CN108463020B - 一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置 - Google Patents
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Abstract
一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，包括大功率微波发生器、大功率微波同轴加热器、大功率低损耗微波同轴传输线及微波功率自适应调控系统；大功率微波发生器包括连续波磁控管、永磁体、波导激励腔、同轴环形器、同轴匹配负载、同轴耦合转换器、波导同轴转换器及输出波导；大功率微波同轴加热器包括传输线内导体、传输线外导体、微波输入接头、微波短路封盖及导体支撑筒；大功率低损耗微波同轴传输线包括输入端同轴线、中间段同轴线及输出端同轴线，输入端同轴线通过若干串联的中间段同轴线与输出端同轴线相连；微波功率自适应调控系统包括阻抗匹配调节器、微波功率控制器及温度传感器，通过阻抗匹配调节器对微波功率进行阻抗实时匹配。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程及采矿工程技术领域，特别是涉及一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置。
背景技术
微波辅助破岩技术是一种极具潜力的新兴破岩技术，在机械刀具切削岩石前，通过微波预先辐射致裂岩石，降低岩石的单轴压缩、抗拉和点荷载强度等力学特性，解决机械法破碎硬岩时刀具易磨损的问题，即可提高破岩效率，还可降低破岩成本。采用微波辅助致裂技术可对深部岩体进行有效的应力释放，在应力释放孔的基础上增加岩体预裂，这样在围岩内部造成一个破裂带，降低内部岩体应力和能量集中水平，从而有效降低极强岩爆的风险。
想要将微波辅助破岩技术应用到工程岩体进行孔内致裂，就必须采用大功率微波进行致裂，因此就必须要用到大功率微波致裂装置，同时还要拥有适合的微波加热器和微波同轴传输线才行。
但是，目前传统的微波发生器多为采用单模或多模谐振腔的箱体式结构，微波通过在密闭的腔体内反射，从而使腔体内的岩石完成对微波的吸收，微波的频率为915MHz或2450MHz，微波输出的最高功率约为30kW，该类微波发生器仅适用于室内试验，可以用来研究微波辐射对岩石热物理特性及力学特性的影响，但却无法满足实际工程应用。虽然30kW的微波功率能够满足小尺寸岩块的致裂需要，但对于实际工程中的工程岩体来说，该微波功率还是过小，当该功率下的微波辐射到工程岩体后，工程岩体的升温速率较低，这将导致工程岩体发生局部熔化，而无法产生所需的致裂效果。那么能否采用多组小功率叠加方式呢，答案也是否定的，因为多个微波加热器进行叠加加热时，各个微波加热器所辐射出的微波能量还没有被工程岩体吸收时，就会相互耦合或抵消了，最终还是无法实现岩石致裂。另外，尽管还有一些能够满足大功率输出的微波发生器，但此类微波发生器均属于工业级，微波发生器体积庞大，且均通过电磁铁提供磁场，并采用Y结环形器进行反射功率的隔离，此类微波发生器无法移动到工程现场进行应用，也不具备与破岩机械进行结合的条件。
目前传统的微波加热器无法满足大功率孔内致裂要求，由于传统的微波加热器的功率容量偏低，而且微波辐射范围较小，如果强行输入大功率微波，则会导致空气电离并发生击穿打火现象，从而损坏大功率微波致裂装置。
目前传统结构的微波同轴传输线无法满足大功率孔内致裂要求，其功率容量偏低且远距离传输时微波能量损耗大，而且微波同轴传输线的外径尺寸无法有效满足岩体孔尺寸要求，并且现场安装和拆卸也不方便。
再有，由于目前利用微波致裂工程岩体的技术方案还主要停留在室内试验阶段，微波发生器输出的微波功率以恒定状态作用在岩石试样上，但由于岩石试样的温度变化很大，会导致岩石试样的微波特性(介电常数、介电损耗等)也会相应产生较大变化，最终导致岩石试样的负载阻抗具有了动态特性，也就是说，岩石试样的负载阻抗产生动态变化时，如果还以恒定微波功率作用岩石试样，必然会导致阻抗不匹配，直接后果就是微波反射功率增大，这不但会导致微波设备的稳定性降低，同时使微波能的利用效率降低。因此，想要将微波辅助破岩技术成功的应用到实际工程中，必须实现微波功率的自适应调控，在岩石负载阻抗产生动态变化时，可以满足阻抗的实时匹配。