CN109372507A - 一种液压胀裂装置及其定向劈胀致裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液压胀裂装置及其定向劈胀致裂方法，涉及液压静态破岩技术领域，适用于采掘和基建工程中对矿层、岩石、砼体的致裂和解小，该装置包括胀裂棒和液压驱控单元，胀裂棒包括扁芯胶管、弹性管套和内压切刀，使用时置入钻孔内，注入高压液体，可产生径向膨胀和孔内压切双重作用实现定向致裂；液压驱控单元以压力自适应的方式定量地压注和回收压力液，可避免胀裂棒因过度膨胀而受损。本发明公开的定量压注、扁管膨胀、孔内压切的胀裂方法，可提高胀裂效果，延长设备寿命，既安全又环保。
Description
技术领域
本发明涉及采掘和基建石方工程中的液压静态破岩技术领域，尤其涉及一种液压胀裂装置及其定向劈胀致裂方法。
背景技术
在采矿和基建石方工程的作业中，工人经常要对岩体或大块岩石、混凝土进行分裂。目前，除了炸药爆破、机械劈凿切割和化学膨胀剂胀裂等传统技术手段之外，近年来还出现了一类液压静态破岩技术，即在钻孔内置入胀裂装置，用液压设备产生的压力能驱动，推压钻孔内壁使其径向扩张，从而产生裂隙并扩大，使岩石或砼体裂开或破碎。
上述液压静态破岩的方法，充分利用了岩石或混凝土等脆性材料抗压强度大，抗拉强度小，其抗拉强度远小于抗压强度的特性，具有作业安全、节省人力、用能效率高，无污染物排放等优点，但仍存在一些缺陷或不足，比如：已被广泛使用的液压劈裂机或液压分裂机，它们采用了液压缸推动钢制滑动套楔或柱塞的方式，这类作业工具上的油缸、活塞与胀裂机构是一体安装的，操作部分自身重量很大，可达几十甚至上百千克，使用时很费力。
在已公开的数项发明或发明中，如：发明人黄义干在申请公布号CN 101871752A的《液压静态爆破膨胀管》中，发明人纪新刚在申请公布号为CN 105437377A的《一种液力裂切装置及方法》和授权公告号为CN 206803861U的《一种膨胀器以及爆破系统》中，均提出了可置入钻孔中的可弹性膨胀密封管囊装置及相应的液压增压方案，此类胀裂技术可行有效，特别是明显减小了作业装置的体积和重量，使之轻巧易用，但仍有一些可改进完善不足如：该类装置在承压膨胀时，压力能向钻孔四周各向均等释放，应力不集中，裂缝出现方向随机，断裂面不整齐，且用能效率不高；再者，该类装置或方案缺少有效的保护机制，尤其是当钻孔穿过的岩层有明显裂隙或夹有软质层时，膨胀管会在约束力小的地方局部优先膨胀，出现鼓包甚至破裂；此外，该类装置或方案缺少有效的压力控制机制，在胀裂过程中，当岩石已经开裂松动，进入扩张裂缝宽度的推石阶段，仍按原来的压力和流量注入压力液，就极易造成装置过度膨胀，从而降低寿命甚至直接失效,因此本发明提出一种液压胀裂装置及其定向劈胀致裂方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种液压胀裂装置及其定向劈胀致裂方法，采用的扁芯胶管具有定向形变膨胀的特点，且在管腔扁平时有比变圆后更高的耐压上限，充分适应了岩石胀裂未开裂时抗力大，已开裂后的分离阶段抗力小的应力特性，比圆芯胀管更合理；钢制弹性管套，既能保护内部的胶管，又使其能承受比其承压上限超过其本身的爆破压力，从而可提供更强的胀裂力；同时具有径向膨胀和孔内压切双重致裂机制，且胀、切作用相互促进，使得均匀分布在各个方向上的压力能都得到充分利用，比单纯胀裂所需压力更低，开裂方向更可控，裂面更规整。
为了解决上述的问题，本发明提出一种液压胀裂装置，包括胀裂棒和液压驱控单元，所述胀裂棒包括扁芯胶管、弹性管套和内压切刀，所述扁芯胶管两端压接有高压管接头，所述弹性管套为管壁有纵向割缝的弹簧钢管，所述扁芯胶管置于所述弹性管套内，所述弹性管套靠其自身弹性将所述扁芯胶管及高压管接头的套筒部分箍紧，所述内压切刀为长条形，且所述内压切刀置于所述扁芯胶管两侧，在所述扁芯胶管膨胀时，所述内压切刀刀背将其受到的挤压力集中到刃部压切钻孔内壁，切出导裂槽缝辅助致裂；
