CN111457802A - 一种露天矿破裂岩层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种露天矿破裂岩层的方法，以解决目前使用炸药来制造弱保护层存在危险性高、环保性差的问题。该露天矿破裂岩层的方法，包括以下步骤；S1，设定露天矿岩层台阶上的钻孔位置及数量，在岩层台阶上打出钻孔，所述钻孔的深度为岩层台阶的高度；S2，在每一个钻孔安装孔口装置，然后在钻孔内注满水；S3，将冲击波产生装置与脉冲功率驱动源连接；然后将冲击波产生装置放置在所述钻孔中；S4，启动脉冲功率驱动源向冲击波产生装置放电，冲击波产生装置产生的冲击波将岩层台阶致裂；所述冲击波的强度为300‑320MPa；多个钻孔实施冲击波作业后产生的裂缝形成缝网，也即完成露天矿岩层的破裂。

Description

一种露天矿破裂岩层的方法

技术领域

本发明属于矿山工程技术领域，具体涉及一种露天矿破裂岩层的方法。

背景技术

露天矿是把覆盖在矿体上部及其周围的浮土和围岩剥去，从敞露的矿体上直接的一种矿体。剥去上部岩土的工作称为剥离。露天矿在开采过程中，必须将境内的矿、岩划分成一定厚度的水平分层，以便由上向下逐层进行开采，这些阶梯块的工作面叫做台阶。露天矿的台阶高度一般为10-14米。露天矿开采由剥岩、采矿和掘沟三个环节组成，其主要生产工艺程序：钻孔、爆破、矿(岩)的铲装、矿岩的运输及岩石的排卸。剥岩时的爆破作业是露天矿开采的重要工序，将露天矿的岩层爆破破裂后，才能为随后的采装、运输提供便利。所以，爆破工艺的好坏，对后续工作有着很大的影响。目前爆破通常是采用炸药，但炸药所产生的冲击波可控性差，且存在危险性高、环保性差的缺点，因此，炸药的使用受到的管制越来越严格，导致露天矿开采的效率下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种露天矿破裂岩层的方法，以解决目前使用炸药来制造弱保护层存在危险性高、环保性差的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种露天矿破裂岩层的方法，包括以下步骤；

S1，设定露天矿岩层台阶上的钻孔位置及数量，在岩层台阶上打出钻孔，所述钻孔的深度为岩层台阶的高度；

S2，在每一个钻孔安装孔口装置，然后在钻孔内注满水；

S3，将冲击波产生装置与脉冲功率驱动源连接；然后将冲击波产生装置放置在所述钻孔中；

S4，启动脉冲功率驱动源向冲击波产生装置放电，冲击波产生装置产生的冲击波将岩层台阶致裂；所述冲击波的强度为300-320MPa；多个钻孔实施冲击波作业后产生的裂缝形成缝网，也即完成露天矿岩层的破裂。

优选的，所述钻孔内设有一个或一个以上的作业段，相邻两个作业段的距离为5-10m，所述冲击波产生装置对所述作业段自上而下实施冲击波作业，冲击波产生装置的冲击波输出窗口对准所述作业段的中点。

优选的，步骤S4还包括以下操作，观察致裂后岩层台阶产生的裂缝大小，其宽度若没有达到设定的裂缝宽度时，向所述钻孔注满水，并启动脉冲功率驱动源再次放电，直至岩层台阶裂缝达到设定的宽度，所述设定的裂缝宽度大于10nm。

优选的，步骤S3中，放置冲击波产生装置的钻孔数量为三个或三个以上。

优选的，所述脉冲功率驱动源电储能大于100kJ，所述冲击波产生装置为能量转换器或者破岩棒。

优选的，所述能量转换器包括地电极、高压电极、绝缘支撑、外壳和电缆接口，所述外壳为圆筒状结构，其内部中空，高压电极通过绝缘支撑固定在外壳端部，电缆接口端部的电缆线穿过所述外壳本体、绝缘支撑与高压电极后端连接，地电极沿外壳的长度方向设置并与外壳连接，且地电极与高压电极前端相对设置。

