CN109403971A - 致裂装置和矿石开采方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及石材开采，具体提供了一种致裂装置和矿石开采方法，致裂装置包括壳体，内部具有腔体，开设有连通腔体的排气孔；开关阀，安装在腔体内且与腔体滑动配合，通过开关阀在腔体内滑动以控制排气孔的开启/关闭，开关阀将腔体分为储气腔和控制腔；进气道，连通储气腔，用于为储气腔内充入气体；以及控制气道，连通控制腔，用于为控制腔内充入气体，开关阀在储气腔和控制腔的气压差下实现滑动，以控制排气孔的开启或关闭。本公开提供的致裂装置结构简单，操作安全，阀门开启速度快，从而使石材的开采效率更高。
Description
技术领域
本公开涉及石材开采，具体涉及一种致裂装置和矿石开采方法。
背景技术
目前对于矿石的开采主要包括爆破开采和非爆破开采两种方法，其中爆破开采是指通过安装在钻孔内的炸药爆破的方式实现石材的开采。爆破开采的方式产生大量的粉尘和噪音污染，并且对矿山的山体破坏较大，导致矿体中的石材产生碎裂，降低开采率，因此目前已经基本禁止爆破开采方法开采石材。非爆破开采包括机械切割或胀裂开采的方式，机械切割时指利用火焰切割或绳锯对石材矿体进行切割开采，这种方法对设备和场地要求高，开采效率低，无法应对大规模开采任务。
胀裂开采是指通过人工打入水平和垂直方向的钎孔，利用插入致裂器或致裂剂的方式开采石材，例如公开号CN103061769B的中国专利申请公开了通过在矿体打孔，在孔内注入高压致裂剂对石材开采的方法，这类方法虽实现了石材的静态开采，但是产生胀裂作用的致裂剂多为化学试剂或化学凝胶，通过化学反应对矿石产生胀裂作用，致裂剂的制备复杂、成本较高。
同时公开号CN105066801A、CN105401930A等中国专利申请公开了一种二氧化碳致裂器，二氧化碳致裂器是目前矿石裂解中比较常用的致裂设备，其原理是利用外接电源来激发活化器从而燃烧产生高热，液态二氧化碳受热瞬间气化膨胀产生高压，从而冲破泄能片释放出高压气体对周围岩体产生冲击使其裂解。这种致裂器需要外接电源对致裂器进行控制，还设置有活化器、泄能器等多个结构配合，导致致裂器的结构复杂。利用化学能产生热量来激活液态二氧化碳，对致裂器运输及操作的安全性能要求更高，同时气密性要求也更高，因此成本相应较高。最重要的是在矿石开采过程中，由于开采的具体情况不同，所需要的致裂器产生的气体压强也不同，传统二氧化碳致裂器由于充入的是液态二氧化碳，难以对产生的气体压强进行精准调控，导致难以匹配不同的开采环境。
发明内容
为解决传统致裂器结构复杂、成本高、产生的气体压强无法精准控制的技术问题，本公开提供了一种结构简单、易于控制、石材开采效率高的致裂装置。
同时，为解决现有胀裂开采方式中致裂器结构复杂、致裂剂采用化学试剂具有污染、开采成本高的技术问题，本公开提供了一种利用气体资源对矿石进行开采的方法。
在第一方面中，本公开提供了一种致裂装置，包括：
壳体，为适于插入钎孔的管状结构，其内部具有腔体以存储气体，壳体上开设有连通腔体的排气孔；
开关阀，安装在腔体内且与腔体滑动配合，通过开关阀在腔体内滑动以控制排气孔的开启/关闭，开关阀将腔体分为储气腔和控制腔；
进气道，连通储气腔，用于为储气腔内充入气体；以及
控制气道，连通控制腔，用于为控制腔内充入气体，开关阀在储气腔和控制腔的气压差下实现滑动，以控制排气孔的开启或关闭。
腔体内设置有限位部，在开关阀与限位部抵接时，排气孔被关闭。
限位部与开关阀的抵接处为相互配合的锥面密封结构。
