一种固体二氧化碳气动破岩装置及其使用方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域,具体涉及一种固体二氧化碳气动破岩装置及其使用方法。
背景技术
当前,许多基坑工程、隧道工程和边坡工程距离既有建(构)筑物非常近,基岩开挖施工必须将变形、振动、噪声等控制在容许范围内,以避免发生安全事故和民事纠纷。
炸药爆破和机械开挖是破碎基岩的两种常见方法。传统的烈性炸药爆破存在振动过大、变形超标、噪声污染、飞石溅砂等显著问题,安全性低,对周边分布有建(构)筑物的工程,已基本禁止采用烈性炸药爆破作业;振动锤等机械开挖方法进度慢、功效低,综合成本高。
二氧化碳气动破岩具有振动小、噪声低的特点,为既有建(构)筑物附近进行基岩开挖提供了一个新的方法,但是当前的技术还有如下几项明显的缺点:第一,目前采用材料是液态二氧化碳,需要具有高压低温特性的特种专业运输车进行存储和运输,属于危险品操作,运输过程安全性有较大风险,也非常不方便,甚至在某些交通不便的工况下,无法到达现场;第二,现场往致裂器中充填液态二氧化碳的过程中,属于高压作业(需要几个兆帕到十几个兆帕),容易发生安全事故;第三,可能提前被意外引爆,有飞管等安全隐患。第四,爆破速度慢,爆破威力小。
发明内容
本发明欲解决的技术问题是现有技术中的基岩爆破装置及爆破方法安全性低,爆破速度慢及爆破威力小等问题。
为了解决上述技术问题,本发明公开了一种固体二氧化碳气动破岩装置,该装置包括外壳,外壳的结构为两端开口的圆筒,外壳的一端连接有泄压端子,另一端连接有密封端子;
泄压端子为中空圆筒结构,在泄压端子的顶部内侧焊接有控压剪切片,在底部和控压剪切片之间的中空圆筒结构侧壁上开有泄压孔;
在外壳内部,沿着外壳的长度方向依次设有加热装置和激发装置,加热装置通过加热导线连接有外接电源,激发装置通过激发导线连接有起爆器;
在外壳的圆筒结构内部其余空间装填有固体二氧化碳。
该发明中,外壳由钢材制成,能承受100MPa以上的压强;外壳优先选择Q195、Q215和Q235钢种,这些钢种焊接性能好,塑性和韧性好,强度合适,价格便宜;密闭压力容器的外壳的具体尺寸应能满足下述公式:即p·D/2/a<[σ],其中P是内部压强,D为容器直径,a为壁厚,[σ]为容许拉应力。该压力容器的外壳能重复使用。
进一步地,所述密封端子与外壳的一端通过丝口密封连接;泄压端子与外壳的另一端通过丝口密封连接。密封端子和泄压端子均由钢材制成,能承受100MPa以上的压强;优先选择Q195、Q215和Q235钢种,这些钢种焊接性能好,塑性和韧性好,强度合适,价格便宜;该密封端子能重复使用。
更进一步地,所述外壳的内径为60-150mm,长度为40-200cm,壁厚为4-10mm。优选的,外壳的内径为90mm,壁厚为5mm。
更进一步地,所述泄压孔的数量为多个,泄压孔设置为一圈,围绕泄压端子的轴心均匀设置在泄压端子的侧壁上;具体地,所述泄压孔直径为5-10cm,泄压孔的数量为2-3个,泄压孔的圆心距离泄压端子底部的距离≧15cm。
优选的,泄压孔的直径选择6cm,泄压孔的数量为3个,泄压孔的圆心距离泄压端子底部的距离为18cm,这样可以均匀且高效地起到泄压功能,能量基本用于从侧面破裂岩石做功,冲孔托底作用非常小,飞管的可能性很小。