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，在其内全新设计了大功率微波发生器、大功率微波同轴加热器、大功率低损耗微波同轴传输线以及微波功率自适应调控系统；大功率微波发生器有效满足了实际工程应用，并且首次在大功率微波发生器中应用了永磁体来提供磁场，同时首次在大功率微波发生器中应用同轴环形器进行反射功率的隔离，使大功率微波发生器的结构更加紧凑，体积大幅度缩小，也进一步具备了与破岩机械进行结合的条件；大功率微波同轴加热器具有更高的功率容量，微波辐射范围更大，能够有效满足大功率孔内致裂要求，并且能够有效避免因空气电离而发生的击穿打火现象；大功率低损耗微波同轴传输线具有更高的功率容量，远距离传输时微波能量损耗小，能够有效满足大功率孔内致裂要求，并且方便现场安装和拆卸；微波功率自适应调控系统实现了微波功率的自适应调控，在岩石负载阻抗产生动态变化时，可以满足阻抗的实时匹配，有效提高了微波设备的稳定性，最大程度的降低了微波反射功率，有效满足了微波辅助破岩技术在实际工程中的应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，包括大功率微波发生器、大功率微波同轴加热器、大功率低损耗微波同轴传输线及微波功率自适应调控系统；所述大功率微波发生器依次通过微波功率自适应调控系统及大功率低损耗微波同轴传输线与大功率微波同轴加热器相连；所述大功率微波同轴加热器用于辐射微波能量使工程岩体孔周围的岩石产生致裂；所述微波功率自适应调控系统用于将大功率微波发生器输出的微波功率进行阻抗实时匹配；所述大功率低损耗微波同轴传输线用于将阻抗匹配好的微波传输至大功率微波同轴加热器内。
所述大功率微波发生器包括连续波磁控管、永磁体、波导激励腔、同轴环形器、同轴匹配负载、同轴耦合转换器、波导同轴转换器及输出波导；所述永磁体采用圆环形结构，永磁体固定套装在连续波磁控管外部，用于为连续波磁控管提供磁场；所述连续波磁控管通过导线与电源相连，连续波磁控管的微波发射头位于波导激励腔内，通过连续波磁控管将直流电能转换为微波能，连续波磁控管产生的微波能通过微波发射头进入波导激励腔内，并在波导激励腔内形成导行模；所述同轴环形器上设置有三个端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述波导激励腔通过同轴耦合转换器与同轴环形器的第一端口相连接，所述连续波磁控管产生的微波能依次通过波导激励腔及同轴耦合转换器进入同轴环形器内；所述输出波导通过波导同轴转换器与同轴环形器的第二端口相连接，同轴环形器内的微波能量通过波导同轴转换器进入输出波导内，微波能量由同轴输出模式转换成波导模式；所述输出波导是微波发生器的微波输出口；所述同轴匹配负载连接在同轴环形器的第三端口，同轴匹配负载用于吸收同轴环形器隔离的微波反射功率，用于保护同轴环形器和连续波磁控管。
所述大功率微波同轴加热器包括微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头、微波短路封盖及导体支撑筒；所述微波传输内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述微波传输外导体为圆柱筒形结构，微波传输外导体同轴套装在微波传输内导体外侧，处于同轴套装状态的微波传输内导体和微波传输外导体固装在微波输入接头与微波短路封盖之间；所述微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头及微波短路封盖之间形成环向空间，环向空间内由导体支撑筒进行填充，通过导体支撑筒维持微波传输内导体与微波传输外导体之间的同轴状态；在所述微波传输外导体的筒壁上开设有若干微波辐射口，通过微波辐射口向外辐射微波能量，在微波辐射口内填充有防击穿介质块。
所述导体支撑筒及防击穿介质块均采用透波材料制成；所述微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头及微波短路封盖均采用导电金属材料制成；所述微波辐射口为弧形条缝状，微波辐射口的弧形条缝长度等于微波传输外导体圆周长度的2/3；所述防击穿介质块与微波辐射口的形状和尺寸完全相同，若干微波辐射口在微波传输外导体轴向方向上等间距分布，且相邻的微波辐射口的朝向彼此相反，相邻微波辐射口之间的间距为
其中，εr为透波材料的相对介电常数；与所述微波短路封盖相邻的微波辐射口，其与微波短路封盖之间的间距为1/2λp，其中，
式中，λp为相波长，λ为微波波长，εr为透波材料的相对介电常数。
所述大功率低损耗微波同轴传输线采用组合式结构，包括输入端同轴线、中间段同轴线及输出端同轴线，所述输入端同轴线通过若干串联的中间段同轴线与输出端同轴线相连；所述输入端同轴线包括输入端内导体、输入端外导体、输入端微波输入接头、输入端微波输出接头及输入端导体支撑盘；所述输入端内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述输入端外导体为圆柱筒形结构，输入端外导体同轴套装在输入端内导体外侧；所述输入端微波输入接头同轴固连在输入端外导体的前端筒口，所述输入端导体支撑盘固装在输入端内导体与输入端微波输入接头之间，通过输入端导体支撑盘维持输入端内导体与输入端外导体的同轴状态；所述输入端微波输出接头同轴固连在输入端外导体的后端筒口。
