CN111472774B - 一种用于产生可控冲击波的复合型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可控冲击波的复合型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。该用于产生可控冲击波的复合型破岩棒，外壳和内管均为两端封闭的中空直管；外壳与内管同轴套装；金属丝沿外壳与内管的轴线设置，其两端伸出外壳并固定安装；内管内装填粉状含能材料，内管和外壳之间装填固体含能材料。该用于产生可控冲击波的复合型破岩棒的制作方法，包括准备各部件，组装金属丝、内管端头、内管，将粉状含能材料填入内管并通过内管端头封装，组装内管、端盖、直管，将固体含能材料填入直管后通过端盖封装。
Description
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可控冲击波的复合型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可控冲击波的复合型破岩棒，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可控冲击波的复合型破岩棒的制作方法。
为实现上述第一个目的，本发明的解决方案是：
一种用于产生可控冲击波的复合型破岩棒，包括外壳、金属丝和内管，外壳和内管均为两端封闭的中空直管；外壳与内管同轴套装，外壳的外径为30-34mm，长度为280-330mm，内管外径为4-7mm，长度为280-330mm；金属丝沿外壳与内管的轴线设置，其两端伸出外壳并固定安装；内管内装填粉状含能材料，内管和外壳之间装填固体含能材料。
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，端盖的中心设有圆孔，内管通过所述圆孔插装在所述直管内，所述内管为玻璃材质，内管两端设有内管端头，且内管端头端部与端盖端面平齐；内管端头沿其轴线设有内径为0.3-0.8mm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，外壳的外径为32mm，长度为300mm，外壳的壁厚为1mm；所述内管外径为6mm，长度为300mm。
优选的，所述粉状含能材料包括质量分数为20-30％的铝粉、65-75％的高氯酸铵或高氯酸钾、3-5％的石蜡，粉状含能材料的填装密度为1.0～1.2g/cm3。
优选的，所述固体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，所述直管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：上述的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒的制作方法，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，将金属丝穿过内管本体，将金属丝一端从其中一个内管端头的通孔穿过并采用粘接剂与内管端头粘牢，将所述内管端头旋压插装在内管端部；
S3，将铝粉、高氯酸铵或高氯酸钾、石蜡在容器中混合均匀，即完成粉状含能材料的制作；
S4，将粉状含能材料填入内管并捣实；
S5，将金属丝另一端穿过另一个内管端头，在所述内管端头侧面涂胶，并旋压插装在内管端部，然后拉直金属丝，并在内管端头的通孔处涂粘接剂；
S6，将聚四氟乙烯和铝粉在容器中混合均匀，即完成固体含能材料的制作；
S7，将内管一端涂粘接剂并插装在其中一个端盖的圆孔内，使金属丝延伸至端盖外侧，且内管端部与该端盖端面保持平齐；在该端盖侧面涂粘接剂并旋入外壳一端，将内管和金属丝从外壳另一端引出；
S8，向外壳内注入固体含能材料，在内管端部与另一个端盖侧面涂粘接剂，将金属丝穿过该端盖的圆孔，然后将该端盖旋入外壳同时将内管端部穿入该端盖的圆孔内，在端盖处涂粘接剂封装，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60kA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可控冲击波的复合型破岩棒，只有在高达60kA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，使用过程安全性高。
2.本发明提供的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒，能够适用于矿产资源的开采，能进一步提高矿产资源开采的效率和安全性，有望彻底代替矿产资源开采中所用的火工品，具有良好的经济效益及社会效益。
3.本发明提供的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒，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。
4.本发明提供的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒的制作方法中，粉状含能材料、固体含能材料及填装方式更容易被金属丝起爆，并使粉状含能材料、固体含能材料在驱动反应过程中能够更加充分的反应。
5.本发明提供的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒的制作方法中，内管端头与内管、端盖与直管，以及金属丝与端盖、内管端头均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，进而保证了起爆效果；金属外壳内充满了固体含能材料，使得破岩棒内外水压平衡，进而防止井筒内的水进入破岩棒内部。