该发明中,控压剪切片由普通钢制成,能承受100MPa的压强,控压剪切片的厚度由下述公式计算确定:即π·D·b[τ]<P·π·D2/4,其中D为内径,b为控压剪切片厚度,[τ]为容许剪力,P为内部压强;控压剪切片优先选择HPB500钢种,厚度为5mm,这样抗剪强度较高,能减薄控压剪切片厚度,提高焊接质量。控压剪切片为一次性耗材,不能重复利用。
进一步地,所述加热装置包括加热电阻片,加热电阻片通过加热导线连接外部电源。加热电阻片的长度为10cm,宽度为1cm。
加热电阻片的加热时间根据加热功率确定。加热功率根据电缆性质确定;优选的,采用加热功率为1000瓦,电阻片电阻为50欧姆,由220伏的电源供电,这样一根电缆可以同时为10个相同的装置供电,提高了作业效率,电缆又不至于过于粗重,方便操作;优选的,加热电阻片可采用标准化的PTC片式热敏电阻,具有安全环保、升温迅速、价格便宜的特点。
进一步地,所述激发装置包括激发装置外壳和填充在激发装置外壳内的储能剂。
更进一步地,所述储能剂由高能材料制成,包括质量分数为30-40%的铝粉、5-10%的镁粉以及30-60%的无机粉;所述无机粉选自石墨粉、陶瓷粉、金刚石粉、空心玻璃微球中的一种或几种。
本发明中,二氧化碳具有氧化性,镁和铝都具有强还原性,因此这种材料能够在适当的压力和温度环境下,通过电激发,在二氧化碳中剧烈燃烧。化学反应方程式为:CO2+2Mg=C+2MgO。燃烧能释放大量的热量,使固体二氧化碳瞬间气化;进一步地,铝粉和镁粉应选用200-1000目的颗粒,以便激发较为容易,同时能保证材料加工时足够安全;进一步地,掺入足够多的无机粉的主要目的是增加材料的惰性,以确保在正常的工况下,在普通的环境下,在交通运输的过程中,在操作过程中,产品都是钝化的,不敏感的,是足够安全的;进一步地,储能剂的质量应根据固体二氧化碳的质量来确定,固体二氧化碳的质量又应根据岩层的强度来确定,优选的,对于强度为60-90MPa的坚硬岩石,固体二氧化碳为5kg,储能剂为0.6kg。对于强度为30-60MPa的较硬岩石,固体二氧化碳为4kg,储能剂为0.5kg。强度为20-30MPa的较软岩石,固体二氧化碳为3kg,储能剂为0.35kg。
本发明同时要求保护一种固体二氧化碳气动破岩装置的使用方法,包括如下步骤:
(1)装置组装:在工厂中组装二氧化碳气动破岩装置,将控压剪切片焊接在泄压端子上,然后将泄压端子拧紧在外壳的一端,在外壳内放入加热装置和激发装置,并引出加热导线和激发导线;
(2)钻孔:在现场基岩中钻孔;
(3)装填二氧化碳:向外壳内填充固体二氧化碳,将密封端子拧紧在外壳的另一端;然后将二氧化碳气动破岩装置装入钻孔中,触底;
(4)封孔:采用封孔材料填充钻孔的空腔并密封钻孔;
(5)加热:连接并启动外接电源,加热装置开始工作,对固体二氧化碳进行加热;
(6)引爆:达到激发条件后,连接并启动起爆器,激发,固体二氧化碳气动破岩;
(7)装置回收:碎石出渣,回收该二氧化碳气动破岩装置中能重复使用的部件。
进一步地,所述激发条件为:外壳内填充的固体二氧化碳的温度为15-30℃,压强为7.5-10MPa。更进一步地,激发时间根据加热的功率和填装的二氧化碳质量确定,按照下式计算,t=C·M·ΔT/K,其中t为加热时间,C为二氧化碳比热容,M为二氧化碳质量,ΔT为二氧化碳温度升高值,K为加热装置的功率。