优选的，所述地电极与高压电极通过金属丝连接，所述能量转换器放电后，在地电极一侧重新补充一根金属丝。

优选的，所述破岩棒的数量为两个或两个以上，两个或两个以上的破岩棒串联使用。

优选的，所述孔口装置包括卡接在钻孔孔口的胀套，胀套上端的环形固定板下表面与钻孔边缘接触，胀套内套设有管状的锥套，锥套下端的锥状口卡接在胀套下端周向设置的膨胀片内，膨胀片向外凸出并与钻孔孔壁紧密接触，所述膨胀片与胀套下端为弹性连接；锥套上端左右两侧设有连接板，连接板上设有螺杆，螺杆穿过连接板上的螺纹孔后与抵接板活动连接，抵接板下端与所述环形固定板上表面接触，锥套内设有单向阀，锥套上端设有与所述能量转换器适配的连接部，连接部上设有密封圈。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的露天矿破裂岩层的方法，通过钻孔，经多次数的低强度冲击波对露天矿岩层台阶进行致裂，利用疲劳效应原理致裂岩层台阶，更加安全、环保，克服了通过炸药爆炸来产生冲击波破裂岩层存在危险性大、环保性差的问题。

2.当金属丝将地电极与高压电极连接后进行冲击波作业时，能够提高能量转换器的转换效率，进而提升了致裂岩层的效果。

3.本发明的方法采用电液效应产生冲击波，只要对脉冲功率驱动源补充电能就可连续工作，因此提高了矿产资源开采的效率。

4.放置能量转换器的钻孔数量可以为三个或三个以上，钻孔数量的增多能够加强冲击波的作用效果，使得致裂效果更好。

5.冲击波产生装置为采用破岩棒，破岩棒使用时可单独使用也可将两个或两个以上的破岩棒串联使用，破岩棒串联使用可增加冲击波的作业距离，进而提升了致裂的效率。

6.本发明提供的露天矿破裂岩层的方法，提高了露天矿岩层开采的环保性和安全性。

附图说明

图1为露天矿岩层台阶剖面示意图；

图2为露天矿岩层台阶钻孔布置平面图；

图3为能量转换器结构示意图；

图4为孔口装置的结构示意图；

图5为图4的剖视图。

附图标记如下：

1-地电极，2-金属丝，3-高压电极，4-绝缘支撑，5-外壳，6-电缆接口，7-岩层台阶，8-钻孔，9-孔口装置，10-能量转换器，20-胀套，21-环形固定板，22-锥套，23-膨胀片，24-连接板，25-螺杆，26-抵接板，27-单向阀，28-密封圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：

一种露天矿破裂岩层的方法，包括能量转换器10和孔口装置9。

本发明的实施例采用能量转换器10作为冲击波产生装置，如图3所示，能量转换器10包括地电极1、金属丝2、高压电极3、绝缘支撑4、外壳5和电缆接口6。

外壳5为圆筒状结构，其内部中空，高压电极3通过绝缘支撑4固定在外壳5端部，电缆接口6端部的电缆线穿过外壳5本体、绝缘支撑4后与高压电极3后端连接，地电极1沿外壳5的长度方向设置并与外壳5连接，且地电极1与高压电极3前端相对设置。如图3所示，地电极1、高压电极3以及地电极1与外壳5连接部分为豁开管状结构，地电极1、高压电极3之间裸露的部分即为冲击波输出窗口。

地电极1与高压电极3通过金属丝2连接。金属丝2可选择性使用，当金属丝2将地电极1与高压电极3连接后进行冲击波作业时，能够提高能量转换器10的转换效率，进而提升了致裂露天矿岩层台阶7的效果。

如图4、图5所示，孔口装置9包括卡接在钻孔8孔口的胀套20，胀套20上端的环形固定板21下表面与钻孔8边缘接触，胀套20内套设有管状的锥套22，锥套22下端的锥状口卡接在胀套20下端周向设置的膨胀片23内，膨胀片23向外凸出并与钻孔8孔壁紧密接触，进而将孔口装置9与钻孔8固定，膨胀片23与胀套20下端为弹性连接，弹性连接便于膨胀片23自动恢复至原来的位置，使得膨胀片23能够再次向外凸出将孔口装置9固定。

