CN111912309B - 一种基于高压脉冲电爆炸的硬岩预损伤与破裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高压脉冲电爆炸的硬岩预损伤与破裂方法，应用于岩体破碎技术领域，包括以下步骤：1.待破碎岩体上打两个孔，第一钻孔和第二钻孔；2.将第一放电电极的第一放电电极底端插入第一钻孔，将第二放电电极的第二放电电极底端插入第二钻孔；3.若第一放电电极和第二放电电极首次插入第一钻孔和第二钻孔时，先插入孔底，进行岩体预损伤操作；若第一放电电极和第二放电电极首次插入第一钻孔和第二钻孔时，先插入孔口边缘，进行岩体破碎操作。本发明安全，可靠，绿色，高效，可适用于盾构机开挖时遇到坚硬孤石的岩石预损伤，矿场开采，矿场岩石大块破碎等诸多场景。

Description

一种基于高压脉冲电爆炸的硬岩预损伤与破裂方法

技术领域

本发明涉及岩体破碎技术领域，更具体的说是涉及一种基于高压脉冲放电的电爆炸岩石破裂方法。

背景技术

岩石破碎常用机械破岩，如盾构机刀片切削，打孔锤碎等和化学爆炸破岩等。对于质地比较坚硬的岩石来说，机械破岩往往难以使岩石发生破碎，或者破碎效率极低，成本高，化学爆炸破岩过程复杂，且炸药管控严格，安全风险高，污染环境。在一定条件下，高压脉冲装置产生的脉冲高压作用在岩石两端，可以使岩石发生破裂，对于不同的岩石，选择合适的脉冲电压可以使岩石发生破裂，但是将高压脉冲装置的放电电极直接暴露于空气中，直插在岩石表面进行岩石破碎时，由于岩石电导率低于空气的电导率，将发生沿边闪络现象，不能在岩石内部形成等离子通道，这种放电方式无法达到预期的破裂效果。

传统电破碎方式多为电极单次放电，只能对岩石形成单次破坏，目前，受脉冲功率装置和高压输电电缆的技术限制，电破碎对于岩石单次破坏的破坏区域有限，对于大块岩石或矿体破碎效率极低

因此，提供一种根据电极不同的移动形式，实现岩石预损伤和岩石破裂两种不同的电爆炸效果的电极自动移动式的连续电爆炸破裂方式，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于高压脉冲放电的电爆炸岩石破裂方法，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于高压脉冲电爆炸的硬岩预损伤与破裂方法，包括以下步骤：

步骤1：在待破碎岩体上打两个孔，第一钻孔和第二钻孔；

步骤2：将第一放电电极的第一放电电极底端插入所述第一钻孔，将第二放电电极的第二放电电极底端插入所述第二钻孔；

步骤3：若所述第一放电电极和所述第二放电电极首次插入所述第一钻孔和所述第二钻孔时，先插入孔底，则执行步骤4，进行岩体预损伤操作；

若所述第一放电电极和所述第二放电电极首次插入所述第一钻孔和所述第二钻孔时，先插入孔口边缘，则执行步骤5，进行岩体破碎操作；

步骤4：所述第一放电电极和所述第二放电电极在孔底时，脉冲功率装置放电爆炸进行一次岩体损伤，得到第一次放电损伤裂纹，完成本次损伤后，将所述第一放电电极和所述第二放电电极向孔口方向移动，所述脉冲功率装置进行充电后放电，得到第二次放电损伤裂纹，完成本次损伤，重复上述操作至孔深范围内岩体损伤预裂完全；

步骤5：所述第一放电电极和所述第二放电电极在孔口边缘时，脉冲功率装置放电爆炸进行一次岩体破碎，回收第一次放电崩落碎块并使所述第一放电电极和所述第二放电电极按照设定步长向孔底移动，所述脉冲功率装置进行充电后放电，完成本次破碎，回收第二次放电崩落碎块，所述第一放电电极和所述第二放电电极继续按照设定步长自动向孔底移动，重复上述操作至孔深范围内岩体破碎完全。