壳体一端设有进气口，进气口分别连通进气道和控制气道，用以同时为进气道和控制气道充入气体；在关闭位置，控制腔中高压气体在开关阀上的作用面积在向关闭位置移动的作用力方向上的投影大于储气腔中高压气体在开关阀的作用面积在向打开位置移动的作用力方向上的投影，进气道设有单向阀，以使气体沿朝向储气腔内流动的方向流通，反向截止。
进气口设置在壳体靠近储气腔的一端，壳体靠近控制腔的一端固接有轴向设置的滑轴，控制气道穿过壳体由滑轴支撑并连接，并与成型在滑轴中连通控制腔的连接气道连通；开关阀中部设有与滑轴密封滑动配合的滑孔。
连接气道为T型结构，其一端连通控制气道，另外两端分别连通控制腔。
壳体由多节管状部件组成，各节管状部件之间通过密封结构连接；控制气道由多节气管件组成，各节气管件之间通过管接头密封连接。
多节所述管状部件之间通过锥度螺纹连接。
腔体内设置有多个支撑结构以支撑控制气道，支撑结构包括多个周向均匀设置的加强肋，所述加强肋一端支撑在壳体内壁，另一端支撑在套接在控制气道上的套环上。
支撑结构设置在各节管状部件的轴端，支撑结构还包括加强肋外周用以密封锥度螺纹连接结构的密封圈。
排气孔包括多个沿壳体周向及轴向均匀开设的径向孔。
在第二方面中，本公开提供了一种矿石开采方法，该方法应用于上述的致裂装置，其包括以下步骤：
步骤一、在矿石基体上成型若干钎孔，若干钎孔围设成石材从基体分解的设定形状；
步骤二、将若干致裂装置分别插入对应的若干钎孔中，并使致裂装置动作，以使基体上胀裂出设定形状的石材。
步骤二具体为：
打开进气口，以使开关阀在储气腔内气体压力下滑动以开启排气孔。
本公开的技术方案，具有如下有益效果：
1)本公开提供的致裂装置，壳体为适于插入钎孔的管状结构，整体结构简单，工作过程中无需外接压力源或引线，直接与钎孔配合，使用方便，二次回收率高，从而使得石材开采效率高。壳体内部具有存储气体的腔体，采用高压气体对石材进行胀裂，无需化学反应或瞬间物态变化，使用更加安全，易于控制，且制造成本低。开关阀安装在壳体的腔体内且与腔体滑动配合，开关阀在储气腔和控制腔内的气压差下实现滑动，通过开关阀在腔体内的滑动来控制排气孔的开启或关闭，传动部件结构简单，开关阀响应速度快，开启迅速，从而提高开采效率。
2)本公开提供的致裂装置，腔体内设有限位部，开关阀与限位部抵接时，排气孔被关闭，限位部与开关阀的抵接处为相互配合的锥面密封结构，利用限位部限制开关阀在腔体内滑动，锥面结构成型简单，密封性好。
3)本公开提供的致裂装置，壳体一端设置有进气口，进气口分别连通进气道和控制气道，利用单一气源同时为进气道和控制气道充入气体，使得致裂装置充气简单方便。排气孔在关闭状态时，控制腔中的气压大于储气腔中气压，从而使得非放气状态下开关阀始终处于关闭状态。进气道内设置有单向阀，使得在非放气状态下腔体内部形成稳定的密闭状态，便于装置的搬运与保存。
4)本公开提供的致裂装置，控制腔一端设置有滑轴，开关阀中部设置有滑孔，通过滑轴与滑孔的配合为开关阀的滑动提供路径，使得开关阀在腔体内滑动更加稳定可靠，避免发生卡顿，控制气道与成型在滑轴中的连接气道连通，连接气道设置为T型结构，以使控制腔中充入气体更加均匀快速，从而使开关阀响应速度更快。
5)本公开提供的致裂装置，壳体由多节管状部件组成，各节管状部件通过锥度螺纹连接，控制气道也由多节气管件组成，多节气管件通过管接头密封连接，多节结构便于致裂装置的拆装与更换，同时降低装置的生产和输送成本。
