CN110905504A - 一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，包括自外向内依次套接的外套管、储水管、储液管以及加热管，所述储水管、储液管以及加热管长度均相同，加热管内部填充加热材料并沿轴向设置有导爆索，导爆索两端外露于加热管外部，储液管内部注入液态二氧化碳，储水管内部注入水；所述外套管的两头端部设有螺纹段，外套管的管壁上沿轴向对称开设泄能缝。本发明利用水作为传爆介质从外套管泄能缝两端瞬间排出形成定向切缝效果，无粉尘且聚能致裂效果好，尤其适用于光面爆破；采用双侧定向聚能致裂方式避免爆破后致裂管飞出伤人的问题；采用导爆索引爆加热材料，可以解决传统致裂管无法实现深孔爆破的限制，可以做到不同深度致裂管同时起爆。
Description
技术领域
本发明涉及采矿及地下工程煤岩体致裂技术领域，特别涉及一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置及使用方法。
背景技术
爆破技术被广泛用于矿山资源开采和城市基础建设，传统实施爆破的方式是采用炸药，但是炸药爆破会对生态环境和现场作业人员的身体健康形成不同程度的影响，其带来的巨大噪音、强烈地震、爆破冲击波和大量的爆破飞石等会对周围环境和建筑物造成较大的危害。近年来，采用液态二氧化碳相变致裂作为新兴的物理爆破技术成为发展趋势，该技术是在高压空气炮的基础上发展而来的，最初主要用于低透气高瓦斯煤层的致裂、增透和开采，以代替炸药使用，目的是降低煤尘和减小瓦斯爆炸的风险。随后，该技术又被广泛应用于岩体破裂、混凝土拆除、矿石开采、水下爆破等诸多领域。
二氧化碳相变致裂技术的核心是基于相变致裂器实现二氧化碳的液-气转换，从而达到破碎岩石的目的。目前，较为广泛采用的致裂器主要由充装阀、储液管、加热管、定压剪切片、泄能头等组成。充装阀用以将液态二氧化碳通过充装阀装入储液管；储液管用于储存液态二氧化碳；加热管则是含有特殊化学试剂的发热装置；定压剪切片是一种在固定压力下会发生剪切破坏的特殊的钢片，安装在泄能头与储液管之间；泄能头是液态二氧化碳气化后的能量释放通道。使用时用导线将外部激发电源与加热管通过充装阀连接形成通路。在电源的激发下，加热管在极短时间内释放大量热能，释放出来的热能促使储液管内的液态二氧化碳快速气化，二氧化碳的体积快速膨胀，使得储液管内压力增大，当压力大于定压剪切片的承受强度时，定压剪切片发生破坏，二氧化碳气体从泄能头上的泄能孔向外释放，其作用力作用于炮孔周围的岩体并对岩体产生压力。如申请号为201610008951.2的发明专利公开的一种二氧化碳致裂器和充装方法、申请号为201610893148.1的发明专利公开的一种二氧化碳致裂器、申请号为201710616624.x的发明专利公开的二氧化碳致裂器及使用二氧化碳致裂器破岩的方法、申请号为201610634343.2的发明专利公开的液态二氧化碳相变定向爆破致裂装置、申请号为201811230614.3的发明专利公开的液态二氧化碳相变致裂装置、申请号为201910401188.3的发明专利公开的一种矿用二氧化碳致裂器等专利技术均是基于上述技术原理的进行设计和优化的。然而，上述结构设计仍然存在以下诸多缺陷：
(1)由于泄能头只设置在致裂管的一端，并且泄能头上只开设一泄能孔，二氧化碳相变膨胀后仅能从位于致裂管端部的泄能孔释放，导致能量释放过于集中，释放的同时产生极大的反冲力，该反冲力容易使致裂管的管体从炮孔中飞出从而伤人，存在一定的安全隐患；并且由于释放能量集中，形成的爆破效果为图3中的“点爆破”，仅能破碎炮孔底位置处的岩石，无法沿钻孔轴向定向切缝，不适用于光面爆破工程。
(2)由于现有致裂管结构的加热管只安装在充装阀的一端，只能对储液管内的二氧化碳液体局部加热，导致储液管内的二氧化碳受热不均匀，加热效率较低，使得二氧化碳气化速度变慢，对爆破效果有影响。
