CN112044569B - 一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置及破裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置及破裂方法，应用于待破碎岩体上，包括：负电极、正电极及脉冲功率计；所述待破碎岩体预先设置有与所述负电极及所述正电极相适配的多个作业孔，所述负电极及所述正电极均与所述脉冲功率计电性连接；本发明采用一个负电极或少量负电极配合多个正电极的电极布置方式，有效规避沿边放电。

Description

一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置及破裂方法

技术领域

本发明涉及岩石破碎技术领域，更具体的说是涉及一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置及破裂方法。

背景技术

目前，岩石破碎是使部分岩体脱离母体并破碎成岩块的工艺和理论，主要有爆炸破碎、机械破碎、水射流破碎和热力破碎等四种。研究岩石破碎的主要任务是：揭示破碎岩石的能耗和破碎效果间的联系，探求破碎载荷和岩石坚固性及破碎参数间的关系，研制安全、经济、高效采掘机具和器材，寻求新的破碎方法。

但是，岩石破碎常用化学爆炸破岩和机械破岩两种技术手段，化学炸药破岩管控严格，存在极大的安全风险，污染环境且可控性差，而机械破岩对于不是十分坚硬的岩石可以得到很好的破岩效果，遇到质地坚硬的岩石时往往难以进行有效破碎，或者破岩效率极低同时对机械破岩设备造成极大的磨损。如盾构机隧道开挖到坚硬孤石，无法继续向前工作，此时需要一种新的技术手段使岩石破裂或降低岩石强度，保证机械设备高效、低成本工作。脉冲功率装置的输出电压足够大，上升沿足够小时，可以在岩石内部形成等离子通道，造成等离子通道周围的岩石损伤破裂，最终达到碎裂岩石的效果。目前脉冲功率装置对岩石进行破裂时，采用的都是单正极对单负极放电，岩石单次破裂效果近似为电极之间的“线破裂”，破碎区域有限导致破碎效率低。本发明采用单负极或少负极对多正极的电极布置方式，可有增大高岩石破裂区域，将“线破裂”破坏形式改进至三维空间“体破裂”破坏形式，提高电爆炸破岩效率。

因此，如何提供一种能够解决上述问题的脉冲放电碎裂硬岩装置及破裂方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置及破裂方法，采用一个负电极或少量负电极配合多个正电极的电极布置方式，有效规避沿边放电。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置，应用于待破碎岩体上，包括：负电极、正电极及脉冲功率计；

所述待破碎岩体预先设置有与所述负电极及所述正电极相适配的多个作业孔，所述负电极及所述正电极均与所述脉冲功率计电性连接。

采用上述装置的有益效果为：负电极的数量可以为1个或几个，正电极的数量超过负电极的数量，可以有效减少负极的打孔数量，同时有效规避沿边放电。

优选的，所述正电极包括：正极承载棒、绝缘层及尖端部，所述正极承载棒套装于所述绝缘层的内部，所述尖端部与所述正极承载棒的一端固定连接。所述尖端部为正极放电点，可以方便布置在钻孔不同深度上。

优选的，所述负电极包括：负极承载棒及绝缘材料层，所述绝缘材料层套设于所述负极承载棒的一端。

优选的，所述正电极的所述尖端部布置于所述作业孔的不同深度上。

优选的，所述正电极的数量大于所述负电极的数量。

一种利用上述任一项所述的一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置的岩石破裂方法，包括：

S1：在所述待破碎岩体上利用钻机处理得到多个所述作业孔，以其中一个所述作业孔为中心孔，其余多个所述作业孔为周边孔，所述周边孔围绕所述中心孔且与所述中心孔的距离一致，所述作业孔的尺寸与所述负电极及所述正电极相适配；

S2：将所述负电极放置于所述中心孔内，多个所述正电极放置于其余的所述周边孔中；

S3：将所述负电极与所述正电极与所述脉冲功率计连接，进行放电岩石破碎作业。

优选的，所述周边孔围绕所述中心孔，且所述周边孔与所述中心孔的距离不大于所述脉冲功率计所能击穿岩石的最大厚度，一般取最大厚度的80％。

优选的，所述正电极在所述周边孔内依次由浅到深等距离排列。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置及破裂方法，在脉冲高电压作用下，岩石被电击穿时，岩石内部会形成放电通道，放电通道瞬间膨胀并产生高温高压使岩石发生破坏，主要具有如下有益效果：