所述中间段同轴线包括中间段内导体、中间段外导体、中间段微波输入接头、中间段微波输出接头及中间段导体支撑盘；所述中间段内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述中间段外导体为圆柱筒形结构，中间段外导体同轴套装在中间段内导体外侧；所述中间段微波输入接头同轴固连在中间段外导体的前端筒口，所述中间段导体支撑盘固装在中间段内导体与中间段微波输入接头之间，通过中间段导体支撑盘维持中间段内导体与中间段外导体的同轴状态；所述中间段微波输出接头同轴固连在中间段外导体的后端筒口；所述中间段微波输入接头与输入端微波输出接头同轴螺纹连接配合，或者与相邻中间段同轴线的中间段微波输出接头同轴螺纹连接配合。
所述输出端同轴线包括输出端内导体、输出端外导体、输出端微波输入接头、输出端微波输出接头、输出端前导体支撑盘及输出端后导体支撑盘；所述输出端内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述输出端外导体为圆柱筒形结构，输出端外导体同轴套装在输出端内导体外侧；所述输出端微波输入接头同轴固连在输出端外导体的前端筒口，所述输出端前导体支撑盘固装在输出端内导体与输出端微波输入接头之间；所述输出端微波输出接头同轴固连在输出端外导体的后端筒口，所述输出端后导体支撑盘固装在输出端内导体与输出端微波输出接头之间；通过所述输出端前导体支撑盘及输出端后导体支撑盘维持输出端内导体与输出端外导体的同轴状态；所述输出端微波输入接头与中间段微波输出接头同轴螺纹连接配合。
在所述输入端微波输入接头上开设有干冷气体接入口，在所述中间段导体支撑盘及输出端前导体支撑盘上开设有若干干冷气体通过孔，在所述输出端微波输出接头上开设有若干干冷气体排出口。
所述输入端内导体、输入端外导体、输入端微波输入接头、输入端微波输出接头、中间段内导体、中间段外导体、中间段微波输入接头、中间段微波输出接头、输出端内导体、输出端外导体、输出端微波输入接头及输出端微波输出接头均采用导电金属材料制成；所述输入端导体支撑盘、中间段导体支撑盘、输出端前导体支撑盘及输出端后导体支撑盘均采用透波材料制成。
所述微波功率自适应调控系统包括阻抗匹配调节器、微波功率控制器及温度传感器；所述阻抗匹配调节器一端用于接入大功率微波发生器输出的微波，且微波的入射功率记录在阻抗匹配调节器内；所述阻抗匹配调节器另一端用于输出微波，阻抗匹配调节器输出的微波通过大功率低损耗微波同轴传输线传输至大功率微波同轴加热器，再通过大功率微波同轴加热器辐射出的微波对岩体进行致裂；当岩体反射的微波依次通过大功率微波同轴加热器及大功率低损耗微波同轴传输线返回至阻抗匹配调节器后，通过阻抗匹配调节器记录下微波的反射功率，所述微波功率控制器用于接收阻抗匹配调节器反馈的微波入射功率和反射功率；所述温度传感器用于采集岩体在微波致裂时的温度数据，该温度数据直接反馈给微波功率控制器，在微波功率控制器内预设有岩体的反射系数数据，微波功率控制器首先以阻抗匹配调节器反馈的微波入射功率和反射功率为依据，再通过温度数据和反射系数数据计算出满足阻抗匹配的微波功率数据，微波功率控制器最后将满足阻抗匹配的微波功率数据反馈到阻抗匹配调节器中，最终通过阻抗匹配调节器将大功率微波发生器输出的微波功率进行阻抗实时匹配。
本发明的有益效果：
本发明的工程岩体大功率微波孔内致裂装置，在其内全新设计了大功率微波发生器、大功率微波同轴加热器、大功率低损耗微波同轴传输线以及微波功率自适应调控系统；大功率微波发生器有效满足了实际工程应用，并且首次在大功率微波发生器中应用了永磁体来提供磁场，同时首次在大功率微波发生器中应用同轴环形器进行反射功率的隔离，使大功率微波发生器的结构更加紧凑，体积大幅度缩小，也进一步具备了与破岩机械进行结合的条件；大功率微波同轴加热器具有更高的功率容量，微波辐射范围更大，能够有效满足大功率孔内致裂要求，并且能够有效避免因空气电离而发生的击穿打火现象；大功率低损耗微波同轴传输线具有更高的功率容量，远距离传输时微波能量损耗小，能够有效满足大功率孔内致裂要求，并且方便现场安装和拆卸；微波功率自适应调控系统实现了微波功率的自适应调控，在岩石负载阻抗产生动态变化时，可以满足阻抗的实时匹配，有效提高了微波设备的稳定性，最大程度的降低了微波反射功率，有效满足了微波辅助破岩技术在实际工程中的应用。
附图说明
图1为本发明的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置的结构示意图；
图2为本发明的大功率微波发生器的结构示意图；
图3为本发明的大功率微波发生器的工作流程图；
图4为本发明的大功率微波同轴加热器的结构示意图；
图5为图4中A-A剖视图；
图6为图4中B-B剖视图；
图7为本发明的大功率微波同轴加热器的工作状态图；
图8为本发明的大功率低损耗微波同轴传输线的结构示意图；
图9为输入端同轴线的结构示意图；
图10为中间段同轴线的结构示意图；
图11为输出端同轴线的结构示意图；