(3)现有的致裂管在端部设置充装阀，目的是在施工现场通过充装设备当场向储液管内充装液态二氧化碳，现场充装液态二氧化碳不仅对现场环境要求较高，同时现场还需增置充装设备，不适宜在高温矿井等复杂条件下作业；并且由于膨胀泄能是通过定压剪切片的受压破裂实现，因此致裂管一旦实施完爆破任务并不能直接回收二次使用，仍需返回工厂进行补换定压剪切片重新装配方可使用。
(4)一根装配好的致裂管长度有限，当钻孔较深时需要将多根致裂管沿钻孔深度方向首尾串联排布起爆。由于每根致裂管均有一根导线引出，多根致裂管串联排布时需要将多根导线引出钻孔，线路较多容易出错，接线方式十分复杂。
(5)现有致裂管直接采用二氧化碳相变膨胀破岩，爆破会产生大量烟尘，对现场施工环境影响较大，尤其是用于粉尘较大的矿井或隧道工作面，对人身健康和施工作业也会造成一定程度的影响。
因此，基于以上二氧化碳相变致裂装置存在的不足，亟需一种具有定向致裂、引爆方便、结构简单、无污染等优点的致裂装置，以更好的提高二氧化碳相变致裂技术在复杂工程环境下的适应能力。
发明内容
本发明为了弥补上述现有技术中存在的不足，提供了一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置及使用方法，其中定向致裂装置具有定向致裂效果，能实现均匀加热和快速气化，无需现场充装液态二氧化碳，串联连接操作简单，可以减少施工现场的粉尘。
为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，包括自外向内依次套接的外套管、储水管、储液管以及加热管，所述储水管、储液管以及加热管长度均相同，加热管内部填充加热材料并沿轴向设置有导爆索，导爆索两端外露于加热管外部，储液管内部注入液态二氧化碳，储水管内部注入水；所述外套管的两头端部设有螺纹段，外套管的管壁上沿轴向对称开设泄能缝。
进一步设置，所述加热材料由高氯酸钾13％、高猛酸钾6％，硝酸钾10％、碳粉35％、铝粉15％、硫磺21％组成。
进一步设置，所述导爆索由芯线、芯药、数层棉线以及纸包缠制成。
进一步设置，所述加热管采用直径20mm、壁厚2mm的PVC管。
进一步设置，所述加热管中心的导爆索直径5～6mm。
进一步设置，所述储液管采用外径60mm、内径20mm，壁厚为2～3mm的铁皮中空管。
进一步设置，所述储水管采用外径70mm，内径60mm，壁厚2～3mm的PVC中空管。
进一步设置，所述外套管采用截面为半圆的两片钢管拼装而成，外套管两端为螺纹段，外套管中段沿轴向对称开设泄能缝，螺纹段内端头处设有限位环，限位环中心预留有直径与导爆索直径相匹配的中心孔。
进一步设置，所述定向致裂装置还包括用于多根定向致裂装置串联连接的连接头，连接头为含与外套管螺纹段相匹配的内螺纹的套筒。
本发明还公开上述定向致裂装置的使用方法，内容包括：根据炮孔深度选择所需数量的定向致裂装置，将加热管、储液管和储水管相互穿套，再将外套管套装在储水管外部；将串联连接的定向致裂装置的导爆索相邻端引出并相互搭接在一起，用连接头将两个串联的定向致裂装置固定连接，并确保所有定向致裂装置上的泄能缝均位于同一条直线上；
将上述组装好的定向致裂装置沿炮孔插入，使泄能缝与需要致裂切缝的方向保持一致，然后将尾端外露的导爆索引出炮孔，令导爆索与电雷管脚线以及起爆器相连。
本发明相对于现有技术的有益效果主要体现在以下几点：
1)在致裂管侧向对称设置泄能缝的方式，可以将二氧化碳相变瞬间产生的膨胀压力沿致裂管两侧对称均匀释放，所产生的释放反冲力可以相互抵消，避免了传统结构致裂管易从钻孔飞出伤人的问题；并且线性泄能缝可以实现类似于线切割的切缝效果；
2)在二氧化碳外部包裹水介质层，采用水介质作为二氧化碳相变致裂的传爆介质，增添了高温、高压射流以及水楔作用，相比于现有结构直接采用二氧化碳作为传爆介质更增强了膨胀气体的静力作用，可以显著提高定向致裂的效果，能够用于高质量的光面爆破；同时在爆炸过程中形成水雾又起到了降尘的作用，可以改善作业环境，保护施工人员身体健康；