(1)通过电极不同的布置形式和移动方式可以有效减少负极的打孔数量，传统放电形式正负电极一一对应，本发明放电形式只需要一个或少量负极孔即可，提高钻孔利用率，可有效规避常规直接电破碎岩石中的沿边放电现象，保证放电通道形成在岩体内部，保证碎裂效果；

(2)设计了放电电极的形态，负电极采用圆柱面形态，正电极采用针型电极形态，形成点对柱面的灵活放电方式；

(3)可在岩体内部形成三维碎裂或损伤区域，大大降低岩体强度，传统机械破岩设备遇到坚硬孤石无法继续工作或者遇到强度较高岩石导致破岩效率极低时，可使用本发明进行岩体损伤弱化，之后再进行机械破岩，极大提高机械破岩的效率并降低设备磨损；

(4)能量可控制性好，单次能量释可控，比传统化学爆炸释放能量小很多，每次电爆炸时对岩体周围产生的震动有限，不会引起因爆破震动产生的塌方、冒落等安全事故，且易于实现自动化控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置结构示意图；

图2附图为本发明正电极结构示意图；

图3附图为本发明负电极结构示意图；

图4附图为本发明实施例3待破碎岩体原始状态以及作业孔的状态；

图5附图为本发明实施例3正电极与中心负电极顺次放电爆炸后的实验结果图；

图6附图为本发明实施例3正电极与中心负电极顺次放电爆炸后的实验结果图；

图7附图为本发明实施例3正电极与中心负电极顺次放电爆炸后的实验结果图；

图8附图为本发明实施例3正电极与中心负电极顺次放电爆炸后的实验结果图；

图9附图为本发明实施例3正电极与中心负电极顺次放电爆炸后的实验结果图；

在图1-图9中：

1-待破碎岩体，2-负电极，3-正电极，4-脉冲功率计，21-负极承载棒，22-绝缘材料层，31-正极承载棒，32-绝缘层，33-尖端部。

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。

实施例1

参见附图1所示，本发明实施例1公开了一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置，应用于待破碎岩体1上，包括：负电极2、正电极3及脉冲功率计4；

待破碎岩体1预先设置有与负电极2及正电极3相适配的多个作业孔，负电极2及正电极3均与脉冲功率计4电性连接。

参见附图2所示，在一个具体的实施例中，正电极3包括：正极承载棒31、绝缘层32及尖端部33，正极承载棒31套装于绝缘层32的内部，尖端部33与正极承载棒31的一端固定连接，通过尖端部可以布置在钻孔不同深度上，电极布置灵活。

参见附图3所示，在一个具体的实施例中，负电极2包括：负极承载棒21及绝缘材料层22，绝缘材料层22套设于负极承载棒21的一端。

具体的，正负电极间的最大孔距为脉冲功率计4的输出电压与待破碎岩体1单位长度的击穿电压比值，一般取比值为80％，能够达到较好的放电崩落效果的同时具有较小的能量损耗。

具体的，通常两个正电极的孔距一般与正负电极允许的最大孔距相当，孔距值和钻孔数量可由崩落效果具体调整。当所有电极一次放电完成后，若两个电极之间还存在未发生破坏的临空面，应减小两电极之间的孔距；若两个正电极之间崩落的岩块较碎时，可适当增大电极孔距。

具体的，正负电极间的最小电压为孔距与待破碎岩体单位长度的击穿电压的乘积，一般取最小电压的1.25倍左右，能够达到较好的放电崩落效果。

在一个具体的实施例中，正电极3的数量大于负电极2的数量。

本实施例1通过上述装置，在脉冲高电压作用下，待破碎岩体1被电击穿时，待破碎岩体1内部会形成放电通道，放电通道瞬间膨胀并产生高温高压使待破碎岩体1发生破坏；本实施例1的一大特点是电极布置灵活，正极尖端部可以布置在钻孔不同深度上，形成设计好的空间排列形式，放电电爆完成后在目标岩体内形成预先设计好的三维碎裂区形态，正电极在作业孔内由浅到深按等距离排列，电爆完成后将在岩体内形成螺旋状裂纹分布区。

此外，本实施例1的另一功能是可使各正极按设计好的时序和时间间隔依次放电爆破，实现类似炸药爆破工程中的微差爆破，但电爆破可以实现精准延时爆破，如果工程需要延时时间控制精度可以达到微纳秒级；此外还可以准确控制脉冲功率装置的充电电压，调节岩石碎裂效果。

