CN111043921A - 微波增益型co2相变聚能爆破裂岩系统及爆破裂岩的方法 - Google Patents

微波增益型co2相变聚能爆破裂岩系统及爆破裂岩的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，包括液态CO2相变管和用于加热液态CO2相变管内液态CO2的加热系统，所述液态CO2相变管包括储液管、定压剪切片组件与泄能头，所述泄能头设于所述储液管下方，所述定压剪切片组件设于储液管与泄能头之间，所述加热系统为用于向储液管中发射微波以加热储液管内液态CO2的微波加热系统。本发明还提供一种利用上述的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统爆破裂岩的方法。本发明以微波代替传统的电加热方式，具有爆破强度高、破岩效果好等优点。

Description

微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统及爆破裂岩的方法
技术领域
本发明属于破岩技术领域，尤其涉及一种CO2相变聚能爆破裂岩系统及爆破裂岩的方法。
背景技术
现有的CO2爆破是指微电流通过高导热棒时，产生高温击穿安全膜，瞬间将液态二氧化碳气化，急剧膨胀产生高压冲击波致泄压阀自动打开，利用液态二氧化碳吸热气化时体积急剧膨胀产生高压致使岩体开裂。在此过程中不产生火花或者有毒有害气体，且噪音相对于炸药爆破低。由于该方法具有环保、安全性高、噪音小、审批快、能够有效代替炸药爆破等优点被广泛的应用于高瓦斯或煤与瓦斯突出煤层开采与地铁基坑开挖。
但上述方法的爆破效能较传统爆破效能弱，抑制了CO2爆破方法的推广。究其原因在于在CO2爆破过程中由于局部加热气化，气化的CO2量逐渐增加，爆声气体释放的量与速度均有一定程度的限制。此外，泄能口的爆声气体由于无法实现聚能而使得泄能头附近的岩石近似均匀破坏，不仅爆破威力低，且由于爆破自由面较少而导致爆破效果差。另外，在破岩过程中，由于定压剪切片的破坏为完全破坏，在此情况下，气体的释放与爆破过程近似稳态，这在一定程度上弱化了破岩效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种爆破强度高、破岩效果好的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统及爆破裂岩的方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，包括液态CO2相变管和用于加热液态CO2相变管内液态CO2的加热系统，所述液态CO2相变管包括储液管、定压剪切片组件与泄能头，所述泄能头设于所述储液管下方，所述定压剪切片组件设于储液管与泄能头之间，所述加热系统为用于向储液管中发射微波以加热储液管内液态CO2的微波加热系统。
本发明利用微波加热系统加热液态CO2，通过微波的透反射原理实现液态CO2相变管内液态CO2整体快速加热气化产生高压气体，实现高强度破岩。高压气体通过泄能头集中释放，实现破岩。上述液态CO2直接注进储液管，定压剪切片组件具有密封的作用。
上述微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统中，优选的，所述微波加热系统包括微波源、多个微波发射器储仓与多个微波发射器，所述微波发射器储仓设于所述储液管的上端，所述微波发射器角度可调节的设于微波发射器储仓中，所述微波源与所述微波发射器连接。
上述微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统中，优选的，所述微波源包括波导管、磁控管与电源，所述波导管上设有多个波导连接头，所述微波发射器与波导连接头通过导线连接。
上述微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统中，优选的，多个所述微波发射器发射的微波参数相同，多个所述微波发射器与水平面的夹角θ相同。通过调节微波发射器与水平方向的夹角实现微波的密度以及增益轴线上增益点密度(也就是微波相长干涉最集聚的点的密度)的调节，进而实现液态CO2汽化烈度的调节以实现爆破威力的调节，进而达到不同的破岩效果。
上述微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统中，优选的，所述微波发射功率为5-6kW，所述微波发射器与水平面的夹角θ为20-30°。微波在液态CO2传播过程中有衰减，功率过小，衰减量相对于发射量大，使得整体受热不均匀度较高，功率太强的微波容易使得优先得到微波加热处的液态CO2局部过热导致局部气化，液态CO2相变管顶端产生剧烈气化，使得微波不能够到达整体加热的目的。另外当微波在储液管中下降一定高度时，衰减的多少与其传播的路径密切相关，微波发射角与水平方向夹角越小，上部局部加热越明显，微波在管中传播一定深度时衰减的越明显，反之衰减越小。综合上述各因素，本发明中优选微波功率为5-6kW，微波发射器与水平面的夹角θ为20-30°，上述微波参数相互配合，整体加热效果最好。
上述微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统中，优选的，所述储液管的管内壁材料为微波全反射材料(即微波能实现全反射的材料)。上述微波全反射材料可以实现微波的全反射，具体材料包括塑料、玻璃或者陶瓷等对微波能够进行全反射的材料，以实现微波的全发射，降低微波的弥散。
上述微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统中，优选的，所述定压剪切片组件包括多个同心设置的定压剪切片，所述定压剪切片包括一个圆形定压剪切片与多个内径大小不同的圆环状定压剪切片，所述圆形定压剪切片与多个所述圆环状定压剪切片无缝套接(上述各定压剪切片的固接可采用强力密封胶连接)。更优选的，多个同心设置的定压剪切片由内至外剪切强度逐渐增大，同一半径处的定压剪切片的剪切强度相同。进一步优选的，所述定压剪切片组件包括一个圆形定压剪切片与3个圆环状定压剪切片，由内至外各定压剪切片的面积之比为1：4：5：8。为使得液态CO2气化过程中进行非稳态释放，增加对围岩的破坏效果，本发明将定压剪切片组件设置为多个分级定压剪切片，在CO2破坏过程中分级定压剪切片由内到外逐级破断，以实现爆声气体的非稳态释放，实现破岩。为实现瞬间气体流量的增速脉动，由内至外各定压剪切片的面积之比为1：4：5：8，这样效果最好。
