CN111764821B - 一种微波水射流协同破岩方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种破岩系统，以解决在微波破岩基础上进一步提高破岩效率的技术问题。该破岩系统包括协同破岩装置，所述协同破岩装置包含：微波破岩装置，所述微波破岩装置用于对目标岩石实施微波辐射破岩；以及水流辅助破岩装置，所述水流辅助破岩装置用于在微波辐射破岩时对目标岩石实施水流冲射从而辅助破岩。在微波作用的同时喷射水流会起到双重劣化目标岩石的效果，提高破岩效率。

Description

一种微波水射流协同破岩方法与装置

技术领域

本说明书提供的发明创造的实施例涉及隧道、采矿和岩土工程领域，具体涉及一种破岩系统。

背景技术

深部空间开发以及深部资源开采活动日趋活跃，岩石破碎量也急剧增长。随着深度的延伸，岩石强度呈现出非线性增长的趋势。现有传统机械破岩方法在面临深部工程问题时往往会出现效率低下、成本激增等问题。而微波则由于其升温迅速、体加热以及无二次污染等优点被引入到硬岩破碎领域，通过微波的热效应来降低岩石强度从而达到提高破岩效率的目的。

微波热效应作用的基础是岩石是一种非均质材料，其内部各组分之间的介电特性存在一定的差异。众所周知，大部分岩石是由多种矿物组成，且岩石内部含有少量或微量的水分及其他杂质。而各组分之间的吸波能力的差异必然导致温度梯度的产生，从而产生温度应力继而损伤岩石。

发明内容

本说明书提供的发明创造的实施例的目的在于提供一种破岩系统，以解决在微波破岩基础上进一步提高破岩效率的技术问题。

为了实现上述目的，根据本说明书提供的发明创造的实施例，提供了一种破岩系统，包括协同破岩装置，所述协同破岩装置包含：微波破岩装置，所述微波破岩装置用于对目标岩石实施微波辐射破岩；以及水流辅助破岩装置，所述水流辅助破岩装置用于在微波辐射破岩时对目标岩石实施水流冲射从而辅助破岩。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，水流辅助破岩装置的至少部分水流出射口与微波破岩装置的微波馈口均位于目标岩石的同一侧。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，水流辅助破岩装置的至少部分水流出射口与微波破岩装置的微波馈口均位于目标岩石的同一侧且这些水流出射口与目标岩石的距离小于所述微波馈口与目标岩石的距离。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，水流辅助破岩装置的至少部分水流出射口与微波破岩装置的微波馈口均位于目标岩石的同一侧且这些水流出射口与目标岩石的距离可调节和/或这些水流出射口与微波馈口的距离可调节。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，破岩系统还包括破岩试验舱装置，所述破岩试验舱装置用于容纳作为试样的目标岩石并将微波破岩装置的水流出射口以及微波破岩装置的微波馈口分别引入破岩试验舱装置的舱体中以便对试样进行协同破岩试验。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，破岩试验舱装置包含试样承载单元，所述试样承载单元具有升降控制结构和设置在升降控制结构上的试样承载结构。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，破岩试验舱装置包含围压模拟单元，所述含围压模拟单元具有用于模拟岩石围压状态的试样加压机构。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，破岩试验舱装置包含温度检测单元，所述温度检测单元具有红外热成像仪，至少一个红外热成像仪的探测端与所述微波馈口位于试样的同一侧。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，所述试样加压机构包括用于对试样竖直向下施压的加压机构和用于对试样水平施压的加压机构。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，所述试样加压机构中用于与试样直接接触的施压部件与用于驱动该施压部件的传动部件之间可拆卸连接，所述传动部件上用于与对应施压部件可拆卸连接的接口可匹配至少两种不同施压面尺寸的施压部件。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，所述微波馈口设置在舱体的侧壁上，该舱体的侧壁上位于微波馈口周边分布有条形孔，水流辅助破岩装置中各个带有相应水流出射口的水流输送管分别穿过对应的条形孔而伸入舱体中，所述各个带有相应水流出射口的水流输送管与对应条形孔之间通过水流输送管位置调节装置相连接，当水流输送管位置调节装置松开时相应的水流输送管可以在对应条形孔中沿着该条形孔移动，当水流输送管位置调节装置固定时相应的水流输送管固定在对应条形孔中的一定位置上且该对应条形孔中未装配水流输送管的区域被遮蔽。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，所述水流输送管位置调节装置包括设置在舱体侧壁上的凹形槽和两块分别用于同时与该凹形槽适配连接的凸形键，凹形槽的底部为条形孔，所述两块分别用于同时与该凹形槽适配连接的凸形键之间与该凹形槽共同形成与对应水流输送管配合的孔。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，所述微波破岩装置包括沿微波传送方向依次连接的微波发射器、波导管和环形器，波导管通过环形器与微波馈口连接，环形器的下方连接水负载器。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，所述水流辅助破岩装置包括沿水流传送方向依次连接的蓄水池和水流输送管组，水流输送管组包括至少两条水流输送管，所述至少两条水流输送管的前端分别设有水流出射口，所述至少两条水流输送管上分别设有水泵。