优选的，所述步骤2中，所述第一放电电极设有第一放电电极尖端，所述第二放电电极未设有电极尖端。

优选的，所述步骤2中，所述第一放电电极和所述第二放电电极均设有电极尖端。

优选的，所述第一放电电极和所述第二放电电极还设有大电流承载棒和电极顶端。

优选的，所述大电流承载棒包裹绝缘材料。

该技术方案所实现的技术效果：有效规避了边缘放电现象，确保放电在岩体内。

优选的，所述大电流承载棒与所述电极尖端的夹角可进行设置。

该技术方案所实现的技术效果：可以改变岩石预损伤与破裂方向

优选的，所述放电电极尖端为弧度设置。

该技术方案所实现的技术效果：有效提高电极尖端的使用寿命。

优选的，所述步骤1中的所述第一钻孔和所述第二钻孔的孔径与所述第一放电电极和第二放电电极外径相匹配。

该技术方案所实现的技术效果：便于放电电极插入，作业过程中放电电极始终在孔内，起到放电电极隔离绝缘的作用，使放电发生在岩石内部。

优选的，所述第一钻孔和所述第二钻孔的孔距由所述脉冲功率装置的电压和待破碎岩体单位长度的击穿电压决定。

优选的，所述脉冲功率装置输出电压除以待破碎岩体单位长度的击穿电压即是允许的最大孔距，一般取允许最大孔距的80％。

优选的，所述步骤6中，所述设定步长为：根据岩石崩落的情况进行尝试与调整后设为固定值，当崩落岩体较碎时，可适当增加步长，当崩落岩石碎块明显减少时，应适减小步长，直到崩落效果较好时再设为固定值。

优选的，所述第一放电电极和所述第二放电电极插入所述第一钻孔和所述第二钻孔中，无须额外绝缘介质。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.可有效规避直接电破碎中的沿边闪络现象，且无需提供去等离子水等绝缘环境，使电破碎破岩便捷可行，保证岩石破裂效果；

2.对于块体厚度较小，与本发明连接的脉冲功率发生器的最高电压大于块体击穿电压时，本发明可直接放置于待破碎材料两端(无需打孔)进行破碎，替代传统的破碎方法；

3.可以应用在传统破岩方式之前，对岩体进行预损伤，大大降低岩石强度，提高破岩效率；尤其可以解决高硬度岩石难以进行机械破裂的问题，盾构机遇到坚硬孤石无法继续掘进时，使用本发明可以降低孤石硬度，加速掘进；本发明与传统机械破岩配合使用，可以降低机械破岩装置的磨损程度，降低使用成本，延长设备使用寿命；

4.岩体预打孔后，由孔顶向孔底不断进行放电破岩和移动电极，目标岩体掌子可面被分层崩落，实现掘进开采。

5.可应用于太空采矿，太空中目前最丰富的能源是由太阳能转化的电能，本发明使用电能进行高效岩石破裂，为太空矿体开采提供了有效技术支持，契合太空采矿的生产场景。

6.可以控制待破碎材料的破碎效果，在不同充电电压下，本发明可以形成裂纹，碎块，粉末等不同的破碎效果，并且破碎效果可控。

附图说明

图1为本发明岩体预损伤工作过程示意图；

图2为本发明岩体破碎工作过程示意图；

图3为本发明放电电极结构示意图；

图4为本发明放电电极底端结构示意图

图5为本发明放电爆炸后岩体裂纹图；

图6为本发明放电爆炸后岩体崩落效果图；

图7为本发明另一种放电电极结构示意图

在图1-7中：

1-第一钻孔，2-第二钻孔，3-第一放电电极，31-第一放电电极底端，32-第一放电电极尖端，33-第一放电电极大电流承载棒，34-第一放电电极顶端，35-第一放电电极绝缘材料，4-第二放电电极，41-第二放电电极底端，42-第二放电电极尖端，43-第二放电电极大电流承载棒，44-第一放电电极顶端，45-第二放电电极绝缘材料，5-待破碎岩体，6-第一次放电损伤裂纹，7-第二次放电损伤裂纹，51-第一次放电崩落碎块，52-第二次放电崩落碎块，53-第三次放电崩落碎块；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1到6所示，本发明实施例公开了一种基于高压脉冲电爆炸的硬岩预损伤与破裂方法，包括以下步骤：

步骤1：在待破碎岩体5上用钻机打两个孔，第一钻孔1和第二钻孔2；

步骤2：将第一放电电极3的第一放电电极底端31插入第一钻孔1，将第二放电电极4的第二放电电极底端41插入第二钻孔2；

步骤3：将第一放电电极3的第一放电电极尖端32和第二放电电极4的第二放电电极尖端42对应放置，趋于同一条直线上；

步骤4：参照图1，若第一放电电极3和第二放电电极4首次插入第一钻孔1和第二钻孔2时，先插入孔底，则执行步骤5，进行岩体预损伤操作；

参照图2，若第一放电电极3和第二放电电极4首次插入第一钻孔1和第二钻孔2时，先插入孔口边缘，则执行步骤6，进行岩体破碎操作；

步骤5：第一放电电极3和第二放电电极4在孔底时，脉冲功率装置放电爆炸进行一次岩体损伤，完成本次损伤后，获得第一次放电损伤裂纹6，将第一放电电极3和第二放电电极4向孔口方向移动，脉冲功率装置进行充电后放电，完成本次损伤，获得第二次放电损伤裂纹7，重复上述操作至孔深范围内岩体损伤预裂完全；

