爆炸材料的起爆 【技术领域】
本发明涉及一种用于起爆(引爆)爆炸装药的系统。更具体地说，本发明提供了一种系统以便不依赖传统起爆器的使用。本发明还涉及一种起爆爆炸装药的方法，其不需要传统起爆器的使用。
背景技术
起爆器(或起爆雷管)是一种特别设计来引爆分离的、较大装药的传爆炸药的装置。起爆器通常使用在包括采矿业和采石业和地震探查的工业操作的广泛范围中，爆炸装药在其中引爆。通常的想法是起爆器的使用对这些操作的完成是必要的。但是，这引起了一系列关于供给、安全和保险的考虑。
针对背景技术，希望提供一种用于起爆爆炸装药而不依赖起爆器使用的系统。本发明设法提供这种系统。
【发明内容】
根据本发明，发现可以引爆爆炸装药而不寻求传统引爆器的使用是可能的。更具体地说，根据本发明爆炸装药可以使用激光引爆。
此外，在本发明的一个实施方式中，提供了一种无引爆器的爆炸系统，其包括：
散装炸药；
约束炸药；和
适合于将激光传递到约束炸药的光纤，
其中，所述约束炸药根据散装炸药提供，以便约束炸药的爆炸引起散装炸药的引爆。
在本发明的另一个实施方式中，提供了一种引爆散装炸药的方法，该方法包括：
通过激光照射引爆约束炸药，
其中，所述约束炸药根据散装炸药提供以便约束炸药的爆炸引起散装炸药的引爆。
根据本发明，散装炸药(装药)通过约束炸药(装药)的爆炸而引爆。而约束炸药的引爆是用激光照射约束炸药而引起的。因此，散装炸药的引爆不需要使用传统的引爆器装置。相信这代表了本领域中重要的发展。
根据本发明，通过加热约束炸药直到其发生着火实现激光引爆。约束炸药被限制以便起始着火蔓延到完全引爆。约束炸药和散装炸药相对于彼此提供以便约束炸药的引爆引起散装炸药的引爆。在本发明的一个实施方式中，约束炸药的一部分和散装炸药的一部分可以直接接触。但是，在其它实施方式中，这不是重要的，只要保持约束炸药和散装炸药之间预期的操作关系。例如，在某些实施方式中，约束和散装炸药可通过膜等分隔。这种情况下，可包括膜等用于简化制造；膜(类似物)不影响散装炸药的引爆。
约束炸药通常是传爆炸药材料。适合材料的例子包括PETN(四硝酸季戊四醇酯)、特屈儿(三硝基苯甲硝胺)、RDX(三次甲基三硝基胺)、HMX(环四次甲基四硝胺)、彭托利特炸药(PETN和TNT(三硝基甲苯))等等。这些材料中优选使用PETN或彭托利特炸药。在可选的实施方式中，约束炸药可以是常规的乳化炸药，例如包含分散在燃料油中的非连续氧化剂盐相的油包水乳液。通常，这样的乳液包括作为氧化剂盐的硝酸铵和/或硝酸钠。这样的乳液组合物是本领域众所周知的。此外，约束炸药可以是常规的水胶炸药，其包含氧化盐、感光剂、增稠剂、交联剂和燃料。这些组合物在本领域是众所周知的。
使用的散装炸药通常也是传爆炸药，其例子上面已经给出。当约束炸药和散装炸药为传爆炸药时，值得注意的是本发明的爆炸系统免除了引炸药。散装炸药装药可与约束炸药相同或不同。当约束炸药与散装炸药一样时，本发明可通过适当限制一部分散装炸药来实施。
本发明的一个重要的方面是限制约束炸药的方法，因为发现限制的几何形状对散装炸药的成功引爆是关键性的。因此，约束炸药应当以这种方式限制，即包含约束炸药的起始着火和允许随后传播至全面引爆。本发明的完成使用了多种限制装置(几何地和材料的)。
在一个实施方式中，约束炸药可限制在细长的管状件内。通常其具有圆形截而，尽管这不是强制性的。当使用细长的管状件时，管状件的内部直径应当大于用于限制炸药的临界直径。当牢固地限定约束炸药时，例如，当限制装置由金属制成时，管状件的内部直径可高达大于限制炸药的临界直径的3倍。
本发明中有用的一般的圆形截面的管状件通常具有大约2到5mm的内部直径，例如大约3mm，和高达大约110mm的长度，例如从20到110mm。管状件用于约束炸药转移的长度要求随着炸药类型之间的不同而不同。例如，用于PETN的管状件的最小长度是大约30mm，而用于彭托利特炸药的最小长度是大约90mm(大约3mm的内部直径)。
所述限制装置可具有其它几何形状。因此，可使用椭圆形或椎形限制装置。
出于说明的目的，以下本发明将结合圆形截面的细长管状件作为限制装置进行说明。
限制装置的合适材料的例子包括金属和金属合金，例如铝和钢，以及高强度聚合材料。