根据本说明书提供的破岩系统的实施例，破岩系统还包括数据采集装置，所述数据采集装置用于获取破岩系统的工作参数。

上述协同破岩装置包含微波破岩装置和水流辅助破岩装置，该水流辅助破岩装置可在微波辐射破岩时对目标岩石实施水流冲射，这样，一方面，水作为一种强极性分子，水的存在会显著提高物体的吸波能力，从而提高目标岩石的升温速率，另一方面，随着水的不断入射，对目标岩石高温表面起到急剧冷凝的作用从而加剧物体劣化，因此，在微波作用的同时喷射水流会起到双重劣化目标岩石的效果，提高破岩效率。

下面结合附图和具体实施方式对本说明书提供的发明创造做进一步的说明。本说明书提供的发明创造附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本说明书提供的发明创造的实践了解到。

附图说明

构成本说明书提供的发明创造的一部分的附图用来辅助对相关发明创造的理解，附图中所提供的内容及其在本说明书中有关的说明可用于解释相关发明创造，但不构成对相关发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本说明书提供的破岩系统的一个实施例的结构示意图。

图2为图1中破岩系统的蓄水池和水流输送管组部分的结构示意图。

图3为图1中破岩系统的破岩试验舱装置的局部示意图。

图4为图1中破岩系统的水流输送管位置调节装置的结构示意图。

图5为与4中A-A向剖视图。

图1-5中标号为：

1、传动部件

2、施压部件

3、破岩试验舱装置

4、试样承载结构

5、水流输送管

6、波导管

7、环形器

8、水负载器

9、水泵

10、微波发射器

11、水流输送管

12、蓄水池

13、水源

14、蓄水池底部开孔

15、红外热成像仪

16、压力杆

17、试样

18、水流出射口

19、微波馈口

20、条形孔

21、凹形槽

22、凸形键

具体实施方式

下面结合附图对本说明书提供的发明创造进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本说明书提供的发明创造。在结合附图对本说明书提供的发明创造进行说明前，需要特别指出的是：

本说明书中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案、技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案、技术特征可以相互组合。

下述说明中涉及到的内容通常仅是本说明书提供的发明创造的一分部实施例而不是全部实施例，因此，基于本说明书提供的发明创造的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书提供的发明创造保护的范围。

本说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本说明书中和权利要求书及有关的部分中的其他相关术语和单位，均可基于本说明书提供的相关内容得到合理的解释。

图1为本说明书提供的破岩系统的一个实施例的结构示意图。图2为图1中破岩系统的蓄水池和水流输送管组部分的结构示意图。图3为图1中破岩系统的破岩试验舱装置的局部示意图。图4为图1中破岩系统的水流输送管位置调节装置的结构示意图。图5为与4中A-A向剖视图。

如图1-5所示，破岩系统包括协同破岩装置，所述协同破岩装置包含微波破岩装置和水流辅助破岩装置。其中，微波破岩装置用于对目标岩石实施微波辐射破岩；水流辅助破岩装置用于在微波辐射破岩时对目标岩石实施水流冲射从而辅助破岩。

上述破岩系统工作时，在微波作用的同时，水流一方面可以提高目标岩石的吸波能力，一方面可以急剧冷却目标岩石，使目标岩石降温并引起开裂，如此循环往复作业，从而实现大幅提高微波破岩效率以及冷却作业环境和提升作业环境的安全性的目的。

如图1所示，在本说明书提供的破岩系统的一个实施例中，微波破岩装置包括沿微波传送方向依次连接的微波发射器10、波导管6和环形器7，波导管6通过环形器7与微波馈口19连接，环形器7的下方连接水负载器8。

微波发射器10出口可以通过矩形波导与波导管6连接，再通过波导管6将微波发射器10发射的微波传递至环形器7。微波发射器10还可以采用磁控管，且系统功率可调，从而可以根据需要输出不同功率的微波。

环形器7的微波输出端连接微波馈口19，从而通过微波馈口19将微波辐射到目标岩石。环形器7的下方连接水负载器8以吸收多余的微波。

如图1所示，在本说明书提供的破岩系统的一个实施例中，水流辅助破岩装置包括沿水流传送方向依次连接的蓄水池12和水流输送管组，水流输送管组包括至少两条水流输送管11，所述至少两条水流输送管11的前端分别设有水流出射口，所述至少两条水流输送管上分别设有水泵9。