本发明中,该固体二氧化碳气动破岩装置的工作原理为:首先将装填有固体二氧化碳的装置放入基岩的钻孔中,封好钻孔;然后启动电加热程序,让部分固体二氧化碳相变为液态二氧化碳,在压强为7.5-10MPa,温度为15-30℃之间时,采用起爆器激发储能剂燃烧,瞬间释放大量的热量,并使固态的二氧化碳瞬间相变为气体,体积瞬间增大780倍以上,瞬时压力超过1000MPa,气体瞬间击穿密闭压力容器底部的控压剪切片,进入封闭的钻孔中,巨大的能量继续破碎基岩做功,实现气动破岩。
本发明采用固体二氧化碳作为原料,显著提高了工程安全性和爆破效果,降低了综合成本。
与现有产品相比,本发明的固体二氧化碳气动破岩装置及其使用方法具有如下优点:
(1)该装置无需运输高压液体,运输过程安全、方便;
(2)填充的固体二氧化碳材料,不存在高压填充作业,更加安全、简单;
(3)加热工序是在封孔工序之后,不存在意外飞管的条件,更加安全;
(4)该装置包含独特的激发装置,激发后储能剂瞬间燃烧,瞬间释放大量的热量,瞬间让固体二氧化碳气化,威力更大,破岩效果更好。
附图说明
图1:实施例1中固体二氧化碳气动破岩装置的结构示意图。
图2:实施例1中激发装置的结构示意图。
其中,1-外壳;2-密封端子;3-泄压端子;4-控压剪切片;5-加热装置;6-加热导线;7-激发装置;8-激发导线;9-起爆器;10-外接电源;11-固体二氧化碳;12-外壳上口;13-外壳下口;14-泄压孔;15-泄压端子上口;16-储能剂;17-激发装置外壳。
具体实施方式
下面通过具体实施例进行详细阐述,说明本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示,固体二氧化碳气动破岩装置包括外壳1,外壳1的结构为两端开口的圆筒,外壳1圆筒状的一端为外壳上口12,另一端为外壳下口13,在外壳上口12上通过丝口密封连接有密封端子2,在外壳下口13上通过丝口密封连接有泄压端子3。具体地,密封端子2的直径、泄压端子3的直径和外壳1的内径相同,在密封端子2和泄压端子3的外表面设有丝口,相应地,在外壳上口12和外壳下口13的内表面设有丝口。
泄压端子3为中空圆筒结构,在泄压端子3的顶部内侧焊接有控压剪切片4,具体地,控压剪切片4与泄压端子上口15之间通过焊接密封连接。控压剪切片4的厚度为5mm,材质为HPB500钢,控压剪切片4的直径与泄压端子3的内径相同,在底部和控压剪切片4之间的中空圆筒结构侧壁上开设有泄压孔14。
外壳1的内径为60-150mm,长度为40-200cm,壁厚为4-10mm;泄压孔14的数量为3个,设置为一圈,围绕泄压端子3的轴心均匀设置在泄压端子3中空圆筒结构的侧壁上,泄压孔14的直径为6cm,其圆心距离泄压端子3底部的距离为18cm。
在外壳1内部沿着外壳1的长度方向依次设有加热装置5和激发装置7,加热装置5通过加热导线6连接有外接电源10,激发装置7通过激发导线8连接有起爆器9;
加热装置5为加热电阻片,长度为10cm,宽度为1cm,加热电阻片通过加热导线6连接有外部电源10;加热导线6由导电绝缘电线制成,加热导线6采用截面为6mm2的铝芯,这样截面流量为30A左右,功能足够,价格便宜。
加热电阻片的加热时间根据加热功率确定;加热功率根据电缆性质确定;该实施例中,采用加热功率为1000瓦,电阻片电阻为50欧姆,由220V的电源供电,这样一根电缆可以同时为10个相同的装置供电,提高了作业效率,电缆又不至于过于粗重,方便操作;该实施例中,加热电阻片采用标准化的PTC片式热敏电阻,具有安全环保、升温迅速、价格便宜的特点。