通常，提供散装炸药与约束炸药的一部分(直接)接触。当约束炸药限制在细长管状件内时，可通过管状件的末端实现必不可少的接触，其中限制了限制部分(该端部远离管状件的端部，激光通过光纤传递到该端部)。当使用限制装置的其它几何形状时，约束炸药的至少一部分与散装炸药接触是重要的。
本发明的爆炸系统包括适用于将激光传送到约束炸药的光纤。这可以通过提供接触或嵌入约束炸药的(暴露的)光纤的一个端部来完成。因此，光纤的一个端部可插入限制约束炸药的管状件的端部。光纤通常具有从50到400μm的直径。
在本发明的实施方式中，光纤的暴露的端部可邻接而不接触炸药(的外部表面)。发现在(暴露的)光纤的端部和约束炸药之间提供(空气)间隙对热传递到约束炸药有影响，且因此对当激光通过光纤释放时和当约束炸药起爆时之间的滞后时间有影响。更具体地说，据信间隙作为绝缘体方便了通过最小化/避免相反的传导作用将有效的热传送到约束炸药。优选地，在远离管状件内引爆炸药的表面的短距离处提供光纤的暴露端。通常，该短距离为从5μm到5.0mm。
光纤按常规设计且具有一层包层。当光纤相对于提供在管状件内的约束炸药布置时，包层可在光纤的一个端部移除。光纤的特征基于传送到约束炸药的激光的波长来选取的。作为例子，波长通常为从780到1450nm。
光纤的暴露端通常相对于约束炸药通过合适的连接器保持在合适的位置。O形环可用来紧夹光纤的暴露端以防止气体泄漏。
根据本系统的特征，包括但不局限于激光的加热方面和使用的约束炸药的类型，对于本发明的实现而言必要的是在约束炸药内包括非爆炸热传递介质以加强激光能量与约束炸药的接合。通常，热传递介质是激光吸收材料，其在使用的激光波长内具有吸收带。热传递介质的例子包括炭黑、碳纳米管、纳米金刚石和激光染料。这些材料在市场上可买到。通常，当使用时，约束炸药将包括高达10重量％的热传递介质。使用的热传递介质的数量可通过实验优化。
以这种方式，作为热源的其它添加剂和参与引爆反应的活性剂可能包括在约束炸药内。这些材料包括纳米铝热剂、纳米金属、硝化纳米材料和其它光感应燃料。这些材料的数量可达到约束炸药的10重量％。这些材料可与热传递介质一起使用，或单独使用。一个或多个热传递介质和/或任选的光感应材料的使用可允许实现引爆，且激光能量顺序的数量级小于当不使用介质和/或材料时。
需要引爆的爆炸装药通常与约束炸药的至少一部分(直接)接触。通常，这一接触将发生在管状件的端部，在该管状件内约束炸药被限制在远离与光纤有关的管状件的端部。基于提供爆炸装药的形式，爆炸装药还可围绕限制约束炸药的管状件。换句话说，管状件可嵌入爆炸装药内。
在本发明的一个实施方式中，爆炸装药以助推器的形式存在，例如彭托利特炸药助推器。在这种情况下，约束炸药，优选为PETN或彭托利特炸药，提供在嵌入助推器中的细长管状件内。因此可设计助推器以容纳管状件。因此，可提供管状件且固定在合适的壳内的助推器中，通常如用于起爆器引爆的助推器的情况。另外，传统的助推器可用来完成该实施方式。
可选择地，在本发明的另一个实施方式中，可四处放置彭托利特炸药助推器且其具有合适的管状件。在这种情况下，本发明可通过使用包括壳/罩和延伸至由壳/罩界定的腔内整体形成的管状件的单个助推器来完成。然后，合适的爆炸材料可投入壳/罩和管状件内。
本发明的这些与助推器有关的实施方式在地震勘测中具有实际应用，其中(彭托利特炸药)助推器用于产生信号(震动波)来分析确定地质特征以寻找石油天然气沉积物。因此，本发明在地震勘测中扩展了本发明实施方式的应用。
在本发明的另一个实施方式中，爆炸装药以引爆线长度的形式存在。在这种情况下，引爆线的端部与约束炸药的至少一部分直接接触。任意合适的保持器或连接器可用来保证这种直接接触在使用前维持。旁边引爆线的起爆时，引爆线可通过传统的方式使用。穿过多个爆破孔的引爆线的瞬间引爆证明在分裂之前和隧道周边爆破作业是有利的。
在另一个实施方式中，约束和散装炸药可以是乳化炸药材料。在这方面可使用传统的乳化炸药材料。在这个实施方式中，乳化炸药材料的一部分可限制在合适的细长管状件内且浸入/嵌入散装炸药材料内。在这个实施方式(和所有其它的实施方式)中，可操纵用作限制的装置的特性和尺寸以优化本发明的完成。