蓄水池12可以与水源13相连，以便于蓄水。所述至少两条水流输送管上分别设置的水泵9可以采用相同型号、尺寸的水泵，以保证每台水泵的出水一致。为了为保证流入水泵的水流持续且稳定，所述蓄水池12可由底面积较大的方形容器组成，在蓄水池12底部分别与各水流输送管11连接，连接处可设置阀门和流量计。

如图1-5所示，根据本说明书提供的破岩系统的一个实施例，所述水流辅助破岩装置的至少部分水流出射口18与微波破岩装置的微波馈口19均位于目标岩石的同一侧。

由于微波主要通过作用于目标岩石上与微波馈口19对应的断面来实现破岩，将水流辅助破岩装置的至少部分水流出射口18设置为与微波破岩装置的微波馈口位于目标岩石的同一侧，可以确保水流的辅助破岩效果。

根据本说明书提供的破岩系统的一个实施例，所述水流辅助破岩装置的至少部分水流出射口18与微波破岩装置的微波馈口19均位于目标岩石的同一侧且这些水流出射口18与目标岩石的距离小于所述微波馈口19与目标岩石的距离。

通过使水流出射口18与目标岩石的距离小于所述微波馈口19与目标岩石的距离，从而能够缩短水流出射口18喷射的水流在到达目标岩石过程中的传播距离，降低水流的无效损耗和不期望的升温。

根据本说明书提供的破岩系统的一个实施例，水流辅助破岩装置的至少部分水流出射口18与微波破岩装置的微波馈口19均位于目标岩石的同一侧且这些水流出射口18与目标岩石的距离可调节和/或这些水流出射口18与微波馈口19的距离可调节。

通过使水流出射口18与目标岩石的距离可调节和/或这些水流出射口18与微波馈口19的距离可调节，从而更好的满足针对不同尺寸目标岩石等情况适应性调整的需要。

根据本说明书提供的破岩系统的一个实施例，破岩系统可以为一个试验装置。具体而言，破岩系统包括破岩试验舱装置3，所述破岩试验舱装置3用于容纳作为试样17的目标岩石并将微波破岩装置的水流出射口18以及微波破岩装置的微波馈口19分别引入破岩试验舱装置3的舱体中以便对试样17进行协同破岩试验。

破岩试验舱装置3具体可以包含试样承载单元、围压模拟单元和温度检测单元。其中，所述试样承载单元可以具有升降控制结构和设置在升降控制结构上的试样承载结构4。所述含围压模拟单元可以具有用于模拟岩石围压状态的试样加压机构。所述温度检测单元可以具有红外热成像仪15，至少一个红外热成像仪15的探测端与所述微波馈口19位于试样的同一侧。

如图1、3所示，在一个可选实施方式中，所述试样加压机构具体包括用于对试样竖直向下施压的加压机构和用于对试样水平施压的加压机构。

如图1所示，在一个可选实施方式中，所述试样加压机构中用于与试样直接接触的施压部件2与用于驱动该施压部件的传动部件1之间可拆卸连接，所述传动部件1上用于与对应施压部件2可拆卸连接的接口可匹配至少两种不同施压面尺寸的施压部件。

由于直接接触的施压部件2与用于驱动该施压部件的传动部件1之间可拆卸连接且所述传动部件1上用于与对应施压部件2可拆卸连接的接口可匹配至少两种不同施压面尺寸的施压部件，这样，就可以根据试样的大小选择相应施压面尺寸的施压部件。

如图1-5所示，根据本说明书提供的破岩系统的一个实施例，破岩系统包括破岩试验舱装置3，所述破岩试验舱装置3用于容纳作为试样的目标岩石并将微波破岩装置的水流出射口18以及微波破岩装置的微波馈口19分别引入破岩试验舱装置3的舱体中以便对试样进行协同破岩试验；此外，所述微波馈口19设置在舱体的侧壁上，该舱体的侧壁上位于微波馈口19周边分布有条形孔20，水流辅助破岩装置中各个带有相应水流出射口18的水流输送管5分别穿过对应的条形孔而伸入舱体中，所述各个带有相应水流出射口18的水流输送管5与对应条形孔20之间通过水流输送管位置调节装置相连接，当水流输送管位置调节装置松开时相应的水流输送管5可以在对应条形孔20中沿着该条形孔20移动，当水流输送管5位置调节装置固定时相应的水流输送管5固定在对应条形孔20中的一定位置上且该对应条形孔20中未装配水流输送管5的区域被遮蔽。

具体的，如图4-5，所述水流输送管位置调节装置包括设置在舱体侧壁上的凹形槽21和两块分别用于同时与该凹形槽适配连接的凸形键22，凹形槽21的底部为条形孔20，所述两块分别用于同时与该凹形槽21适配连接的凸形键22之间与该凹形槽21共同形成与对应水流输送管5配合的孔。其中，水流输送管5优选为矩形管并采用铝制材料。

