CN111472772A - 一种用于产生冲击波的破岩棒及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生冲击波的破岩棒及其制作方法，以解决采用金属丝电爆炸开采矿产资源存在电储能密度较低的缺点，而导致矿产资源的开采受到制约的问题。该用于产生冲击波的破岩棒，外壳为两端封闭的中空直管；金属丝沿外壳的轴线设置，且其两端伸出外壳并固定安装；含能材料填装在金属丝与外壳之间，含能材料为固体，含能材料包括质量分数为70％‑80％的聚四氟乙烯和20％‑30％的铝粉，所述直管外表面设有凹槽。该用于产生冲击波的破岩棒的制作方法，包括加工端盖、直管，并在直管外表面加工纵向槽和环向槽；将金属丝固定在其中一个端盖上并穿过直管，然后将该端盖与直管粘接牢固；制作含能材料并将其填入直管；安装另一个端盖。

Description

一种用于产生冲击波的破岩棒及其制作方法
技术领域
本发明属于矿产资源开采技术领域，具体涉及一种用于产生冲击波的破岩棒及其制作方法。
背景技术
矿产资源是经济社会发展的重要物质基础，目前无论是金属矿产、非金属矿产或是建筑石料，均因其硬度大，导致常规工具存在开采困难等问题，因此在实际开采中主要采用炸药爆破的方式。虽然炸药等火工品在破岩作业中有较大的技术优势，但炸药爆破破岩不仅对生产人员的生命安全构成严重威胁，而且还存在环保性差的缺点，导致了使用炸药进行破岩开采受到的管制越来越严格，进而使得矿产资源的开采受到了制约。
目前也有采用区别于化学爆炸产生冲击波技术的金属丝电爆炸，金属丝电爆炸更加环保、安全；采用金属丝电爆炸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通过焦耳加热的原理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。但直接采用金属丝电爆炸产生冲击波应用于破岩时，因其电储能密度较低，从而不得不采用更大体积的脉冲功率驱动源，因此导致金属丝电爆炸不利于在复杂地表环境中使用，在金属矿开发的井下矿洞中，也因脉冲功率驱动源体积大，而导致金属丝电爆炸在该领域的应用受到限制。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种用于产生冲击波的破岩棒，以解决采用金属丝电爆炸开采矿产资源存在电储能密度较低的缺点，而导致矿产资源的开采受到制约的问题。
本发明的第二个目的是提供上述用于产生冲击波的破岩棒的制作方法。
为实现上述第一个目的，本发明的解决方案是：
一种用于产生冲击波的破岩棒，包括外壳、金属丝和含能材料，外壳为两端封闭的中空直管；外壳的外径为20-35mm，长度为190-210mm，金属丝沿外壳的轴线设置，且其两端伸出外壳并固定安装；含能材料填装在外壳内，含能材料为固体，含能材料包括质量分数为70％-80％的聚四氟乙烯和20％-30％的铝粉，所述外壳外表面设有凹槽。
优选的，所述外壳包括直管和插装在直管两端的端盖，直管为金属材料的管状结构；端盖为非金属材料，端盖在其中心朝直管方向设有固定柱，且端盖沿其轴线设有与所述金属丝适配的通孔。
优选的，所述金属丝的直径为500～800μm，材质为钨、钽或铜。
优选的，所述外壳的外径为32mm，长度为200mm，壁厚为1mm。
优选的，所述含能材料包括质量分数为73.5％的聚四氟乙烯和26.5％的铝粉。
优选的，所述含能材料的填装密度为2.0～2.1g/cm3。
优选的，所述凹槽包括沿直管轴向设置的多排槽体集合体，每排槽体集合体包括沿直管周向设置的多个矩形槽。
为实现上述第二个目的，本发明的解决方案是：上述的用于产生冲击波的破岩棒的制作方法，包括以下步骤；
S1，采用聚醚醚酮棒材加工两个端盖，采用可溶性铝镁合金管材加工直管，并在加工好的直管外表面加工矩形槽；
