CN108518225A - 干冰粉动态破岩装置、干冰粉动态破岩系统及干冰粉动态破岩方法 - Google Patents

Abstract

一种干冰粉动态破岩装置、干冰粉动态破岩系统及干冰粉动态破岩方法，涉及膨胀破岩技术领域。本发明实施例的干冰粉动态破岩装置包括设置于地层围岩的钻孔内的聚能体，以及填充于聚能体和钻孔内壁之间的固化层，聚能体包括防渗隔热壳体和填充于防渗隔热壳体内的致裂剂，致裂剂包括干冰粉与CO₂聚能剂组成的混合物，防渗隔热壳体内还埋设有电阻丝激发器；干冰粉动态破岩系统包括上述的干冰粉动态破岩装置和打孔装置，该干冰粉动态破岩装置、干冰粉动态破岩系统能够达到较为理想的破岩效果，而且安全性高、易于操作。本发明实施例的干冰粉动态破岩方法是采用上述干冰粉动态破岩系统进行的，能够提高作业安全性，同时达到较为理想的破岩效果。

Description

干冰粉动态破岩装置、干冰粉动态破岩系统及干冰粉动态破 岩方法

技术领域

本发明涉及膨胀破岩技术领域，具体而言，涉及一种干冰粉动态破岩装置、干冰粉动态破岩系统及干冰粉动态破岩方法。

背景技术

在矿山与石材开采、基坑开挖、隧道与地下空间施工、顽石/孤石安全爆破拆除、管道等堵塞疏通等市政交通工程中，常常需要进行爆破。爆破致裂法具有效率高、成本低等特点，在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖中得到广泛应用。然而在爆破作业过程中产生的强烈冲击波会造成近区岩体扰动与损伤，以及远区岩体的振动危害，从而会对工程岩体稳定性及周边环境的安全性造成一定影响。为了提高作业安全性、降低冲击扰动强烈，同时达到较为理想的破岩效果，利用高能气体膨胀做功致裂岩体的新型碎岩技术应运而生，尤其是CO₂相变膨胀致裂技术正受到矿山开采、隧道掘进、市政交通等领域广泛关注。

高能气体压裂技术最早于19世纪60年代出现在美国，该技术是一种利用火(炸)药在短时间内燃烧产生的冲击波和爆生气体来压裂岩体。最开始是采用TNT等猛炸药对储层实施爆炸压裂，但因爆炸对井筒和地层的破坏太大而逐渐被淘汰，取而代之的是使用硝化棉等火(炸)药的爆燃来实施高能气体压裂。近年来还出现了浓稠硝基甲烷炸药、液体推进剂等一系列爆燃更稳定、更加安全、更高效的高能火药。从原理上讲，CO₂相变膨胀致裂装置也属于高能气体压裂技术中的一种，最早由欧美国家科研人员研发。该装置利用液态CO₂为媒介，将液态CO₂和发热管(爆炸性物质)封装在密闭容器内。激发发热管使之在数十毫秒内产生800℃以上的高温，液态CO₂压力急剧增加，高压气体快速释放，致使岩体开裂或破碎。在CO₂气爆致裂岩体施工过程中，由于发热管(II类爆炸品)在摩擦、静电等偶然因素作用下提前触发，曾出现致裂管炸管或飞管事件。

然而，无论是控制爆破技术，还是高能气体压裂技术，当前均不同程度的使用到I、II类民用爆炸品(当前二氧化碳相变膨胀致裂技术使用的发热药属于II类民用爆炸品)，并没有从根本上解决安全与冲击扰动问题。因此，需要开发一种安全性高、易于操作的高能气体压裂方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种干冰粉动态破岩装置、干冰粉动态破岩系统，其能够达到较为理想的破岩效果，而且安全性高、易于操作。

本发明的另一目的在于提供一种干冰粉动态破岩方法，其能够提高作业安全性，同时达到较为理想的破岩效果。

本发明的实施例是这样实现的：

一种干冰粉动态破岩装置，其包括设置于地层围岩的钻孔内的聚能体，以及填充于聚能体和钻孔内壁之间的固化层，聚能体包括防渗隔热壳体和填充于防渗隔热壳体内的致裂剂，致裂剂包括干冰粉与 CO₂聚能剂组成的均匀混合物，防渗隔热壳体内还埋设有电阻丝激发器。