图12为本发明的微波功率自适应调控系统的结构框图；
图中，1—大功率微波发生器，11—连续波磁控管，12—永磁体，13—波导激励腔，14—同轴环形器，15—同轴匹配负载，16—同轴耦合转换器，17—波导同轴转换器，18—输出波导，2—大功率微波同轴加热器，21—微波传输内导体，22—微波传输外导体，23—微波输入接头，24—微波短路封盖，25—导体支撑筒，26—微波辐射口，27—防击穿介质块，3—大功率低损耗微波同轴传输线，31—输入端同轴线，32—中间段同轴线，33—输出端同轴线，34—输入端内导体，35—输入端外导体，36—输入端微波输入接头，37—输入端微波输出接头，38—输入端导体支撑盘，39—中间段内导体，310—中间段外导体，311—中间段微波输入接头，312—中间段微波输出接头，313—中间段导体支撑盘，314—输出端内导体，315—输出端外导体，316—输出端微波输入接头，317—输出端微波输出接头，318—输出端前导体支撑盘，319—输出端后导体支撑盘，320—干冷气体接入口，321—干冷气体通过孔，322—干冷气体排出口，323—干冷气体，4—微波功率自适应调控系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～12所示，一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，包括大功率微波发生器1、大功率微波同轴加热器2、大功率低损耗微波同轴传输线3及微波功率自适应调控系统4；所述大功率微波发生器1依次通过微波功率自适应调控系统4及大功率低损耗微波同轴传输线3与大功率微波同轴加热器2相连；所述大功率微波同轴加热器2用于辐射微波能量使工程岩体孔周围的岩石产生致裂；所述微波功率自适应调控系统4用于将大功率微波发生器1输出的微波功率进行阻抗实时匹配；所述大功率低损耗微波同轴传输线3用于将阻抗匹配好的微波传输至大功率微波同轴加热器2内。
所述大功率微波发生器1包括连续波磁控管11、永磁体12、波导激励腔13、同轴环形器14、同轴匹配负载15、同轴耦合转换器16、波导同轴转换器17及输出波导18；所述永磁体12采用圆环形结构，永磁体12固定套装在连续波磁控管11外部，用于为连续波磁控管11提供磁场；所述连续波磁控管11通过导线与电源相连，连续波磁控管11的微波发射头位于波导激励腔13内，通过连续波磁控管11将直流电能转换为微波能，连续波磁控管11产生的微波能通过微波发射头进入波导激励腔13内，并在波导激励腔13内形成导行模；所述同轴环形器14上设置有三个端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述波导激励腔13通过同轴耦合转换器16与同轴环形器14的第一端口相连接，所述连续波磁控管11产生的微波能依次通过波导激励腔13及同轴耦合转换器16进入同轴环形器14内；所述输出波导18通过波导同轴转换器17与同轴环形器14的第二端口相连接，同轴环形器14内的微波能量通过波导同轴转换器17进入输出波导18内，微波能量由同轴输出模式转换成波导模式；所述输出波导18是微波发生器的微波输出口；所述同轴匹配负载15连接在同轴环形器14的第三端口，同轴匹配负载15用于吸收同轴环形器14隔离的微波反射功率，用于保护同轴环形器14和连续波磁控管11。
当接通连续波磁控管11的电源后，在永磁体12提供的磁场作用下，连续波磁控管11将直流电能转换为微波能，该微波能首先进入波导激励腔13内，并在波导激励腔13内形成导行模，进而通过同轴耦合转换器16进入同轴环形器14内，而进入同轴环形器14内的微波能会通过波导同轴转换器17进入输出波导18内，此过程中微波能量将由同轴输出模式转换成波导模式，最后波导模式下的微波能量直接由输出波导18进行输出，并通过大功率低损耗微波同轴传输线3传递给终端的大功率微波同轴加热器2。
当大功率微波同轴加热器2的产生微波反射功率后，该微波反射功率将依次通过大功率低损耗微波同轴传输线3、输出波导18、波导同轴转换器17及同轴环形器14进入同轴匹配负载15，通过同轴匹配负载15吸收同轴环形器14隔离的微波反射功率，用于保护同轴环形器14和连续波磁控管11。
所述大功率微波同轴加热器2包括微波传输内导体21、微波传输外导体22、微波输入接头23、微波短路封盖24及导体支撑筒25；所述微波传输内导体21为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述微波传输外导体22为圆柱筒形结构，微波传输外导体22同轴套装在微波传输内导体21外侧，处于同轴套装状态的微波传输内导体21和微波传输外导体22固装在微波输入接头23与微波短路封盖24之间；所述微波传输内导体21、微波传输外导体22、微波输入接头23及微波短路封盖24之间形成环向空间，环向空间内由导体支撑筒25进行填充，通过导体支撑筒25维持微波传输内导体21与微波传输外导体22之间的同轴状态；在所述微波传输外导体22的筒壁上开设有若干微波辐射口26，通过微波辐射口26向外辐射微波能量，在微波辐射口26内填充有防击穿介质块27。