上述微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统中，优选的，所述泄能头上设有聚能穴，所述聚能穴包括侧面聚能穴与底部聚能穴，所述侧面聚能穴设于泄能头侧面，所述底部聚能穴设有泄能头底部，所述侧面聚能穴与底部聚能穴的张开角度α为60-120°；所述聚能穴的穴壁上均匀对称分布有泄能口。侧面聚能穴与底部聚能穴分别实现在爆破过程中的侧面聚能爆破与下部的聚能爆破。为进一步增加钻爆部位的破岩效果，本发明在泄能头侧面及底部设置聚能穴，通过中部凹陷和泄能口对称分布实现特定部位聚能破坏岩石以增加自由面，进而增加裂岩效果。根据泄能口与钻孔孔壁的距离选择聚能穴的张开角，角度越小聚能程度越高，破坏能量越大，但是破坏范围越小，上述角度可以较好的实现聚能。
上述微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统中，优选的，所述泄能头的侧面设有隔离膜。隔离膜的目的是隔离充填物，不让充填物进入聚能穴。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种利用上述的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统爆破裂岩的方法，包括以下步骤：
S1：在待爆破岩体上开设爆破钻孔，在爆破钻孔中放入液态CO2相变管，在爆破钻孔与液态CO2相变管之间填充充填物，再装设微波加热系统；
S2：向液态CO2相变管中加入液态CO2，调整微波发射角度和微波发射功率以调整微波密度以及增益轴线上增益点密度，再开启微波加热系统实现液态CO2的瞬间气化产生高压气体，高压气体通过泄能头释放压裂岩石即实现爆破裂岩。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明以微波代替传统的电加热方式，通过改变液态CO2相变管的阻抗与微波发射器的倾角实现微波在液态CO2相变管的壁面上全反射，液态CO2相变管轴线上实现微波增益，进而实现液态CO2相变管内全部液态CO2同时气化，以急剧增大液态CO2爆破强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明中微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统的结构示意图。
图2为图1中A-A面的剖切视图。
图3为图1中A的局部放大图。
图例说明：
1、储液管；2、定压剪切片组件；21、定压剪切片；3、泄能头；31、聚能穴；32、泄能口；4、微波发射器储仓；5、微波发射器；6、爆破岩体；7、爆破钻孔；8、充填物；14、提拉管；15、波导管；16、波导连接头；17、磁控管；18、电源；19、隔离膜；S1、增益轴线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例：
如图1-图3所示，本实施例的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，包括液态CO2相变管和用于加热液态CO2相变管内液态CO2的加热系统，液态CO2相变管包括储液管1、定压剪切片组件2与泄能头3，泄能头3设于储液管1下方，定压剪切片组件2设于储液管1与泄能头3之间，加热系统为用于向储液管1中发射微波以加热储液管1内液态CO2的微波加热系统。
本实施例中，微波加热系统包括微波源、多个微波发射器储仓4与多个微波发射器5，微波发射器储仓4设于储液管1的上端，微波发射器5角度可调节的设于微波发射器储仓4中，微波源与微波发射器5连接。具体的，微波源包括波导管15、磁控管17与电源18，波导管15上设有多个波导连接头16，所述微波发射器5与波导连接头16通过导线连接。
本实施例中，多个微波发射器5发射的微波参数相同，多个微波发射器5与水平面的夹角θ相同。具体的，本实施例中，微波发射功率为5-6kW(上述范围均可)，微波发射器5与水平面的夹角θ为20-30°(上述范围均可，更优选为25°)。
本实施例中，储液管1的管内壁材料为微波全反射材料。上述微波全反射材料包括塑料、玻璃或者陶瓷等，具体不限。
如图3所示，本实施例中，定压剪切片组件2包括多个同心设置的定压剪切片21，定压剪切片21包括一个圆形定压剪切片与3个内径大小不同的圆环状定压剪切片，圆形定压剪切片与多个圆环状定压剪切片无缝套接(如通过强力胶连接)，由内至外各定压剪切片21的面积之比为1：4：5：8。
本实施例中，多个同心设置的定压剪切片21由内至外剪切强度逐渐增大，同一半径处的定压剪切片21的剪切强度相同。
本实施例中，泄能头3上设有聚能穴31，聚能穴31包括侧面聚能穴与底部聚能穴，侧面聚能穴设于泄能头3侧面，底部聚能穴设有泄能头3底部，侧面聚能穴与底部聚能穴的张开角度α为60-120°(上述范围均可，更优选为120°)；聚能穴31的穴壁上均匀对称分布有泄能口32。
本实施例中，泄能头的侧面设有隔离膜19，储液管1上端设有提拉管14。
本实施例还提供一种利用上述微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统爆破裂岩的方法，包括以下步骤：
S1：在待爆破岩体6上开设爆破钻孔7，在爆破钻孔7中放入液态CO2相变管，在爆破钻孔7与液态CO2相变管之间填充充填物8，再装设微波加热系统；
S2：向液态CO2相变管中加入液态CO2，根据爆破裂岩的破裂程度需要，调整微波发射角度和微波发射功率以调整微波密度以及增益轴线S1上增益点密度，再开启微波加热系统实现液态CO2的瞬间气化产生高压气体，高压气体通过泄能头3释放压裂岩石即实现爆破裂岩。
本实施例中，根据爆破裂岩的破裂程度需要，可以调整整微波发射角度和微波发射功率以实现液态CO2不同程度的气化，以实现不同破裂程度的需要。