在本发明较佳的实施例中，上述钻孔的孔口还填充有封孔层，封孔层位于固化层上方。

在本发明较佳的实施例中，上述封孔层是采用封孔剂固化而成，封孔剂为快干膨胀水泥或者高强度石膏。

在本发明较佳的实施例中，上述还包括设置于地层围岩外的电起爆器，电起爆器与电阻丝激发器通过电线连接。

在本发明较佳的实施例中，上述固化层是采用填充固化材料固化而成，填充固化材料为高强度石膏，防渗隔热壳体包括PVC套管和纤维石棉网。

在本发明较佳的实施例中，上述钻孔竖直设置或水平设置，固化层包围在聚能体的周围。

一种干冰粉动态破岩系统，其包括上述的干冰粉动态破岩装置和用于对地层围岩进行钻孔的打孔装置。

一种基于上述的干冰粉动态破岩系统的干冰粉动态破岩方法，其包括以下步骤：

使用打孔装置在地层围岩上钻孔；

在钻孔内安装干冰粉动态破岩装置；

启动电阻丝激发器，使致裂剂燃烧膨胀。

在本发明较佳的实施例中，上述干冰粉动态破岩装置的安装方法如下：

在钻孔内安装防渗隔热壳体；

在防渗隔热壳体与钻孔内壁之间的空隙注入填充固化材料，形成固化层；

在防渗隔热壳体内注入致裂剂；

在致裂剂中安装电阻丝激发器。

在本发明较佳的实施例中，上述在钻孔的孔口注入封孔剂，固化形成封孔层，封孔层承受的最大封堵气体压力Pcmax＝4L(C+σn·f)/d；式中，Pcmax—最大封堵气体压力，MPa；L—封孔段长度，m；C—粘聚力，MPa；σn—径向膨胀应力，MPa；f—静摩擦系数；d—钻孔直径，m。

本发明实施例的有益效果是：本发明实施例的干冰粉动态破岩装置包括设置于地层围岩的钻孔内的聚能体，以及填充于聚能体和钻孔内壁之间的固化层，聚能体包括防渗隔热壳体和填充于防渗隔热壳体内的致裂剂，致裂剂包括干冰粉与CO₂聚能剂组成的均匀混合物，防渗隔热壳体内还埋设有电阻丝激发器；干冰粉动态破岩系统包括上述的干冰粉动态破岩装置和用于对地层围岩进行钻孔的打孔装置，该干冰粉动态破岩装置、干冰粉动态破岩系统能够达到较为理想的破岩效果，而且安全性高、易于操作。本发明实施例的干冰粉动态破岩方法是采用上述干冰粉动态破岩系统进行的，能够提高作业安全性，同时达到较为理想的破岩效果。而且本发明利用自主研发的CO₂聚能剂(SMA高能粒子，非危险化学品和非限制性货物)，在解决了场地深孔高压气体快速封堵技术基础上(无致裂管作业)，开发出干冰粉动态破岩工艺，无需传统致裂管作业，彻底解决了炸管与飞管问题，也无需活化器等危险化学品，彻底解决限制性危险化学品问题，从根本上解决CO₂相变膨胀致裂技术存在的安全隐患，提出一种二氧化碳静态气动压裂新思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的一种干冰粉动态破岩装置的结构示意图；

图2为图1所示的干冰粉动态破岩装置在安装过程中的结构示意图；

图3为本发明第二实施例提供的一种干冰粉动态破岩装置的结构示意图；

图4为图3所示的干冰粉动态破岩装置在安装过程中的结构示意图。

图标：100-干冰粉动态破岩装置；110-防渗隔热壳体；120-致裂剂；130-固化层；140-封孔层；150-电阻丝激发器；160-电起爆器； 171-注入管道；172-干冰粉罐；173-CO₂聚能剂罐；174-混合物生产器；200-干冰粉动态破岩装置；210-挡板；211-注入管道；001-地层围岩；002-钻孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1所示，本实施例提供一种干冰粉动态破岩装置100，其包括设置于地层围岩001的钻孔002内的聚能体，以及填充于聚能体和钻孔002内壁之间的固化层130，聚能体包括防渗隔热壳体110 和填充于防渗隔热壳体110内的致裂剂120，致裂剂120包括干冰粉与CO₂聚能剂组成的混合物，防渗隔热壳体110内还埋设有电阻丝激发器150。本实施例中的钻孔002竖直设置，因此钻孔002内的干冰粉动态破岩装置100也是竖直设置，具体结构为：聚能体竖直设置，固化层130包围在聚能体的周围。固化层130是采用填充固化材料固化而成，填充固化材料为高强度石膏，防渗隔热壳体110包括PVC 套管和纤维石棉网，具体是纤维石棉网覆盖在PVC套管的内管壁或外管壁得到。