所述导体支撑筒25及防击穿介质块27均采用透波材料制成。本实施例中，透波材料选用聚四氟乙烯；所述微波传输内导体21、微波传输外导体22、微波输入接头23及微波短路封盖24均采用导电金属材料制成。本实施例中，导电金属材料选用铜；所述微波辐射口26为弧形条缝状，微波辐射口26的弧形条缝长度等于微波传输外导体22圆周长度的2/3，由于弧形条缝状的微波辐射口26的存在，其切割了微波传输外导体22内壁的电流线，进而使微波辐射口26受到激励而向外辐射微波能量；所述防击穿介质块27与微波辐射口26的形状和尺寸完全相同，若干所述微波辐射口26在微波传输外导体22轴向方向上等间距分布，且相邻的微波辐射口26的朝向彼此相反；相邻所述微波辐射口26之间的间距为
其中，εr为透波材料的相对介电常数。由于在微波传输内导体21与微波传输外导体22之间填充了由透波材料制成的导体支撑筒25，方可使相邻微波辐射口26之间的间距仅为
而在长度有限的微波传输外导体22上，有效提高了微波辐射口26的数量，不但可以保证微波辐射的加热均匀性，还大幅度提高了加热器的功率容量；与所述微波短路封盖24相邻的微波辐射口26，其与微波短路封盖24之间的间距为1/2λp，其中，
式中，λp为相波长，λ为微波波长，εr为透波材料的相对介电常数。如此一来，保证了每个微波辐射口26所处的位置均为微波的波峰，即保证了每个微波辐射口26均能够获得最大的激励。
当大功率低损耗微波同轴传输线3与微波输入接头23连接在一起后，便可将大功率微波同轴加热器2伸入岩体孔内，微波能量将通过大功率低损耗微波同轴传输线3进入大功率微波同轴加热器2，首先进入微波传输内导体21与微波传输外导体22之间的环向空间，而弧形条缝状的微波辐射口26切割了微波传输外导体22内壁的电流线，使微波辐射口26受到激励而向外辐射微波能量，辐射出的微波能量直接由岩体孔周围的岩石吸收，从而使岩体孔周围的岩石产生致裂。
微波辐射口26在进行大功率孔内微波致裂时，因由透波材料制成的防击穿介质块27的存在，即使微波辐射口26的辐射场强很高，也可避免微波辐射口26的缝隙被击穿。本实施例中，透波材料因选用了聚四氟乙烯，其击穿场强可达200kV/mm，而空气介质的击穿场强仅为30kV/mm。
所述大功率低损耗微波同轴传输线3采用组合式结构，包括输入端同轴线31、中间段同轴线32及输出端同轴线33，所述输入端同轴线31通过若干串联的中间段同轴线32与输出端同轴线33相连。
所述输入端同轴线31包括输入端内导体34、输入端外导体35、输入端微波输入接头36、输入端微波输出接头37及输入端导体支撑盘38；所述输入端内导体34为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述输入端外导体35为圆柱筒形结构，输入端外导体35同轴套装在输入端内导体34外侧；所述输入端微波输入接头36同轴固连在输入端外导体35的前端筒口，所述输入端导体支撑盘38固装在输入端内导体34与输入端微波输入接头36之间，通过输入端导体支撑盘38维持输入端内导体34与输入端外导体35的同轴状态；所述输入端微波输出接头37同轴固连在输入端外导体35的后端筒口。
所述中间段同轴线32包括中间段内导体39、中间段外导体310、中间段微波输入接头311、中间段微波输出接头312及中间段导体支撑盘313；所述中间段内导体39为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述中间段外导体310为圆柱筒形结构，中间段外导体310同轴套装在中间段内导体39外侧；所述中间段微波输入接头311同轴固连在中间段外导体310的前端筒口，所述中间段导体支撑盘313固装在中间段内导体39与中间段微波输入接头311之间，通过中间段导体支撑盘313维持中间段内导体39与中间段外导体310的同轴状态；所述中间段微波输出接头312同轴固连在中间段外导体310的后端筒口；所述中间段微波输入接头311与输入端微波输出接头37同轴螺纹连接配合，或者与相邻中间段同轴线32的中间段微波输出接头312同轴螺纹连接配合。
所述输出端同轴线33包括输出端内导体314、输出端外导体315、输出端微波输入接头316、输出端微波输出接头317、输出端前导体支撑盘318及输出端后导体支撑盘319；所述输出端内导体314为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述输出端外导体315为圆柱筒形结构，输出端外导体315同轴套装在输出端内导体314外侧；所述输出端微波输入接头316同轴固连在输出端外导体315的前端筒口，所述输出端前导体支撑盘318固装在输出端内导体314与输出端微波输入接头316之间；所述输出端微波输出接头317同轴固连在输出端外导体315的后端筒口，所述输出端后导体支撑盘319固装在输出端内导体314与输出端微波输出接头317之间；通过所述输出端前导体支撑盘318及输出端后导体支撑盘319维持输出端内导体314与输出端外导体315的同轴状态；所述输出端微波输入接头316与中间段微波输出接头312同轴螺纹连接配合。
