CN106593442B - 基于混相泡沫乳化液装置的爆破破岩系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于混相泡沫乳化液装置的爆破破岩系统及其方法，涉及矿山、隧道和地下岩体工程开挖爆破破岩技术领域。本系统是：混相泡沫乳化液装置产生二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液；混相泡沫乳化液装置、阀门和爆破装置依次连通，二氧化碳基纳米聚能混相液充满爆破装置；起爆器和爆破装置连接，起爆二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液。本发明利用二氧化碳冲压相变爆燃产生的冲击波和二氧化碳相变膨胀压力，形成动静组合荷载；采用本质安全型设计；生产、制作工艺简单，价格经济，操作方便；使用的是工业废料，有利于节能减排。
Description
技术领域
本发明涉及矿山、隧道和地下岩体工程开挖爆破破岩技术领域，尤其涉及一种基于混相泡沫乳化液装置的爆破破岩系统及其方法，也可应用于其它需要提供爆破冲击压裂的领域。
背景技术
爆破是矿山生产过程必不可少的重要环节。近几年我国铁矿石生产增长非常快，2002年约2.33亿t，2006年达到5.88亿t，采剥总量超过14亿t。2006年铁矿企业炸药使用量40多万吨，加上锰矿、冶金辅料矿等，冶金矿山企业炸药使用总量超过50万t，占我国工业炸药使用量的20％。其中乳化炸药约占40％，多孔粒状铵油炸药约占45％，其他如铵梯炸药、粉状铵油炸药、铵沥蜡炸药、铵松蜡炸药等约占15％，主要在地方中小型矿山使用。
根据国防科工委在《民用爆破器材行业“十一五”规划纲要》中关闭技术含量低、安全生产无保障生产企业的要求，冶金矿山企业炸药生产厂面临被撤并和关闭的命运。其突出问题就是生产技术落后，环境污染等。很明显，普通炸药在生产、存储、运输和装填过程中均存在一定风险。新型本质安全型、现场调制现场使用的民爆产品是未来民爆行业发展的新方向。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种基于混相泡沫乳化液装置的爆破破岩系统及其方法。
本发明的目的是这样实现的：
和普通民用炸药(乳化炸药、铵油炸药、铵梯炸药等)不同的是，本发明采用的工业原料是二氧化碳气体、高能金属和有机高分子材料，均是工业副产品，价格低廉，并且对环境友好，无污染。通过最新科技纳米科技，生产出符合现代技术发展理念的民爆新产品。并且采用分开装填、存储和运输的方式，能够保障储运和使用过程的本质安全，符合国家提倡的去产能、节能减排、产业升级和环境友好的发展理念。
本发明采用纳米聚能流体与二氧化碳氧化还原反应(化学过程)释放的热量，一方面使得二氧化碳高温膨胀和相变，产生高压膨胀的特点；另一方面，激烈的化学反应转化为爆炸冲击波，进一步增强了流体压力，具有炸药爆炸的特点。从而形成爆炸冲击波和二氧化碳快速膨胀和相变的高压射流动静组合荷载，在原理和结构上均具有明显创新。
具体地说：
一、基于混相泡沫乳化液装置的爆破破岩系统(简称系统)
本系统包括目标岩体，设置有混相泡沫乳化液装置、爆破装置、起爆器和阀门；
在目标岩体中设置有爆破装置；
混相泡沫乳化液装置产生二氧化碳基纳米聚能混相液；
混相泡沫乳化液装置、阀门和爆破装置依次连通，二氧化碳基纳米聚能混相液充满爆破装置；
起爆器和爆破装置连接，起爆二氧化碳基纳米聚能混相液。
二、基于混相泡沫乳化液装置的爆破破岩方法(简称方法)
①装置安装
将基于混相泡沫乳化液装置安装好，将爆破装置置于目标岩体中，并与基于混相泡沫乳化液装置和起爆器连接；
②注入纳米聚能流体和高压二氧化碳
关闭第2电磁阀，打开第1阀门和第4阀门，开启A增压计量泵，将纳米聚能流体注入纳米聚能流体存储器内，并至预定压力；