本发明实施例采用电阻丝激发器150电火花点火，引发干冰粉与 CO₂聚能剂发生反应，产生瞬时爆炸冲击波和相变冲击波，形成高温高压动力源，实现无瞬态冲击扰动无噪音的干冰粉动态破岩(静态气动压裂)。本发明实施例借助粉状的干冰粉和CO₂聚能剂均匀混合形成的致裂剂，而干冰粉和CO₂聚能剂都是非危险化学品和非限制性产品，只需要一层防渗隔热壳体就可将其收集在一起，避免因为使用液态CO₂气爆技术而设置的耐压致裂管(致裂管属于压力容器)和发热药(发热管是二类爆炸品，容易在摩擦、静电等偶然因素作用下提前触发，危险系数高)，因此干冰粉动态破岩装置100的安全性高。

另外，防渗隔热壳体110、固化层130与地层围岩001形成的人造承压空腔能承受超高压气体，这种高压封堵技术实现无致裂管作业，避免由于没有设置固化层130而需要使用致裂管来形成承压空腔造成的安全隐患。防渗隔热壳体110内的致裂剂120，即干冰粉与CO₂聚能剂燃烧产生的高温高压气体(借助干冰粉在CO₂聚能剂燃烧释放的热量下大量升华产生的)直接作用于承压空腔，相比发热药、活化剂类民用爆炸品的瞬态爆燃，CO₂聚能剂在二氧化碳中的燃烧速率要缓慢的多，能够实现无冲击扰动无噪音的静态气动压裂过程，避免了强冲击扰动和噪音，从而实现本质安全型施工。

本实施例中，CO₂聚能剂是由强活性金属粉末、拟爆剂按质量比为2～2.5:1的比例混合而成。其中金属粉末为金属镁粉末和金属铝粉末中的一种或几种，金属粉末的粒径为纳米级、微米级和毫米级中的一种或几种。拟爆剂为阻燃材料，阻燃材料为氯化镁或氯化钙等。本实施例利用自主研发的CO₂聚能剂(SMA高能粒子，非危险化学品和非限制性货物)，在解决了场地深孔高压气体快速封堵技术基础上 (无致裂管作业)，开发出干冰粉动态破岩工艺，无需传统致裂管作业，彻底解决了炸管与飞管问题，也无需活化器等危险化学品，彻底解决限制性危险化学品问题，从根本上解决CO₂相变膨胀致裂技术存在的安全隐患，提出一种二氧化碳静态气动压裂新思路。

为了增强对聚能体的封堵效果，钻孔002的孔口还填充有封孔层 140，封孔层140位于固化层130上。封孔层140是采用封孔剂固化而成，封孔剂为快干膨胀水泥或者高强度石膏。专用封孔剂能与钻孔 002内壁粘结固化，产生强大的摩擦阻力和粘聚力，能够封堵超过 100MPa的超高瞬态气压；封堵压力与粘结强度及摩擦系数之间的关系式满足：P_cmax＝4L(C+σ_n·f)/d；式中，P_cmax—最大封堵气体压力， MPa；L—封孔段长度，m；C—粘聚力，MPa；σ_n—径向膨胀应力， MPa；f—静摩擦系数；d—钻孔002直径，m。

参见图2所示，干冰粉动态破岩装置100还包括设置于地层围岩 001外的电起爆器160，电起爆器160通过电线贯穿钻孔002内的封孔剂层、固化层130和防渗隔热壳体110，直接与电阻丝激发器150 连接；电阻丝激发器150之间通过电线串联，形成闭合回路。通过电起爆器160接通电线激发电阻丝激发器150，产生瞬间高温，进一步地引燃致裂剂120，即干冰粉与CO₂聚能剂的混合物，更进一步地产生大量热，干冰粉受热升华并产生大量高温高压气体(最大压力可达 300MPa)，直接作用在钻孔002壁面，并致裂地层围岩001。通过地层围岩001外的电起爆器160启动地层围岩001内的电起爆器160，提高操作安全性。

