CN112360472A - 一种双面对称式电爆聚能破岩装置 - Google Patents

Abstract

一种双面对称式电爆聚能破岩装置，包括双面对称式聚能管、双面聚能槽、堵塞紧固器、放电预留孔、注水预留孔、预留孔封堵塞、高强快干胶、绝缘电流导线、橡套电缆线、纯净水、高压储能放电系统、炮孔、岩体、双面切缝线；具有高压放电压力冲击波能量在设定方向集中释放、非设定方向电爆能量瞬时抑制缓冲、聚能能量利用率高、成槽破岩效果好、围岩损伤小以及成本低的特点。

Description

一种双面对称式电爆聚能破岩装置

技术领域

本申请属于岩土体的电爆聚能破碎技术领域。

背景技术

现代的浅部工程和深部工程的建设中，利用炸药对岩土体进行爆破是采用最广泛的破岩方法，但具有振动大、有毒气体多、粉尘量大等缺点，其在城市地铁隧道穿越软硬复合地层、孤石地层和历史文物、既有线路、古旧建筑物等敏感区段施工时，因炸药潜在危险系数大和振动、飞石、冲击波会使既有结构破坏和人体身心受到影响致其应用受到限制。电爆聚能破岩方法不同于传统的爆破法，它是利用高压储能器放电产生高压冲击波的力学效应，使其沿预先设定的两个方向的双面聚能槽产生集中受拉效应致使岩体产生破坏。现有的研究主要是关注液电破岩和电脉破岩，液电破岩的放电通道在岩体外，放电电极与岩石不紧密接触，岩体破碎主要动力是放电产生的冲击波、压力波等机械力，电场强度不能充分击穿坚硬岩体或大体积岩体，破碎效果差；而电脉破岩的放电通道在岩体内部，岩石破碎动力主要是炮孔通道膨胀时产生的应力，电场强度足够强，能使岩体击穿，破碎效果较好，但是炮孔周围岩体的围岩损伤严重，超欠挖量大，成型效果不佳。

发明内容

以上现有研究主要关注电爆破岩的理论研究和破碎方法，没有系统开展大断面岩体多孔爆破时的非炸药爆破破碎研究，也没有开展电爆破岩时的能量聚能方法和装置研究，特别是针对岩石耐压怕拉特性开展的电爆聚能破岩研究极少涉及。因此，研发的双面对称式电爆聚能破岩装置，能代替传统的炸药爆破法对城市地下工程建设中遇到的软硬复合地层、孤石地层、历史文物敏感区等进行高效破岩，实现对大断面隧道和大体积岩体的精确聚能切缝控制破碎，提高了能量利用率，缩短了建设工期。

本申请的目的是，为了克服上述现有技术的不足，提供一种双面对称式电爆聚能破岩装置，具有高压放电压力冲击波能量在设定方向集中释放、非设定方向电爆能量瞬时抑制缓冲、聚能能量利用率高、成槽破岩效果好、围岩损伤小以及成本低的特点。

为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：

一种双面对称式电爆聚能破岩设计方法，特征是，设计双数个炮孔实现电爆爆破，在每对炮孔12内部安设双面对称式聚能管1对岩体13实施电爆破岩时，设计步骤为：

步骤1，在双面对称式聚能管1内部开设有双面聚能槽2；

步骤2，将纯净水10注入双面对称式聚能管1的内部并充满其内部空间，封堵处理；

步骤3，将双面对称式聚能管1插入对应的炮孔12内部，确定需根据岩体13电爆预破岩的双面切缝线15的位置使之上下都分别与双面对称式聚能管1内部的双面聚能槽2的位置对准；

步骤4，通过高压储能放电系统11放电，放电电能遇纯净水10，使双面对称式聚能管1内部压力迅速升高并膨胀，在纯净水10中形成高速扩张的水压冲击波，电能转化为高压爆炸式机械能向外辐射能量，在双面对称式聚能管1内设的双面聚能槽2处形成高能流，优先集中施加在其对应的炮孔12的孔壁上产生集中拉力(形成和获得抗拉力)，同时由于辐射能量优先从双面聚能槽2卸载，致使非设定方向的双面对称式聚能管1产生均匀压力并急剧下降，减少了辐射能量对炮孔12孔壁的破坏，抑制了非设定方向裂纹的发展，致使双面聚能槽2处的高能流优先突破孔壁岩体的极限承受强度，造成岩体13沿着双面切缝线15的方位进行聚能破岩，避免了能量耗散，实现破岩切割。