Claims (10)

1.一种微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，其特征在于，包括液态CO2相变管和用于加热液态CO2相变管内液态CO2的加热系统，所述液态CO2相变管包括储液管(1)、定压剪切片组件(2)与泄能头(3)，所述泄能头(3)设于所述储液管(1)下方，所述定压剪切片组件(2)设于储液管(1)与泄能头(3)之间，所述加热系统为用于向储液管(1)中发射微波以加热储液管(1)内液态CO2的微波加热系统。
2.根据权利要求1所述的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，其特征在于，所述微波加热系统包括微波源、多个微波发射器储仓(4)与多个微波发射器(5)，所述微波发射器储仓(4)设于所述储液管(1)的上端，所述微波发射器(5)角度可调节的设于微波发射器储仓(4)中，所述微波源与所述微波发射器(5)连接。
3.根据权利要求2所述的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，其特征在于，多个所述微波发射器(5)发射的微波参数相同，多个所述微波发射器(5)与水平面的夹角θ相同。
4.根据权利要求3所述的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，其特征在于，所述微波发射功率为5-6kW，所述微波发射器(5)与水平面的夹角θ为20-30°。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，其特征在于，所述储液管(1)的管内壁材料为微波全反射材料。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，其特征在于，所述定压剪切片组件(2)包括多个同心设置的定压剪切片(21)，所述定压剪切片(21)包括一个圆形定压剪切片与多个内径大小不同的圆环状定压剪切片，所述圆形定压剪切片与多个所述圆环状定压剪切片无缝套接。
7.根据权利要求6所述的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，其特征在于，多个同心设置的定压剪切片(21)由内至外剪切强度逐渐增大，同一半径处的定压剪切片(21)的剪切强度相同。
8.根据权利要求6所述的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，其特征在于，所述定压剪切片组件(2)包括一个圆形定压剪切片与3个圆环状定压剪切片，由内至外各定压剪切片(21)的面积之比为1：4：5：8。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统，其特征在于，所述泄能头(3)上设有聚能穴(31)，所述聚能穴(31)包括侧面聚能穴与底部聚能穴，所述侧面聚能穴设于泄能头(3)侧面，所述底部聚能穴设有泄能头(3)底部，所述侧面聚能穴与底部聚能穴的张开角度α为60-120°；所述聚能穴(31)的穴壁上均匀对称分布有泄能口(32)。
10.一种利用权利1-9中任一项所述的微波增益型CO2相变聚能爆破裂岩系统爆破裂岩的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在待爆破岩体(6)上开设爆破钻孔(7)，在爆破钻孔(7)中放入液态CO2相变管，在爆破钻孔(7)与液态CO2相变管之间填充充填物(8)，再装设微波加热系统；
S2：向液态CO2相变管中加入液态CO2，调整微波发射角度和微波发射功率以调整微波密度以及增益轴线(S1)上增益点密度，再开启微波加热系统实现液态CO2的瞬间气化产生高压气体，高压气体通过泄能头(3)释放压裂岩石即实现爆破裂岩。
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