在所述输入端微波输入接头36上开设有干冷气体接入口320，在所述中间段导体支撑盘313及输出端前导体支撑盘318上开设有若干干冷气体通过孔321，在所述输出端微波输出接头317上开设有若干干冷气体排出口322。
所述输入端内导体34、输入端外导体35、输入端微波输入接头36、输入端微波输出接头37、中间段内导体39、中间段外导体310、中间段微波输入接头311、中间段微波输出接头312、输出端内导体314、输出端外导体315、输出端微波输入接头316及输出端微波输出接头317均采用导电金属材料制成。本实施例中，导电金属材料选用铜。
所述输入端导体支撑盘38、中间段导体支撑盘313、输出端前导体支撑盘318及输出端后导体支撑盘319均采用透波材料制成。本实施例中，透波材料选用聚四氟乙烯。
为了进一步提高外导体与内导体之间的导电率，以进一步降低传输损耗，可以在外导体的内表面和内导体的外表面涂镀一层低电阻率的材料。
由于输入端同轴线31与中间段同轴线32之间、相邻中间段同轴线32之间、中间段同轴线32与输出端同轴线33之间均通过螺纹连接，保证了外导体与内导体之间的良好电接触，避免了因电接触不良导致的过多的能量损耗；同时采用螺纹连接方式也更加方便现场进行微波同轴传输线的拆卸和安装。
为了避免微波同轴传输线在传输大功率微波时产生高热，则通过干冷气体对微波同轴传输线进行实时冷却，防止高温对空气介质的传输特性产生不良影响。
在使用大功率低损耗微波同轴传输线3之前，需要先将分散状态的输入端同轴线31、中间段同轴线32及输出端同轴线33串联组装在一起，并将组装好的大功率低损耗微波同轴传输线3连接在微波功率自适应调控系统4与大功率微波同轴加热器2之间，在进行微波致裂前，还需要将干冷气体接入口320与干冷机的气体输出口相接通。
进行微波致裂时，需要启动干冷机，大功率微波首先进入输入端同轴线31，再依次通过中间段同轴线32及输出端同轴线33传输至大功率微波同轴加热器2，最终通过大功率微波同轴加热器2向外辐射微波能量，辐射出的微波能量直接由岩体孔周围的岩石吸收，从而使岩体孔周围的岩石产生致裂。
在大功率微波传输过程中，由干冷机输出的干冷气体将依次通过输入端同轴线31、中间段同轴线32及输出端同轴线33，直至从干冷气体排出口322排出，通过干冷气体对微波同轴传输线进行实时冷却，防止高温对空气介质的传输特性产生不良影响。
所述微波功率自适应调控系统包括阻抗匹配调节器、微波功率控制器及温度传感器；所述阻抗匹配调节器一端用于接入大功率微波发生器1输出的微波，且微波的入射功率记录在阻抗匹配调节器内；所述阻抗匹配调节器另一端用于输出微波，阻抗匹配调节器输出的微波通过大功率低损耗微波同轴传输线3传输至大功率微波同轴加热器2，再通过大功率微波同轴加热器2辐射出的微波对岩体进行致裂；当岩体反射的微波依次通过大功率微波同轴加热器2及大功率低损耗微波同轴传输线3返回至阻抗匹配调节器后，通过阻抗匹配调节器记录下微波的反射功率，所述微波功率控制器用于接收阻抗匹配调节器反馈的微波入射功率和反射功率；所述温度传感器用于采集岩体在微波致裂时的温度数据，该温度数据直接反馈给微波功率控制器，在微波功率控制器内预设有岩体的反射系数数据，微波功率控制器首先以阻抗匹配调节器反馈的微波入射功率和反射功率为依据，再通过温度数据和反射系数数据计算出满足阻抗匹配的微波功率数据，微波功率控制器最后将满足阻抗匹配的微波功率数据反馈到阻抗匹配调节器中，最终通过阻抗匹配调节器将大功率微波发生器1输出的微波功率进行阻抗实时匹配。
微波功率自适应调控方法步骤为：启动大功率微波发生器1，通过大功率微波发生器1向阻抗匹配调节器内输入微波，通过阻抗匹配调节器对输入的微波功率进行初始匹配调节；微波功率经过初始匹配调节后，阻抗匹配调节器输出的微波再通过大功率低损耗微波同轴传输线3传输至大功率微波同轴加热器2，并通过大功率微波同轴加热器2辐射出的微波对岩体进行致裂；微波能量的一部分会被岩体吸收，而微波能量的另一部分则依次通过大功率微波同轴加热器2及大功率低损耗微波同轴传输线3反射回阻抗匹配调节器中，并通过阻抗匹配调节器记录下微波的入射功率和反射功率；将温度传感器采集的岩体在微波致裂时的温度数据反馈给微波功率控制器，微波功率控制器则以阻抗匹配调节器反馈的入射功率和反射功率为依据，并通过温度数据和反射系数数据计算出满足阻抗匹配的微波功率数据；通过微波功率控制器将满足阻抗匹配的微波功率数据反馈到阻抗匹配调节器中，并通过阻抗匹配调节器将大功率微波发生器1输出的微波功率进行阻抗实时匹配。