如图2所示,激发装置7包括储能剂16,采用激发装置外壳17封装,激发装置外壳17的材质为塑料壳或牛皮纸,由激发导线8连接外部起爆器9。
激发装置7中的储能剂16包括质量分数为30-40%的铝粉、5-10%的镁粉以及30-60%的无机粉,其中无机粉选自石墨粉、陶瓷粉、金刚石粉、空心玻璃微球中的一种或几种。
激发导线8采用截面为4mm2的铝芯,这样截面流量为20A左右,功能足够,价格便宜。
起爆器9采用标准化的普通矿用起爆器产品,起爆能力不低于100发,允许外接电阻不低于1000Ω,允许外接母线长度不短于200m,输出充能为9-12A2.mS。
外部电源10为220V移动式柴油发电机,发电机功率为10-15Kw,以保证能对10个以上的装置同时进行加热。
固体二氧化碳11为普通的粒状固体二氧化碳,填充在外壳1中;固体二氧化碳粒径为1-3mm,采用标准化的干冰箱保存,可以在正常条件下存储一个星期,挥发率不大于10%;填装固体二氧化碳需用铁铲,铁铲手柄为木制,操作人员佩戴手套,以防冻伤。
该实施例1中固体二氧化碳气动破岩装置在使用时,包括如下步骤:
(1)装置组装:在工厂中组装二氧化碳气动破岩装置,将控压剪切片4焊接在泄压端子上口15上,拧紧泄压端子3丝口,将泄压端子3拧紧在外壳1的一端;放入加热装置5和激发装置7,并引出加热导线6和激发导线7;
(2)钻孔:在边坡基岩、隧道基岩或基坑基岩中钻孔,直径比该二氧化碳气动破岩装置的外径大约10-20mm,深度至少比该装置长度大60cm;
(3)装填二氧化碳:在现场向外壳1内填充固体二氧化碳11,最后拧紧密封端子2丝口,将密封端子2拧紧在外壳1的另一端;然后将二氧化碳气动破岩装置装入钻孔中,触底;
(4)封孔:采用封孔材料填充钻孔空腔,密封。封孔长度不小于60cm,封孔材料应能在半个小时内强度达到20MPa以上,确保封孔效果;
(5)加热:连接并启动外接电源10,加热装置5开始工作,加热使装置内达到温度15-30℃,压强为7.5MPa-10MPa;
(6)引爆:连接并启动引爆器9,激发后储能剂燃烧,释放大量热量,固体二氧化碳11瞬间气化并破碎岩石;
(7)装置回收:碎石出渣,回收该二氧化碳气动破岩装置中能重复使用的部件。
对于强度为60-90MPa的坚硬岩石,固体二氧化碳为5kg,储能剂为0.6kg。对于强度为30-60MPa的较硬岩石,固体二氧化碳为4kg,储能剂为0.5kg。强度为20-30MPa的较软岩石,固体二氧化碳为3kg,储能剂为0.35kg;加热时间为15-25分钟,激发条件为装置内的固体二氧化碳经加热后,温度为15℃-30℃,压强为7.5MPa-10MPa。
在上述使用过程中,对于强度为20-30Mpa的岩石,最佳的参数如下:该二氧化碳气动破岩装置的直径为90mm,壁厚5mm,长度1m,加热装置5功率为1千瓦,激发装置7的储能剂为0.35kg,固体二氧化碳11为3kg,加热15分钟后激发,钻孔深度5m,按照2.5m×2.5m间距布置,一次性起爆10孔,一次性能破岩312立方,每天能工作3个循环,单个作业面每天能破岩约1000立方,相对机械开挖,功效能提高3-4倍;
对于强度为30-60Mpa的岩石,最佳的参数如下:本装置直径为90mm,壁厚5mm,长度1.2m,加热装置5功率为1千瓦,激发装置7的储能剂为0.5kg,固体二氧化碳4kg,加热20分钟后激发,钻孔深度5m,按照2m×2m间距布置,一次性起爆10孔,一次性能破岩200立方,每天能工作3个循环,单个作业面每天能破岩约600立方,相对机械开挖,功效能提高2-3倍;