由于致裂剂120是随用随配，因此在安装干冰粉动态破岩装置 100时，需要先安装好防渗隔热壳体110和固化层130后再注入致裂剂120。为了将致裂剂120注入已经成型的固化层130和防渗隔热壳体110，需要在防渗隔热壳体110和固化层130内设置一条用于往防渗隔热壳体110内注入致裂剂120的注入管道171。在注入致裂剂120 后，需要在固化剂上方的钻孔002的孔口填充封孔层140以进一步保证封堵效果，此时封孔层140会填充入注入管道171，将防渗隔热壳体110完全密封住，填充专用封孔剂实现高压气体快速封堵方法。为了保证致裂剂120的配制和注入，干冰粉动态破岩装置100还包括设置于地层围岩001外的用于储存干冰粉的干冰粉罐172、用于储存 CO₂聚能剂的CO₂聚能剂罐173和混合物生产器174，干冰粉罐172、 CO₂聚能剂罐173分别与混合物生产器174连接，混合物生产器174 可与注入管道171连接，直接将混合物生产器174内的物料通过注入管道171投入到防渗隔热壳体110内。

本实施例提供一种干冰粉动态破岩系统，其包括上述的干冰粉动态破岩装置100和用于对地层围岩001进行钻孔的打孔装置。

本实施例提供一种基于上述的干冰粉动态破岩系统的干冰粉动态破岩方法，参见图1和图2所示，其包括以下步骤：

S1、使用打孔装置在地层围岩001上打钻孔002，具体是根据施工方案，在地层围岩001上按照预先设计孔间距、孔径和孔深打钻孔002，通常钻孔002直径38mm、42mm、70mm、90mm、110mm、130mm 可选，钻孔002深度3m、5m、7m、9m、11m等可选。

S2、在钻孔002内安装干冰粉动态破岩装置100，具体安装方法如下：

①在钻孔002内安装防渗隔热壳体110；在钻孔002内壁预先安装防渗隔热壳体110，能够防止干冰粉升华后产生的气体通过地层围岩001泄露，从而取到闷压的作用。

②安装好的防渗隔热壳体110与钻孔002之间存在少量空隙，在防渗隔热壳体110与钻孔002内壁之间的空隙注入填充固化材料，填充固化材料快速进入空隙，并在6-30分钟之内固化形成固化层 130。

③将配置好的致裂剂120注入安装好的防渗隔热壳体110内。

④在致裂剂120中安装已经串联成回路的电阻丝激发器150。

⑤采用专用封孔剂注入到钻孔002的孔口，专用封孔剂能在 30分钟内与钻孔002内壁粘结固化，形成封孔层140，并微膨胀产生一定的径向膨胀应力，将钻孔002封孔。封孔层140承受的最大封堵气体压力Pcmax＝4L(C+σn·f)/d；式中，Pcmax—最大封堵气体压力，MPa；L—封孔段长度，m；C—粘聚力，MPa；σn—径向膨胀应力， MPa；f—静摩擦系数；d—钻孔002直径，m。

S3、检查电线与电阻丝激发器150形成的闭合回路连通性，检查完毕后，电线接通电起爆器160，并按照规定启动电阻丝激发器150，使致裂剂120燃烧膨胀，完成压裂施工。本实施例的干冰粉动态破岩方法为一种无瞬态冲击扰动无噪音的岩石静态气动压裂工艺，为露天台阶破岩、基坑开挖、岩石破碎、隧道掘进、压裂增渗作业提供了一种安全、环保、节能的破岩新方法。

第二实施例

请参照图3所示，本实施例提供一种干冰粉动态破岩装置200，其包括设置于地层围岩001的钻孔002内的聚能体，以及填充于聚能体和钻孔002内壁之间的固化层130，聚能体包括防渗隔热壳体110 和填充于防渗隔热壳体110内的致裂剂120，致裂剂120包括干冰粉与CO₂聚能剂组成的混合物，防渗隔热壳体110内还埋设有电阻丝激发器150。本实施例中的钻孔002水平设置，因此钻孔002内的干冰粉动态破岩装置200也是水平设置，具体结构为：聚能体水平设置，固化层130包围在聚能体的周围。固化层130是采用填充固化材料固化而成，防渗隔热壳体110采用PVC制成。