关闭第电磁阀和第3电磁阀，打开第2阀门和第3阀门，开启B增压计量泵，将高压二氧化碳注入高压二氧化碳存储器内，并至预定压力；
③制备和注入二氧化碳基纳米聚能混相液
通过电脑控制第4阀门、第1电磁阀和第2电磁阀的开关状态及闭合程度，调节高压二氧化碳和纳米聚能流体的流量，并以一定的比例混合进入静态发生器，从而产生二氧化碳基纳米聚能混相液；随着二氧化碳基纳米聚能混相液的乳化泡沫流体压力的升高，主动开启单向阀，乳化泡沫流体经过阀门进入安装在目标岩体B内部的爆破筒中；
④起爆
待压力平衡后，关闭A、B增压计量泵及所有阀门，启动起爆器，激发起起爆针从而起爆爆破装置；
⑤效果评估
爆破完成后，关闭起爆器，评估爆破效果。
本发明具有下列优点和积极效果：
①利用二氧化碳冲压相变爆燃产生的冲击波和二氧化碳相变膨胀压力，形成动静组合荷载；
②采用本质安全型设计，具备现场调配和现场充注使用的特点，从而保证了存储、运输方便、安全和高效，产品本身绿色环保；
③生产、制作工艺简单，价格经济，操作方便；
④使用的是工业废料，例如二氧化碳等原材料，有利于节能减排。
附图说明：
图1是本系统的结构示意图；
图2是爆破装置的结构示意图。
图中：
00—二氧化碳基纳米聚能混相液；
A—混相泡沫乳化液装置，
1—纳米聚能流体，2—高压二氧化碳，3—A增压计量泵，
4—B增压计量泵，5—第1阀门，6—第2阀门，
7—第3阀门，8—活塞，9—高压二氧化碳存储器，
10—纳米聚能流体存储器，11—第4阀门，12—第1电磁阀，
13—第2电磁阀，14—第3电磁阀，15—静态混合器，
16—单向阀；
B—目标岩体；
C—爆破装置，
C1—注气孔，C2—起爆针，C3—爆破筒；
D—起爆器；
E—阀门。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、系统
1、总体
如图1，本系统包括目标岩体B，设置有混相泡沫乳化液装置A、爆破装置C、起爆器D和阀门E；
在目标岩体B中设置有爆破装置C；
混相泡沫乳化液装置A产生二氧化碳基纳米聚能混相液00；
混相泡沫乳化液装置A、阀门E和爆破装置C依次连通，二氧化碳基纳米聚能混相液00充满爆破装置C；
起爆器D和爆破装置C连接，起爆二氧化碳基纳米聚能乳化液00。
2、功能部件
1)混相泡沫乳化液装置A
混相泡沫乳化液装置A包括纳米聚能流体1、高压二氧化碳2、A增压计量泵3、B增压计量泵4、第1阀门5、第2阀门6、第3阀门7、活塞8、高压二氧化碳存储器9、纳米聚能流体存储器10、第4阀门11、第1电磁阀12、第2电磁阀13、第3电磁阀14、静态混合器15、单向阀16和高压混相泡沫乳化液存储器；
其位置和连接关系是：
纳米聚能流体1、A增压计量泵3、第1阀门5、第4阀门11和纳米聚能流体存储器10依次连通；
高压二氧化碳2、B增压计量泵4、第2阀门6、第3阀门7和高压二氧化碳存储器9依次连通；
在高压二氧化碳存储器9内设置有纳米聚能流体存储器10，在纳米聚能流体存储器10的内部设置有活塞8；纳米聚能流体存储器10的出口与第2电磁阀13连通；在纳米聚能流体存储器10的边缘处设置有2个高压二氧化碳存储器9的出口，并分别与第1电磁阀12和第3电磁阀14连通；第1电磁阀12、第2电磁阀13和第3电磁阀14的另一端都与静态混合器15连通；静态混合器15、单向阀16和高压混相泡沫乳化液存储器依次连通。
(1)A、B增压计量泵
A、B增压计量泵均是一种常规使用的控制流体流量和流速的设备；
其功能是控制高压二氧化碳或纳米聚能流体的流速。
(2)高压二氧化碳存储器9
高压二氧化碳存储器9是不锈钢材质定制的存储容器；
其功能是存储高压二氧化碳(20MPa以上)。
(3)纳米聚能流体存储器10
纳米聚能流体存储器10是不锈钢材质定制的存储容器；
其功能是存储纳米聚能流体。
(4)第1、2、3电磁阀12、13、14
