CN110700829B - 基于冻胀力的加压装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冻胀力的加压装置，包括：壳体和顺序冷冻装置；壳体的内部为空腔结构且对称设有用于膨胀液溢出的贯穿孔；在贯穿孔处设有相对壳体中心直线运动的扩张部，扩张部一端与贯穿孔处的膨胀液接触；壳体内的空腔通过膨胀液进液口与外部膨胀液灌装设备连接，壳体两侧对称设置着与壳体空腔相通的冷冻管；在远离扩张部的冷冻管上对称的设有顺序冷冻装置；顺序冷冻装置的冷冻方向从远离扩张部的冷冻管开始，至壳体扩张部的设置处结束；顺序冷冻装置包括：介质入口、介质冷冻部以及介质出口。有益效果：本发明通过顺序冷冻的方式让冷冻后的体积膨胀变得有目的性，利用该膨胀的体积为破碎岩石或岩石封孔提供了新思路、新方案。

Description

基于冻胀力的加压装置

技术领域

本发明涉及矿山领域，具体涉及基于冻胀力的加压装置。

背景技术

水这一类具有冻胀性的物质，在温度降低时，相态由液态转变为固态，在此过程中，体积增大的现象，称之为冻胀。相同摩尔数的水分子由液态转化为固态后，体积增长率约为11 %。水在冻胀的过程中，密度减小，持续生长的固体部分称为冻胀体。如果周围介质限制水冻结过程中的体积增长，水的冻胀体就会对周围介质施加一个垂直于冻胀体表面的法向力，称为冻胀力。

冻胀力基于分子间作用力，如果周围介质在冻胀体的增长过程中提供足够的体积边界限制，已有记录的冻胀力可高达上百兆帕，能撑破混凝土和钢管等高强度材料。在工程中造成施工对象的不均匀变形，通常表现为有害的一面：例如致使建筑物地基变形、道路结构断裂、引水渠道管壁破裂等。因此没有将冻胀力能产生高压的特点充分利用。已知的关于冻胀力的专利和文献主要偏重于对含水岩土冻胀融沉损伤过程的真实模拟和相关参数的测定，并没有将冻胀力作为增压的动力源运用到施工中进行高压封孔、高压破岩等需要高压才能进行工作的场所。

在目前破岩和封孔作业中，一般都有高压需求。通过加压装置或者方法得到的高压主要被转化为静摩擦所需的正压力、流体压力或者直接作为固体压力进行运用。高压在运用的场合中，类似于摩擦封孔等不需要压力具备行程，类似于破岩等领域除了需要较高的压力值以外，还需要压力具有一定的行程来对外做工。

现有增压泵增加压力的方法，一、增压泵借助机械压缩流体来提高流体压力获得高压流体。增压泵中能产生高压的泵，被称为高压泵。但是压力越高，对设备就有更多的要求，并且还会存在爆管的隐患。高压泵形状固定，难以与其他装置实现一体化，增压能力越强的泵对材料强度和工艺要求高，制造困难；且在能源动力供应困难的地区、高原寒区等条件恶劣的工作条件下，机械性能不稳定。

现有炸药增加压力的方法，二、常规炸药在爆炸过程中产生高温高压气体作用于周围介质，从而获得高压气体；也有特殊炸药通过体积膨胀，挤压周围介质获得高压。但是炸药安全隐患大，管理成本高，为一次性用品，爆炸产物对环境有害。对于常规炸药，获得高压的时间短暂，方向不可控。并且炸药使用受到特殊管制，服务领域不多。

中国专利CN2120664公开了一种冷冻式岩石开裂器，使用冰将装置冻结在岩体表面进行固定密封，利用结冰膨胀对岩石表面产生拉力，使岩石沿着岩石表面预制的槽缝分裂。但是这种利用拉力破岩的装置仅仅适用于平坦的岩石表面，并且整体冰冻过程中无法控制冻结顺序，容易造成装置本身的冻胀破坏或者开裂失效。

发明内容

为了解决目前碎岩和封孔中遇到的问题，本发明提供一种基于冻胀力的加压装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

