CN108661553B - 一种工程岩体致裂用微波功率自适应调控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种工程岩体致裂用微波功率自适应调控系统及方法，系统包括阻抗匹配调节器、微波功率控制器及温度传感器；方法为：通过微波发生器向阻抗匹配调节器内输入微波，通过阻抗匹配调节器对微波功率进行初始匹配调节，再将微波传输至微波加热器，通过微波加热器对岩体进行微波致裂；微波能量一部分被岩体吸收，另一部分通过微波加热器反射回阻抗匹配调节器中，通过阻抗匹配调节器记录微波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，微波功率控制器以入射功率和反射功率为依据，通过温度和反射系数计算出满足阻抗匹配的微波功率，再将微波功率数据反馈到阻抗匹配调节器中，并对微波功率进行阻抗实时匹配。
Description
技术领域
本发明属于岩体工程及采矿工程技术领域，特别是涉及一种工程岩体致裂用微波功率自适应调控系统及方法。
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。
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致裂用微波功率自适应调控系统及方法，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：一种工程岩体致裂用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传输至微波加热器，再通过微波加热器辐射出的微波对岩体进行致裂；当岩体反射的微波通过微波加热器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微波发生器输出的微波功率进行阻抗实时匹配。
一种微波功率自适应调控方法，采用了所述的工程岩体致裂用微波功率自适应调控系统，包括如下步骤：
步骤一：启动微波发生器，通过微波发生器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；
步骤二：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传输至微波加热器，并通过微波加热器辐射出的微波对岩体进行致裂；
步骤三：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通过微波加热器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；
步骤四：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；
步骤五：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：
本发明的工程岩体致裂用微波功率自适应调控系统及方法，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致裂用微波功率自适应调控系统的结构框图；
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所示，一种工程岩体致裂用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传输至微波加热器，再通过微波加热器辐射出的微波对岩体进行致裂；当岩体反射的微波通过微波加热器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微波发生器输出的微波功率进行阻抗实时匹配。
一种微波功率自适应调控方法，采用了所述的工程岩体致裂用微波功率自适应调控系统，包括如下步骤：
步骤一：启动微波发生器，通过微波发生器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；
步骤二：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传输至微波加热器，并通过微波加热器辐射出的微波对岩体进行致裂；
步骤三：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通过微波加热器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；
步骤四：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；
步骤五：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微波发生器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微波加热器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微波加热器模型进行仿真计算，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 (2)
1.一种工程岩体致裂用微波功率自适应调控系统，其特征在于：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传输至微波加热器，再通过微波加热器辐射出的微波对岩体进行致裂；当岩体反射的微波通过微波加热器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微波发生器输出的微波功率进行阻抗的实时匹配。
2.一种微波功率自适应调控方法，采用了权利要求1所述的工程岩体致裂用微波功率自适应调控系统，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：启动微波发生器，通过微波发生器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；
步骤二：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传输至微波加热器，并通过微波加热器辐射出的微波对岩体进行致裂；
步骤三：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通过微波加热器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；
步骤四：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；
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