CN108684099B - 一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器 - Google Patents

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Abstract

一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器，包括内导体、外导体、微波输入接头、微波短路封盖及导体支撑筒；内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，外导体为圆柱筒形结构，外导体同轴套装在内导体外侧，处于同轴套装状态的内导体和外导体固装在微波输入接头与微波短路封盖之间；内导体、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内导体与外导体之间的同轴状态；在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。本发明具有更高的功率容量，微波辐射范围更大，满足大功率孔内致裂要求，可避免击穿打火现象。

Description

一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器
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孔内致裂用大功率微波同轴加热器。
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，既可提高破岩效率，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才行。
但是，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。
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孔内致裂用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。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器，包括内导体、外导体、微波输入接头、微波短路封盖及导体支撑筒；所述内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述外导体为圆柱筒形结构，外导体同轴套装在内导体外侧，处于同轴套装状态的内导体和外导体固装在微波输入接头与微波短路封盖之间；所述内导体、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内导体与外导体之间的同轴状态；在所述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。
所述内导体、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。
若干所述微波辐射口在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。
相邻所述微波辐射口之间的间距为
Figure GDA0002620171950000021
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，
Figure GDA0002620171950000022
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。
本发明的有益效果：
本发明的工程岩体孔内致裂用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。
附图说明
图1为本发明的一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器的结构示意图；
图2为图1中A-A剖视图；
图3为图1中B-B剖视图；
图4为本发明的一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器的工作状态图；
图中，1—内导体，2—外导体，3—微波输入接头，4—微波短路封盖，5—导体支撑筒，6—微波辐射口，7—防击穿介质块，8—同轴传输线，9—岩体孔。
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1～4所示，一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器，包括内导体1、外导体2、微波输入接头3、微波短路封盖4及导体支撑筒5；所述内导体1为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述外导体2为圆柱筒形结构，外导体2同轴套装在内导体1外侧，处于同轴套装状态的内导体1和外导体2固装在微波输入接头3与微波短路封盖4之间；所述内导体1、外导体2、微波输入接头3及微波短路封盖4之间形成环向空间，环向空间内由导体支撑筒5进行填充，通过导体支撑筒5维持内导体1与外导体2之间的同轴状态；在所述外导体2的筒壁上开设有若干微波辐射口6，通过微波辐射口6向外辐射微波能量，在微波辐射口6内填充有防击穿介质块7。
所述导体支撑筒5及防击穿介质块7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。
所述内导体1、外导体2、微波输入接头3及微波短路封盖4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6为弧形条缝状，微波辐射口6的弧形条缝长度等于外导体2圆周长度的2/3。由于弧形条缝状的微波辐射口6的存在，其切割了外导体2内壁的电流线，进而使微波辐射口6受到激励而向外辐射微波能量。
所述防击穿介质块7与微波辐射口6的形状和尺寸完全相同。
若干所述微波辐射口6在外导体2轴向方向上等间距分布，且相邻的微波辐射口6的朝向彼此相反。
相邻所述微波辐射口6之间的间距为
Figure GDA0002620171950000031
其中，εr为透波材料的相对介电常数。由于在内导体1与外导体2之间填充了由透波材料制成的导体支撑筒5，方可使相邻微波辐射口6之间的间距仅为
Figure GDA0002620171950000032
而在长度有限的外导体2上，有效提高了微波辐射口6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4相邻的微波辐射口6，其与微波短路封盖4之间的间距为1/2λp，其中，
Figure GDA0002620171950000033
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6所处的位置均为微波的波峰，即保证了每个微波辐射口6均能够获得最大的激励。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
首先将同轴传输线与同轴加热器的微波输入接头3连接在一起，然后将同轴加热器伸入岩体孔9内，微波能量将通过同轴传输线进入同轴加热器，首先进入内导体1与外导体2之间的环向空间，而弧形条缝状的微波辐射口6切割了外导体2内壁的电流线，使微波辐射口6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9周围的岩石吸收，从而使岩体孔9周围的岩石产生致裂。
微波辐射口6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7的存在，即使微波辐射口6的辐射场强很高，也可避免微波辐射口6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。
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)

1.一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器，其特征在于：包括内导体、外导体、微波输入接头、微波短路封盖及导体支撑筒；所述内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述外导体为圆柱筒形结构，外导体同轴套装在内导体外侧，处于同轴套装状态的内导体和外导体固装在微波输入接头与微波短路封盖之间；所述内导体、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内导体与外导体之间的同轴状态；在所述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孔内致裂用大功率微波同轴加热器，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。
3.根据权利要求1所述的一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器，其特征在于：所述内导体、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。
4.根据权利要求1所述的一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器，其特征在于：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外导体圆周长度的2/3。
5.根据权利要求4所述的一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器，其特征在于：所述防击穿介质块与微波辐射口的形状和尺寸完全相同。
6.根据权利要求1所述的一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器，其特征在于：若干所述微波辐射口在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。
7.根据权利要求6所述的一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器，其特征在于：相邻所述微波辐射口之间的间距为
Figure FDA0001657456140000011
其中，εr为透波材料的相对介电常数。
8.根据权利要求7所述的一种工程岩体孔内致裂用大功率微波同轴加热器，其特征在于：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，
Figure FDA0001657456140000012
Figure FDA0001657456140000013
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。
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