6)本公开提供的致裂装置，腔体内设置有支撑结构以支撑控制气道，支撑结构设置在各节管状部件的轴端，其包括多个周向均匀设置的加强肋，以使控制气道结构更加稳定，避免在运输或使用过程中腔体内部控制气道结构发生破坏，同时支撑结构外周设置密封圈对锥度螺纹连接处进行密封，保证气密性。
7)本公开提供的致裂装置，排气孔包括多个沿壳体周向及轴向均匀设置的径向孔，排气孔设置有径向孔，致裂装置在钎孔中对矿石施加使矿体克服拉应力的压力，使得矿石的裂解更加容易，同时避免在高压气体裂解过程中发生飞管，石材开采更加安全。
8)本公开提供的矿石开采方法，利用高压气体对矿石进行胀裂开采，无需化学试剂及反应，开采过程安全无污染，同时开采步骤简单，装置回收方便，提高石材的开采效率，降低开采成本。
附图说明
为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，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的附图。
图1是根据本公开实施方式的致裂装置的结构示意图；
图2是根据本公开实施方式的致裂装置的支撑结构的示意图；
附图标记说明：
1-壳体；11-排气孔；12-储气腔；13-控制腔；14-限位部；2-开关阀；21-滑孔；3-进气口；31-进气道；32-控制气道；33-单向阀；34-管接头；4-滑轴；41-连接气道；5-支撑结构；51-加强肋；52-套环；53-密封圈。
具体实施方式
下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述。
本公开提供的致裂装置及方法，可用于对矿体或矿石基体进行胀裂分解开采，需要说明的是，岩石系硬脆性材料具有抗拉强度远小于抗压强度的明显特点，有鉴于此，本公开提供的致裂装置及方法对矿石进行胀裂分解的过程正是克服矿石的抗拉强度，因此分解难度大大降低，开采效率随之提高。
如图1所示的一个实施方式中，本公开提供的致裂装置包括壳体1、开关阀2、进气道31、以及控制气道32。在本实施方式中，壳体1设置为与钎孔适配的圆形管状结构，壳体1的径向尺寸可根据工作需要设置为多种不同规格，以适配地插入在矿石基体上形成的钎孔中。壳体1内部具有腔体以储存有用于开采工作的高压气体，壳体1开设有连通腔体的排气孔11，腔体内部的高压气体通过排气孔11排出以对预开采矿石提供胀解力。
开关阀2安装在壳体1的腔体内，在本实施方式中，开关阀2为类似活塞的密封滑动件与腔体的内壁滑动配合，如图1所示，开关阀2将腔体分为储气腔12和控制腔13，储气腔12用于存储高压气体，控制腔13作为调节开关阀2动作的腔室。开关阀2滑动的路径的腔体内壁的一端设置有限位部14，限位部14用于限制开关阀2的滑动，限位部14与壳体1构成了开关阀2的滑动路径，当开关阀2与限位部14抵接时，排气孔11被开关阀2关闭。在本实施方式中，限位部14设置为与开关阀2的抵接处相互配合的锥面密封结构，以便于生产中对限位部14成型，同时锥面结构使得密封性更好。当开关阀2在使排气孔11关闭的关闭位置时，控制腔13中高压气体在开关阀2上的作用面积在向关闭位置移动的作用力方向上的投影大于储气腔12中高压气体在开关阀2的作用面积在向打开位置移动的作用力方向上的投影。
在如图1所示的实施方式中，在壳体1靠近储气腔12的一端设置有进气口3，进气口3连通进气道31和控制气道32，外界气源可通过进气口3同时为进气道31和控制气道32充入气体。进气道31连通储气腔12，为储气腔12中充入工作气体，进气道31内设置有单向阀33，单向阀33为现有技术中在售的阀体结构，例如在本实施方式中，单向阀33为具有偏压弹簧的偏压单向阀33。该单向阀33使气体沿朝向储气腔12内流动的方向流通，而反向截止。控制气道32连通控制腔13，为控制腔13中充入气体。