3)采用导爆索传爆加热，传爆速度更快，可以实现深孔作业多个致裂装置串联时的同时起爆，并且同时起爆线路连接简单易操作，操作人员可以按照传统炸药的起爆方式连线即可；此外将加热管置于储液管内部并设置成等长，可以增大加热管与储液管的接触面积，使得加热效率更高，可以使不同深度位置的液态二氧化碳均匀且同步受热。
附图说明
图1为本发明实施例中定向致裂装置的纵向剖面结构示意图；
图2为本发明实施例中定向致裂装置的横向剖面结构示意图；
图3为使用现有技术中定向致裂管进行破岩的效果示意图；
图4为使用本发明实施例中定向致裂装置进行破岩的效果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本实施例公开一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其整体结构如图1和图2所示，自外向内依次套接有外套管1、储水管2、储液管3以及加热管4，其中储水管2、储液管3以及加热管4长度相同。加热管4采用直径20mm、壁厚2mm的PVC管，将其设置在储液管3内部并将两者设计成等长，可以增大加热管4与储液管3的接触面积，使得分布在各处的液态二氧化碳均匀同步受热，加快气化速度，增强爆破威力。加热管4内部填充有加热材料，该加热材料由高氯酸钾13％、高猛酸钾6％，硝酸钾10％、碳粉35％、铝粉15％、硫磺21％组成，具有发热迅速、发热能量大等特性。在加热管4的中心沿轴向穿有一条直径为5～6mm的导爆索5，该导爆索5为现有产品，主要由芯线、芯药(黑索金)、数层棉线以及纸包缠制成，导爆索5的爆速在6500m/s以上，对于多根致裂装置串联进行深孔爆破时，这种利用导爆索5将加热材料激发速度更快，可实现多根同步起爆效果。
储液管3用于存储液态二氧化碳，储液管3采用外径60mm、内径20mm，壁厚为2～3mm的铁皮中空管，可承受10MPa左右的压力。储水管2用于存储水介质，储水管2采用外径70mm，内径60mm，壁厚2～3mm的PVC中空管。加热管4、储液管3、储水管2在各自注入完相应介质后将其端部密封，令导爆索5的端部外露在加热管4外部即可。
外套管1主要起到聚能作用，为了装配更加方便，本实施例中的外套管1采用两片半圆弧形钢管拼装而成，将两片端部的外螺纹段12刚好设计为半圆结构，而钢管中段小于半圆结构，那么两片拼装组合后形成的钢管中部自然形成细缝，该细缝即可作为泄能缝6使用，泄能缝6作为能量外泄的出口；外套管两段的外螺纹段12内端头处均设有限位环11，限位环11中心预留有直径与导爆索5直径相匹配的中心孔，可以方便导爆索5穿出，限位环11的作用是限定装配在外套管1内部的加热管4、储水管3和储液管2位置，防止沿外套管1轴向移位；两片弧形钢管拼装时，可以通过图1所示的具有内螺纹的连接头7套管将两者固定连接，该连接头7也作为多根致裂装置串联连接时使用，连接头7的长度为螺纹段12长度的2倍。本实施例中的外套管1采用长度为1.5～2m，外径为60～90mm，壁厚为8～10mm的钢管，可以承受400MPa以上压力，泄能缝6的宽度为2～3mm，外螺纹段长度为20～30mm。
上述结构的定向致裂装置在使用时，先根据炮孔深度确定所需要的定向致裂装置数量，按照上述给出的结构完成每根致裂装置的装配后，将多根致裂装置首尾相接直线排布，将每根定向致裂装置的导爆索相邻端引出并相互搭接在一起，为了确保引爆效果，搭接长度推荐不少于150mm，然后用连接头7将两个串联的定向致裂装置螺纹段固定在一起，此时需要确保每个定向致裂装置上的泄能缝6均位于同一条直线上，确保引爆后的切缝方向一致。完成上述连接后，将上述组装好的定向致裂装置沿炮孔插入，通过连接头7可以方便的实现多根致裂装置的串联连接，也方便插入炮孔的操作，插入时使泄能缝6对准需要致裂的方向即可。最后将尾端外露的导爆索5引出炮孔，将导爆索5与电雷管脚线以及起爆器相连，以便于后续的起爆操作。导爆索5引爆后，爆轰波沿导爆索5快速传播，同时引燃加热管4内的加热材料，加热管4快速升温将储液管3内的液态二氧化碳迅速由液态变为气态，瞬间膨胀600多倍，使得储液管3内的压力由初始的10MPa左右瞬间增至270PMa以上，迅速膨胀的高压进一步将储水管2内的静态水瞬间激发为高压水射流，并伴随高压二氧化碳气体沿泄能缝6喷出，从而完成定向切缝致裂岩体的效果，高压水射流在爆破时还可以形成水雾起到降尘的作用。