S2，将金属丝从其中一个端盖的固定柱端通孔穿过，并将其端部与端盖外部采用粘接剂粘牢，再将金属丝另一端穿过直管，然后将该端盖与直管粘接牢固；
S3，将铝粉和高聚四氟乙烯在容器中混合均匀，即完成含能材料的制作；
S4，将含能材料填入直管并捣实。
S5，将另一个端盖与直管对接处涂胶，并使金属丝穿过该端盖的通孔，将端盖旋入直管端部，拉直金属丝，并在端盖的通孔处涂粘接剂，即完成破岩棒的制作。
优选的，还包括以下步骤：
待粘接剂完全凝固后，将制备好的破岩棒送入压力容器中，给容器注入水，将容器增压到1Mpa时保持5小时；
从压力容器中取出破岩棒，检查胶粘面是否有渗水，不渗水的破岩棒为合格品。
优选的，还包括以下步骤：
以储能为100kJ脉冲功率驱动源，在额定工作电压30kV，输出脉冲电流80kA的条件下，对破岩棒做驱动实验，能够起爆的破岩棒为合格品。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的用于产生冲击波的破岩棒，只有破岩棒在高达80kA的强大电流且持续100μs以上时，其电爆炸所产生的冲击波才能起爆并产生更强的冲击波用于破岩，因此该破岩棒使用过程安全性高。
2.本发明提供的用于产生冲击波的破岩棒，其能量大小可根据实际需求进行设定，进而保证矿体能够被充分地开采，通过金属丝驱动能够易于控制冲击波的时机，进而提高了开采过程中的安全性，保障了生产人员的生命安全。
3.本发明提供的用于产生冲击波的破岩棒，解决了通过金属丝电爆炸产生冲击波存在电储能密度较低的缺点，使冲击波破岩技术能够应用到更多的场合、领域。因此本发明的破岩棒能够适用于矿产资源的开采，并能进一步提高矿产资源开采的效率和安全性。
4.本发明提供的用于产生冲击波的破岩棒，主要原料中的聚四氟乙烯是环境友好型塑料，与铝粉的化学反应只有在受到700MPa以上的冲击力作用下才能进行，反应后生成炭黑和AlF3不被氢还原，强热不分解但升华，性质非常稳定，因此能够避免火工品爆破时产生有毒气体的问题，进而提高了矿产资源开采的环保性。
5.含能材料的配比及填装方式更容易被金属丝起爆，并使含能材料在驱动反应过程中能够更加充分的反应。
6.金属丝与端盖、端盖与直管通过粘接剂粘接密封，保证了破岩棒在水中使用时不会出现渗水问题，保证了起爆效果。
附图说明
图1是本发明用于产生冲击波的破岩棒的剖视图；
图2是破岩棒的外部结构示意图；
图3是端盖的结构示意图；
图4是本发明的破岩棒实施冲击波破岩后的示意图。
附图标记如下：
1-外壳，2-金属丝，3-含能材料，4-直管，5-端盖，6-固定柱。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
一种用于产生冲击波的破岩棒，如图1至图3所示，包括外壳1、金属丝2和含能材料3。
外壳1为两端封闭的中空直管，外壳1的外径为32mm，长度为200mm，壁厚为1mm，外壳1包括直管4和端盖5。
直管4为可溶性铝镁合金制成的的管状结构；高强度的铝镁合金能够提高外壳1的抗压强度。直管4外表面沿其轴向设有多排槽体集合体，每排槽体集合体包括沿直管4周向设置的多个矩形槽，如图2所示，矩形槽的外观为纵向槽和环向槽，矩形槽能够在破岩棒爆炸时，根据槽的深浅和宽度控制金属外壳1炸成设定大小的碎片。
端盖5数量为两个，并插装在直管4的两端，金属丝2与端盖5、端盖5与直管4通过粘接剂粘接密封，保证了破岩棒在水下使用时不会出现渗水问题，保证了起爆效果。端盖5为聚醚醚酮棒材加工而成，端盖5在其中心朝直管4方向设有固定柱6，且端盖5沿其轴线设有与金属丝2适配的通孔。
金属丝2的直径为600μm，材质为钨。金属丝2沿外壳1的轴线设置，且其两端伸出端盖5并固定安装；含能材料3填装在金属丝2与外壳1之间。金属丝2驱动不同质量的含能材料3产生冲击波作用于矿体，破岩棒产生的能量大小可根据实际需求进行设定，进而保证矿体能够被充分地开采，同时避免了火工品爆破时不易控制而引发的安全问题，通过金属丝驱动能够易于控制冲击波的时机，进而提高了开采过程中的安全性，保障了生产人员的生命安全。