壳体1靠近控制腔13的一端固接有轴向设置的滑轴4，开关阀2中部设置有与滑轴4密封配合的滑孔21，滑轴4和滑孔21的配合为开关阀2的滑动提供路径，使得开关阀2在腔体内滑动既不影响气流的畅通，同时保持储气腔12与控制腔13之间的密封关系。控制气道32设置在腔体中部，控制气道32穿过腔体由滑轴4支撑并连接，且控制气道32与成型在滑轴4中连通控制腔13的T型结构的连接气道41连通，即进入控制气道32的气体经连接气道41充入控制腔13中，从而控制腔13中气体对开关阀2施加有朝向关闭方向的气体压力。
在本实施方式中，连接气道41设置为T型结构，T型结构的一端连通控制气道32，另外两端分别连通控制腔13，以使气体快速均匀进入控制腔13中，从而使得开关阀2响应更稳定快速。
如图1所示，在本实施方式中，壳体1由多节管状部件组成，各节管状部件之间通过密封结构连接，控制气道32由多节气管件组成，各节气管件之间通过管接头34密封连接。具体地，壳体1设置为若干段密封连接的管状结构，多节管状结构之间通过锥度螺纹连接。控制气道32为设置在腔体中部的多节气管连接，多节拼装结构以便于壳体1和控制气道32的拆装与更换，同时有效降低装置的生产和运输成本。
如图1、图2所示，在本实施方式中，腔体内还设置有多个支撑结构5以支撑控制气道32。控制气道32设置在腔体中部，其一端支撑在滑轴4上，另一端支撑在进气口3，支撑结构5设置在各节管状部件的轴端，其包括多个周向设置的加强肋51以及设置在加强肋51外周的密封圈53，加强肋51一端支撑在壳体1内壁，另一端固接在套接在控制气道32上的套环52上，通过支撑结构5对控制气道32进行支撑，避免在运输或使用过程中腔体内部的控制气道32结构发生破坏，密封圈53对各节管状部件的锥度螺纹连接处进行轴向密封，提高气密性。
在本实施方式中，排气孔11设置为多个沿壳体1周向及轴向均匀开设的径向孔，以使致裂装置在工作时，在钎孔中对矿石施加使矿体克服拉应力的气体压力，使得矿石的裂解更加容易，同时避免在高压气体胀裂过程中产生轴向的反推力从而发生飞管，使开采过程更加安全。
根据施工的地的现场需要，储气腔12中高压气体的压强为5～200Mpa，以满足不同矿石的开采需求。
上述结合附图说明了本公开提供的致裂装置的结构，以下对本公开致裂装置的使用原理进行说明。
充气时，高压气源通过进气口3充入气体，进入进气口3的气体一部分经过控制气道32、连接气道41进入控制腔13中，控制腔13中气体压力推动开关阀2朝向关闭位置处移动，以使排气孔11处于关闭状态；当充入控制气道32及控制腔13中的气体压力足以克服进气道31中的单向阀33的偏压弹簧的弹性力时，单向阀33被打开，进入进气口3的气体另一部分经过进气道31和单向阀33充入储气腔12中储存，直至控制腔13及储气腔12中的气体压力达到预定的压力值后，通过一个与进气口3关联的进气阀(附图未示出)关闭进气口3。
在非放气状态下，由于单向阀33作用，储气腔12形成一密闭的腔体以存储工作气体，控制气道32、连接气道41、控制腔13形成一密闭的腔体。同时由于腔体内靠储气腔12一侧设有限位部，使得开关阀2靠近储气腔12一侧与压力气体的接触面积在开关阀2移动方向上的投影小于靠控制腔13一侧与压力气体的接触面积在开关阀2移动方向上的投影，这样使得控制腔13一侧的气体压力大于储气腔12一侧的气体压力，由此控制开关阀2抵靠在限位部14以关闭排气孔11。