图3中展示的是使用现有产品爆破效果图，图3中左侧为深孔中多根致裂管爆破后纵向剖面效果展示，右侧为横向剖面效果展示。从左图中可以看出，每根致裂管的爆点局部集中，就是因为泄能头只安装在致裂管一端的原因；从右侧图中可以看到径向裂纹呈放射状向四面发射，无法形成切缝致裂效果，并且环向裂纹向四面分布，爆破对周围围岩的扰动影响较大。而图4中展示的是使用本发明装置爆破效果图，从图4中的左侧图中可以看出，没有局部集中的爆点，整个切缝是沿钻孔轴向全长分布；又从图4的右侧图中可以看出，径向裂纹呈一条直线，呈现明显的切缝效果，而且环向裂纹也仅在径向裂纹两侧少量分布，可见对周围围岩的扰动影响非常小。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：包括自外向内依次套接的外套管、储水管、储液管以及加热管，所述储水管、储液管以及加热管长度均相同，加热管内部填充加热材料并沿轴向设置有导爆索，导爆索两端外露于加热管外部，储液管内部注入液态二氧化碳，储水管内部注入水；所述外套管的两头端部设有螺纹段，外套管的管壁上沿轴向对称开设泄能缝。
2.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述加热材料由高氯酸钾13％、高猛酸钾6％，硝酸钾10％、碳粉35％、铝粉15％、硫磺21％组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述导爆索由芯线、芯药、数层棉线以及纸包缠制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述加热管采用直径20mm、壁厚2mm的PVC管。
5.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述加热管中心的导爆索直径5～6mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述储液管采用外径60mm、内径20mm，壁厚为2～3mm的铁皮中空管。
7.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述储水管采用外径70mm，内径60mm，壁厚2～3mm的PVC中空管。
8.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述外套管采用截面为半圆的两片钢管拼装而成，外套管两端为螺纹段，外套管中段沿轴向对称开设泄能缝，螺纹段内端头处设有限位环，限位环中心预留有直径与导爆索直径相匹配的中心孔。
9.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述定向致裂装置还包括用于多根定向致裂装置串联连接的连接头，连接头为含与外套管螺纹段相匹配的内螺纹的套筒。
10.基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置的使用方法，其特征在于：包括如权利要求1至9任一所述定向致裂装置，其使用方法包括：根据炮孔深度选择所需要数量的定向致裂装置，将加热管、储液管和储水管相互穿套，再将外套管套装在储水管外部；将串联连接的定向致裂装置的导爆索相邻端引出并相互搭接在一起，用连接头将两个串联的定向致裂装置固定连接，并确保所有定向致裂装置上的泄能缝均位于同一条直线上；将上述组装好的定向致裂装置沿炮孔插入，使泄能缝与需要致裂切缝的方向保持一致，然后将尾端外露的导爆索引出炮孔，令导爆索与电雷管脚线以及起爆器相连。
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