对于强度为60-90Mpa的岩石,最佳的参数如下:本装置直径为90mm,壁厚5mm,长度1.5m,加热装置5功率为1千瓦,激发装置7的储能剂0.6kg,固体二氧化碳5kg,加热25分钟后激发,钻孔深度5m,按照1.5m×2m间距布置,一次性起爆10孔,一次性能破岩150立方,每天能工作3个循环,单个作业面每天能破岩约450立方,相对机械开挖,功效能提高2-3倍。
实施例2
在实施例1的基础上,不设置激发装置7,二氧化碳气化全靠加热装置供应能量,则加热的时间非常长,需要150分钟以上,并且,由于内部压力是通过缓慢加热而缓慢升高,能够达到的最大压力就是控压剪切片失效时的压力,即大约100Mpa,远远低于激发装置瞬时激发的冲击压力(大约1000Mpa),能量有限,破岩效果非常不理想,对于强度大于30Mpa的岩石几乎没有效果,对于强度小于30Mpa的岩石也需要减少钻孔间距,一次爆破的岩石非常小,功效直线下降。
实施例3
在实施例1的基础上,延长加热时间,在最佳的加热时间后20分钟内激发起爆,爆破效果没有太大的变化,但是常常带来两个不利后果,第一是加热时间延长,浪费了时间,整个生产功效降低,成本增加。第二是如果加热时间过长,譬如超过了50分钟,容器内的压力就有可能达到了控压剪切片的抗剪临界值,导致控压剪切片失效,爆破效果同实施例2,基本不理想。
实施例4
在实施例1的基础上,缩短加热时间,在最佳的加热时间5分钟前激发,由于内部压力不够,达不到储能剂的激发条件,从而起爆失败。
实施例5
在实施例1的基础上,如果改变装置的最佳尺寸,主要有如下后果:第一,如果装置的直径改小,譬如为60mm,在长度不变的情况下,二氧化碳的质量变小,相变的能量同比例下降,破岩能力下降,需要加密钻孔,单次破岩方量明显降低,整个功效下降,成本增加;第二,如果装置的直径改大,譬如120mm,在长度不变的情况下,二氧化碳的质量变大,相变的能量同比例增大,破岩能力大大增加,但是,在进一步增大钻孔间距后,钻孔的封孔部位成为最薄弱的位置,飞管的风险增加,安全性下降;第三,如果装置的直径不变,长度缩短,譬如为80cm,由于二氧化碳的质量变小,相变的能量同比例下降,破岩能力下降,需要加密钻孔,单次破岩方量明显降低,整个功效下降,成本增加;第四,如果装置的直径不变,长度增大,譬如为180cm,由于二氧化碳的质量变大,破岩能力增加,但是,在进一步增大钻孔间距后,钻孔的封孔部位成为最薄弱的位置,飞管的风险增加,安全性下降。
实施例6
在实施例1的基础上,改变加热装置或激发装置在压力容器内的位置,爆破效果没有太大的变化。
实施例7
在实施例1的基础上,如果改变钻孔的最佳深度,有如下几种后果:第一,钻孔深度缩短,譬如为4m,爆破的效果没有太大的变化,但是单次破岩的方量减少,整体功效降低,成本增加;第二,钻孔的深度如果缩短太多,譬如为2m,由于破岩的能量过大,有发生飞石的风险;第三,钻孔的深度增大,譬如6m,爆破的效果减弱,有时仅只能出现少数几条裂缝,达不到预裂爆破的理想目标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用于限制本发明,凡在本发明的设计构思之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。