CN113028924A - 模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置、系统及方法，包括之间设有弹性件的第一电极及第二电极，第一电极和第二电极之间设有能够被爆破破坏的连接件，第一电极和第二电极均包括绝缘套筒、套在绝缘套筒外周的阴极导体及穿过绝缘套筒的阳极发射杆，第一电极和第二电极的绝缘套筒相贴合，第二电极的绝缘套筒通过端部的凸起插入第一电极绝缘套筒端部的凹槽中，第一电极和第二电极的阳极发射杆在凸起内部的空间内贴合，凸起插入和离开凹槽能够实现第一电极的阳极发射杆与阴极导体之间绝缘和非绝缘状态的切换，本发明的爆破装置能够实现真实模拟毫秒延时爆破。

Description

模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置、系统及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

在铁路、矿山、隧道等大型工程中，爆破是一道关键工序。利用炸药爆炸产生的巨大能量破坏岩体原结构，提高土石方开挖、矿山开采、隧道开挖效率，可以大大地节省人工，加快工期。但是，爆破产生的巨大能量也会对巷道围岩的稳定性产生不利影响。通过物理模型试验，建立与隧道原型结构相对应的模型结构，在实验室条件下还原爆破扰动过程，深入研究隧道围岩在爆破荷载作用下的力学特征，对指导隧道工程实践有着重要的意义。

在模型试验中，为保证试验效果，爆破荷载模拟具有如下要求：(1)方法安全、可靠，符合实验室安全管理要求；(2)爆破能量可控，以准确模拟现场能量；(3)爆破次序、过程可控，以准确模拟现场爆破过程。

然而，真实炸药与起爆器材具有极高的破坏性和危险性，不适用于模型试验。为克服以上问题，申请号为202010332127.9的中国专利公开了一种非炸药模拟药卷动荷载加载装置及其试验方法，通过震源电火花方式实现了模型试验中爆破的安全模拟，但发明人发现，该装置仅可进行单次爆破，无法实现复杂爆破模拟，尤其是无法实现毫秒延时爆破(相邻药包以极短的毫秒级时间间隔顺序起爆，使各药包形成的能量场相互影响而产生一系列良好的爆破效果)这一重要爆破方式的模拟，此外，该装置对爆破能量大小缺乏控制，无法实现爆破强度定量控制。

综上所述，现有装置均无法在模型试验中安全、定量的模拟毫秒延时爆破。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，能够在模型试验中安全、定量的模拟毫秒延时爆破。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，包括之间设有弹性件的第一电极及第二电极，第一电极和第二电极之间设有能够被爆破破坏的连接件，第一电极和第二电极均包括绝缘套筒、套在绝缘套筒外周的阴极导体及穿过绝缘套筒的阳极发射杆，第一电极和第二电极的绝缘套筒相贴合，第二电极的绝缘套筒通过端部的凸起插入第一电极绝缘套筒端部的凹槽中，第一电极和第二电极的阳极发射杆在凸起内部的空间内贴合，凸起插入和离开凹槽能够实现第一电极的阳极发射杆与阴极导体之间绝缘和非绝缘状态的切换。

进一步的，所述第一电极和第二电极的阴极导体外周均设置有PVC管，PVC管两端通过固定件与阴极导体固定，PVC管与阴极导体之间的空间填充有饱和盐水和吸水树脂。

进一步的，所述连接件采用无弹性的绝缘绳。

进一步的，所述阳极发射杆两端具有螺纹段，阳极发射杆的两端穿出绝缘套筒，并在螺纹段上旋紧紧固螺帽，紧固螺帽压紧在绝缘套筒的端面上。

进一步的，所述第二电极的阴极导体的长度为第一阴极导体长度与炸药理论间距之和。

进一步的，第二电极的绝缘套筒包括同轴设置的第一筒段和第二筒段，第一筒段直径大于第二筒段且套于第二电极的阴极导体内部，所述第一筒段伸入第一电极的阴极导体内部，且其长度等于第一电极的阴极导体长度一半、炸药理论间距及凸起插入凹槽深度之和。

第二方面，本发明提供了模型试验用电火花毫秒延时定量爆破系统，包括第一方面所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，还包括电火花震源，电火花震源的电容的阳极和阴极分别与第一电极的阳极发射杆和阴极导体连接。

进一步的，还包括空心的支撑杆，所述支撑杆的一端与第一电极固定连接，还包括滚轮，所述滚轮与滚轮固定轴固定连接，滚轮固定轴固定在模型试验架，所述滚轮与支撑杆的外周面接触。

进一步的，还包括监测件，用于监测围岩试样的响应情况。

第三方面，本发明提供了第二方面所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破系统的工作方法，包括以下步骤：

