CN111536834A - 一种水热破岩致裂装置、起爆网络及其定向切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水热破岩致裂装置、起爆网络及其定向切割方法，属于矿山机械工程领域，装置包括定向致裂器（2），所述定向致裂器（2）内装有离子水溶液（11），所述定向致裂器（2）内装有内胆导热管（3），所述定向致裂器（2）中下端设有薄弱缺口（2‑1）。定向切割方法包括如下步骤：S1:水热破岩装置注水；S2：水热破岩装置串并联；S3：下孔、定向、封孔；S4：连接起爆网络，并检测连通性；S5：安全警戒，并起爆；S6:一次定向切割作业完成后，重复S1‑S5，开始下一阶段循环。本发明采用水热破岩制裂替代二氧化碳气爆质裂，大大减少了存储、运输和使用过程中的不安全隐患，同时还可以降低振动扰动和噪音，尤其适用一些禁止强烈振动和噪音的特定环境。

Description

一种水热破岩致裂装置、起爆网络及其定向切割方法

技术领域

本发明属于矿山机械工程领域，具体涉及一种水热破岩致裂装置、起爆网络及其定向切割方法。

背景技术

在矿山与石材开采、基坑开挖、隧道与地下空间施工、顽石/孤石安全爆破拆除、管道等堵塞疏通等市政交通工程中，常常需要进行岩体的开挖采掘工作。为了保证周边构筑物及人员安全，降低破岩振动和噪音，CO₂气爆技术正受到矿山开采、隧道掘进、市政交通等领域广泛关注。

然而，传统二氧化碳气爆技术存在3个方面的安全隐患，1）液态二氧化碳的灌装、存储和运输涉及高压力容器，容易产生爆炸风险；2）二氧化碳气爆需要使用到具有易燃易爆型的发热药，涉及危险化学品运输，具有爆炸危险性；3）二氧化碳气爆装置在充装液态二氧化碳后，容易产生高压，易爆型发热药直接置于高压液态二氧化碳中，并直接接触，整个气爆装置存在爆炸风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种水热破岩致裂装置，替代二氧化碳气爆质裂，大大减少了存储、运输和使用过程中的不安全隐患，同时还可以降低振动扰动和噪音，尤其适用一些禁止强烈振动和噪音的特定环境。

进一步的，本发明还提供一种水热破岩致裂装置的起爆网络和定向切割方法，增强破岩效果，实现一种安全、环保的新型碎岩方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种水热破岩致裂装置，包括定向致裂器，所述定向致裂器内装有离子水溶液，所述定向致裂器内固定装有内胆导热管，所述内胆导热管从上往下依次包括堵头、隔热部件和聚能剂，电阻丝穿过所述堵头和隔热部件浸泡在所述聚能剂中，所述电阻丝另一端与电线相连，所述电线与电激发器相连，所述定向致裂器与所述内胆导热管通过注水端部固定连接，所述注水端部设有注水口，所述定向致裂器中下端设有薄弱缺口。

进一步的，所述内胆导热管与所述注水端部中部通过氩弧焊焊接，所述定向致裂器与所述注水端部外围通过氩弧焊焊接，所述氩弧焊焊接均形成焊环，所述注水口呈上大下小型，下侧为圆柱体，所述圆柱体内表面设有螺纹，所述注水口可拆卸连接与所述螺纹相匹配的螺杆。