上述机构即可以实现水流输送管5在舱体侧壁上位置的调节和固定，同时当水流输送管5位置调节装置固定时相应的水流输送管5固定在对应条形孔20中的一定位置上且该对应条形孔20中未装配水流输送管5的区域被遮蔽，从而可以防止微波泄露造成安全隐患。

根据本说明书提供的破岩系统的一个实施例，破岩系统还包括数据采集装置，所述数据采集装置用于获取破岩系统的工作参数。具体而言，数据采集装置可以分别与微波发射器10、流量计、加压机构等连接从而采集相关的数据。

以上对本说明书提供的发明创造的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本说明书提供的发明创造。基于本说明书提供的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书提供的发明创造保护的范围。

Claims (8)

1.破岩系统，其特征在于包括协同破岩装置，所述协同破岩装置包含：

微波破岩装置，所述微波破岩装置用于对目标岩石实施微波辐射破岩；

水流辅助破岩装置，所述水流辅助破岩装置用于在微波辐射破岩时对目标岩石实施水流冲射从而辅助破岩；

破岩系统还包括破岩试验舱装置，所述破岩试验舱装置用于容纳作为试样的目标岩石并将水流辅助破岩装置的水流出射口以及微波破岩装置的微波馈口分别引入破岩试验舱装置的舱体中以便对试样进行协同破岩试验；

所述微波馈口设置在舱体的侧壁上，该舱体的侧壁上位于微波馈口周边分布有条形孔，水流辅助破岩装置中各个带有相应水流出射口的水流输送管分别穿过对应的条形孔而伸入舱体中，所述各个带有相应水流出射口的水流输送管与对应条形孔之间通过水流输送管位置调节装置相连接，当水流输送管位置调节装置松开时相应的水流输送管可以在对应条形孔中沿着该条形孔移动，当水流输送管位置调节装置固定时相应的水流输送管固定在对应条形孔中的一定位置上且该对应条形孔中未装配水流输送管的区域被遮蔽。

2.如权利要求1所述的破岩系统，其特征在于：

水流辅助破岩装置的至少部分水流出射口与微波破岩装置的微波馈口均位于目标岩石的同一侧；或者，

水流辅助破岩装置的至少部分水流出射口与微波破岩装置的微波馈口均位于目标岩石的同一侧且这些水流出射口与目标岩石的距离小于所述微波馈口与目标岩石的距离；或者，

水流辅助破岩装置的至少部分水流出射口与微波破岩装置的微波馈口均位于目标岩石的同一侧且这些水流出射口与目标岩石的距离可调节和/或这些水流出射口与微波馈口的距离可调节。

3.如权利要求1所述的破岩系统，其特征在于，破岩试验舱装置包含：

试样承载单元，所述试样承载单元具有升降控制结构和设置在升降控制结构上的试样承载结构；并且/或者，

围压模拟单元，所述围压模拟单元具有用于模拟岩石围压状态的试样加压机构；并且/或者，

温度检测单元，所述温度检测单元具有红外热成像仪，至少一个红外热成像仪的探测端与所述微波馈口位于试样的同一侧。

4.如权利要求3所述的破岩系统，其特征在于：

所述试样加压机构包括用于对试样竖直向下施压的加压机构和用于对试样水平施压的加压机构；并且/或者，

所述试样加压机构中用于与试样直接接触的施压部件与用于驱动该施压部件的传动部件之间可拆卸连接，所述传动部件上用于与对应施压部件可拆卸连接的接口可匹配至少两种不同施压面尺寸的施压部件。

5.如权利要求1所述的破岩系统，其特征在于：所述水流输送管位置调节装置包括设置在舱体侧壁上的凹形槽和两块分别用于同时与该凹形槽适配连接的凸形键，凹形槽的底部为条形孔，所述两块分别用于同时与该凹形槽适配连接的凸形键之间与该凹形槽共同形成与对应水流输送管配合的孔。

6.如权利要求1或2所述的破岩系统，其特征在于：所述微波破岩装置包括沿微波传送方向依次连接的微波发射器、波导管和环形器，波导管通过环形器与微波馈口连接，环形器的下方连接水负载器。

7.如权利要求1或2所述的破岩系统，其特征在于：所述水流辅助破岩装置包括沿水流传送方向依次连接的蓄水池和水流输送管组，水流输送管组包括至少两条水流输送管，所述至少两条水流输送管的前端分别设有水流出射口，所述至少两条水流输送管上分别设有水泵。

8.如权利要求1或2所述的破岩系统，其特征在于：破岩系统还包括数据采集装置，所述数据采集装置用于获取破岩系统的工作参数。

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