本实施例中，微波功率控制器采用PLC控制，并采用PID算法，在PLC内建立有功率调节模型，PLC通过功率调节模型来驱动阻抗匹配调节器建立数学模型或数据表，以快速在PLC内形成微波功率控制信息，从而使阻抗匹配调节器快速实现阻抗匹配，经阻抗匹配调节后的微波功率再通过大功率微波同轴加热器2辐射到岩体进行致裂，从而使微波反射功率降到最低。
本实施例中，为了获得预设的岩体反射系数数据，需要事先测量岩体的等效介电常数，并利用二项展开式对其进行表征，再将得到的等效介电常数表征式带入大功率微波同轴加热器2模型进行仿真计算，从而得到反射系数与岩体等效介电常数之间的对应关系，因为反射系数是由岩体等效介电常数决定的，因此反射系数与岩体等效介电常数存在一一对应的关系，而岩体等效介电常数与岩体温度数据同样有一一对应的关系，因此通过反射系数和温度数据便可计算出满足阻抗匹配的微波功率数据。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
Claims (8)
1.一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：包括大功率微波发生器、大功率微波同轴加热器、大功率低损耗微波同轴传输线及微波功率自适应调控系统；所述大功率微波发生器依次通过微波功率自适应调控系统及大功率低损耗微波同轴传输线与大功率微波同轴加热器相连；所述大功率微波同轴加热器用于辐射微波能量使工程岩体孔周围的岩石产生致裂；所述微波功率自适应调控系统用于将大功率微波发生器输出的微波功率进行阻抗实时匹配；所述大功率低损耗微波同轴传输线用于将阻抗匹配好的微波传输至大功率微波同轴加热器内；所述大功率微波发生器包括连续波磁控管、永磁体、波导激励腔、同轴环形器、同轴匹配负载、同轴耦合转换器、波导同轴转换器及输出波导；所述永磁体采用圆环形结构，永磁体固定套装在连续波磁控管外部，用于为连续波磁控管提供磁场；所述连续波磁控管通过导线与电源相连，连续波磁控管的微波发射头位于波导激励腔内，通过连续波磁控管将直流电能转换为微波能，连续波磁控管产生的微波能通过微波发射头进入波导激励腔内，并在波导激励腔内形成导行模；所述同轴环形器上设置有三个端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述波导激励腔通过同轴耦合转换器与同轴环形器的第一端口相连接，所述连续波磁控管产生的微波能依次通过波导激励腔及同轴耦合转换器进入同轴环形器内；所述输出波导通过波导同轴转换器与同轴环形器的第二端口相连接，同轴环形器内的微波能量通过波导同轴转换器进入输出波导内，微波能量由同轴输出模式转换成波导模式；所述输出波导是微波发生器的微波输出口；所述同轴匹配负载连接在同轴环形器的第三端口，同轴匹配负载用于吸收同轴环形器隔离的微波反射功率，用于保护同轴环形器和连续波磁控管；所述大功率微波同轴加热器包括微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头、微波短路封盖及导体支撑筒；所述微波传输内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述微波传输外导体为圆柱筒形结构，微波传输外导体同轴套装在微波传输内导体外侧，处于同轴套装状态的微波传输内导体和微波传输外导体固装在微波输入接头与微波短路封盖之间；所述微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头及微波短路封盖之间形成环向空间，环向空间内由导体支撑筒进行填充，通过导体支撑筒维持微波传输内导体与微波传输外导体之间的同轴状态；在所述微波传输外导体的筒壁上开设有若干微波辐射口，通过微波辐射口向外辐射微波能量，在微波辐射口内填充有防击穿介质块。
2.根据权利要求1所述的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：所述导体支撑筒及防击穿介质块均采用透波材料制成；所述微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头及微波短路封盖均采用导电金属材料制成；所述微波辐射口为弧形条缝状，微波辐射口的弧形条缝长度等于微波传输外导体圆周长度的2/3；所述防击穿介质块与微波辐射口的形状和尺寸完全相同，若干微波辐射口在微波传输外导体轴向方向上等间距分布，且相邻的微波辐射口的朝向彼此相反，相邻微波辐射口之间的间距为
其中，εr为透波材料的相对介电常数；与所述微波短路封盖相邻的微波辐射口，其与微波短路封盖之间的间距为1/2λp，其中，
式中，λp为相波长，λ为微波波长，εr为透波材料的相对介电常数。