使用致裂装置进行工作时，控制所述进气阀打开进气口3，使控制腔13、连接气道41、控制气道32中形成的密闭腔体内的高压气体排出，此时储气腔12中的高压气体推动开关阀2向开启位置滑动，储气腔12内高压气体经排气孔11排出，进入钎孔中来实现气压致裂。开关阀2在储气腔12和控制腔13内气体的气压差下实现开启和关闭，开关阀2的响应速度更快，气体释放更快。
上述对本公开提供的致裂装置的工作原理进行了说明，需要特别指出的是，对于控制进气口3的关闭与开启的进气阀，可采用现有技术中的气控阀或电磁阀等气控元件进行控制，所述的进气阀可直接设置在进气口3的端口处，也可设置在连接进气口3的气管路上，以方便操作人员在钎孔外控制操作，对于进气阀对进气口3的控制，均采用现有技术即可，本公开对此不再赘述。
本领域技术人员应当理解，在一些可替代的实施中，限位部14还可以是其他任何适于配合的结构，例如凸台与开关阀2端面的配合。
在一个可替代的实施方式中，进气道31与控制气道32可分别独立设置，无需连通，采用两个独立气源分别对进气道31和控制气道32进行供气。以使得开关阀2在不依赖两端与气体接触面积的情况下，仅通过储气腔和控制腔内的气压差满足控制开关阀2的滑动。在本实施方式中，首先向控制气道32中输入气体，使开关阀2移动到关闭排气孔11的位置。然后通过进气道31向储气腔12内输入气体，并在输入过程中始终保持控制腔13中向所述开关阀2提供的气体压力大于储气腔12所提供的压力，直至储气腔12中的气压达到所需的预定值。本实施例的致裂工作过程与上述实施例相同。
在另一可替代的实施方式中，与上述实施方式的区别在于控制气道32可设置壳体1之外，例如设置在壳体1的外壁上，从而无需对控制气道32进行支撑，也不需要设置同时连通进气道31和控制气道32的进气口3。
在再一种可替代的实施方式中，与上述实施方式的区别在于连接气道41连通控制腔13的一端还可设置为其他任何利于气体均匀快速进入控制腔13的结构，例如还可以是在滑轴4内周向均匀发散的结构。
同时，在第二方面中，本公开还提供了一种矿石开采方法，该方法采用本公开提供的致裂装置，其具体包括以下步骤：
步骤一、在矿石基体上成型若干钎孔，若干钎孔围设成石材从基体分解的设定形状；
步骤二、将若干致裂装置分别插入对应的若干钎孔中，并使致裂装置动作，以使基体上胀裂出所述设定形状的石材。
其中，步骤二包括打开进气口3，以使开关阀2在储气腔12内气体压力下滑动以开启排气孔11。
本公开提供的矿石开采方法，具体而言，对矿石开采时，可利用现有机械在矿体的水平或竖直方向上开设若干钎孔，使钎孔围设成待开采石材从矿石基体上分解的预设形状。将若干已经充满气的致裂装置分别插入对应的钎孔中；打开进气阀，通过进气口使控制腔内的压力降低至环境气压，以使开关阀在储气腔内气体压力下滑动以开启排气孔，致使储气腔内的气体冲出，在钎孔中形成冲击致裂气压，以使矿石基体上裂解出所预设形状的石材。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。
Claims (13)
1.一种致裂装置，其特征在于，包括：
壳体(1)，为适于插入钎孔的管状结构，其内部具有腔体以存储气体，所述壳体(1)开设有连通所述腔体的排气孔(11)；
开关阀(2)，安装在所述腔体内且与所述腔体滑动配合，通过所述开关阀(2)在所述腔体内滑动以控制所述排气孔(11)的开启/关闭，所述开关阀(2)将所述腔体分为储气腔(12)和控制腔(13)；
进气道(31)，连通所述储气腔(12)，用于为所述储气腔(12)内充入气体；以及