第1、2、3电磁阀12、13、14均是根据需求和响应时间、流量等定制的电磁阀门；
其功能是通过电信号控制高压二氧化碳或纳米聚能流体的流量及流速。
(5)静态混合器15
静态混合器15是一种没有运动部件的高效混合设备，其基本工作机理是利用固定在管内的混合单元体改变流体在管内的流动状态，以达到不同流体之间良好分散和充分混合的目的；
其功能是将高压二氧化碳和纳米聚能流体充分混合，形成混相泡沫乳化液。
(6)单向阀16
单向阀是一种常规的不锈钢材质的单向流动控制器件；
其功能是混相泡沫只能单向流动，防治混相泡沫反串。
(7)二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液(简称混相泡沫乳化液)
组分按质量比：
纳米聚能流体：1；
高压二氧化碳：3-4；
注入静态混合器制备而成；
所述的纳米聚能流体由纳米镁粒子、纳米铝粒子、纳米过氧化钠粒子等纳米级聚能粒子以及分散剂、表面活性剂、二氧化碳增稠剂按照质量比3：2：1：0.01：0.01：0.05调制而成；
所述的高压二氧化碳是液态或超临界态二氧化碳基液。
工作原理
二氧化碳基纳米聚能混相液由纳米聚能流体1和高压二氧化碳2经过静态混合器15制备而成；并采用电磁阀调节纳米聚能流体1和高压二氧化碳2的流量，从而产生不同级配和功能的二氧化碳基纳米聚能混相液。
本发明提供了一种高能流体，在外界点火等刺激下会产生爆燃，形成高温高压环境，能够应用在矿石、隧道、地下岩体工程爆破、人工可控震源等领域，提供了一种新的动力能源，也可为深部地层压裂、驱替、高温裂解、传热传质工艺提供良好工介。采用本质安全型设计，具备现场调配现场充注使用的特点，从而保证了存储、运输方便、安全、高效，产品本身绿色环保。
2)目标岩体B
目标岩体B为需要爆破的目标，一般为矿山、隧道和地下岩体工程等需要开挖岩体。
3)爆破装置C
如图2，爆破装置C是一种带有起爆针和注气孔的金属管状装置；
其功能是作为二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液剧烈反应场所，并能被高压气体冲破；
爆破装置C包括注气孔C1、起爆针C2、爆破筒C3和二氧化碳基纳米聚能混相液00；在爆破筒C3中充满二氧化碳基纳米聚能混相液00，在爆破筒C3的进端面设置有注气孔C1和起爆针C2。
(1)起爆针C2是一种常用的电子起爆器；
其功能是释放高能热量引燃二氧化碳基纳米聚能混相液00；
(2)爆破筒C3
爆破筒C3是一次性爆破筒，爆破筒能够承受兆帕级流体压力，爆破筒尺寸有30mm*300mm、40mm400mm、50mm*1000mm等多个系列，爆破筒的型号选择具体情况视需要爆破致裂的岩体强度和预致裂程度而定。
4)起爆器D
起爆器D是一种常用的轻便手持式电起爆电源的器具；
其功能是为起爆针提供高压电流，使其工作时释放大量能量而引爆爆炸品。
5)阀门3
阀门3是一种常用的高压阀门。
其功能是控制注入管路的开闭状态。
3、工作原理
二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液00是一种高能流体，在外界点火等刺激下会产生爆燃，形成高温高压环境，能够应用在矿石、隧道、地下岩体工程爆破、人工可控震源等领域，提供了一种新的动力能源，也可为深部地层压裂、驱替、高温裂解、传热传质工艺提供良好工介。
通过本系统将不同级配和功能的二氧化碳基纳米聚能混相液00通过管路注入预先布置在目标岩体B内的爆破筒C3内，接通起爆器D对爆破筒C3进行精确电控起爆，从而达到爆破破岩的目的。
Claims (2)
1.一种基于混相泡沫乳化液装置的爆破破岩系统，包括目标岩体(B)；
设置有混相泡沫乳化液装置(A)、爆破装置(C)、起爆器(D)和阀门(E)；
在目标岩体(B)中设置有爆破装置(C)；
混相泡沫乳化液装置(A)产生二氧化碳基纳米聚能混相 泡沫乳化液(00)；