根据本发明引爆约束炸药所需的激光可从多个激光源发出，例如可使用固体激光和气体激光。激光束还可由激光器二极管产生。通常，根据本发明的激光束的有用特征是具有在临近红外线区域内波长的二极管激光器发出的激光束。实践中，激光器通常是成套的二极管激光器和电源。激光可通过常规方式连接光纤。有用的激光器、电源和光纤是在市场上可以买到的。
根据本发明的实施方式，添加剂的使用以及在光纤端部和约束炸药之间合适的紧密距可以使得使用相当低等级的激光功率(不到1W)引爆炸药。现在结合二极管激光器的使用，用小的手持激光系统方便了本发明的成功实现。
【附图说明】
本发明的实施方式通过非限制性的附图来说明，其中：
图1a、1b、2、3和4示出了根据本发明的爆炸系统；
图1a示出了引爆系统1，其包括限制在由钢制成的细长管状件3内的炸药2。管件的尺寸是内直径3.2mm，外直径6.4mm，长110mm。约束炸药是PETN且以大约1.0g/cm3的装填密度压缩在管状件3内。当使用彭托利特炸药时，其可被投入管件内。投入的彭托利特炸药的密度是1.6g/cm3。PETN和彭托利特炸药可掺入热传递介质和/或任选的光感应材料。通常，如图所示的实施方式，发现掺入2％黑烟末的PETN和彭托利特炸药对本发明的执行是有用的。
管状件3的一端通过光纤连接器5连接到光纤4。光纤4包括外面一层包层6。光纤4的暴露端延伸入管状件3内且与约束炸药2接触。管状件3经由推进器7内的井插入推进器7。O形环用来夹紧光纤4的暴露端。
使用中，激光源(未示出)用来通过光纤4向约束炸药2传送激光。这使约束炸药2产生热导致引爆。如果约束炸药2适当地限制，初始引爆扩展至完全引爆。这反过来使推进器7产生引爆。
图1b示出了在这种情况下相似的布置，在光纤4的端部和约束炸药2之间存在间隙8。该间隙8的作用是延迟从光纤4的暴露端到约束炸药2的热传递，因此影响了激光放射和初始爆炸开始之间的延迟时间。
图2示出了与图1b所示相似的引爆系统1，不同的是在图2中一段长度的引爆线9的开口端与管状件3内的约束炸药2接触。保持螺母10和套圈11以及压缩装置12用来在相对于约束炸药2的位置支持引爆线9。如图1b所示，在光纤4的暴露端和约束炸药2之间存在间隙8。
激光源(未示出)用来产生激光束，经由光纤4与限制部分2连接。这引起限制部分2的加热和引爆。限制部分2的引爆反过来引起了引爆线9的引爆。
图3和4在以下实施例中讨论。
下面非限制性的实施例说明了本发明的实施方式。
【具体实施方式】
实施例
在实施例中，使用的激光器是Lissotschenko Mikrooptik(LIMO)激光器二极管，具体为60瓦特二极管激光器LIMO 60-400-F400-DL808。该激光器产生波长为808nm的光且与400μm的光纤连接。该激光器需要冷却且使用ThermoTek P308-15009激光器二极管冷却器实现。使用Amtron CS412控制器来控制激光器的输出。激光器和冷却器安装在(独立的)预备室内，控制器安装在单独的控制室内。预备室具有安装了互锁的门，如果跳闸其使激光器断电。
对于每个实验，激光器通过光纤(200μm或400μm直径)连接它的初始系统或部件，光纤通过从预备室伸出的导管输入爆炸箱。
PETN的引爆
准备一批掺入2％的炭黑的PETN并用手压入呈标准SMA 905穿墙式连接器的形式的细长管状件内。光纤的暴露端插入管状件的端部以实现与掺杂质的PETN直接接触。掺杂质的PETN承受38瓦特的激光功率。这里有重要的报告，且没有剩余PETN被观测到。
引爆线的引爆
为了尝试引爆1m长度的引爆线，执行如图2所示的结构。使用10g/m的线。掺入炭黑的PETN装填进标准SMA 905穿墙式连接器中。光纤连接器是标准SMA 905装置。平均起来，掺入0.3g 2％的炭黑的PETN包装为密度大约为1.0g/cm3，装填进穿墙式连接器。穿墙式连接器插入Yorlok压缩装置，在那里扩大对接焊缝扩大、分接以接收穿墙式连接器。
以38W的激光能量照射起爆剂。这导致了引爆线的引爆，实验后不剩下任何线。