含能材料3为固体，含能材料3包括质量分数为26.5％的铝粉Al、73.5％的聚四氟乙烯(PTFE)。含能材料3的填装密度为2g/cm3，装填量为250g。这样配比的含能材料3更容易被金属丝2起爆，并使含能材料3在驱动反应过程中能够更加充分的反应。与现有破岩使用的火工品相比，聚四氟乙烯和铝粉均为非爆炸品，只有破岩棒在高达80kA的强大电流且持续100μs以上时，其电爆炸所产生的冲击波才能起爆并产生更强的冲击波用于破岩，因此该破岩棒使用过程安全性高。
通过破岩棒的使用，减小了对脉冲功率驱动源储能量、体积大小的限制，解决了通过金属丝电爆炸产生冲击波存在电储能密度较低的缺点，使冲击波破岩技术能够应用到更多的场合、领域。
上述用于产生冲击波的破岩棒的制作方法，包括以下步骤；
S1，采用聚醚醚酮棒材加工两个端盖5，采用可溶性铝镁合金管材加工直管4，并在加工好的直管4外表面加工矩形槽；
S2，将金属丝2从其中一个端盖5的固定柱6端通孔穿过，并将其端部与端盖5外部采用粘接剂粘牢，再将金属丝2另一端穿过直管4，然后将该端盖5与直管4粘接牢固；
S3，将铝粉和高聚四氟乙烯在容器中混合均匀，即完成含能材料3的制作；
S4，将含能材料3填入直管4并捣实，装填量为250g。
S5，将另一个端盖5与直管4对接处涂胶，并使金属丝2穿过该端盖5的通孔，将端盖5旋入直管4端部，拉直金属丝2，并在端盖5的通孔处涂粘接剂，即完成破岩棒结构的组装。
S6，待粘接剂完全凝固后，将制备好的破岩棒送入压力容器中，给容器注入水，将容器增压到1Mpa时保持5小时；
S7，从压力容器中取出破岩棒，检查胶粘面是否有渗水，不渗水的破岩棒为合格品。渗水的破岩棒视为次品废弃。
S8，取一次加工量4％的破岩棒，以储能为100kJ脉冲功率驱动源，在额定工作电压30kV，输出脉冲电流80kA的条件下，对破岩棒做驱动实验，能够起爆的破岩棒为合格品。
本发明的破岩棒使用方法为：在矿体表面钻孔；安装孔口装置；在钻孔内注满水；将破岩棒与脉冲功率驱动源连接；并将破岩棒放置在钻孔设定位置；启动脉冲功率驱动源通过破岩棒放电，破岩棒产生的冲击波将矿体爆破。
本发明的破岩棒通过金属丝电爆炸等离子体可以直接驱动任意质量的含能材料，产生需要的可控冲击波，在保证安全的同时能够很好地对矿产资源进行开采，因此能够进一步提高矿产资源开采的效率和安全性。图4为本发明的破岩棒实施冲击波破岩后的实景照片。
本发明提供的破岩棒主要原料中的聚四氟乙烯是环境友好型塑料，与铝粉的化学反应只有在受到700MPa以上的冲击力作用下才能进行，其反应式为：4Al+3(—C2F4—)→4AlF3+6C，反应后生成炭黑和AlF3不被氢还原，强热不分解但升华，性质非常稳定。因此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，进而提高了矿产资源开采的环保性，因此本发明的破岩棒能够进一步促进矿产资源的开发。
含能材料的配比及填装方式更容易被金属丝起爆，并使含能材料在驱动反应过程中能够更加充分的反应。
金属丝与端盖、端盖与直管通过粘接剂粘接密封，保证了破岩棒在水中使用时不会出现渗水问题，保证了起爆效果。
本发明提供的用于产生冲击波的破岩棒，与现有破岩使用的火工品相比，聚四氟乙烯和铝粉均为非爆炸品，只有破岩棒在高达80kA的强大电流且持续100μs以上时，其电爆炸所产生的冲击波才能起爆并产生更强的冲击波用于破岩，因此该破岩棒使用过程安全性高；金属丝驱动不同质量的含能材料产生冲击波作用于矿体，使破岩棒产生的能量大小可根据实际需求进行设定，进而保证矿体能够被充分地开采，同时避免了火工品爆破时不易控制而引发的安全问题，通过金属丝驱动能够易于控制冲击波的时机，进而提高了开采过程中的安全性，保障了生产人员的生命安全。其次，通过破岩棒的使用，减小了对脉冲功率驱动源储能量、体积大小的限制，解决了通过金属丝电爆炸产生冲击波存在电储能密度较低的缺点，使冲击波破岩技术能够应用到更多的场合、领域。因此本发明的破岩棒能够适用于矿产资源的开采，并能进一步提高矿产资源开采的效率和安全性。