基于冻胀力的加压装置，包括：硬质的壳体和顺序冷冻装置：

所述壳体的内部为空腔结构且对称设有用于膨胀液溢出的贯穿孔；在贯穿孔处设有相对壳体中心直线运动的扩张部，作直线运动的扩张部一端与贯穿孔处的膨胀液接触；所述壳体内的空腔通过膨胀液进液口与外部膨胀液灌装设备连接，所述壳体两侧对称设置着与壳体空腔相通的冷冻管；在远离扩张部的冷冻管上对称的设有顺序冷冻装置；所述顺序冷冻装置的冷冻方向从远离扩张部的冷冻管开始，至壳体扩张部的设置处结束；所述顺序冷冻装置包括：流入低温介质的介质入口、与介质入口连接的螺旋状介质冷冻部以及流出高温介质的介质出口。

本发明的一个实施例：所述壳体包括：外轮廓为圆形的第一壳体、相对第一壳体对称相通连接的空心第一冷冻管；所述第一壳体的中心横向对称着设有贯穿孔，在该贯穿孔内设有相对第一壳体圆形中心直线滑动的第一扩张部；在远离第一扩张部的第一冷冻管上设有顺序冷冻装置；所述顺序冷冻装置包括：流入低温介质的第一介质入口、螺旋的第一冷冻部和流出高温介质的第一介质出口；所述第一介质入口均设在最远离贯穿孔的第一冷冻管外壁；所述第一冷冻管的一端为第一膨胀液的第一进液口。其中，所述第一扩张部整体呈“T”字形，且自由端是与钻孔相适应的弧形板。

本发明的另一个实施例：所述壳体包括：两个圆形的第二壳体，且第二壳体的中心通过第二冷冻管固定；在两个第二壳体的外缘之间连接弹性的第二扩张部，且第二扩张部的运动方向是从第二壳体中心的第二冷冻管向四周直线发散；第二扩张部、第二壳体和第二冷冻管之间围成的空腔中装填有第二膨胀液，且第二膨胀液通过第二进液口与外部相通；在第二扩张部内第二冷冻管的外表面绕着多个螺旋的第二冷冻部,所有第二冷冻部的两端分别与贯穿第二壳体且流入低温介质的第二介质入口和流出高温介质的第二介质出口并联。其中，所述第二冷冻管为空心管，且第二冷冻部与第二冷却管外壁之间设有保温层。

进一步地，所述第二扩张部的材料是耐低温、低导热性的弹性材料。

更进一步地，所述第二扩张部的材料是弹性的耐寒隔热橡胶。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过顺序冷冻的方式让冷冻后的体积膨胀变得有目的性，能提供的压力值高，过程温和可控；装备制造简单便于使用，装备便于与其他设备一体化制造实现联合作业；利用该膨胀的体积为破碎岩石或岩石封孔提供了新的思路、新的方案。

附图说明

图1为本发明的一个实施例；

图2为图1中C-C处的剖视图；

图中，A1第一壳体、A11第一冷冻管、A2第一膨胀液、A3第一扩张部、A4第一进液口、A51第一介质入口、A52第一冷冻部、A53第一介质出口。

图3为本发明的另一个实施例；

图4为图3中D-D处的剖视图。

图中，B1第二壳体、B11第二冷冻管、B2第二膨胀液、B3第二扩张部、B4第二进液口、B51第二介质入口、B52第二冷冻部、B53第二介质出口、B6保温层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

为解决目前碎岩和封孔中遇到的问题，本发明提出了基于冻胀力的加压装置，其包括：硬质的壳体和顺序冷冻装置：其中，所述壳体的内部为空腔结构且对称设有用于膨胀液溢出的贯穿孔；在贯穿孔处设有相对壳体中心直线运动的扩张部，作直线运动的扩张部一端与贯穿孔处的膨胀液接触；所述壳体内的空腔通过设有的膨胀液进液口与外部膨胀液灌装设备连接，所述壳体两侧对称设置着与壳体空腔相通的冷冻管。当膨胀液在低温冷冻后，其自身会产生较大的膨胀力，由于扩张部是与膨胀液直接或间接接触的，因此膨胀液多出来的体积会直接推动扩张部运动，利用该运动可以实现对岩石的破碎和封孔。在本发明中，对于膨胀液优先的方案是水，其次是其他低温冷冻后体积膨胀的物质。