所述液压驱控单元包括增压缸、蓄能器、换向阀组件、截止阀、压力传感器和气压表，所述增压缸为隔离式连续作用增压缸，所述增压缸前级和后级各有输入、输出两个端口，所述换向阀组件包括有触发式常闭型二位二通换向阀、第一换向阀和第二换向阀，所述触发式常闭型二位二通换向阀设置在增压缸的前级输入端口与压力源之间，所述增压缸后级的输入、输出端口通过第一换向阀和第二换向阀分别连接到蓄能器和一只胀裂棒上，所述第一换向阀和第二换向阀之间通过液压管相连通，所述蓄能器为皮囊式空气蓄能器，气口端安装有压力传感器和气压表，所产生的信号用于监测气压和控制所述增压缸与压力源之间截止阀的开闭。
进一步改进在于：所述扁芯胶管包括芯管、增强层和外皮橡胶，所述芯管由超薄钢带与热塑性弹性体复合卷制，所述增强层由合成纤维缠绕、编织，所述芯管及增强层原始状态下呈受挤压的扁平状，所述外皮橡胶的包覆使管体呈圆形。
进一步改进在于：所述弹性管套至少包含一只材质具有弹簧钢性质的钢管，且管壁上至少设有一条纵向的割缝。
进一步改进在于：所述内压切刀包括刀体、弧形弹性钢片和钎片，所述内压切刀的刀体为条形钢，其横截面为楔形，所述内压切刀的刀背侧设有弧形弹性钢片，刀刃侧间隔镶嵌一排齿状硬质合金的钎片，所述内压切刀置于所述扁芯胶管两侧，刀背侧向内压陷在所述外皮橡胶上且刀刃向外，所述钎片夹在所述弹性管套纵向割缝间。
一种液压胀裂装置的定向劈胀致裂方法，包括如下步骤：
步骤一：打孔
在被裂物体上若干个钻孔，钻孔的内径要比胀裂棒的外径略大3～5毫米，以确保胀裂棒能顺利插入；
步骤二：连接
将液压驱控单元与压力源和胀裂棒用高压软管连接在一起，确保密封无泄漏，并预先在蓄能器中充入足量的压力液和压缩空气；
步骤三：试压
打开压力源和增压缸之间的触发式常闭型二位二通换向阀,启动增压缸对胀裂棒空载注入压力液，仔细观察，当胀裂棒膨胀至接近最大容许膨胀量时，及时关闭增压缸并保持压力，然后打开截止阀，排空所述蓄能器中剩余的压力液，并对照气压表，将蓄能器气压卸至略低于所述触发式常闭型二位二通换向阀触发点的压力，关闭截止阀，转换第一换向阀和第二换向阀的状态，并保持十几秒，使胀裂棒卸压收缩复原，把膨胀时注入的压力液通过回流管路压回到蓄能器中；
步骤四：胀裂
将胀裂棒置入钻孔中，让一对所述内压切刀刀刃与预期的开裂面保持在同一方向上，打开触发式常闭型二位二通换向阀,启动增压缸向胀裂棒中注入压力液，芯管在由扁趋圆的形变中，挤压外层橡胶，使弹性管套外径变粗，压迫钻孔内壁并产生不断增大的环向拉应力，内压切刀的刀背将其受到的推压力集中到钎片刃部压切所述钻孔的内壁，切出导裂槽缝，切、胀两种效果相互促进，孔壁裂隙沿导裂槽缝方向迅速生长扩大，直至完全贯通，此时增压缸继续工作，将裂缝扩宽，直到膨胀棒变粗接近最大限度时，蓄能器因排空而使压力降回至设定点，压力传感器发出信号，触发所述触发式常闭型二位二通换向阀关闭，增压缸停止工作；
步骤五：回收
操控第一换向阀和第二换向阀转换状态，使胀裂棒卸压、复原，再次将压力液回收到蓄能器中，进入下一次循环胀裂。
进一步改进在于：所述液压驱控单元设置有双换向阀联控回路，控制所述胀裂棒在膨胀后的卸压程度，所述胀裂棒在泄压后将压力液输回至所述蓄能器中。
进一步改进在于：当所述液压驱控单元中的蓄能器皮囊气压下降至设定的压力点时，自动触发所述增压缸前级输入端的阀门关闭，终止增压。
本发明的有益效果为：本发明公开的一种液压胀裂装置，并具有以下有益：
(1)采用的扁芯胶管具有定向形变膨胀的特点，且在管腔扁平时有比变圆后更高的耐压上限，充分适应了岩石胀裂未开裂时抗力大，已开裂后的分离阶段抗力小的应力特性，比圆芯胀管更合理；
