CN110425948A - 一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩装置及方法，该方法利用铝纤维和常用燃料作为能源，在密闭的钢管内装入铝纤维和常用燃料，将钢管置入岩石炮孔内，向钢管中压入适当压力的氧气，再对铝纤维高压放电，迫使铝纤维和燃料爆燃，通过钢管上设置的圆形泄能口(圆形泄能口可设置多排)产生高压气体射流，对岩石冲击作用，达到破岩的目的。此方法未使用炸药、雷管或其它敏感材料便可达到破岩效果，且不产生有害气体、噪声小、粉尘少、飞石少，对周边环境的影响小；设备加工简单、耗材价格不高，储存、运输、使用方便。本发明的铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩技术可用于炸药使用不便或对爆破次生灾害控制要求较高的破岩区域。
Description
技术领域
本发明属于新型破岩器材领域，具体涉及一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩装置及方法，不使用炸药、雷管或其它敏感材料而是利用铝纤维与液态燃料爆燃的能量进行破岩。
背景技术
我国工业炸药生产和使用量据2018年不完全统计已达400多万吨，雷管12亿余发，炸药和雷管的生产量和使用量占世界总量的50％左右。炸药和雷管的大量使用标志着我国矿业生产、基本建设、海洋工程和特种爆炸加工等行业取得了长足的发展。多年统计数据表明，国民经济建设的指标和曲线与爆破器材的生产使用的指标和曲线基本是平行的，爆破器材的生产消耗量是经济发展的晴雨表。
但是大量使用爆破器材进行爆破作业产生了很多负面效应，比如爆破产生的炮烟和粉尘污染、爆炸产生的振动损伤、飞石的远距离破坏、冲击波和噪声等，这些公害均无法消除，会给使用区带来众多的影响。爆破器材的运输、贮存和使用过程的公共管理，工作量大、环境复杂，不法分子的偷盗时有发生，管理不到位就可能出现恐怖事件，给人民的生命财产带来重大的损失，管理到位，就需要动用大量的警力、高科技手段、投入足够的财力物力，成本高昂。近年来，尽管投入了大量的人力物力，还是有爆破意外事故发生。
为此国内外科技工作者提出了非炸药爆破的思想，我国的科技工作者学习并提出高压二氧化碳相变储能技术，产生相变冲击波，从而对岩石产生破碎作用，达到破岩的目的。由于不用炸药，所以避免了各类安全问题。近年来，二氧化碳破岩技术的推广使用取得了一定进展，但各地技术不统一，发展不平衡，技术本身存在不足，如管内初始二氧化碳压力很高，压气过程能耗大，多次发生意外爆炸，同时管内装有初始点火药卷，也是危化物品，必须纳入公共安保范围内。由于多次发生爆炸伤人事故，该技术的使用已经受到了限制。
铝是一活性很高的金属材料，在高温氧环境下可发生爆炸性的燃烧，铝纤维与铝粉相比，比表面积小，提前氧化量少，活性保持效果明显。同时，铝纤维又是电的良好导体。本发明利用铝纤维和常用燃料作为能源，在密闭的钢管内装入铝纤维和常用燃料，将钢管置入岩石炮孔内，向钢管中压入适当压力的氧气，再对铝纤维高压放电，迫使铝纤维和燃料爆燃，通过钢管上设置的泄能口产生高压气体射流，对岩石冲击作用，达到破岩的目的。本发明没有使用危化物品，点火初能是高电压放电，充氧也是在破岩现场岩石炮孔内进行，因此，可做到安全、平稳、简单、可靠、高效、成本低廉、配套设备少、易推广使用等，克服了炸药爆破存在的主要问题，可在安全要求较高环境中破岩使用。
在已公开发表的文献、专利、资料中，尚未查阅到有关铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩技术的报道。
发明内容
本发明提供一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩装置及方法，该方法利用铝纤维和常用燃料作为能源，在密闭的钢管内装入铝纤维和常用燃料，将钢管置入岩石炮孔内，向钢管中压入适当压力的氧气，再对铝纤维高压放电，迫使铝纤维和燃料爆燃，通过钢管上设置的泄能口产生高压气体射流，对岩石冲击作用，达到破岩的目的。
为了实现上述目标，提供如下技术方案：