进一步的，所述离子水溶液包括金属阳离子、阴离子和有机分子。

所述金属阳离子包括钠离子、钾离子，所述阴离子包括氯离子、醋酸根离子和硫酸根离子，所述有机分子包括甲醇和乙醇。

进一步的额，所述薄弱缺口厚度为所述定向致裂器厚度的1/10-1/2。

所述薄弱缺口包括1个、2个或4个。

一种水热破岩致裂装置的起爆网络，起爆网络包括若干所述装置并联形成的单孔装置网，若干所述单孔装置网之间进行串联。

一种水热破岩致裂装置的起爆网络的定向切割方法，包括以下步骤：

S1: 水热破岩装置注水：通过注水口向定向致裂器注离子水溶液，待定向致裂器充满离子水溶液后关闭注水口；

S2：水热破岩装置串并联：根据现场地质情况，将水热破岩装置上的电线串并联；

S3：下孔、定向、封孔：将串并联好的定向致裂器装入若干钻孔内，按照定向切割方向的要求调整定向致裂器的薄弱缺口的方向，并封孔；

S4：连接起爆网络，并检测连通性；

S5：安全警戒，并起爆，完成定向致裂要求；

S6:一次定向切割作业完成后，重复S1-S5，开始下一阶段循环。

其中，S2中，所述串并联方式包括在单个钻孔内并联若干所述水热破岩装置，形成单孔装置网，并将多个钻孔的所述单孔装置网串联起来形成起爆网络。

S4中连通性检测工具包括电阻表。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供一种水热破岩致裂装置及其定向切割方法，替代二氧化碳气爆质裂，大大减少了存储、运输和使用过程中的不安全隐患，同时还可以降低振动扰动和噪音，尤其适用一些禁止强烈振动和噪音的特定环境。

1、本发明采用离子水溶液代替高压液态二氧化碳，离子水溶液的存储、运输和使用过程均较为安全，大大降低了安全风险。

2、采用专门定制的聚能剂代替传统易燃易爆型发热药，避免了运输过程爆炸的风险。

3、配套定制水热破岩装置，通过内胆导热管直接将离子水溶液和聚能剂物理隔离，增加作业安全性。

4、多个定向致裂器可以通过串联和并联方式形成起爆网络，通过调整聚能剂与离子水溶液质量比、溶度来调整水蒸汽升压速率，从而达到起爆网络延时控制的目的，既增加起爆网络破岩效果，又能有效降低振动扰动和噪音，实现一种安全、环保的新型碎岩方法。

5、定向致裂器薄弱缺口的设计，可以通过薄弱环节缺口释放高压蒸汽，达到定向致裂的目的，并且释放的高压水蒸汽能够有效破岩，并降低破岩过程中产生的岩石碎屑粉尘，对于一些禁止强烈振动和噪音的特定环境下的定向破岩作业具有显著优势。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的薄弱缺口的结构示意图；

图3为本发明的起爆网络的结构示意图；

图4为本发明的定向切割岩石的示意图。

附图标记说明：

1-焊环；2-定向致裂器；3-内胆导热管；4-聚能剂；5-电阻丝；6-隔热部件；7-注水端部；8-注水口；9-电线；10-堵头；11-离子水溶液；2-1-薄弱缺口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步地说明。

实施例1：

如图1所示，一种水热破岩致裂装置，包括定向致裂器2，所述定向致裂器2内装有离子水溶液11，所述定向致裂器2内固定装有内胆导热管3，所述内胆导热管3从上往下依次包括堵头10、隔热部件6和聚能剂4，电阻丝5穿过所述堵头10和隔热部件6浸泡在所述聚能剂4中，所述电阻丝5另一端与电线9相连，所述电线9与电激发器相连，所述电激发器与移动电源相连。所述定向致裂器2与所述内胆导热管3连接处设有注水端部7，所述定向致裂器2中下端设有薄弱缺口2-1。所述内胆导热管3具有良好的导热性，直接将所述聚能剂4燃烧释放的热量传导给离子水溶液11，同时所述内胆导热管3能够耐高温高压。所述内胆导热管3材质可以选用铁制品、铝合金制品、铜制品等。所述聚能剂4不可用传统发热药，防止水浸湿发热药失效。所述聚能剂4可以选用专利公开号为CN105884562A中的二氧化碳基强活性聚能剂，电激发器激发所述电阻丝5引燃该二氧化碳基强活性聚能剂，该二氧化碳基强活性聚能剂释放大量热量，并通过所述内胆导热管3加速所述离子水溶液11气化过程，所述离子水溶液11中的内部水与蒸汽混相溶液压力急剧升高，并将薄弱缺口2-1冲击破裂，释放出高压水蒸汽，能够有效破岩，降低破岩过程中产生的岩石碎屑粉尘，降低振动和噪音。