为了让膨胀液可以沿着预期的目标施加作用力，在远离扩张部的冷冻管上对称的设有顺序冷冻装置；所述顺序冷冻装置的冷冻方向从远离扩张部的冷冻管开始，至壳体扩张部的设置处结束。所述顺序冷冻装置包括：流入低温介质的介质入口、与介质入口连接的螺旋状介质冷冻部以及与流出高温介质的介质出口。

由于冷冻是一个渐变的过程，通过顺序冷冻装置先在远离扩张部的地方逐渐冷冻，在冷冻后膨胀液多余的体积会逐渐往没有压力或压力较小的地方（也就是扩张部位置）施压，进而给扩张部提供了缓慢但是力量较大的压力。由于本发明中顺序冷冻装置是对称装在扩张部的两侧，因此在扩张部的两个远端冷冻成固体后，也会变相的对扩张部两端起到密封的作用，这样有利于冷冻形成的压力可以最大程度的蔓延到扩张部。需要说明的是，为了可以进一步地增强扩张碎岩能力，可以对膨胀液在冷冻之前进行预加压处理，一方面利用预加压力可以让扩张部直接紧密接触到岩石的表面，当冷冻的压力在蔓延后，可以直接作用到扩张部的表面，有利于节省膨胀液冷冻后的膨胀行程。如果是对岩石进行封孔作用，对膨胀液就不需要预先施加或者只预先施加较小压力，根据工程需要通过控制调节冻胀体的体积使得封孔时作用力在合适范围内。

本发明的实施例一：如图1和图2所示，外轮廓为圆形的第一壳体A1和相对第一壳体A1对称相通连接的空心第一冷冻管A11；所述第一壳体A1的中心横向对称着设有贯穿孔，该贯穿孔类似贯穿的腰形孔结构；在该贯穿孔内设有相对第一壳体A1圆形中心直线滑动的第一扩张部A3，该第一扩张部A3的结构可以像图2中所示第一扩张部B3整体呈“T”字形，且外部自由端是与钻孔相适应的弧形板。第一扩张部A3在受力向两侧延伸时，进而挤压破碎岩石；为了给第一扩张部A3提供动力，在远离第一扩张部A3的第一冷冻管A11上设有顺序冷冻装置；其中，所述顺序冷冻装置包括：流入低温介质的第一介质入口A51、螺旋的第一冷冻部A52和流出高温介质的第一介质出口A53；所述第一介质入口A51均设在最远离贯穿孔的第一冷冻管A11外壁；所述第一介质入口A51均设在最远离第一扩张部A3处；所述第一冷冻管A11的一端为第一膨胀液A2的第一进液口A4。

本实施例一的工作原理：在使用中，由于第一冷冻管A11一端的第一进液口A4存在膨胀液流通，因此当第一介质入口A51流入低温的冷却介质后，会先缓慢的形成冰晶。在刚开始为了加快形成冰晶并且速冻，可以在刚开始使用液氮作为冷冻介质。当远离第一扩张部A3的远端冻成固体后，然后更换温度稍微较高，但是温度低于膨胀液凝固点的冷冻介质，利用其缓慢形成冰晶粒的流动性可以更好的把膨胀体积产生的作用力传递到第一扩张部A3的好处。随着逐渐的冷冻，最终完成让第一扩张部A3相对第一壳体A1膨胀突出，进而起到撑开岩石或者对岩体在特定方向形成应力集中，便于在应力集中处优先形成裂隙，当对岩石以适当的力均匀挤压时增加摩擦从而起到封孔限位固定的作用。

本发明的实施例二：如图3和图4所示，所述壳体包括：两个圆形的第二壳体B1，且第二壳体B1的中心通过第二冷冻管B11固定；在两个第二壳体B1的外缘之间连接弹性的第二扩张部B3，且第二扩张部B3的运动方向是从第二壳体B1中心的第二冷冻管B11向四周直线发散，其中，第二扩张部B3的材料是耐低温、低热导性的弹性材料，具体来说可以是弹性的耐寒、隔热橡胶。其中第二扩张部B3、第二壳体B1和第二冷冻管B11之间围成的空腔中灌装第二膨胀液B2，且第二膨胀液B2通过第二进液口B4与外部相通。而第二扩张部B3的扩散过程是中心朝外的方式，因此这可以更好起到封孔和碎岩作用。