锥套22上端左右两侧设有连接板24，连接板24上设有螺杆25，螺杆25穿过连接板24上的螺纹孔后与抵接板26活动连接，抵接板26下端与环形固定板21上表面接触，旋转螺杆25使其向下移动时可将锥套22上移，进而可将锥套22下端的锥状口卡接在胀套20下端，从而实现膨胀片23向外凸出并与钻孔8孔壁紧密接触，锥套22下移时可将锥套22下端的锥状口与膨胀片23脱开，进而可将孔口装置9取下。

锥套22内设有单向阀27，单向阀27可避免注水完毕时大量的水从钻孔8中流出，锥套22上端设有与所述能量转换器10适配的连接部，连接部上设有密封圈28，能量转换器10前端放入钻孔8中时，能量转换器10后端通过上述连接部连接固定，密封圈28可将连接处密封进而避免钻孔8中水流出。

本发明的工作原理是采用脉冲功率驱动源对地电极1与高压电极3之间安装的金属丝2进行放电，放电电流致金属丝2电爆炸形成等离子体电弧通道(不采用金属丝2时，脉冲功率驱动源对地电极1与高压电极3之间的水直接放电，放电后产生的高电压脉冲击穿水间隙也可形成等离子体电弧通道)；所产生的等离子体电弧在后续强大的放电电流下对水直接加热，并迅速使周围水介质升温、气化、膨胀，进而推动外围的水产生球面波冲击波，球面波冲击波能够将露天矿岩层台阶7致裂。冲击波的强度可根据脉冲功率驱动源的储能量和输出电压进行控制。

本发明也可采用破岩棒作为冲击波产生装置，破岩棒使用时可单独使用也可将两个或两个以上的破岩棒串联使用，破岩棒串联使用可增加冲击波的作业距离，进而提升了致裂效率。破岩棒准备好后放置于钻孔8中，通过脉冲功率驱动源驱动破岩棒从而产生冲击波，进而将岩层台阶7致裂。

本发明提供的露天矿破裂岩层的方法，参见图1和图2，具体包括以下步骤；

S1，根据露天矿岩层台阶7的力学性质和能量转换器10致裂岩层台阶7的有效距离，设定露天矿岩层台阶7的作业方案；所述作业方案包括钻孔8的深度、位置及数量，以及每个钻孔8实施冲击波的强度和次数。优选钻孔11的内径为113-153mm，相邻的两个钻孔11之间的距离为10-15m；通过设置钻孔11的位置及数量，也即通过设置钻孔11的密度可控制对露天矿岩层台阶7的致裂精度；通过设置冲击波强度和作用次数可控制岩层台阶7的破裂程度。

设定作业方案前，对露天矿岩层台阶7钻孔8进行不同强度的冲击波试验，完成冲击波试验后，利用内窥镜或通过三维地震勘探的方法对致裂后的岩层台阶7进行检查，从而能够得到适用于该岩层台阶7的裂隙尺度、范围以及冲击波实施强度、次数。

如图1、图2所示，设定最外侧的排孔距岩层台阶7边缘的安全距离，然后设定孔距A，最外侧的排孔位置确定后，设定排距B，并将剩余排孔的位置确定，钻孔8的深度为岩层台阶7的高度H。所述安全距离、孔距A、排距B以能量转换器10产生的冲击波致裂岩层台阶7的有效距离设定。

钻孔8内设有一个或一个以上的作业段，优选相邻两个作业段的距离为5-10m，多个作业段致裂效果更好，所述能量转换器10从钻孔8最深处向外依次对所述作业段实施冲击波作业，能量转换器10的冲击波输出窗口对准所述作业段的中点。

通过钻孔8经过多次数的低强度冲击波对岩层台阶7进行致裂，优选冲击波的强度为300-320MPa、脉宽40微秒，该致裂方式利用了疲劳效应致裂岩层台阶7，因此破裂的岩块不会被抛出，几乎没有危险区域，进而能够更加安全、环保。一个作业段完成冲击波作业后，向外依次对该钻孔8的其余作业段实施冲击波作业。通过钻孔8进行多次、多点致裂岩层台阶7，从而将岩层台阶7进行整体致裂。