步骤6：第一放电电极3和第二放电电极4在孔口边缘时，脉冲功率装置放电爆炸进行一次岩体破碎，回收第一次放电崩落碎块51并使第一放电电极3和第二放电电极4按照设定步长自动向孔底移动，脉冲功率装置进行充电后放电，完成本次破碎，回收第二次放电崩落碎块52，第一放电电极3和第二放电电极4继续按照设定步长自动向孔底移动，重复上述操作至孔深范围内岩体破碎完全。

在一个具体实施例中，步骤1中的第一钻孔1和第二钻孔2的孔径与第一放电电极3和第二放电电极4外径相匹配；第一钻孔1和第二钻孔2的孔距由脉冲功率装置的电压和待破碎岩体5击穿电压决定。具体的，脉冲功率装置输出电压除以待破碎岩体单位长度的击穿电压即是允许的最大孔距，一般取允许最大孔距的80％。

在一个具体实施例中，参照图3和4，第一放电电极3还设有第一放电电极大电流承载棒33、第一放电电极顶端34和第一放电电极尖端，第一放电电极大电流承载棒33包裹第一放电电极绝缘材料35，第一放电电极大电流承载棒33与第一放电电极尖端32的夹角可进行设置；第二放电电极4与第一放电电极3结构相同。

在一个具体实施例中，第一放电电极尖端32为弧度设置。

参照图7，在另一个具体实施例中，第一放电电极3和第二放电电极4结构不同，第二放电电极4未设有电极尖端，同时第二放电电极大电流承载棒43被第二放电电极绝缘材料45部分包裹。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于高压脉冲电爆炸的硬岩预损伤与破裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在待破碎岩体(5)上打两个孔，第一钻孔(1)和第二钻孔(2)；

步骤2：将第一放电电极(3)的第一放电电极底端(31)插入所述第一钻孔(1)，将第二放电电极(4)的第二放电电极底端(41)插入所述第二钻孔(2)；

步骤3：若所述第一放电电极(3)和所述第二放电电极(4)首次插入所述第一钻孔(1)和所述第二钻孔(2)时，先插入孔底，则执行步骤4，进行岩体预损伤操作；

若所述第一放电电极(3)和所述第二放电电极(4)首次插入所述第一钻孔(1)和所述第二钻孔(2)时，先插入孔口边缘，则执行步骤5，进行岩体破裂操作；

步骤4：所述第一放电电极(3)和所述第二放电电极(4)在孔底时，脉冲功率装置放电爆炸进行一次岩体预损伤，完成本次预损伤后，将所述第一放电电极(3)和所述第二放电电极(4)向孔口方向移动，所述脉冲功率装置进行充电后放电，完成本次预损伤，继续将所述第一放电电极（3）和所述第二放电电极（4）向孔口方向移动，进行岩体预损伤至孔深范围内岩体损伤预裂完全；

步骤5：所述第一放电电极(3)和所述第二放电电极(4)在孔口边缘时，脉冲功率装置放电爆炸进行一次岩体破裂，回收岩体碎块并使所述第一放电电极(3)和所述第二放电电极(4)按照设定步长自动向孔底移动，所述脉冲功率装置进行充电后放电，完成本次破裂，回收岩体碎块，所述第一放电电极(3)和所述第二放电电极(4)继续按照设定步长自动向孔底移动，进行岩体破裂和岩体碎块回收至孔深范围内岩体破裂完全；

所述步骤1中，所述第一钻孔(1)和所述第二钻孔(2)的孔径与所述第一放电电极(3)和第二放电电极(4)外径相匹配；

所述第一放电电极(3)和所述第二放电电极(4)插入所述第一钻孔(1)和所述第二钻孔(2)中，无须额外绝缘介质。

2.根据权利要求1所述的一种基于高压脉冲电爆炸的硬岩预损伤与破裂方法，其特征在于，

所述步骤2中，所述第一放电电极(3)设有第一放电电极尖端(32)，所述第二放电电极(4)未设有电极尖端。

3.根据权利要求2所述的一种基于高压脉冲电爆炸的硬岩预损伤与破裂方法，其特征在于，

所述第一放电电极尖端(32)朝向所述第二放电电极(4)放置。

4.根据权利要求1所述的一种基于高压脉冲电爆炸的硬岩预损伤与破裂方法，其特征在于，

所述步骤2中，所述第一放电电极(3)和所述第二放电电极(4)均设有电极尖端。

5.根据权利要求4所述的一种基于高压脉冲电爆炸的硬岩预损伤与破裂方法，其特征在于，

所述步骤2中，将所述第一放电电极(3)的第一放电电极尖端(32)和所述第二放电电极(4)的第二放电电极尖端(42)对应放置，趋于同一条直线上。

6.根据权利要求1所述的一种基于高压脉冲电爆炸的硬岩预损伤与破裂方法，其特征在于，

所述第一钻孔(1)和所述第二钻孔(2)的最大孔距为所述脉冲功率装置的输出电压与待破碎岩体(5)单位长度的击穿电压比值。

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