基于上述设计方法，进一步公开一种双面对称式电爆聚能破岩装置，实现对大断面隧道和大体积岩体利用电能进行精确聚能切缝控制爆破破岩。具体的，一种双面对称式电爆聚能破岩装置，包括双面对称式聚能管1、双面聚能槽2、堵塞紧固器3、放电预留孔4、注水预留孔5、预留孔封堵塞6、高强快干胶7、绝缘电流导线8、橡套电缆线9、纯净水10、高压储能放电系统11、炮孔12、岩体13、双面切缝线15，其中：

双面对称式聚能管1内设双面聚能槽2；双面聚能槽2为预设的能量高能流优先集中卸压释放槽，呈对称状布设，其槽口深度为双面对称式聚能管1壁厚的1/2，共设2处；

堵塞紧固器3内设2个放电预留孔4和1个注水预留孔5，并通过高强快干胶7与双面对称式聚能管1粘接连接，其布设在双面对称式聚能管1的上端，用于堵塞双面对称式聚能管1，确保其内部的能量充分传递至双面聚能槽2而施加给岩体13；

2个放电预留孔4和1个注水预留孔5呈等边三角形布设，2个放电预留孔 4呈水平状对称布设于堵塞紧固器3的中部，注水预留孔5布设于堵塞紧固器3 下端的中部；放电预留孔4的作用是为绝缘电流导线8进入双面对称式聚能管1 的内部提供通道；注水预留孔5的作用是为纯净水10进入双面对称式聚能管1 的内部提供通道；

高压储能放电系统11，通过接通的高压电路通路将高压储能能量全部进行放电；

双面切缝线15是电爆破岩时预设的电爆能量沿双面聚能槽2释放的方向。

本申请与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1.本申请装置具有将高压电能在双面对称式聚能管内部转换为高压冲击波压力的力学效应致使岩体破裂的特点。本申请装置通过控制高压储能放电系统中的放电控制器对高压储能器内的能量进行快速放电，致使放电电能在双面对称式聚能管内部遇纯净水后温度迅速升高，并引起双面对称式聚能管内部通道的压力也迅速升高并膨胀，在纯净水中形成高速扩张的水压冲击波并不断向外辐射能量致使孔壁岩土体被挤密而破裂，能取代传统的炸药爆破法进行大断面隧道和大体积岩体工程的施工，施工成本低、工艺可靠。

2.本申请装置具有高压放电压力冲击波能量在设定方向集中释放、非设定方向电爆能量瞬时抑制缓冲的特点。本申请装置通过在双面对称式聚能管内部设双面聚能槽，使高压放电压力冲击波能量向外辐射时迅速在双面聚能槽处形成高能流，优先集中施加在其对应的炮孔的孔壁上产生集中拉力，同时由于辐射能量优先从双面聚能槽卸载，致使非设定方向的双面对称式聚能管产生均匀压力并急剧下降，减少了辐射能量对炮孔孔壁的破坏，抑制了非设定方向裂纹的发展，因而致使双面聚能槽处的高能流优先突破孔壁岩体的极限承受强度，造成岩体沿着双面切缝线的方位进行聚能破岩，避免了能量耗散，提高了能量利用率，使成槽破岩效果好、围岩损伤小。

3.本申请装置具有精准量测炮孔的深度和快速定位双面对称式聚能管中双面聚能槽的切割破岩方向的特点。本申请装置通过设于双面对称式聚能管外壁上下两侧的孔定位测量器，可复核炮孔的深度是否和设计的深度一致，避免现有大断面隧道或大型岩体爆破时对每一个炮孔的计算仅凭爆破工人的经验进行判断，同时也避免双面对称式聚能管中设计的双面聚能槽方向错位，确保双面聚能槽的切缝破岩方位的精准度。