按上述作业方案在露天矿岩层台阶7从上向下打出钻孔8。

S2，在每一个钻孔8孔口处安装孔口装置9，孔口装置9用于固定能量转换器10并将孔口封闭，安装好孔口装置9后在钻孔8内注满水。

S3，将能量转换器10通过同轴电缆与脉冲功率驱动源连接，脉冲功率驱动源自成一体置于密封壳体中，其电储能大于100kJ，经同轴电缆输出纯电能高压并通过能量转换器10放电产生冲击波。

采用钻机将能量转换器10放置在上述钻孔8最深处的作业点，使能量转换器10的冲击波输出窗口位于此次作业段的中点，并使能量转换器10的地电极1、高压电极3与钻孔内的水完全接触以产生等离子体电弧，所产生的等离子体电弧与水反应形成冲击波从冲击波输出窗口输出。

同时放置能量转换器10的钻孔8数量可以为三个或三个以上，钻孔8数量的增多能够加强冲击波的作用效果，进而提升致裂效率。

S4，启动脉冲功率驱动源使其对储能电容器充电，储能电容器的电能达到控制开关的工作阈值后，脉冲功率驱动源向能量转换器10放电，能量转换器10产生的冲击波将岩层台阶7致裂；

观察致裂后岩层台阶7形成的裂缝，若裂缝处最大宽度没有达到10nm(设定的裂缝宽度大于10nm)时，再向钻孔8注满水，并启动脉冲功率驱动源再次放电，直至岩层台阶7上的裂缝达到设定宽度。

实施例中通过钻孔8经过10次左右的低强度冲击波作业，岩层台阶7预裂裂缝宽度均达到10nm以上。

脉冲功率驱动源通过反复充电、放电从而能够再次产生冲击波；脉冲功率驱动源使用金属丝2放电后，金属丝2电爆炸后报废，再次放电时需要在能量转换器10地电极1一侧重新补充一根金属丝2。

通过冲击波的强度和冲击次数来控制破裂岩层台阶7的程度，以钻孔8间的距离控制破裂岩层台阶7精度，使得多个钻孔8产生设定大小的裂缝，多个钻孔8实施冲击波作业后产生的裂缝形成缝网，也即完成露天矿岩层(岩层台阶7)的致裂。

在采掘矿石中，若发现岩层台阶7存在破裂程度不够的区域时，可通过增加新的钻孔8将该区域岩层台阶7充分致裂，从而保证采掘矿石的顺利进行。

本发明提供的露天矿破裂岩层的方法，通过钻孔，经多次数的低强度冲击波对露天矿岩层台阶进行致裂，利用疲劳效应原理致裂岩层台阶，更加安全、环保，克服了通过炸药爆炸来产生冲击波破裂岩层存在危险性大、环保性差的问题。

当金属丝将地电极与高压电极连接后进行冲击波作业时，能够提高能量转换器的转换效率，进而提升了致裂岩层的效果。

本发明提供的露天矿破裂岩层的方法，采用电液效应产生冲击波，只要对脉冲功率驱动源补充电能就可连续工作，因此提高了矿产资源开采的效率。

放置能量转换器的钻孔数量可以为三个或三个以上，钻孔数量的增多能够加强冲击波的作用效果，使得致裂效果更好。

冲击波产生装置也可采用破岩棒，破岩棒使用时可单独使用也可将两个或两个以上的破岩棒串联使用，破岩棒串联使用可增加冲击波的作业距离，进而提升了致裂的效率。

本发明提供的露天矿破裂岩层的方法，利用脉冲功率驱动源通过能量转换器对岩层实施冲击波作业，脉冲功率驱动源对地电极与高压电极之间的金属丝直接放电，所产生的等离子体电弧在后续强大的放电电流下对水直接加热，并迅速使周围水介质升温、气化、膨胀，进而推动外围的水产生球面波，球面波冲击波将岩层致裂；脉冲功率驱动源能够根据其储存的能量和输出电压来精细控制控制输出冲击波的强度，进而便于工作人员控制其产生的冲击波强度和时机，因此提高了致裂过程中的安全性，保障了生产人员的生命安全，避免了使用火工品爆破不易控制而引发的安全问题；同时脉冲功率驱动源能够避免火工品爆破时产生有毒气体(如氮氧化物、一氧化碳)的问题，从而提高了露天矿岩层开采的环保性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种露天矿破裂岩层的方法，其特征在于：包括以下步骤；