(2)该装置中采用的钢制弹性管套，既能保护内部的胶管，又使其能承受比其承压上限超过其本身的爆破压力，从而可提供更强的胀裂力；
(3)该装置具有径向膨胀和孔内压切双重致裂机制，且胀、切作用相互促进，使得均匀分布在各个方向上的压力能都得到充分利用，比单纯胀裂所需压力更低，开裂方向更可控，裂面更规整；
(4)该装置所采用的液压驱控单元，以压力自适应的方式定量压注和自动回收压力液，既可有效地保护胀裂棒免于因过载而损坏，还保证了压力液的无损失循环利用；
(5)该装置提供了动力和控制接口，便于在台式工程机械上安装配套，可实现机械化作业。
附图说明
图1为本发明胀裂棒结构示意图。
图2为本发明图1中A-A胀裂棒结构示意图。
图3为本发明液压驱控单元结构示意图。
图4为本发明胀裂棒自然状态下示意图。
图5为本发明胀裂棒承压状态下结构示意图。
其中：1-胀裂棒，2-液压驱控单元，11-扁芯胶管，12-弹性管套，13-内压切刀，14-高压管接头，111-芯管，112-增强层，113-外皮橡胶，131-刀体，132-弧形弹性钢片，133-钎片，21-增压缸，22-蓄能器，23-换向阀组件，231-触发式常闭型二位二通换向阀，232-第一换向阀，233-第二换向阀，24-截止阀，25-压力传感器，26-气压表，8-钻孔，9-导裂槽缝。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1、2、3、4、5所示，本实施例提出了一种液压胀裂装置，包括胀裂棒1和液压驱控单元2，所述胀裂棒1包括扁芯胶管11、弹性管套12和内压切刀13，所述扁芯胶管11两端压接有高压管接头，所述弹性管套12为管壁有纵向割缝的弹簧钢管，所述扁芯胶管11置于所述弹性管套12内，所述弹性管套12靠其自身弹性将所述扁芯胶管11及高压管接头14的套筒部分箍紧，所述内压切刀13为长条形，且所述内压切刀13置于所述扁芯胶管11两侧，在所述扁芯胶管11膨胀时，所述内压切刀13刀背将其受到的挤压力集中到刃部压切钻孔内壁，切出导裂槽缝辅助致裂；
所述液压驱控单元2包括增压缸21、蓄能器22、换向阀组件23、截止阀24、压力传感器25和气压表26，所述增压缸21为隔离式连续作用增压缸，所述增压缸21前级和后级各有输入、输出两个端口，所述换向阀组件23包括有触发式常闭型二位二通换向阀231、第一换向阀232和第二换向阀233，所述触发式常闭型二位二通换向阀231设置在增压缸21的前级输入端口与压力源之间，所述增压缸21后级的输入、输出端口通过第一换向阀232和第二换向阀233分别连接到蓄能器22和一只胀裂棒1上，所述第一换向阀232和第二换向阀233之间通过液压管相连通，所述蓄能器22为皮囊式空气蓄能器，气口端安装有压力传感器25和气压表26，所产生的信号用于监测气压和控制所述增压缸与压力源之间截止阀24的开闭；
所述扁芯胶管11包括芯管111、增强层112和外皮橡胶113，所述芯管111由超薄钢带与热塑性弹性体复合卷制，所述增强层112由合成纤维缠绕、编织，所述芯管111及增强层112原始状态下呈受挤压的扁平状，所述外皮橡胶113的包覆使管体呈圆形；
所述弹性管套12至少包含一只材质具有弹簧钢性质的钢管，且管壁上至少设有一条纵向的割缝；
所述内压切刀13包括刀体131、弧形弹性钢片132和钎片133，所述内压切刀13的刀体131为条形钢，其横截面为楔形，所述内压切刀13的刀背侧设有弧形弹性钢片132，刀刃侧间隔镶嵌一排齿状硬质合金的钎片133，所述内压切刀13置于所述扁芯胶管11两侧，刀背侧向内压陷在所述外皮橡胶113上且刀刃向外，所述钎片133夹在所述弹性管套12纵向割缝间。
一种液压胀裂装置的定向劈胀致裂方法，包括如下步骤：