附图说明

图1为2个双面对称式聚能管布设在岩体中的破岩示意图。

图2为一种双面对称式电爆聚能破岩装置的正剖面示意图。

图3为图2顺时针旋转90°后的剖面示意图。

图4为图2中A-A剖面示意图。

图5为图4中双面对称式聚能管三维示意图。

图6为图2中B-B剖面示意图。

其中，

1为双面对称式聚能管、2为双面聚能槽；

3为堵塞紧固器、

4为放电预留孔、8为绝缘电流导线；

5为注水预留孔、10为纯净水；

6为预留孔封堵塞、7为高强快干胶、9为橡套电缆线；

11为高压储能放电系统、1101为变频升压控制器、1102为高压形成器、1103 为高压储能器、1104为放电控制器；

12为炮孔、13为岩体；

14为孔定位测量器；

15为双面切缝线。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本申请作进一步的说明。

实施例1

如图1～图6所示，一种双面对称式电爆聚能破岩装置，包括双面对称式聚能管1、双面聚能槽2、堵塞紧固器3、放电预留孔4、注水预留孔5、预留孔封堵塞6、高强快干胶7、绝缘电流导线8、橡套电缆线9、纯净水10、高压储能放电系统11、炮孔12、岩体13、孔定位测量器14、双面切缝线15。

本发明设计及工作原理：以2个炮孔电爆爆破原理为例：

当在2个炮孔12内部安设双面对称式聚能管1对岩体13实施电爆破岩时，预先将2个双面对称式聚能管1与堵塞紧固器3进行连接，然后通过放电预留孔 4将绝缘电流导线8插入双面对称式聚能管1的内部，并用预留孔封堵塞6插入放电预留孔4上端进行封堵，然后通过注水预留孔5将纯净水10注入双面对称式聚能管1的内部并充满其内部空间，进而用预留孔封堵塞6插入注水预留孔5 上端进行封堵；

然后将2个双面对称式聚能管1插入炮孔12内部，此时，需根据岩体13 电爆预破岩的双面切缝线15的位置，通过孔定位测量器14调节双面对称式聚能管1内部的双面聚能槽2的位置，使其对准预破岩的双面切缝线15的位置；然后进行布线，布线的方式是串联连接，先将第一个双面对称式聚能管1上的正极绝缘电流导线8与橡套电缆线9的正极连接，然后将其负极绝缘电流导线8 与另一个双面对称式聚能管1内的正极绝缘电流导线8连接，进而将另一个负极绝缘电流导线8与橡套电缆线9的负极连接，组成一个正负极电路通路；

最后，通过控制高压储能放电系统11中的放电控制器1104对高压储能器 1103内的能量进行放电，此时放电电能遇纯净水10后致使双面对称式聚能管1 内部的温度迅速升高，并引起双面对称式聚能管1内部的压力也迅速升高并膨胀，在纯净水10中形成高速扩张的水压冲击波，此时电能转化为高压爆炸式机械能并不断向外辐射能量，并迅速在双面对称式聚能管1内设的双面聚能槽2处形成高能流，优先集中施加在其对应的炮孔12的孔壁上产生集中拉力，同时由于辐射能量优先从双面聚能槽2卸载，致使非设定方向的双面对称式聚能管1产生均匀压力并急剧下降，减少了辐射能量对炮孔12孔壁的破坏，抑制了非设定方向裂纹的发展，因而致使双面聚能槽2处的高能流优先突破孔壁岩体的极限承受强度，造成岩体13沿着双面切缝线15的方位进行聚能破岩，避免了能量耗散。当有多个炮孔需要进行电爆破岩时，其连接方法均采用串联连接，即每一个双面对称式聚能管1内的绝缘电流导线8均按照正负极进行串联连接。

各部分连接关系如下：

双面对称式聚能管1内设双面聚能槽2，其材质为聚氯乙烯，直径略小于炮孔12的直径；

双面聚能槽2为预设的能量高能流优先集中卸压释放槽，呈对称状布设，其槽口深度为双面对称式聚能管1壁厚的1/2，共设2处；

双面对称式聚能管1内部除布设2处双面聚能槽2外，其余内壁厚度均匀一致，其作用是确保能量高能流迅速在双面聚能槽2处汇聚，并优先集中施加在其对应的炮孔12的孔壁上产生集中拉力，同时使非设定方向的双面对称式聚能管 1产生均匀压力并急剧下降，减少了辐射能量对炮孔12孔壁的破坏，抑制了非设定方向裂纹的发展。

炮孔12的直径为42mm，其深度可根据岩体13的破岩工效进行设定，一般小于6m，双面对称式聚能管1的设计深度略大于的炮孔12的深度。

堵塞紧固器3内设2个放电预留孔4和1个注水预留孔5，并通过高强快干胶7 与双面对称式聚能管1粘接连接，其布设在双面对称式聚能管1的上端，其材质是低碳钢，主要作用是用于堵塞双面对称式聚能管1，确保其内部的能量充分传递至双面聚能槽2而施加给岩体13。