S1，设定露天矿岩层台阶(7)上的钻孔(8)位置及数量，在岩层台阶(7)上打出钻孔(8)，所述钻孔(8)的深度为岩层台阶(7)的高度；

S2，在每一个钻孔(8)安装孔口装置(9)，然后在钻孔(8)内注满水；

S3，将冲击波产生装置与脉冲功率驱动源连接；然后将冲击波产生装置放置在所述钻孔(8)中；

S4，启动脉冲功率驱动源向冲击波产生装置放电，冲击波产生装置产生的冲击波将岩层台阶(7)致裂；所述冲击波的强度为300-320MPa；多个钻孔(8)实施冲击波作业后产生的裂缝形成缝网，也即完成露天矿岩层的破裂。

2.根据权利要求1所述的一种露天矿破裂岩层的方法，其特征在于：所述钻孔(8)内设有一个或一个以上的作业段，相邻两个作业段的距离为5-10m，所述冲击波产生装置对所述作业段自上而下实施冲击波作业，冲击波产生装置的冲击波输出窗口对准所述作业段的中点。

3.根据权利要求2所述的一种露天矿破裂岩层的方法，其特征在于：步骤S4还包括以下操作，观察致裂后岩层台阶(7)产生的裂缝大小，其宽度若没有达到设定的裂缝宽度时，向所述钻孔(8)注满水，并启动脉冲功率驱动源再次放电，直至岩层台阶(7)裂缝达到设定的宽度，所述设定的裂缝宽度大于10nm。

4.根据权利要求1所述的一种露天矿破裂岩层的方法，其特征在于：步骤S3中，放置冲击波产生装置的钻孔(8)数量为三个或三个以上。

5.根据权利要求1所述的一种露天矿破裂岩层的方法，其特征在于：所述脉冲功率驱动源电储能大于100kJ，所述冲击波产生装置为能量转换器(10)或者破岩棒。

6.根据权利要求5所述的一种露天矿破裂岩层的方法，其特征在于：所述能量转换器(10)包括地电极(1)、高压电极(3)、绝缘支撑(4)、外壳(5)和电缆接口(6)，所述外壳(5)为圆筒状结构，其内部中空，高压电极(3)通过绝缘支撑(4)固定在外壳(5)端部，电缆接口(6)端部的电缆线穿过所述外壳(5)本体、绝缘支撑(4)与高压电极(3)后端连接，地电极(1)沿外壳(5)的长度方向设置并与外壳(5)连接，且地电极(1)与高压电极(3)前端相对设置。

7.根据权利要求6所述的一种露天矿破裂岩层的方法，其特征在于：所述地电极(1)与高压电极(3)通过金属丝(2)连接，能量转换器(10)放电后，在地电极(1)一侧重新补充一根金属丝(2)。

8.根据权利要求5所述的一种露天矿破裂岩层的方法，其特征在于：所述破岩棒的数量为两个或两个以上，两个或两个以上的破岩棒串联使用。

9.根据权利要求1所述的一种露天矿破裂岩层的方法，其特征在于：所述孔口装置(9)包括卡接在钻孔(8)孔口的胀套(20)，胀套(20)上端的环形固定板(21)下表面与钻孔(8)边缘接触，胀套(20)内套设有管状的锥套(22)，锥套(22)下端的锥状口卡接在胀套(20)下端周向设置的膨胀片(23)内，膨胀片(23)向外凸出并与钻孔(8)孔壁紧密接触，所述膨胀片(23)与胀套(20)下端为弹性连接；锥套(22)上端左右两侧设有连接板(24)，连接板(24)上设有螺杆(25)，螺杆(25)穿过连接板(24)上的螺纹孔后与抵接板(26)活动连接，抵接板(26)下端与所述环形固定板(21)上表面接触，锥套(22)内设有单向阀(27)，锥套(22)上端设有与所述能量转换器(10)适配的连接部，连接部上设有密封圈(28)。

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