CN111146546A - 一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种岩石破碎技术，属于利用充填介质压缩截面矩形波导聚焦大功率工业微波进行岩石辅助破碎的技术领域。主要包括标准波导法兰、标准波导段、变截面波导段、劈尖形电介质、压缩截面波导和防护帽组成。其中标准波导法兰与微波发生与调控装置的法兰相连；标准波导段与变截面波导段、压缩截面波导段和依次相连；劈尖形电介质安装于变截面波导段和压缩截面波导段内部；防护帽安装于压缩截面波导段末端。本发明的装置通过充填电介质压缩波导尺寸，提高波导出口处的微波功率密度，用于致裂硬岩，辅助机械进行高效破碎，具有较大的应用前景和价值。

Description

一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导
技术领域
本发明涉及一种岩石破碎技术,特别涉及一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导装置。
背景技术
在机械法岩石基础、隧道工程、地下工程施工过程中，硬岩极硬岩的高效破碎是亟待解决的技术挑战。解决方案主要包含两个方面：一是不断提高岩石开挖破碎设备的性能；二是利用辅助方法弱化或软化硬岩使其更容易被机械破碎。工业微波弱化或破碎岩石的研究起源于二十世纪六七十年代的前苏联，研究人员成功的将其应用于磷灰岩矿山中的隧道掘进。研究表明：工业微波进行隧道全断面照射时可以独立进行破岩或者辅助机械破岩，且随着岩石强度的提高，微波破岩的效率不断提高、破岩比能逐渐下降；微波机械联合作用时，破岩效率将比机械破岩提高2.5-4倍，破岩比能将降为25％-40％。早期的研究证明了微波独立/辅助破岩的有效性，具有开创性和引导性意义，然而也因为微波天线与掌子面之间有一定距离，存在能耗过高的问题(设备的平均微波装机功率为40kW/m2)，同样的设计在大断面隧道全断面照射施工时将十分不经济。因此有必要利用中低功率微波选择性的照射掌子面，为机械开挖创造自由面，同时发挥微波和机械的优点，以实现最高的技术经济效益。
工业微波用于工程现场的辅助致裂，应该主要考虑两方面的问题：首先是微波产生与调控装置，其次是微波应用器(也称为天线)的研制。微波的产生与调控多由标准产品组合而成，通常包含微波电源、微波发生器、环形器/隔离器、阻抗匹配器、压力窗、标准波导、冷却水循环和控制面板(可以集成在微波电源上)组成，这些产品目前有较为成熟的产品供选择。常见的微波应用频率为915MHz，2.45GHz，5.8GHz和22.5GHz等，随着微波频率的提高，微波设备的体积相应变小，最大功率相应变低。应根据需求合理的选择微波频率和微波功率。微波应用器是微波作用于岩石表面的核心部件，目前尚无标准产品供选择，需根据需求定制。在辅助致裂岩石时，该部件的设计原则为，在一定的微波功率下，实现岩石表面最大的微波功率密度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导，通过在波导中充填电介质来压缩波导尺寸，在相对较低的微波功率下提高波导出口处得微波功率密度，以实现高效破岩。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导，主要包括标准波导段、压缩截面波导段、劈尖形电介质和防护帽组成；所述的标准波导段通过法兰与微波的产生与调控装置相连；所述的标准波导段与压缩截面波导段相连；所述的劈尖形电介质安装于压缩截面波导段内部；所述的防护帽安装于压缩截面波导段末端。
作为本发明的一种改进，所述的充填介质压缩截面矩形波导连接的微波产生与调控装置的工作频率宜为2.45GHz或5.8GHz，所接所述的标准波导段为BJ22/26或BJ58标准矩形波导为BJ22/26或BJ58标准矩形波导。
作为本发明的一种改进，所述的充填介质压缩截面矩形波导连接的微波产生与调控装置的功率在频率确定时应尽可能的大。
作为本发明的一种改进，所述的充填介质压缩截面矩形波导连接的微波产生与调控装置应具有手动或自动匹配微波源与负载端的电磁波阻抗的能力。
作为本发明的一种改进，所述的标准波导段、变截面波导段、压缩截面波导由导热性良好的铜加工而成。
作为本发明的一种改进，所述的充填介质压缩截面矩形波导如用铝制成时，需配备水袖进行冷却。
作为本发明的一种改进，所述的压缩截面波导段应在E面和H面同时压缩，应与劈尖形电介质一起，较好的完成阻抗的过渡。
作为本发明的一种改进，所述的压缩截面波导段应避免高次模的产生。
作为本发明的一种改进，所述的劈尖形电介质应选择中等介电常数、低损耗因子的特种材料制成，所述的中等介电常数、低损耗因子的特种材料包括氧化铝、氧化铍和泡沫微波介质陶瓷(MgNb2O6，ZnNb2O6，MgTa2O6，ZnTa2O6等)。
作为本发明的一种改进，所述的防护帽应由低损耗高硬度的特种陶瓷材料制成，以保证劈尖形电介质的隔热并防止其受到岩渣的损坏，低损耗高硬度的特种陶瓷材料包括氧化铝和致密微波介质陶瓷(MgNb2O6，ZnNb2O6，MgTa2O6，ZnTa2O6等)。
作为本发明的一种改进，所述的充填介质压缩截面矩形波导的驻波比应小于1.5。
有益效果：
本发明的一种致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导，通过充填电介质压缩波导尺寸提高波导出口处的微波功率密度，用于致裂硬岩，辅助机械进行高效破碎。
附图说明
图1充填介质压缩截面矩形波导侧视图；
图2充填介质压缩截面矩形波导俯视图。
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地说明。
实施例1：
如图1和图2所示，该装置主要包括标准波导法兰1、标准波导段2、变截面波导段3、劈尖形电介质4、压缩截面波导5和防护帽6组成。其中标准波导法兰1与微波发生与调控装置的法兰相连；标准波导段与变截面波导段和压缩截面波导段依次相连；劈尖形电介质4安装于变截面波导段3和压缩截面波导段5内部；防护帽6安装于压缩截面波导段5末端。
当采用15kW，2.45GHz的标准微波源，则标准波导法兰1选择BJ26或者BJ22波导，劈尖形电介质4可采用纯度为99.9％以上的氧化铝(介电常数为10，损耗因子为1×10-4)。
微波在氧化铝电介质中的波长为：
Figure BDA0002365967440000031
其中λd为氧化铝电介质中的波长，c为电磁波在真空中的传播速度(3×108m/s)，f为微波频率(2.45GHz)，εrd为氧化铝电介质的介电常数(10)。
计算可得λd为3.87cm。为了保证微波在电磁波中高效传输，压缩截面波导的的宽边应为波长的0.7倍，窄边为宽边的0.4倍，计算可得宽边应不小于2.7cm，为了加工方便，可取3cm，窄边取1.5cm。
考虑到因过渡段阻抗变化导致了20％的损失，则此充填介质压缩截面矩形波导出口处的微波功率密度为2.67kW/cm2。此功率密度能满足岩石破碎的需求。