将模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置送入围岩试样预先挖好的孔洞中的设定位置；

将第一电极的阳极发射杆和阴极导体分别与电火花震源的电容的阳极和阴极连接；

启动电火花震源，第二电极的阳极发射杆和阴极导体放电引爆，将连接件破坏，在弹性件的作用下，第二电极的绝缘套筒被弹开，凸起从凹槽中脱离，第一电极的阳极发射杆和阴极导体由绝缘状态变化为非绝缘状态，此时第一电极放电引爆。

本发明的有益效果：

1.本发明的爆破装置，通过凸起在凹槽中离开，使得第二电极和第一电极能够依次放电爆破，在模拟试验中实现了多个爆炸源的逐个爆炸及相邻爆炸源的毫秒级延迟爆炸，在模型试验中可真实模拟毫秒延时爆破。

2.本发明的爆破装置，阴极导体外周设有PVC管，阴极导体和PVC管之间填充吸水树脂，通过电容瞬间放电形式模拟爆破，通过控制吸水树脂填入量及所电容量方式调整爆破能量，通过控制弹簧刚度系数和两级绝缘套筒的重叠长度调整爆破延迟时间，实现了模拟试验中爆破的安全、定量模拟。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1爆破装置整体结构示意图；

图2为本发明实施例1爆破系统整体结构示意图；

图3为本发明实施例2爆破过程结构示意图；

其中，1.分离式电极模块，1-1.第一阳极发射杆，1-2.第一阴极导体，1-3.第一绝缘套筒，1-4.第二阳极发射杆，1-5.第二阴极导体，1-6.第二绝缘套筒，1-7.紧固螺帽；1-8.第一电极，1-9.第二电极；2.防震储液模块，2-1.橡胶环，2-2.PVC管，2-3.吸水树脂，3.瞬时弹射模块，3-1.绝缘绳，3-2.弹簧；4.支撑杆，5.滚轮；6.滚轮固定轴；7.电火花震源；8.监测件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有装置均无法在模型试验中安全、定量的模拟毫秒延时爆破，针对上述问题，本申请提出了模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1所示，模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，包括分离式电极模块1、防震储液模块2、瞬时弹射模块3组成。

所述分离式电极1为可分离式电火花发射电极，包括第一电极和第二电极，所述第一电极包括第一阳极发射杆1-1、第一阴极导体1-2、第一绝缘套筒1-3、第二电极包括第二阳极发射杆1-4、第二阴极导体1-5、第二绝缘套筒1-6。

所述第一阳极发射杆1-1、第二阳极发射杆1-4均为两端有螺纹段的铜制粗导线，所述第一阳极发射杆1-1略长于所述第一绝缘套筒1-3，所述第二阳极发射杆1-4与所述第二绝缘套筒1-6长度一致。

所述第一阴极导体1-2、第二阴极导体1-5为内外径一致的铜制薄壁套筒，其中所述第一阴极导体1-2左侧端部具有内凹段，所述第二阴极导体1-5尾部右侧端部具有外凸段，内凹段和外凸段两者无缝贴合，所述第二阴极导体1-5长度为所述第一阴极导体1-2长度与炸药理论间距s之和。

所述第二绝缘套筒1-6为采用绝缘材质制成，第二阴极导体套在第二绝缘套筒外周，所述第二绝缘套筒采用阶梯轴结构，包括第一筒段和第二筒段，第一筒段套入第二阴极导体内部，其外径与第二阴极导体1-5内径一致，第一筒段的长度为所述第一阴极导体1-2的一半，第二筒段外径小于第一筒段外径，第二筒段端部设置有环状的凸起，所述第二筒段伸入第一阴极导体内部，并插入第一绝缘套筒端部设置的环状的凹槽中，插入深度为L。

所述第二筒段的长度为所述第一阴极导体1-2的一半、炸药理论间距S、所述第二绝缘套筒1-6右侧凸起嵌入所述第一绝缘套筒1-3左侧凹槽深度度L之和。

所述第一绝缘套筒1-3采用绝缘材质制成，第一绝缘套筒套入第一阴极导体内部，其长度为第一阴极导体1-2长度的一半，其外径与所述第一阴极导体1-2内径一致，其左侧端部开始有环状的凹槽，能够允许第二筒段右侧端部的凸起插入。

所述第一绝缘套筒中心设有通孔，通孔孔径略大于第一阳极发射杆直径，第一绝缘套筒通过通孔穿过有第一阳极发射杆，第一阳极发射杆两端的螺纹段穿出第一绝缘套筒并旋紧有紧固螺帽1-7，紧固螺帽压紧在第一绝缘套筒的端面上，实现第一阳极发射杆与第一绝缘套筒的固定。

所述第二绝缘套筒中心设有通孔，通孔孔径略大于第二阳极发射杆直径，第二绝缘套筒通过通孔穿过有第二阳极发射杆，第二阳极发射杆两端的螺纹段穿出第二绝缘套筒并旋紧有紧固螺帽1-7，菌菇螺帽压紧在第二绝缘套筒的端面上，实现第二阳极发射杆与第二绝缘套筒的固定。

