 50 mm do 250 mm.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że granica plastyczności podstawy naboju (20, 32, 51, 59, 204) stanowi około 75% granicy plastyczności nabijaka (4,18, 29, 48, 60,236).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że podstawa naboju (20, 32, 51, 59, 204) znajduje się w styku z wolnym końcem (256) nabijaka (4,18,29,48, 60,236).
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że podstawa naboju (20, 32, 51, 59, 204) ma kształt stożkowy, w jednej części zewnętrznej osłony naboju (31, 208, 312) znajduje się ładunek wybuchowy (21, 35, 44, 58, 216, 304), drugą część zewnętrznej osłony naboju (31, 208,312) stanowi wolna przestrzeń (5, 12, 25, 36, 248, 252), a trzecia część zewnętrznej osłony naboju (31,208,312) sąsiadująca z podstawą naboju (20,32,59, 51,204) jest zbieżna.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że wierzchołkowa część (221, 308) zewnętrznej osłony naboju (31, 208, 312) przeciwległa do podstawy naboju (20, 32, 51, 59, 204) ma grubość od 0,75 mm do 5 mm.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że ładunek wybuchowy (21, 35, 44, 58, 216,304) jest wybrany z grupy złożonej z mieszaniny azotanu amonowego i nitrometanu, dynamitu, oktolu, emulsyjnych materiałów wybuchowych, materiałów wybuchowych w postaci żelu wodnego i żelowego środka zapalającego.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w części zewnętrznej osłony naboju (31,208,312) znajduje się wolna przestrzeń (5,12,25,36,248,252).
9. 9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że objętość wolnej przestrzeni (5, 12, 25, 36, 248, 252) w zewnętrznej osłonie naboju (31, 208, 312) stanowi od 200% do 500% objętości ładunku wybuchowego (21,35,44, 58,216,304).
10. 10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że ładunek wybuchowy (21, 35, 44, 58, 216, 304) znajduje się w odległości (dl, d2) nie większej niż około 15 mm od dna (223) otworu (2,9,15,28,240).
11. 11. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że odległość (d4) ładunku wybuchowego (21, 35,44,58,216, 304) od wolnego końca (256) nabijaka (4,18, 29, 48, 60, 236) wynosi od 13 mm do 76 mm.
12. 12. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera elementy prowadzące (34, 50, 51, 260) do osiowego ustawiania podstawy naboju (20, 32, 51, 59, 204) względem końca (256) nabijaka (4,18,29,48, 60,236).
13. 13. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że nabijak (4,18, 29,48, 60,236) ma pierwotne uzwojenie indukcyjne (41, 244) sprzężone elektrycznie z wtórnym uzwojeniem indukcyjnym (39,22) naboju (1, 8,17,27,43,56,200,300).
14. 14. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek długości naboju (1, 8,17, 27,43,56,200,300) do jego średnicy wynosi od 1 do 4.
15. 15. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że nabijakiem (4,18,29,48, 60,236) jest podłużny pręt osadzony w otworze (2,9,15,28,240).