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 (10)

1.一种用于产生冲击波的破岩棒，其特征在于：包括外壳(1)、金属丝(2)和含能材料(3)，外壳(1)为两端封闭的中空直管；外壳(1)的外径为20-35mm，长度为190-210mm，金属丝(2)沿外壳(1)的轴线设置，且其两端伸出外壳(1)并固定安装；含能材料(3)填装在外壳(1)内，含能材料(3)为固体，含能材料(3)包括质量分数为70％-80％的聚四氟乙烯和20％-30％的铝粉，所述外壳(1)外表面设有凹槽。
2.根据权利要求1所述的一种用于产生冲击波的破岩棒，其特征在于：所述外壳(1)包括直管(4)和插装在直管(4)两端的端盖(5)，直管(4)为金属材料的管状结构；端盖(5)为非金属材料，端盖(5)在其中心朝直管(4)方向设有固定柱(6)，且端盖(5)沿其轴线设有与所述金属丝(2)适配的通孔。
3.根据权利要求2所述的一种用于产生冲击波的破岩棒，其特征在于：所述金属丝(2)的直径为500～800μm，材质为钨、钽或铜。
4.根据权利要求3所述的一种用于产生冲击波的破岩棒，其特征在于：所述外壳(1)的外径为32mm，长度为200mm，壁厚为1mm。
5.根据权利要求4所述的一种用于产生冲击波的破岩棒，其特征在于：所述含能材料(3)包括质量分数为73.5％的聚四氟乙烯和26.5％的铝粉。
6.根据权利要求5所述的一种用于产生冲击波的破岩棒，其特征在于：所述含能材料(3)的填装密度为2.0～2.1g/cm3。
7.根据权利要求6所述的一种用于产生冲击波的破岩棒，其特征在于：所述凹槽包括沿直管(4)轴向设置的多排槽体集合体，每排槽体集合体包括沿直管(4)周向设置的多个矩形槽。
8.根据权利要求1-7所述的用于产生冲击波的破岩棒的制作方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1，采用聚醚醚酮棒材加工两个端盖(5)，采用可溶性铝镁合金管材加工直管(4)，并在加工好的直管(4)外表面加工矩形槽；
S2，将金属丝(2)从其中一个端盖(5)的固定柱(6)端通孔穿过，并将其端部与端盖(5)外部采用粘接剂粘牢，再将金属丝(2)另一端穿过直管(4)，然后将该端盖(5)与直管(4)粘接牢固；
S3，将铝粉和高聚四氟乙烯在容器中混合均匀，即完成含能材料(3)的制作；
S4，将含能材料(3)填入直管(4)并捣实。
S5，将另一个端盖(5)与直管(4)对接处涂胶，并使金属丝(2)穿过该端盖(5)的通孔，将端盖(5)旋入直管(4)端部，拉直金属丝(2)，并在端盖(5)的通孔处涂粘接剂，即完成破岩棒的制作。
9.根据权利要求8所述的用于产生冲击波的破岩棒的制作方法，其特征在于：还包括以下步骤：
待粘接剂完全凝固后，将制备好的破岩棒送入压力容器中，给容器注入水，将容器增压到1Mpa时保持5小时；
从压力容器中取出破岩棒，检查胶粘面是否有渗水，不渗水的破岩棒为合格品。
10.根据权利要求9所述的用于产生冲击波的破岩棒的制作方法，其特征在于：还包括以下步骤：
以储能为100kJ脉冲功率驱动源，在额定工作电压30kV，输出脉冲电流80kA的条件下，对破岩棒做驱动实验，能够起爆的破岩棒为合格品。
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