本发明提供一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩装置，包括进气口、顶部密封螺栓、点火端管外部分、点火端管内部分、厚壁无缝钢管、圆形泄能口、定压封堵块和底部密封螺栓；厚壁无缝钢管两端内壁加工有螺纹，两端采用螺栓密封，在厚壁无缝钢管靠下位置对称设置多个圆形泄能口，进气口安装在顶部密封螺栓上，用于压入高压氧气，充气完成后关闭；点火端管外部分用于连接外部放电点火装置；点火端管内部分用于连接管内铝纤维；定压封堵块用于在起爆之前封堵氧气及燃料不外泄。
其中，厚壁无缝钢管长度优选为0.5m～10m，更优选为1m～3m，其外径优选为20mm～200mm，更优选为35mm～80mm，其内径优选为10mm～160mm，更优选为20mm～50mm。圆形泄能口圆心距厚壁无缝钢管下端距离优选为20mm～200mm，更优选为30mm～100mm。圆形泄能口直径优选为5mm～50mm，更优选为10mm～30mm。
本发明提供一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩方法，该方法利用铝纤维和常用燃料作为能源，在密闭的钢管内装入铝纤维和常用燃料，将钢管置入岩石炮孔内，向钢管中压入适当压力的氧气，再对铝纤维高压放电，迫使铝纤维和燃料爆燃，通过钢管上设置的泄能口产生高压气体射流，对岩石冲击作用，达到破岩的目的。
其中，所述的非炸药破岩是指不使用炸药、雷管或其它敏感材料而达到传统方法使用炸药的破岩效果。
其中，所述的铝纤维是包括但不限于由金属铝通过冷拉拔、切削、熔抽等手段制成的纤维状材料，其直径优选为0.1～100μm，再优选为1～20μm。
其中，所述的常用燃料包括但不限于成本低、易获取、易挥发的可燃性液态烃和烃的衍生物等碳氢化合物，优选为乙醇、汽油、柴油、环氧丙烷、硝基甲烷等。
其中，所述的钢管是为了使铝纤维与常用燃料的爆燃能量对外做功破岩而设计的，含有包括但不限于点火端、进气口、泄能口、定压封堵块、密封螺栓等部件的装置，该装置可重复使用，其形状应根据作业要求而设计，优选为一根圆柱形长管，其长度优选为0.5m～10m，更优选为1m～3m，其外径优选为20mm～200mm，更优选为35mm～80mm，其内径优选为10mm～160mm，更优选为20mm～50mm。所述的泄能口可在钢管侧壁对称设置多排。
其中，所述的放电点火装置包括但不限于市场上常用的电容式发爆器，其单次发爆能力以引燃冲量来衡量，优选为8.7A2·ms～12.0A2·ms；
其中，所述的爆燃是指在燃烧中存在以亚音速传播的燃烧波。
其中，该方法具体实施起来包含以下步骤：(1)在待爆破区域内按照设计方案测绘、钻孔；(2)使用特制的破膜片密封破岩管上的泄能口；(3)拧紧破岩管上的螺栓，检查装置的气密性；(4)将铝纤维均匀布置在破岩管中，将燃油以喷雾的形式喷入破岩管内；(5)电测通路后，将爆破管放入岩体炮孔内，炮孔内空隙部分根据需求可使用不同材料填塞，包括但不限于土石、砂石、胶体水等；(6)使用充气设备向爆破管内压入氧气至预设压力；(7)准备完毕后，连线、充电、起爆；(8)爆破完成后取出爆破管，简单清理管体以便下次使用；(9)检查爆破效果，清理石料。
与现有技术相比，本发明所具有的的优异性和显著特点在于：
(1)本发明中未使用炸药便可达到破岩效果，且不产生有害气体、噪声小、粉尘少、飞石少，对周边环境影响小；
(2)本发明中使用的铝纤维、燃油、氧气等耗材均属于日常生产生活中常用的类别，价格低廉、来源广泛，且其储存、运输、使用均无需行政许可；
(3)本发明中使用的设备主要组件加工制作简单，且设备可重复使用，降低了成本；
(4)本发明中将定压封堵块设置在平行于泄能口的位置，相较于将定压封堵块设置在垂直于泄能口的位置，可以减少损失的冲击能量，并且降低“飞管”的概率；
(5)本发明中泄能破岩能量的大小和释放的方向可控，提高了破岩作业的灵活性和能量的利用率；
(6)本发明中破岩及准备过程简单、现场实施方便，且可以同时多排组网使用，适用于不同的作业要求；
(7)本发明中属于首创，可以为现有的破岩技术做出一些补充和改进以及为后面的研究人员提供一些参考。
附图说明
图1是本发明一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩装置的结构图。