实施例2

一种利用实施例1中任一项的一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置的岩石破裂方法，包括：

S1：在待破碎岩体1上利用钻机处理得到多个作业孔，以其中一个作业孔为中心孔，其余多个作业孔为周边孔，周边孔围绕中心孔且与中心孔的距离一致，作业孔的尺寸与负电极2及正电极3相适配；

S2：将负电极2放置于中心孔内，多个正电极3放置于其余的周边孔中；

S3：将负电极2与正电极3与脉冲功率计4连接，进行放电岩石破碎作业。

在一个具体的实施例中，周边孔围绕中心孔，且周边孔与中心孔的距离不大于脉冲功率计4所能击穿岩石的最大厚度，一般取最大厚度的80％。

在一个具体的实施例中，正电极3在周边孔内依次由浅到深等距离排列。

实施例3

参见附图4-9所示，选用红砂岩作为待破碎岩体，首先在待破碎岩体内用钻机打出作业孔，作业孔深12cm，共6个作业孔，孔径大小与正负电极外径相匹配，其中中间位置的作业孔放置负电极，剩余作业孔放置正电极，正负孔间距为1.5cm，脉冲电压设置为40kv；其中负极在孔内部分即孔口附近一定长度进行绝缘处理，其它部分均为裸露金属导体，正极放置在周边孔内，放电尖端部指向负极所在圆心；本实施例3通过上述电极布置方式，形成了一个负极、n个正极的多对电极组合，随时准备放电破岩作业。电极在孔外的一端连接脉冲功率装置对应的输出极，预钻孔数量和电极数量根据目标碎裂区域大小和碎裂效果决定。

然后对目标岩体进行分层碎裂作业，碎裂区域为正电极尖端部连线所形成的封闭区域，可设计成工程需要的不同形状。当正极放电尖端部靠近孔口端或临空面布置时，电极放电后可分层崩落岩体。而正极靠近孔底或远离临空面时，放电爆炸将分层损伤弱化岩体。每次电爆完成后阳极再沿钻孔滑动适当距离，进行下一次电爆作业，5次放电完成后，形成较大的类似圆形崩落区，崩落区深度在7mm左右。

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)

1.一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置，应用于待破碎岩体(1)上，其特征在于，包括：负电极(2)、正电极(3)及脉冲功率计(4)；

所述待破碎岩体(1)预先设置有与所述负电极(2)及所述正电极(3)相适配的多个作业孔，所述负电极(2)及所述正电极(3)均与所述脉冲功率计(4)电性连接；

以其中一个所述作业孔为中心孔，其余多个所述作业孔为周边孔，所述周边孔围绕所述中心孔且与所述中心孔的距离一致，所述作业孔的尺寸与所述负电极(2)及所述正电极(3)相适配；

所述正电极(3)在所述周边孔内依次由浅到深等距离排列。

2.根据权利要求1所述的一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置，其特征在于，所述正电极(3)包括：正极承载棒(31)、绝缘层(32)及尖端部(33)，所述正极承载棒(31)套装于所述绝缘层(32)的内部，所述尖端部(33)与所述正极承载棒(31)的一端固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置，其特征在于，所述负电极(2)包括：负极承载棒(21)及绝缘材料层(22)，所述绝缘材料层(22)套设于所述负极承载棒(21)的一端。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置，其特征在于，所述正电极(3)的数量大于所述负电极(2)的数量。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置，其特征在于，多个所述正电极(3)的尖端部(33)布置于所述作业孔的不同深度上。

6.一种利用权利要求1-3任一项所述的一种组合式多电极高压脉冲放电碎裂硬岩装置的岩石破裂方法，其特征在于，包括：

S1：在所述待破碎岩体(1)上利用钻机处理得到多个所述作业孔，以其中一个所述作业孔为中心孔，其余多个所述作业孔为周边孔，所述周边孔围绕所述中心孔且与所述中心孔的距离一致，所述作业孔的尺寸与所述负电极(2)及所述正电极(3)相适配，所述正电极(3)在所述周边孔内依次由浅到深等距离排列；

S2：将所述负电极(2)放置于所述中心孔内，多个所述正电极(3)放置于其余的所述周边孔中；

S3：将所述负电极(2)与所述正电极(3)与所述脉冲功率计(4)连接，进行放电岩石破碎作业。

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