为了测试引爆线是否发展为完全引爆，在激光引爆装置内插入3米的引爆线。引爆线的自由端系成小节点，并插入Magnafrac封装乳胶的2×16’的弹药筒的末端。该系统以38W的激光照射引爆。弹药筒的引爆速度通过两导线方法测定。测定值为4820m/s。该方法的误差为+200m/s。为了比较，五个弹药筒使用#8雷管发射并记录VOD。平均VOD为4850m/s。从这个结果看引爆线实际达到完全引爆。
彭托利特炸药推进器的引爆
为了引爆推进器，要求设计保证起爆剂经历引爆传递(DDT)的爆燃过程。
执行一系列实验，其中多种类型的约束炸药被限制在内部直径为3.2mm、外部直径为6.4mm、长度为110mm的细长不锈钢管内。该管在开口端密封(使用玻璃纸带)并在另一端连接到光纤。光纤的暴露端延伸入引爆炸药内。该布置如图3和4所示。
图3示出了在细长不锈钢管3内填装有约束炸药2。管3的端部用玻璃纸带12密封以避免约束炸药2的损失。该带在如何实现散装炸药的引爆方面不影响本发明的执行。光纤4使用合适的连接器5连接到管3的一端。光纤4的暴露端延伸进限制部分2内。在如图3所示的实施例中，约束炸药2可由不同的爆炸材料(2a，2b)的离散部分组成。邻接光纤4的暴露端的部分2a可比远离光纤4的暴露端的部分对热传递更加敏感。因此，部分2a可包括掺入炭黑的PETN而部分2b可以仅仅是PETN。
图4所示为当装填进推进器7时的管3。为了方便起见，推进器7可具有一个或多个井。管3使用环氧胶13密封在井内。当管插入推进器的井内时，约束炸药2的至少一部分的长度被推进器7围绕。
所使用的约束炸药的特性、激光功率、是否发生引爆以及当激光开始发射时和当发生引爆时之间的(大约)时间如下表所示。通过比较使用根据本发明引爆的推进器对成为证据的HDPE金属板(4×2×24cm)损害和使用#8雷管引爆的同种推进器(90g彭托利特炸药)对成为证据同种金属板的损害可判断成功的引爆。
实验 序号 管内爆炸组合物 激光功 率(W) 引爆 大约延迟 时间(秒) 1 掺入0.3g2％炭黑的PETN、手压乘余的纯PETN，与掺 杂的PETN接触的光纤 38 是 无 2 掺入0.3g 2％炭黑的PETN、手压剩余的纯PETN，与掺 杂的PETN接触的光纤 1.0 是 0.5 3 掺入0.3g 20％炭黑的PETN、剩余的纯PETN，与掺杂 的PETN接触的光纤 1.0 是 0.5 4 掺入0.3g 50％炭黑的PETN、剩余的纯PETN，与掺杂 的PETN接触的光纤 1.0 否 - 5 掺入0.3g50％炭黑的PETN、剩余的纯PETN，与掺杂 的PETN接触的光纤 2.5 是 1.5 6 撒在光纤和PETN之间表面上的炭黑，与炭黑接触的光 纤 11.0 是 0.5 7 纯PETN，接触光纤 10 是 8 8 掺入0.3g 2％炭黑的PETN、剩余的纯PETN，光纤和炸 药之间的3mm间隙 1.0 是 无 9 掺入0.3g2％炭黑的PETN、剩余的纯PETN，光纤和炸 约之间的3mm间隙 0.5 是 ＞0.5 10 掺入松散2％炭黑的PETN 38 是 13 11 掺入2％炭黑的彭托利特炸药 30 是 15ms 12 掺入2％炭黑的彭托利特炸约 5 是 15ms
这里有一些特征值得注意。首先，炭黑似乎是有效地将照射能量与爆炸结合在一起的有效的化学药剂。没有炭黑，比使用掺入2％炭黑的PETN需要几乎三个数量级的更多的能量来引爆。能量简单地等于功率乘以时间，且在激光器供给的恒定功率下，要求激光器运行更久点以达到临界点。进一步比较可参考实验3和10。
其次，PETN内的炭黑似乎具有一个最佳浓度。实验2和3是相同的，但增加炭黑的量到50％具有有害的影响。很明显，这里存在一个点，其中PETN足够地稀释以要求实质更多的引爆能量。在这种情况下，这可以是热传递的影响或PETN对合适的蔓延无能为力。
第三，在光纤和炸药表面间的间隙对延迟时间具有实际影响，可从实验8和9中看出。空气间隙最可能作为隔离层。
第四，掺入炭黑的彭托利特炸药在相对高和低的激光功率下容易引爆。
最后，最重要的，这个设计允许推进器在相对低的激光功率下引爆。因而轻便的引爆系统的设计是相当可行的。
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