6.本发明提供的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒的制作方法，通过粉状含能材料和固体含能材料的复合使用，降低了脉冲功率驱动源输出驱动电流的要求，输出电流由80kA下降到60kA就能达到同样的破岩效果；将驱动能量转换器中复合型破岩棒的脉冲功率驱动源通过加长输出电缆与控制台并联连接，能够实现多台脉冲功率驱动源的集中控制，进而便于工作人员控制复合型破岩棒的爆破时机。
7.本发明通过加长脉冲功率驱动源的输出电缆、减小输出电流的方式，实现了在更多、更复杂、更狭小环境中的应用。
附图说明
图1是本发明用于产生可控冲击波的复合型破岩棒的剖视图；
图2是复合型破岩棒的外部结构示意图；
图3是端盖的结构示意图。
附图标记如下：
1-外壳，2-金属丝，3-内管，4-粉状含能材料，5-固体含能材料，6-直管，7-内管端头，8-端盖。
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：
一种用于产生可控冲击波的复合型破岩棒，如图1至图3所示，包括外壳1、金属丝2、内管3、粉状含能材料4和固体含能材料5。
外壳1为两端封闭的中空直管；外壳1的外径为32mm，长度为300mm，壁厚为1mm；外壳1包括直管6和端盖8。
直管6为可溶性铝镁合金制成的管状结构，铝镁合金能够提高破岩棒的结构强度，因此便于该破岩棒的装载和运输。如图2所示，直管6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6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外壳1炸成设定大小的碎片。
端盖8数量为两个，并插装在直管6的两端；端盖8为聚醚醚酮棒材加工而成，聚醚醚酮棒材为非金属材料，即绝缘材料，聚醚醚酮棒材能够起到良好的密封作用且不导电，端盖8在其中心设有圆孔，圆孔的内径与内管3的外径适配。
内管3为两端封闭的中空直管；内管3外径为6mm，长度为300mm；内管3为玻璃材质；内管3两端设有内管端头7，内管端头7一端插装在内管3的端部，另一端的外径与内管3的外径相等；内管端头7沿其轴线设有内径为0.5mm的通孔。
外壳1套装在内管3外部，且外壳1与内管3同轴，内管端头7与内管3的端部均位于所述圆孔内，且内管端头7端部与端盖8端面平齐。
金属丝2沿内管3的轴线设置，且其两端伸出内管端头7并固定安装；内管端头7与内管3、端盖8与直管6，以及金属丝2与端盖8、内管端头7均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，进而保证了起爆效果。
金属丝2的直径为600μm，材质为铜。粉状含能材料4填装在金属丝2与内管3之间，固体含能材料5装填在内管3和外壳1之间，金属外壳内充满了固体含能材料5，使得破岩棒内外水压平衡，进而使井筒内的水进入不了破岩棒内部。
金属丝2驱动不同质量的粉状含能材料4和固体含能材料5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，将驱动能量转换器中复合型破岩棒的脉冲功率驱动源通过加长输出电缆与控制台并联连接，能够实现多台脉冲功率驱动源的集中控制，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。
粉状含能材料4包括质量分数为24％的铝粉、73％的强氧化剂高氯酸铵、3％的钝感剂石蜡。粉状含能材料4的填装密度为1g/cm3，装填量为10g；固体含能材料5包括包括质量分数为73.5％的聚四氟乙烯和26.5％的铝粉。因此相对于单一采用粉状含能材料、固体含能材料或液体含能材料的破岩棒，本发明的复合型破岩棒能够通过降低驱动电流来实现采用更小体积和重量的脉冲功率驱动源，因此能够适用于更狭小的矿洞、更复杂的地域中。
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。
上述的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒的制作方法，包括以下步骤；
S1，采用聚醚醚酮棒材加工两个端盖8，采用可溶性铝镁合金管材加工直管6，并在加工好的直管6外表面加工矩形槽；
S2，将金属丝2穿过内管3本体，将金属丝2一端从其中一个内管端头7的通孔穿过并采用粘接剂与内管端头7粘牢，将所述内管端头7旋压插装在内管3端部；
S3，将铝粉、高氯酸铵、石蜡在容器中混合均匀，即完成粉状含能材料4的制作；
S4，将粉状含能材料4填入内管3并捣实，填充密度为1/cm3，填充量为10g；
S5，将金属丝2另一端穿过另一个内管端头7，在该内管端头7侧面涂胶，并旋压插装在内管3端部，然后拉直金属丝2，并在内管端头7的通孔处涂粘接剂；
S6，将聚四氟乙烯和铝粉在容器中混合均匀，即完成固体含能材料5的制作；
S7，将内管3一端涂粘接剂并插装在其中一个端盖8的圆孔内，使金属丝2延伸至端盖8外侧，且内管3端部与该端盖8端面保持平齐；在该端盖8侧面涂粘接剂并旋入外壳1一端，将内管3和金属丝2从外壳1另一端引出；
S8，向外壳1内注入360g固体含能材料5，在内管3端部与另一个端盖8侧面涂粘接剂，将金属丝2穿过该端盖8的圆孔，然后将该端盖8旋入外壳1同时将内管3端部穿入该端盖8的圆孔内，在端盖8处涂粘接剂封装，即完成破岩棒的制作。
S9，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；
S10，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。
S11，取一次加工量5％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60kA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；安装四通阀；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。