3.根据权利要求1所述的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：所述大功率低损耗微波同轴传输线采用组合式结构，包括输入端同轴线、中间段同轴线及输出端同轴线，所述输入端同轴线通过若干串联的中间段同轴线与输出端同轴线相连；所述输入端同轴线包括输入端内导体、输入端外导体、输入端微波输入接头、输入端微波输出接头及输入端导体支撑盘；所述输入端内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述输入端外导体为圆柱筒形结构，输入端外导体同轴套装在输入端内导体外侧；所述输入端微波输入接头同轴固连在输入端外导体的前端筒口，所述输入端导体支撑盘固装在输入端内导体与输入端微波输入接头之间，通过输入端导体支撑盘维持输入端内导体与输入端外导体的同轴状态；所述输入端微波输出接头同轴固连在输入端外导体的后端筒口。
4.根据权利要求3所述的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：所述中间段同轴线包括中间段内导体、中间段外导体、中间段微波输入接头、中间段微波输出接头及中间段导体支撑盘；所述中间段内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述中间段外导体为圆柱筒形结构，中间段外导体同轴套装在中间段内导体外侧；所述中间段微波输入接头同轴固连在中间段外导体的前端筒口，所述中间段导体支撑盘固装在中间段内导体与中间段微波输入接头之间，通过中间段导体支撑盘维持中间段内导体与中间段外导体的同轴状态；所述中间段微波输出接头同轴固连在中间段外导体的后端筒口；所述中间段微波输入接头与输入端微波输出接头同轴螺纹连接配合，或者与相邻中间段同轴线的中间段微波输出接头同轴螺纹连接配合。
5.根据权利要求4所述的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：所述输出端同轴线包括输出端内导体、输出端外导体、输出端微波输入接头、输出端微波输出接头、输出端前导体支撑盘及输出端后导体支撑盘；所述输出端内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述输出端外导体为圆柱筒形结构，输出端外导体同轴套装在输出端内导体外侧；所述输出端微波输入接头同轴固连在输出端外导体的前端筒口，所述输出端前导体支撑盘固装在输出端内导体与输出端微波输入接头之间；所述输出端微波输出接头同轴固连在输出端外导体的后端筒口，所述输出端后导体支撑盘固装在输出端内导体与输出端微波输出接头之间；通过所述输出端前导体支撑盘及输出端后导体支撑盘维持输出端内导体与输出端外导体的同轴状态；所述输出端微波输入接头与中间段微波输出接头同轴螺纹连接配合。
6.根据权利要求5所述的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：在所述输入端微波输入接头上开设有干冷气体接入口，在所述中间段导体支撑盘及输出端前导体支撑盘上开设有若干干冷气体通过孔，在所述输出端微波输出接头上开设有若干干冷气体排出口。
7.根据权利要求5所述的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：所述输入端内导体、输入端外导体、输入端微波输入接头、输入端微波输出接头、中间段内导体、中间段外导体、中间段微波输入接头、中间段微波输出接头、输出端内导体、输出端外导体、输出端微波输入接头及输出端微波输出接头均采用导电金属材料制成；所述输入端导体支撑盘、中间段导体支撑盘、输出端前导体支撑盘及输出端后导体支撑盘均采用透波材料制成。
8.根据权利要求1所述的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：所述微波功率自适应调控系统包括阻抗匹配调节器、微波功率控制器及温度传感器；所述阻抗匹配调节器一端用于接入大功率微波发生器输出的微波，且微波的入射功率记录在阻抗匹配调节器内；所述阻抗匹配调节器另一端用于输出微波，阻抗匹配调节器输出的微波通过大功率低损耗微波同轴传输线传输至大功率微波同轴加热器，再通过大功率微波同轴加热器辐射出的微波对岩体进行致裂；当岩体反射的微波依次通过大功率微波同轴加热器及大功率低损耗微波同轴传输线返回至阻抗匹配调节器后，通过阻抗匹配调节器记录下微波的反射功率，所述微波功率控制器用于接收阻抗匹配调节器反馈的微波入射功率和反射功率；所述温度传感器用于采集岩体在微波致裂时的温度数据，该温度数据直接反馈给微波功率控制器，在微波功率控制器内预设有岩体的反射系数数据，微波功率控制器首先以阻抗匹配调节器反馈的微波入射功率和反射功率为依据，再通过温度数据和反射系数数据计算出满足阻抗匹配的微波功率数据，微波功率控制器最后将满足阻抗匹配的微波功率数据反馈到阻抗匹配调节器中，最终通过阻抗匹配调节器将大功率微波发生器输出的微波功率进行阻抗实时匹配。
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