2个放电预留孔4和1个注水预留孔5呈等边三角形布设，2个放电预留孔 4呈水平状对称布设于堵塞紧固器3的中部，注水预留孔5布设于堵塞紧固器3 下端的中部；放电预留孔4的作用是为绝缘电流导线8进入双面对称式聚能管1 的内部提供通道；注水预留孔5的作用是为纯净水10进入双面对称式聚能管1 的内部提供通道；

预留孔封堵塞6分别布设在放电预留孔4、注水预留孔5的上端，其材质是聚氯乙烯，其作用是封堵放电预留孔4和注水预留孔5，避免进入双面对称式聚能管1内部的纯净水10通过放电预留孔4和注水预留孔5泄漏。

绝缘电流导线8的一端通过堵塞紧固器3布设的放电预留孔4伸入至双面对称式聚能管1的底端，另一端则与橡套电缆线9连接；绝缘电流导线8分正负两极，正极和负极各对应1个放电预留孔4，同时确保其与橡套电缆线9连接时正负极对应。

高压储能放电系统11，包括变频升压控制器1101、高压形成器1102、高压储能器1103、放电控制器1104；变频升压控制器1101的作用是进行电压调节，把220V电压转变为不低于2kV高频高电压，确保电压恒定和过压保护作用；高压形成器1102的作用是升压整流为直流高压，确保对高压储能器1103能稳定充电；高压储能器1103的作用是储存放电所需的能量；放电控制器1104的作用是通过接通的高压电路通路将高压储能器1103内的能量全部进行放电。

放电控制器1104的一端与橡套电缆线9连接，另一端通过绝缘电流导线8 与高压储能器1103连接，而高压储能器1103的一端则与高压形成器1102连接，高压形成器1102的另一端则与变频升压控制器1101连接；变频升压控制器1101 必须进行接地处理。这部分属于电学常识和常规技术。

孔定位测量器14设于双面对称式聚能管1外壁的上下两侧，呈对称式布置，其上设计有刻度标尺，其与双面聚能槽2互为90°，主要作用是两个方面，一是复核炮孔12的深度是否和设计的深度一致，避免现有大断面隧道或大型岩体爆破时对每一个炮孔的计算仅凭爆破工人的经验进行判断，节约炸药药量，节省钻孔的时间；二是通过对称式布设，避免双面对称式聚能管1中设计的双面聚能槽2方向错位，确保双面聚能槽2的方向是预设的双面切缝线15的方向，提高能量的利用率。

双面切缝线15是电爆破岩时预设的电爆能量沿双面聚能槽2释放的主要方向。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请的揭示，不脱离本申请范畴所做出的改进和修改都应该在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种双面对称式电爆聚能破岩装置，包括双面对称式聚能管1、双面聚能槽2、堵塞紧固器3、放电预留孔4、注水预留孔5、预留孔封堵塞6、高强快干胶7、绝缘电流导线8、橡套电缆线9、纯净水10、高压储能放电系统11、炮孔12、岩体13、双面切缝线15，其中：

双面对称式聚能管1内设双面聚能槽2；双面聚能槽2为预设的能量高能流优先集中卸压释放槽，呈对称状布设，其槽口深度为双面对称式聚能管1壁厚的1/2，共设2处；

堵塞紧固器3内设2个放电预留孔4和1个注水预留孔5，并通过高强快干胶7与双面对称式聚能管1粘接连接，其布设在双面对称式聚能管1的上端，用于堵塞双面对称式聚能管1，确保其内部的能量充分传递至双面聚能槽2而施加给岩体13；

2个放电预留孔4和1个注水预留孔5呈等边三角形布设，2个放电预留孔4呈水平状对称布设于堵塞紧固器3的中部，注水预留孔5布设于堵塞紧固器3下端的中部；放电预留孔4的作用是为绝缘电流导线8进入双面对称式聚能管1的内部提供通道；注水预留孔5的作用是为纯净水10进入双面对称式聚能管1的内部提供通道；

高压储能放电系统11，通过接通的高压电路通路将高压储能能量全部进行放电；

双面切缝线15是电爆破岩时预设的电爆能量沿双面聚能槽2释放的方向。

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