图2是本发明一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩装置实际作业示意图。
图中：1-进气口；2-顶部密封螺栓；3-点火端管外部分；4-点火端管内部分；5-厚壁无缝钢管；6-圆形泄能口；7-定压封堵块；8-底部密封螺栓；9-炮孔岩石壁面；10-铝纤维；11-高压氧气及挥发的液态燃料蒸气；12-炮孔填塞物。
具体实施方式
下面结合附图，用实施例来进一步说明本发明的实质性内容，但并不以此来限定本发明。
实施例1：
本案例为测试铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩技术而进行的原理性试验，破岩对象是一块经长期养护后的砂浆混凝土石料，形状为圆柱形，高600mm、直径200mm，在石料中心钻出一个直径45mm，高度500mm的圆孔；爆破器材主体设备采用的是上文中所述的破岩装置，如图1所示，主要部件包括：进气口1、顶部密封螺栓2、点火端管外部分3、点火端管内部分4、厚壁无缝钢管5、圆形泄能口6、定压封堵块7、底部密封螺栓8；厚壁无缝钢管5有效部分长1060mm，内径22mm，外径37mm，厚壁无缝钢管5两端内壁加工有螺纹，两端采用螺栓密封，在厚壁无缝钢管5靠下位置对称设置两个圆形泄能口6，圆心距厚壁无缝钢管5下端30mm，圆形泄能口6直径10mm。本次使用的铝纤维平均直径为9μm，单个破岩装置用量为5g；本次使用的辅助燃料为无水乙醇，单个破岩装置用量为10mL；破岩装置在准备阶段先使用环氧树脂胶密封圆形泄能口6，封堵厚度设置为3mm，然后拧紧两端的螺栓，检查装置的气密性；准备工作完成后拧开两端的螺栓，在钢管内均匀布置铝纤维，拧紧底部密封螺栓8，然后通过厚壁无缝钢管5上部开口往里面喷洒无水乙醇，同时在点火端管内部分上布置少量铝纤维，电测通路后拧紧顶部密封螺栓；将准备完成的破岩器放入炮孔，破岩器与炮孔之间的间隙部分使用胶体水填塞，随后往破岩器内压入氧气，最终压入到破岩器内的气体压力控制到3～4MPa。上述工作做完后，连线、充电、起爆。爆破完成后取出爆破管，简单清理管体以便下次使用；最后，检查爆破效果，清理石料。
实施例2：
作业对象为岩石台阶爆破的一个工作区段，该区域内岩石材质为:流纹质含角砾玻屑熔结凝灰岩，爆破面积25.9m2，布置两排炮孔每排5个，孔深0.8m，孔网参数1.2m×1.2m；爆破器材主体设备采用的是上文中所述的破岩装置，如图1所示，主要部件包括：进气口1、顶部密封螺栓2、点火端管外部分3、点火端管内部分4、厚壁无缝钢管5、圆形泄能口6、定压封堵块7、底部密封螺栓8；钢管有效部分长1000mm，内径60mm，外径100mm，厚壁无缝钢管5两端内壁加工有螺纹，两端采用螺栓密封，在厚壁无缝钢管5靠下位置对称设置两个圆形泄能口6，圆心距钢管下端100mm，圆形泄能口直径20mm。本次使用的铝纤维平均直径为12μm，单个破岩装置用量为10g；本次使用的辅助燃料为环氧丙烷，单个破岩装置用量为20mL；破岩装置在准备阶段先使用环氧树脂胶密封泄能口，封堵厚度设置为10mm，然后拧紧两端的螺栓，检查装置的气密性；准备工作完成后拧开两端的螺栓，在钢管内均匀布置铝纤维，拧紧底部密封螺栓，然后通过钢管上部开口往里面喷洒环氧丙烷，同时在点火端管内部分上布置少量铝纤维，电测通路后拧紧顶部密封螺栓；将准备完成的破岩器放入炮孔，破岩器与炮孔之间的间隙部分使用碎岩屑填塞，随后往破岩器内压入氧气，最终压入到破岩器内的气体压力控制到6～7MPa，依照同样的步骤，准备剩余炮孔所需使用的破岩器，最后连线、组网、起爆。爆破完成后取出爆破管，检查爆破效果，清理石料。
Claims (10)
1.一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩装置，其特征在于：包括进气口(1)、顶部密封螺栓(2)、点火端管外部分(3)、点火端管内部分(4)、厚壁无缝钢管(5)、圆形泄能口(6)、定压封堵块(7)和底部密封螺栓(8)；厚壁无缝钢管(5)两端内壁加工有螺纹，两端采用螺栓密封，在厚壁无缝钢管(5)靠下位置对称设置多个圆形泄能口(6)，进气口(1)安装在顶部密封螺栓(2)上，用于压入高压氧气，充气完成后关闭；点火端管外部分(3)用于连接外部放电点火装置；点火端管内部分(4)用于连接管内铝纤维；定压封堵块(7)用于在起爆之前封堵氧气及燃料不外泄。