参见图4所示，为了保证能在水平设置的聚能体周围注入固化层 130，需要先在聚能体的顶端上设置挡板210，用于将钻孔002设置有聚能体的区域围起来，挡板210的顶部有缺口，再通过缺口往其中注入填充固化材料形成固化层130。

为了增强对聚能体的封堵效果，钻孔002的孔口还填充有封孔层 140，封孔层140位于挡板210上。封孔层140是采用封孔剂固化而成。

为了将致裂剂120注入已经成型的固化层130和防渗隔热壳体 110，需要在防渗隔热壳体110和固化层130、挡板210内设置一条用于往防渗隔热壳体110内注入致裂剂120的注入管道211。在注入致裂剂120后，需要在挡板210上方的钻孔002的孔口填充封孔层 140以进一步保证封堵效果，此时封孔层140会填充入注入管道211，将防渗隔热壳体110完全密封住。

本实施例中，干冰粉动态破岩装置200还包括设置于地层围岩 001外的电起爆器160，电起爆器160与电阻丝激发器150通过电线连接。通过地层围岩001外的电起爆器160启动地层围岩001内的电起爆器160，提高操作安全性。

综上所述，本发明实施例的干冰粉动态破岩装置、干冰粉动态破岩系统能够达到较为理想的破岩效果，而且安全性高、易于操作；本发明实施例的干冰粉动态破岩方法能够提高作业安全性，同时达到较为理想的破岩效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种干冰粉动态破岩装置，其特征在于，其包括设置于地层围岩钻孔内的聚能体，以及填充于所述聚能体和所述钻孔内壁之间的固化层，所述聚能体包括防渗隔热壳体和填充于所述防渗隔热壳体内的致裂剂，所述致裂剂包括干冰粉与CO₂聚能剂组成的均匀混合物，所述防渗隔热壳体内还埋设有电阻丝激发器。

2.根据权利要求1所述的干冰粉动态破岩装置，其特征在于，所述钻孔的孔口还填充有封孔层，所述封孔层位于所述固化层上方。

3.根据权利要求2所述的干冰粉动态破岩装置，其特征在于，所述封孔层是采用封孔剂固化而成，所述封孔剂为快干膨胀水泥或者高强度石膏。

4.根据权利要求1所述的干冰粉动态破岩装置，其特征在于，还包括设置于所述地层围岩外的电起爆器，所述电起爆器与电阻丝激发器通过电线连接。

5.根据权利要求1所述的干冰粉动态破岩装置，其特征在于，所述固化层是采用填充固化材料固化而成，所述填充固化材料为高强度石膏，所述防渗隔热壳体包括PVC套管和纤维石棉网。

6.根据权利要求1所述的干冰粉动态破岩装置，其特征在于，钻孔竖直设置或水平设置，固化层包围在聚能体的周围。

7.一种干冰粉动态破岩系统，其特征在于，其包括如权利要求1至6中任一项所述的干冰粉动态破岩装置和用于对地层围岩进行钻孔的打孔装置。

8.一种基于权利要求7所述的干冰粉动态破岩系统的干冰粉动态破岩方法，其特征在于，其包括以下步骤：

使用打孔装置在地层围岩上钻孔；

在钻孔内安装干冰粉动态破岩装置；

启动电阻丝激发器，使致裂剂燃烧膨胀。

9.根据权利要求8所述的干冰粉动态破岩方法，其特征在于，所述干冰粉动态破岩装置的安装方法如下：

在钻孔内安装防渗隔热壳体；

在防渗隔热壳体与钻孔内壁之间的空隙注入填充固化材料，形成固化层；

在防渗隔热壳体内注入致裂剂；

在致裂剂中安装电阻丝激发器。

10.根据权利要求9所述的干冰粉动态破岩方法，其特征在于，在钻孔的孔口注入封孔剂，固化形成封孔层，所述封孔层承受的最大封堵气体压力Pcmax＝4L(C+σn·f)/d；式中，Pcmax—最大封堵气体压力，MPa；L—封孔段长度，m；C—粘聚力，MPa；σn—径向膨胀应力，MPa；f—静摩擦系数；d—钻孔直径，m。