    182 548
16. 16. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek grubości podstawy naboju (20,32,59, 51, 204) do jej średnicy wynosi od 0,15 do 0,60.
17. 17. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że objętość wolnej przestrzeni (5, 12, 25, 36, 248, 252) stanowi 50 - 75% całkowitej objętości zewnętrznej osłony naboju (31, 208, 312).
18. 18. Urządzenie do odstrzeliwania twardego materiału zawierające umieszczony na dnie otworu wywierconego w tym materiale nabój mający zewnętrzną osłonę i podstawę naboju usytuowaną w pobliżu wolnego końca nabijaka osadzonego we wlocie otworu i sięgającego dolnej jego części, znamienne tym, że w naboju (1, 8,17, 27, 43, 56, 200, 300) znajduje się ładunek wybuchowy (21,35,44,58,216,304) i wolna przestrzeń (5,12,25,36,248,252).
19. 19. Urządzenie według zastrz. 18, znamienne tym, że zewnętrzna osłona naboju (31, 208, 312) ma część podstawową zamocowaną do podstawy naboju (20, 32, 51, 59, 204) i część wierzchołkową (221, 308) przeciwległą do podstawy naboju (20, 32, 51, 59, 204) stykającą się z dnem (223) otworu (240), zaś ładunek wybuchowy (21, 35, 44, 58, 216, 304) znajdujący się w zewnętrznej osłonie naboju (31, 208, 312) styka się z jej częścią wierzchołkową (221, 308).
20. 20. Urządzenie według zastrz. 19, znamienne tym, że ładunek wybuchowy (21, 35,44, 58, 216, 304) jest odsprzężony i umieszczony w odległości od wolnego końca (256) nabijaka (4, 18, 29, 48, 60, 236), a granica plastyczności podstawy naboju (20, 32, 51, 59, 204) jest mniejsza niż granica plastyczności nabijaka (4,18, 29, 48, 60,236).
21. 21. Urządzenie według zastrz. 19, znamienne tym, że co najmniej 50% powierzchni części wierzchołkowej (221,308) zewnętrznej osłony naboju (31,208,312) stykającej się z dnem (223) otworu (240) styka się także z ładunkiem wybuchowym (21,35,44,58,216,304).
22. 22. Urządzenie do odstrzeliwania twardego materiału zawierające umieszczony na dnie otworu wywierconego w tym materiale nabój mający zewnętrzną osłonę naboju i podstawę naboju stykającą się z wolnym końcem nabijaka osadzonego we wlocie otworu i sięgającego dolnej jego części, znamienne tym, że w naboju (1, 8,17, 27, 43, 56, 200, 300) znajduje się ładunek wybuchowy (21,35,44,58,216,304) odsprzężony od wolnego końca (256) nabijaka (4,18,29,48, 60,236) i oddalony od podstawy naboju (20,32,51,59,204).
23. 23. Urządzenie według zastrz. 22, znamienne tym, że stosunek grubości podstawy naboju (20,32, 51,59,204) do jej średnicy wynosi od 0,15 do 0,60.
24. 24. Urządzenie według zastrz. 22, znamienne tym, że ładunek wybuchowy (21, 35, 44, 58, 216, 304) jest oddalony od podstawy naboju (20,32, 51, 59, 204) o odległość (d4) wynoszącą od 13 mm do 64 mm.
25. 25. Urządzenie według zastrz. 22, znamienne tym, że grubość zewnętrznej osłony naboju (31,208,312) przy dnie otworu (2,9,15,28,240) wynosi od 0,75 mm do około 5 mm.
26. 26. Urządzenie według zastrz. 22, znamienne tym, że ponadto w zewnętrznej osłonie naboju (31, 208, 312) znajduje się stykająca się z podstawą naboju (20, 32, 51, 59, 204) wewnętrzna osłona naboju (37, 212, 316) zawierająca ładunek wybuchowy (21, 35, 44, 58, 216, 304), zaś między ładunkiem wybuchowym (21, 35, 44, 58, 216, 304) a podstawą naboju (20,32, 51,59,204) jest wolna przestrzeń (46,252).
27. 27. Urządzenie według zastrz. 26, znamienne tym, że grubość ścianki wewnętrznej osłony naboju (37,212,316) wynosi od 0,2 mm do 1 mm.
28. 28. Urządzenie według zastrz. 22, znamienne tym, że nabijakiem (4, 18, 29, 48, 60, 236) jest wydłużony pręt umieszczony w otworze.
29. 29. Urządzenie według zastrz. 26, znamienne tym, że objętość wolnej przestrzeni (46,252) wynosi od 17% do 50% objętości wewnętrznej osłony naboju (27,212,316).
30. 30. Urządzenie według zastrz. 22, znamienne tym, że w zewnętrznej osłonie naboju (31,208,312) znajduje się ponadto wolna przestrzeń (5,12,25,36,248,252).
31. 31. Urządzenie do odstrzeliwania twardego materiału zawierające umieszczony na dnie otworu wywierconego w tym materiale nabój mający zewnętrzną osłonę naboju i podstawę naboju stykającą się z wolnym końcem nabijaka osadzonego we wlocie otworu i sięgającego dolnej jego części, znamienne tym, że w naboju (1, 8,17, 27,43, 56, 200, 300) znajduje się ładunek wybuchowy (21, 35,44,58,216,304) odsprzężony od wolnego końca (256) nabijaka

    182 548 (4,18, 29, 48, 60, 236), a co najmniej część ładunku wybuchowego (21, 35, 44, 58, 216, 304) jest oddalona od podstawy naboju (20, 32, 51, 59, 204) i wolnej przestrzeni (5, 12, 25, 36, 248, 252).
32. 32. Urządzenie według zastrz. 31, znamienne tym, że granica plastyczności podstawy naboju (20, 32, 51, 59, 204) jest nie większa niż 70% granicy plastyczności nabijaka (4, 18, 29, 48, 60, 236).

    ♦ * ♦