为了让扩张部可以有足够的位移用于碎岩和封孔，在远离第二扩张部B3内第二冷冻管B11的外表面绕着多个螺旋的第二冷冻部B52, 所有第二冷冻部B52的两端分别与贯穿第二壳体B1且流入低温介质的第二介质入口B51和流出高温介质的第二介质出口B53并联。该种结构的顺序冷冻装置由于是从中心往四周扩散冷冻，因此采用并联的方式可以让靠近第二冷冻管B11附近的膨胀液快速冷却。在该实施方式中，当第二冷冻管B11附近的膨胀液快速冷冻后，不仅会形成一个包裹在第二冷冻管B11周围的环形固体，更巧妙的还会利用该环形结构保护第二冷冻管B11免受第二扩张部B3的反向挤压。为了更好的达到这种环形结构，可以在整个冷冻过程时往冷冻装置中灌入不同温度或者不同材料的冷冻液。同样的为了快速获得环形的保护壳，可以使用液氮速冻。

进一步地，为了保护第二冷冻管B11内穿过的其他设施并提高冷冻效率，需要让第二冷冻管B11为空心管，且第二冷冻部B52与第二冷却管B11外壁之间设有保温层B6。

本实施例二的工作原理：实施例二的使用方法与实施例一的方式大致相同，也是先用液氮或者其他温度较低的冷冻液先把第二冷冻管B11附近冷冻成固体，然后在以缓慢方式让第二扩张部B3逐渐把岩石挤压破碎或者封孔。不同之处在于：第二冷冻管B11可以是空心的结构，并且利用该空心的结构可以进行其他作业，例如作为外层套管限位固定、通过钻杆、抽采天然气、传导水力致裂高压流体等。

Claims (6)

1.一种基于冻胀力的加压装置，其特征在于，包括：硬质的壳体和顺序冷冻装置；所述壳体的内部为空腔结构且对称设有用于膨胀液溢出的贯穿孔；所述壳体包括：外轮廓为圆形的第一壳体(A1)、相对第一壳体(A1)对称相通连接的空心第一冷冻管(A11)；所述第一壳体(A1)的中心横向对称着设有贯穿孔，在该贯穿孔内设有相对第一壳体(A1)圆形中心直线滑动的第一扩张部(A3)；在远离第一扩张部(A3)的第一冷冻管(A11)上设有顺序冷冻装置；所述顺序冷冻装置包括：流入低温介质的第一介质入口(A51)、螺旋的第一冷冻部(A52)和流出高温介质的第一介质出口(A53)；所述第一介质入口(A51)设在最远离贯穿孔的第一冷冻管(A11)外壁；所述第一冷冻管(A11)的一端为第一膨胀液(A2)的第一进液口(A4)。

2.根据权利要求1所述的基于冻胀力的加压装置，其特征在于：所述第一扩张部(A3)整体呈“T”字形，且自由端是与钻孔相适应的弧形板。

3.一种基于冻胀力的加压装置，其特征在于，包括：硬质的壳体，所述壳体包括两个圆形的第二壳体(B1)，且第二壳体(B1)的中心通过第二冷冻管(B11)固定；在两个第二壳体(B1)的外缘之间连接弹性的第二扩张部(B3)，且第二扩张部(B3)的运动方向是从第二壳体(B1)中心的第二冷冻管(B11)向四周直线发散；第二扩张部(B3)、第二壳体(B1)和第二冷冻管(B11)之间围成的空腔中装填有第二膨胀液(B2)，且第二膨胀液(B2)通过第二进液口(B4)与外部相通；在第二扩张部(B3)内第二冷冻管(B11)的外表面绕着多个螺旋的第二冷冻部(B52)，所述第二冷冻部(B52)的两端分别与贯穿第二壳体(B1)且流入低温介质的第二介质入口(B51)和流出高温介质的第二介质出口(B53)并联。

4.根据权利要求3所述的基于冻胀力的加压装置，其特征在于：所述第二冷冻管(B11)为空心管，且第二冷冻部(B52)与第二冷冻管(B11)外壁之间设有保温层(B6)。

5.根据权利要求3或4所述的基于冻胀力的加压装置，其特征在于：所述第二扩张部(B3)的材料是耐低温、低导热性的弹性材料。

6.根据权利要求5所述的基于冻胀力的加压装置，其特征在于：所述第二扩张部(B3)的材料是弹性的耐寒隔热橡胶。

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