Claims (8)

1.一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导，其特征在于：包括标准波导法兰（1）、标准波导段（2）、变截面波导段（3）、劈尖形电介质（4）、压缩截面波导（5）和防护帽（6）；其中标准波导法兰（1）与微波发生与调控装置的法兰相连；标准波导段（2）与变截面波导段（3）、压缩截面波导段（5）和依次相连；劈尖形电介质（4）安装于变截面波导段（3）和压缩截面波导段（5）内部；防护帽（6）安装于压缩截面波导段（5）末端。
2. 根据权利要求 1 所述的一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导，其特征在于：所述的微波发生与调控装置的工作频率为2.45GHz或5.8GHz。
3.根据权利要求 1 所述的一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导，其特征在于：所述的标准波导段（2）为BJ22/26或BJ58标准矩形波导。
4. 根据权利要求 1 所述的一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导，其特征在于：所述的标准波导段（2）、变截面波导段（3）、压缩截面波导（5）由铜或者铝加工而成。
5. 根据权利要求 1 所述的一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导，其特征在于：采用铝的情况下可配备水袖。
6.根据权利要求1所述的一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导，其特征在于：所述的劈尖形电介质采用中等介电常数、低损耗因子的特种材料制成，所述的中等介电常数、低损耗因子的特种材料包括氧化铝、氧化铍和泡沫微波介质陶瓷。
7.根据权利要求1所述的一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导，其特征在于：防护帽应由低损耗高硬度的特种陶瓷材料制成，以保证劈尖形电介质的隔热并防止其受到岩渣的损坏，低损耗高硬度的特种陶瓷材料包括氧化铝和致密微波介质陶瓷。
8.根据权利要求1所述的一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导，其特征在于：所述的充填介质压缩截面矩形波导的驻波比应小于1.5。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220268155A1 (en) * 2021-02-22 2022-08-25 Off-World, Inc. Microwave energy applicator

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2022303C1 (ru) * 1993-03-26 1994-10-30 Цариковский Владимир Валентинович Пьезоэлектрический геофон
CN102261238A (zh) * 2011-08-12 2011-11-30 中国石油天然气股份有限公司 微波加热地下油页岩开采油气的方法及其模拟实验系统
CN107035316A (zh) * 2017-05-26 2017-08-11 东北大学 一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器
CN108463020A (zh) * 2018-05-11 2018-08-28 东北大学 一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置
CN108678761A (zh) * 2018-05-11 2018-10-19 东北大学 一种基于真三轴加载的岩石微波致裂试验装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2022303C1 (ru) * 1993-03-26 1994-10-30 Цариковский Владимир Валентинович Пьезоэлектрический геофон
CN102261238A (zh) * 2011-08-12 2011-11-30 中国石油天然气股份有限公司 微波加热地下油页岩开采油气的方法及其模拟实验系统
CN107035316A (zh) * 2017-05-26 2017-08-11 东北大学 一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器
CN108463020A (zh) * 2018-05-11 2018-08-28 东北大学 一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置
CN108678761A (zh) * 2018-05-11 2018-10-19 东北大学 一种基于真三轴加载的岩石微波致裂试验装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220268155A1 (en) * 2021-02-22 2022-08-25 Off-World, Inc. Microwave energy applicator

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