控制气道(32)，连通所述控制腔(13)，用于为所述控制腔(13)内充入气体，所述开关阀(2)在所述储气腔(12)和所述控制腔(13)的气压差下实现滑动，以控制所述排气孔(11)的开启或关闭。
2.根据权利要求1所述的致裂装置，其特征在于，
所述腔体内设有限位部(14)，在所述开关阀(2)与所述限位部(14)抵接时，所述排气孔(11)被关闭。
3.根据权利要求2所述的致裂装置，其特征在于，
所述限位部(14)与所述开关阀(2)的抵接处为相互配合的锥面密封结构。
4.根据权利要求2或3所述的致裂装置，其特征在于，
所述壳体(1)一端设有进气口(3)，所述进气口(3)分别连通所述进气道(31)和所述控制气道(32)，用以同时为所述进气道(31)和所述控制气道(32)充入气体；在关闭位置，所述控制腔(13)中高压气体在所述开关阀(2)上的作用面积在向关闭位置移动的作用力方向上的投影大于所述储气腔(12)中高压气体在所述开关阀(2)的作用面积在向打开位置移动的作用力方向上的投影，所述进气道(31)设有单向阀(33)，以使气体沿朝向所述储气腔(12)内流动的方向流通，反向截止。
5.根据权利要求4所述的致裂装置，其特征在于，
所述进气口(3)设置在所述壳体(1)靠近所述储气腔(12)的一端，所述壳体(1)靠近所述控制腔(13)的一端固接有轴向设置的滑轴(4)，所述控制气道(32)穿过所述壳体(1)由所述滑轴(4)支撑并连接，并与成型在所述滑轴(4)中连通所述控制腔(13)的连接气道(41)连通；所述开关阀(2)中部设有与所述滑轴(4)密封滑动配合的滑孔(21)。
6.根据权利要求5所述的致裂装置，其特征在于，
所述连接气道(41)为T型结构，其一端连通所述控制气道(32)，另外两端分别连通所述控制腔(13)。
7.根据权利要求1至6任一项所述的致裂装置，其特征在于，
所述壳体(1)由多节管状部件组成，各节管状部件之间通过密封结构连接；所述控制气道(32)由多节气管件组成，各节气管件之间通过管接头(34)密封连接。
8.根据权利要求7所述的致裂装置，其特征在于，
多节所述管状部件之间通过锥度螺纹连接。
9.根据权利要求8所述的致裂装置，其特征在于，
所述腔体内设置有多个支撑结构(5)以支撑所述控制气道，所述支撑结构(5)包括多个周向均匀设置的加强肋(51)，所述加强肋(51)一端支撑在所述壳体(1)内壁，另一端支撑在套接在所述控制气道(32)上的套环(52)上。
10.根据权利要求9所述的致裂装置，其特征在于，
所述支撑结构(5)设置在所述各节管状部件的轴端，所述支撑结构(5)还包括所述加强肋(51)外周用以密封所述锥度螺纹连接结构的密封圈(53)。
11.根据权利要求1至10任一项所述的致裂装置，其特征在于，
所述排气孔(11)包括多个沿所述壳体(1)周向及轴向均匀开设的径向孔。
12.一种矿石开采方法，采用权利要求1至11任一项所述的致裂装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在矿石基体上成型若干钎孔，所述若干钎孔围设成石材从所述基体分解的设定形状；
步骤二、将若干所述致裂装置分别插入对应的所述若干钎孔中，并使所述致裂装置动作，以使所述基体上胀裂出所述设定形状的石材。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述步骤二具体为：
打开所述进气口，以使所述开关阀在所述储气腔内气体压力下滑动以开启所述排气孔。
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