在被裂物体上若干个钻孔8，钻孔8的内径要比胀裂棒1的外径略大3～5毫米，以确保胀裂棒1能顺利插入；
步骤二：连接
将液压驱控单元2与压力源和胀裂棒1用高压软管连接在一起，确保密封无泄漏，并预先在蓄能器中充入足量的压力液和压缩空气；
步骤三：试压
打开压力源和增压缸21之间的触发式常闭型二位二通换向阀231,启动增压缸21对胀裂棒1空载注入压力液，仔细观察，当胀裂棒1膨胀至接近最大容许膨胀量时，及时关闭增压缸21并保持压力，然后打开截止阀24，排空所述蓄能器22中剩余的压力液，并对照气压表26，将蓄能器22气压卸至略低于所述触发式常闭型二位二通换向阀231触发点的压力，关闭截止阀24，转换第一换向阀232和第二换向阀233的状态，并保持十几秒，使胀裂棒1卸压收缩复原，把膨胀时注入的压力液通过回流管路压回到蓄能器22中；
步骤四：胀裂
将胀裂棒1置入钻孔8中，让一对所述内压切刀13刀刃与预期的开裂面保持在同一方向上，打开触发式常闭型二位二通换向阀231,启动增压缸21向胀裂棒1中注入压力液，芯管111在由扁趋圆的形变中，挤压外层橡胶，使弹性管套外径变粗，压迫钻孔8内壁并产生不断增大的环向拉应力，内压切刀13的刀背将其受到的推压力集中到钎片132刃部压切所述钻孔8的内壁，切出导裂槽缝9，切、胀两种效果相互促进，孔壁裂隙沿导裂槽缝9方向迅速生长扩大，直至完全贯通，此时增压缸21继续工作，将裂缝扩宽，直到膨胀棒1变粗接近最大限度时，蓄能器22因排空而使压力降回至设定点，压力传感器25发出信号，触发所述触发式常闭型二位二通换向阀231关闭，增压缸停止工作；
步骤五：回收
操控第一换向阀232和第二换向阀233转换状态，使胀裂棒1卸压、复原，再次将压力液回收到蓄能器22中，进入下一次循环胀裂；
当所述液压驱控单元2中的蓄能器22皮囊气压下降至设定的压力点时，自动触发所述增压缸21前级输入端的阀门关闭，终止增压，所述液压驱控单元2中的蓄能器22，限定了增压缸21可向膨胀装置内注入压力液的总量，使其不会发生过度膨胀。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种液压胀裂装置，包括胀裂棒(1)和液压驱控单元(2)，其特征在于：所述胀裂棒(1)包括扁芯胶管(11)、弹性管套(12)和内压切刀(13)，所述扁芯胶管(11)两端压接有高压管接头，所述弹性管套(12)为管壁有纵向割缝的弹簧钢管，所述扁芯胶管(11)置于所述弹性管套(12)内，所述弹性管套(12)靠其自身弹性将所述扁芯胶管(11)及高压管接头(14)的套筒部分箍紧，所述内压切刀(13)为长条形，且所述内压切刀(13)置于所述扁芯胶管(11)两侧，在所述扁芯胶管(11)膨胀时，所述内压切刀(13)刀背将其受到的挤压力集中到刃部压切钻孔内壁，切出导裂槽缝辅助致裂；
所述液压驱控单元(2)包括增压缸(21)、蓄能器(22)、换向阀组件(23)、截止阀(24)、压力传感器(25)和气压表(26)，所述增压缸(21)为隔离式连续作用增压缸，所述增压缸(21)前级和后级各有输入、输出两个端口，所述换向阀组件(23)包括有触发式常闭型二位二通换向阀(231)、第一换向阀(232)和第二换向阀(233)，所述触发式常闭型二位二通换向阀(231)设置在增压缸(21)的前级输入端口与压力源之间，所述增压缸(21)后级的输入、输出端口通过第一换向阀(232)和第二换向阀(233)分别连接到蓄能器(22)和一只胀裂棒(1)上，所述第一换向阀(232)和第二换向阀(233)之间通过液压管相连通，所述蓄能器(22)为皮囊式空气蓄能器，气口端安装有压力传感器(25)和气压表(26)，所产生的信号用于监测气压和控制所述增压缸与压力源之间截止阀(24)的开闭。