2.根据权利要求1所述的一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩装置，其特征在于：厚壁无缝钢管(5)长度优选为0.5m～10m，其外径优选为20mm～200mm，其内径优选为10mm～160mm，圆形泄能口(6)圆心距厚壁无缝钢管(5)下端距离优选为20mm～200mm，圆形泄能口(6)直径优选为5mm～50mm。
3.根据权利要求1所述的一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩装置，其特征在于：厚壁无缝钢管(5)长度更优选为1m～3m，其外径更优选为35mm～80mm，其内径更优选为20mm～50mm，圆形泄能口(6)圆心距厚壁无缝钢管(5)下端距离更优选为30mm～100mm，圆形泄能口(6)直径更优选为10mm～30mm。
4.一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩方法，其特征在于：该方法利用铝纤维和常用燃料作为能源，在密闭的钢管内装入铝纤维和常用燃料，将钢管置入岩石炮孔内，向钢管中压入适当压力的氧气，再对铝纤维高压放电，迫使铝纤维和燃料爆燃，通过钢管上设置的泄能口产生高压气体射流，对岩石冲击作用，达到破岩的目的。
5.如权利要求4所述的一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩方法，其特征在于：所述的非炸药破岩是指不使用炸药、雷管或其它敏感材料而达到传统方法使用炸药的破岩效果。
6.如权利要求4所述的一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩方法，其特征在于：所述的铝纤维是包括但不限于由金属铝通过冷拉拔、切削、熔抽等手段制成的纤维状材料，其直径优选为0.1～100μm，再优选为1～20μm。
7.如权利要求4所述的一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩方法，其特征在于：所述的常用燃料包括但不限于成本低、易获取、易挥发的可燃性液态烃和烃的衍生物等碳氢化合物，优选为乙醇、汽油、柴油、环氧丙烷、硝基甲烷等。
8.如权利要求4所述的一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩方法，其特征在于：所述的钢管是为了使铝纤维与常用燃料的爆燃能量对外做功破岩而设计的，含有包括但不限于点火端、进气口、泄能口、定压封堵块、密封螺栓等部件的装置，该装置可重复使用，其形状应根据作业要求而设计，优选为一根圆柱形长管，其长度优选为0.5m～10m，更优选为1m～3m，其外径优选为20mm～200mm，更优选为35mm～80mm，其内径优选为10mm～160mm，更优选为20mm～50mm；所述的泄能口可在钢管侧壁对称设置多排。
9.如权利要求4所述的一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩方法，其特征在于：所述的放电点火装置包括但不限于市场上常用的电容式发爆器，其单次发爆能力以引燃冲量来衡量，优选为8.7A2·ms～12.0A2·ms；
所述的爆燃是指在燃烧中存在以亚音速传播的燃烧波。
10.如权利要求4所述的一种铝纤维与液态燃料联合作用的非炸药破岩方法，其特征在于：该方法具体实施起来包含以下步骤：
(1)在待爆破区域内按照设计方案测绘、钻孔；
(2)使用特制的破膜片密封破岩管上的泄能口；
(3)拧紧破岩管上的螺栓，检查装置的气密性；
(4)将铝纤维均匀布置在破岩管中，将燃油以喷雾的形式喷入破岩管内；
(5)电测通路后，将爆破管放入岩体炮孔内，炮孔内空隙部分根据需求可使用不同材料填塞，包括但不限于土石、砂石、胶体水等；
(6)使用充气设备向爆破管内压入氧气至预设压力；
(7)准备完毕后，连线、充电、起爆；
(8)爆破完成后取出爆破管，简单清理管体以便下次使用；
(9)检查爆破效果，清理石料。
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