优选的，所述内胆导热管3与所述注水端部7中部通过氩弧焊焊接，所述定向致裂器2与所述注水端部7外围通过氩弧焊焊接，所述氩弧焊焊接均形成焊环1，所述注水口8呈上大下小型，下侧为圆柱体，所述圆柱体内表面设有螺纹，所述注水口8可拆卸连接与所述螺纹相匹配的螺杆。氩弧焊焊接形式能够承受高温高压蒸汽作用而不漏气，避免密封圈高温融化泄露的特点。需要注水时，将所述螺杆拧开注入所述离子水溶液11，注水完成时，将所述螺杆拧紧，确保水热破岩致裂装置密封。

进一步的，所述离子水溶液11包括金属阳离子、阴离子和有机分子。所述金属阳离子包括钠离子、钾离子，所述阴离子包括氯离子、醋酸根离子和硫酸根离子，所述有机分子包括甲醇和乙醇。离子液体具有非挥发性、良好的导电和导热性，容易吸热气化，更利于水热破岩致裂装置的运输储存和水蒸汽的受热释放，释放的高压水蒸汽能够有效破岩，并降低破岩过程中产生的岩石碎屑粉尘。

进一步的，如图2所示，所述薄弱缺口2-1包括1个、2个或4个。所述薄弱缺口2-1厚度为所述定向致裂器2厚度的1/10-1/2。

实施例2

如图3所示，一种水热破岩的起爆网络，包括若干实施例1中所述的水热破岩致裂装置并联形成的单孔装置网，所述单孔装置网放置在单个钻孔内，不同钻孔内分别放置单孔装置网，不同单孔装置网之间进行串联形成复杂的起爆网络。起爆网络串并联的水热破岩致裂装置的个数可以根据实际现场勘测情况进行确定，例如单个钻孔内所述水热破岩致裂装置通常设置2-3个，复杂地形也可以并联多个所述水热破岩致裂装置。串并联时，直接将所述水热破岩致裂装置上预留的电线9进行串并联操作，并将该电路与电激发器相连既可。另外，需要注意的是：钻孔内放入所述单孔装置网之后需要将钻孔口进行封堵，确保破岩效果。

进一步的，通过调整聚能剂与离子水溶液质量比、溶度来调整水蒸汽升压速率，从而达到所述起爆网络延时控制的目的，既增加起爆网络破岩效果，又能有效降低振动扰动和噪音，实现一种安全、高效、环保的新型碎岩方法。

优选的，所述聚能剂4与离子水溶液11质量比选用1:10-1:5。

进一步的，如图4所示，所述起爆网络布置时，优选所述定向致裂器2上的薄弱缺口2-1为4个，且4个所述薄弱缺口2-1位于所述定向致裂器2同一横切面，且方向两两相对，相邻所述薄弱缺口2-1对应圆形角为90度。更进一步的，不同钻孔内，同一层的定向致裂器2上的薄弱缺口2-1位于同一横切面，便于更好的定向切割。