2.根据权利要求1所述的一种液压胀裂装置，其特征在于：所述扁芯胶管(11)包括芯管(111)、增强层(112)和外皮橡胶(113)，所述芯管(111)由超薄钢带与热塑性弹性体复合卷制，所述增强层(112)由合成纤维缠绕、编织，所述芯管(111)及增强层(112)原始状态下呈受挤压的扁平状，所述外皮橡胶(113)的包覆使管体呈圆形。
3.根据权利要求1所述的一种液压胀裂装置，其特征在于：所述弹性管套(12)至少包含一只材质具有弹簧钢性质的钢管，且管壁上至少设有一条纵向的割缝。
4.根据权利要求1所述的一种液压胀裂装置，其特征在于：所述内压切刀(13)包括刀体(131)、弧形弹性钢片(132)和钎片(133)，所述内压切刀(13)的刀体(131)为条形钢，其横截面为楔形，所述内压切刀(13)的刀背侧设有弧形弹性钢片(132)，刀刃侧间隔镶嵌一排齿状硬质合金的钎片(133)，所述内压切刀(13)置于所述扁芯胶管(11)两侧，刀背侧向内压陷在所述外皮橡胶(113)上且刀刃向外，所述钎片(133)夹在所述弹性管套(12)纵向割缝间。
5.一种液压胀裂装置的定向劈胀致裂方法，包括如下步骤：
步骤一：打孔
在被裂物体上若干个钻孔(8)，钻孔(8)的内径要比胀裂棒(1)的外径略大3～5毫米，以确保胀裂棒(1)能顺利插入；
步骤二：连接
将液压驱控单元(2)与压力源和胀裂棒(1)用高压软管连接在一起，确保密封无泄漏，并预先在蓄能器中充入足量的压力液和压缩空气；
步骤三：试压
打开压力源和增压缸(21)之间的触发式常闭型二位二通换向阀(231),启动增压缸(21)对胀裂棒(1)空载注入压力液，仔细观察，当胀裂棒(1)膨胀至接近最大容许膨胀量时，及时关闭增压缸(21)并保持压力，然后打开截止阀(24)，排空所述蓄能器(22)中剩余的压力液，并对照气压表(26)，将蓄能器(22)气压卸至略低于所述触发式常闭型二位二通换向阀(231)触发点的压力，关闭截止阀(24)，转换第一换向阀(232)和第二换向阀(233)的状态，并保持十几秒，使胀裂棒(1)卸压收缩复原，把膨胀时注入的压力液通过回流管路压回到蓄能器(22)中；
步骤四：胀裂
将胀裂棒(1)置入钻孔(8)中，让一对所述内压切刀(13)刀刃与预期的开裂面保持在同一方向上，打开触发式常闭型二位二通换向阀(231),启动增压缸(21)向胀裂棒(1)中注入压力液，芯管(111)在由扁趋圆的形变中，挤压外层橡胶，使弹性管套外径变粗，压迫钻孔(8)内壁并产生不断增大的环向拉应力，内压切刀(13)的刀背将其受到的推压力集中到钎片(132)刃部压切所述钻孔(8)的内壁，切出导裂槽缝(9)，切、胀两种效果相互促进，孔壁裂隙沿导裂槽缝(9)方向迅速生长扩大，直至完全贯通，此时增压缸(21)继续工作，将裂缝扩宽，直到膨胀棒(1)变粗接近最大限度时，蓄能器(22)因排空而使压力降回至设定点，压力传感器(25)发出信号，触发所述触发式常闭型二位二通换向阀(231)关闭，增压缸停止工作；
步骤五：回收
操控第一换向阀(232)和第二换向阀(233)转换状态，使胀裂棒(1)卸压、复原，再次将压力液回收到蓄能器(22)中，进入下一次循环胀裂。
6.根据权利要求5所述的一种液压胀裂装置的定向劈胀致裂方法，其特征在于：所述液压驱控单元(2)设置有双换向阀联控回路，控制所述胀裂棒(1)在膨胀后的卸压程度，所述胀裂棒(1)在泄压后将压力液输回至所述蓄能器(22)中。
7.根据权利要求5所述的一种液压胀裂装置的定向劈胀致裂方法，其特征在于：当所述液压驱控单元(2)中的蓄能器(22)皮囊气压下降至设定的压力点时，自动触发所述增压缸(21)前级输入端的阀门关闭，终止增压。
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