本发明提供的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒，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60kA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。因此本发明的破岩棒能够适用于矿产资源的开采，能进一步提高矿产资源开采的效率和安全性，有望彻底代替矿产资源开采中所用的火工品，因此该破岩棒的经济及社会效益十分显著。
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。
本发明提供的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒的制作方法中，粉状含能材料、固体含能材料的配比及填装方式更容易被金属丝起爆，并使粉状含能材料、固体含能材料在驱动反应过程中能够更加充分的反应。
内管端头与内管、端盖与直管，以及金属丝与端盖、内管端头均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，进而保证了起爆效果；金属外壳内充满了固体含能材料，使得破岩棒内外水压平衡，进而使井筒内的水进入不了破岩棒内部。
通过粉状含能材料和固体含能材料的复合使用，降低了脉冲功率驱动源输出驱动电流的要求，输出电流由80kA下降到60kA就能达到同样的破岩效果；将驱动能量转换器中复合型破岩棒的脉冲功率驱动源通过加长输出电缆与控制台并联连接，能够实现多台脉冲功率驱动源的集中控制，进而便于工作人员控制复合型破岩棒的爆破时机。
本发明通过加长脉冲功率驱动源的输出电缆、减小输出电流的方式，实现了在更多、更复杂、更狭小环境中的应用。
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。
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 (5)
1.一种用于产生可控冲击波的复合型破岩棒，其特征在于：包括外壳(1)、金属丝(2)和内管(3)，外壳(1)和内管(3)均为两端封闭的中空直管；外壳(1)与内管(3)同轴套装，外壳(1)的外径为30-34mm，长度为280-330mm，内管(3)外径为4-7mm，长度为280-330mm；金属丝(2)沿外壳(1)与内管(3)的轴线设置，其两端伸出外壳(1)并固定安装；内管(3)内装填粉状含能材料(4)，内管(3)和外壳(1)之间装填固体含能材料(5)；所述外壳(1)包括直管(6)和插装在直管(6)两端的端盖(8)，直管(6)为金属材料的管状结构；端盖(8)为非金属材料，端盖(8)的中心设有圆孔，内管(3)通过所述圆孔插装在所述直管(6)内，所述内管(3)为玻璃材质，内管(3)两端设有内管端头(7)，且内管端头(7)端部与端盖(8)端面平齐；内管端头(7)沿其轴线设有内径为0.5-0.8mm的通孔；所述金属丝(2)的直径为500-800μm，材质为钨、钽或铜；外壳(1)的壁厚为1mm；所述粉状含能材料(4)包括质量分数为20-30％的铝粉、65-75％的高氯酸铵或高氯酸钾、3-5％的石蜡，粉状含能材料(4)的填装密度为1.0～1.2g/cm3；所述固体含能材料(5)包括质量分数为73.5％的聚四氟乙烯和26.5％的铝粉。
2.根据权利要求1所述的一种用于产生可控冲击波的复合型破岩棒，其特征在于：所述直管(6)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(6)周向设置的多个矩形槽。
3.根据权利要求1或2所述的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒的制作方法，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(8)，采用可溶性铝镁合金管材加工直管(6)，并在加工好的直管(6)外表面加工矩形槽；
S2，将金属丝(2)穿过内管(3)本体，将金属丝(2)一端从其中一个内管端头(7)的通孔穿过并采用粘接剂与内管端头(7)粘牢，将所述内管端头(7)旋压插装在内管(3)端部；
S3，将铝粉、高氯酸铵或高氯酸钾、石蜡在容器中混合均匀，即完成粉状含能材料(4)的制作；
S4，将粉状含能材料(4)填入内管(3)并捣实；
S5，将金属丝(2)另一端穿过另一个内管端头(7)，在所述内管端头(7)侧面涂胶，并旋压插装在内管(3)端部，然后拉直金属丝(2)，并在内管端头(7)的通孔处涂粘接剂；
S6，将聚四氟乙烯和铝粉在容器中混合均匀，即完成固体含能材料(5)的制作；
S7，将内管(3)一端涂粘接剂并插装在其中一个端盖(8)的圆孔内，使金属丝(2)延伸至端盖(8)外侧，且内管(3)端部与该端盖(8)端面保持平齐；在该端盖(8)侧面涂粘接剂并旋入外壳(1)一端，将内管(3)和金属丝(2)从外壳(1)另一端引出；
S8，向外壳(1)内注入固体含能材料(5)，在内管(3)端部与另一个端盖(8)侧面涂粘接剂，将金属丝(2)穿过该端盖(8)的圆孔，然后将该端盖(8)旋入外壳(1)同时将内管(3)端部穿入该端盖(8)的圆孔内，在端盖(8)处涂粘接剂封装，即完成破岩棒的制作。
4.根据权利要求3所述的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒的制作方法，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。
5.根据权利要求4所述的用于产生可控冲击波的复合型破岩棒的制作方法，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60kA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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