实施例3

一种水热破岩的定向切割方法，包括以下步骤：

S1: 水热破岩装置注水：通过注水口8向定向致裂器2注离子水溶液11，待定向致裂器2充满离子水溶液11后关闭注水口8；

S2：水热破岩装置串并联：根据现场地质情况，将水热破岩装置上的电线9串并联；

S3：下孔、定向、封孔：将串并联好的定向致裂器2装入若干钻孔内，按照定向切割方向的要求调整定向致裂器2的薄弱缺口2-1的方向，并封孔；

S4：连接起爆网络，并检测连通性；

S5：安全警戒，并起爆，完成定向致裂要求；

S6:一次定向切割作业完成后，重复S1-S5，开始下一阶段循环。

其中，S2中，所述串并联方式包括在单个钻孔内并联若干所述水热破岩装置，形成单孔装置网，并将多个钻孔的所述单孔装置网串联起来形成起爆网络。

S4中连通性检测工具包括电阻表。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水热破岩致裂装置，其特征在于：包括定向致裂器（2），所述定向致裂器（2）内装有离子水溶液（11），所述定向致裂器（2）内固定装有内胆导热管（3），所述内胆导热管（3）从上往下依次包括堵头（10）、隔热部件（6）和聚能剂（4），电阻丝（5）穿过所述堵头（10）和隔热部件（6）浸泡在所述聚能剂（4）中，所述电阻丝（5）另一端与电线（9）相连，所述电线（9）与电激发器相连，所述定向致裂器（2）与所述内胆导热管（3）通过注水端部（7）固定连接，所述注水端部（7）设有注水口（8），所述定向致裂器（2）中下端设有薄弱缺口（2-1）。

2.根据权利要求1所述的一种水热破岩致裂装置，其特征在于：所述内胆导热管（3）与所述注水端部（7）中部通过氩弧焊焊接，所述定向致裂器（2）与所述注水端部（7）外围通过氩弧焊焊接，所述氩弧焊焊接均形成焊环（1），所述注水口（8）呈上大下小型，下侧为圆柱体，所述圆柱体内表面设有螺纹，所述注水口（8）可拆卸连接与所述螺纹相匹配的螺杆。

3.根据权利要求1所述的一种水热破岩致裂装置，其特征在于：所述离子水溶液（11）包括金属阳离子、阴离子和有机分子。

4.根据权利要求3所述的一种水热破岩致裂装置，其特征在于：所述金属阳离子包括钠离子、钾离子中的任意一种或两种，所述阴离子包括氯离子、醋酸根离子和硫酸根离子中的任意一种或几种，所述有机分子包括甲醇和/或乙醇。

5.根据权利要求1所述的一种水热破岩致裂装置，其特征在于：所述薄弱缺口（2-1）厚度为所述定向致裂器（2）厚度的1/10-1/2。

6.根据权利要求1所述的一种水热破岩致裂装置，其特征在于：所述薄弱缺口（2-1）包括1个、2个或4个。

7.采用权利要求1-6任一项所述的一种水热破岩致裂装置的起爆网络，其特征在于：起爆网络包括若干所述水热破岩致裂装置并联形成的单孔装置网，若干所述单孔装置网之间进行串联。

8.采用权利要求7所述的起爆网络的定向切割方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1: 水热破岩装置注水：通过注水口（8）向定向致裂器（2）注离子水溶液（11），待定向致裂器（2）充满离子水溶液（11）后关闭注水口（8）；

S2：水热破岩装置串并联：根据现场地质情况，将水热破岩装置上的电线（9）串并联；

S3：下孔、定向、封孔：将串并联好的定向致裂器（2）装入若干钻孔内，按照定向切割方向的要求调整定向致裂器（2）的薄弱缺口（2-1）的方向，并封孔；

S4：连接起爆网络，并检测连通性；

S5：安全警戒，并起爆，完成定向致裂要求；

S6:一次定向切割作业完成后，重复S1-S5，开始下一阶段循环。

9.根据权利要求8所述的起爆网络的定向切割方法，其特征在于：S2中，所述串并联方式包括在单个钻孔内并联若干所述水热破岩装置，形成单孔装置网，并将多个钻孔的所述单孔装置网串联起来形成起爆网络。

10.根据权利要求8所述的起爆网络的定向切割方法，其特征在于：S4中连通性检测工具包括电阻表。

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