混相泡沫乳化液装置(A)、阀门(E)和爆破装置(C)依次连通，二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液(00)充满爆破装置(C)；
起爆器(D)和爆破装置(C)连接，起爆二氧化碳基纳米聚能混相 泡沫乳化液(00)；
所述的爆破装置(C)包括注气孔(C1)、起爆针(C2)、爆破筒(C3)和二氧化碳基纳米聚能混相 泡沫乳化液(00)；
在爆破筒(C3)中充满二氧化碳基纳米聚能混相 泡沫乳化液(00)，在爆破筒(C3)的进端面设置有注气孔(C1)和起爆针(C2)；
其特征在于：
所述的混相泡沫乳化液装置(A)包括纳米聚能流体(1)、高压二氧化碳(2)、A增压计量泵(3)、B增压计量泵(4)、第1阀门(5)、第2阀门(6)、第3阀门(7)、活塞(8)、高压二氧化碳存储器(9)、纳米聚能流体存储器(10)、第4阀门(11)、第1电磁阀(12)、第2电磁阀(13)、第3电磁阀(14)、静态混合器(15)、单向阀(16)和高压混相泡沫乳化液存储器；
其位置和连接关系是：
纳米聚能流体(1)、A增压计量泵(3)、第1阀门(5)、第4阀门(11)和纳米聚能流体存储器(10)依次连通；
高压二氧化碳(2)、B增压计量泵(4)、第2阀门(6)、第3阀门(7)和高压二氧化碳存储器(9)依次连通；
在高压二氧化碳存储器(9)内设置有纳米聚能流体存储器(10)，在纳米聚能流体存储器(10)的内部设置有活塞(8)；纳米聚能流体存储器(10)的出口与第2电磁阀(13)连通；在纳米聚能流体存储器(10)的边缘处设置有2个高压二氧化碳存储器(9)的出口，并分别与第1电磁阀(12)和第3电磁阀(14)连通；第1电磁阀(12)、第2电磁阀(13)和第3电磁阀(14)的另一端都与静态混合器(15)连通；静态混合器(15)、单向阀(16)和高压混相泡沫乳化液存储器依次连通；
所述的二氧化碳基纳米聚能混相 泡沫乳化液(00)，组分按质量比：
纳米聚能流体(1)：1；高压二氧化碳(2)：3-4；
所述的纳米聚能流体(1)由纳米镁粒子、纳米铝粒子、纳米过氧化钠粒子以及分散剂、表面活性剂、二氧化碳增稠剂按照质量比3：2：1：0.01：0.01：0.05调制而成；
所述的高压二氧化碳(2)是液态或超临界态二氧化碳基液。
2.基于权利要求1所述爆破破岩系统的爆破破岩方法，其特征在于：
①装置安装
将混相泡沫乳化液装置(A)安装好，将爆破装置(C)置于目标岩体(B)中，并与混相泡沫乳化液装置(A)和起爆器(D)连接；
②注入纳米聚能流体(1)和高压二氧化碳(2)
关闭第2电磁阀(13)，打开第1阀门(5)和第4阀门(11)，开启A增压计量泵(3)，将纳米聚能流体(1)注入纳米聚能流体存储器(10)内，并至预定压力；
关闭第1电磁阀(12)和第3电磁阀(14)，打开第2阀门(6)和第3阀门(7)，开启B增压计量泵(4)，将高压二氧化碳(2)注入高压二氧化碳存储器(9)内，并至预定压力；
③制备和注入二氧化碳基纳米聚能混相 泡沫乳化液(00)
通过电脑控制第4阀门(11)、第1电磁阀(12)和第2电磁阀(13)的开关状态及闭合程度，调节高压二氧化碳(2)和纳米聚能流体(1)的流量，并以一定的比例混合进入静态混合器(15)，从而产生二氧化碳基纳米聚能混相 泡沫乳化液(00)；随着二氧化碳基纳米聚能混相泡沫乳化液(00)的乳化泡沫流体压力的升高，主动开启单向阀(16)，乳化泡沫流体经过阀门(E)进入安装在目标岩体(B)内部的爆破筒(C3)中；
④起爆
待压力平衡后，关闭A、B增压计量泵(3、4)及所有阀门，启动起爆器(D)，激发起爆针(C2)从而起爆爆破装置(C)；
⑤效果评估
爆破完成后，关闭起爆器(D)，评估爆破效果。
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