本实施例中，所述环状的凸起的内径大于紧固螺帽的直径，第一阳极发射杆左端和第二阳极发射杆右端无缝贴合。

本实施例中，所述第二电极1-9右侧插入第一电极1-8左侧，并保证所述第一阴极导体1-2左侧与所述第二阴极导体1-5右侧无缝贴合，所述第一阳极发射杆1-1左侧与所述第二阳极发射杆1-4右侧贴合，保证所述第二绝缘套筒1-6右侧凸起嵌入所述第一绝缘套筒1-3左侧凹槽长度L，可形成所述分离式电极模块。

所述防震储液模块包括固定件、PVC管2-2和吸水树脂2-3，优选的，所述固定件采用橡胶环2-1，可实现爆破扰动下储水能力的稳定。

所述PVC管2-2长度略短于所述第一阴极导体1-2的长度。

所述第一阴极导体和第二阴极导体的外周均同轴设有PVC管，且PVC管的内径大于第一阴极导体和第二阴极导体的外径。

所述PVC管的两端均设置有橡胶环，所述橡胶环2-1的内径与所述第一阴极导体和第二阴极导体的外径一致，外径与PVC管2-2内径一致。

PVC管两端分别通过橡胶环与第一阴极导体和第二阴极导体挤压固定。

所述PVC管和第一阴极导体之间的空间、PVC管和第二阴极导体之间的空间填充有饱和盐水和吸水树脂2-3。

所述吸水树脂2-3为吸水率稳定的颗粒状树脂，可在爆破震动条件下保证储水能力的稳定。

将所述PVC管2-2分别套入所述第一电极1-8、第二电电极1-9，两端采用所述橡胶环2-1固定，中部空间采用所述吸水树脂2-3填充，并保证所述第一阳极发射杆、第二阳极发射杆1-4的左端位于所述PVC管2-2轴线中部位置，可分别形成第一、第二爆炸源。

所述瞬时弹射模块3包括绝缘绳3-1及弹性件，优选的，所述弹性件采用弹簧3-2，可实现第二爆炸源引爆后，其残渣及所述第二电极的瞬时弹开。

所述绝缘绳为无弹性且具有设定强度的绝缘绳，能够在爆破的作用下被破坏，其两端分别固定于第一阴极导体和第二阴极导体外周的PVC管上，能够使得第一电极和第二电极距离稳定且接触牢固。

所述弹簧3-2为刚度系数为K的直线型弹簧(随着弹簧变形，刚度保持不变)，置于第一电极和第二电极之间，且靠近第一电极的一端与第一电极的橡胶环固定连接。

实施例2：

本实施例公开了模型试验用电火花毫秒延时定量爆破系统，如图2所示，包括实施例1所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，还包括支撑杆4、滚轮5、滚轮固定轴6、电火花震源7、监测件8及模型试验架

所述模型试验架内部用于放置围岩试样，所述模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置用于置入围岩试样开设的孔洞中，所述滚轮固定轴通过螺栓与模型试验架固定连接，所述滚轮固定轴设置在开设孔洞位置的上下两侧，所述滚轮固定轴的端部安装有滚轮。

所述滚轮为内凹外凸的U型轨道轮，分布于支撑杆的上下两侧并与支撑杆紧密贴合，对支撑杆的伸缩起到滑轨导向作用。

所述支撑杆为内部中空的PC杆，其一端置入围岩试样的孔洞中并与第一电极的橡胶管固定连接，另一端穿过上下两排滚轮之间的空间，其内部空间用于置入导线。

所述电火花震源为CD-2便携式电火花震源，配备有电容，电容量可调，一次充电可多次放电，电容的阳极与第一阳极发射杆通过导线连接，电容的阴极与第一阴极导体通过导线连接，所述导向置入支撑杆内部空间中。

所述监测件用于埋设在围岩试样中，用于检测围岩试样的响应情况，包括振动速度传感器、振动位移传感器及振动加速度传感器。

实施例3：

本实施例公开了实施例2所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：制作围岩试样，在围岩试样制作阶段将监测件埋入围岩试样的爆破点附近及巷道顶、底板等关键位置。

步骤2：预先制作好所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，根据试验所需爆破次数，调整爆炸源数量，根据试验所需爆破能量调整所述吸水树脂2-3填入量及所述电火花震源内电容的电容量，根据试验所需爆破延时时间t，调整所述第二绝缘套筒1-6右侧凸起嵌入所述第一绝缘套筒1-3左侧凹槽的长度L、弹簧刚度系数K。

步骤3：在试验开展阶段，在围岩试样中开挖巷道及炮孔，通过所述支撑杆和滚轮将所述模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置送入指定位置。

步骤4：接通电火花震源的线路开关，启动电火花震源。

如图3所示，所述第一阳极发射杆1-1、第一阴极导体1-2接通电容，此时所述第一电火花发射电极1-8的阴极、阳极被第二绝缘套筒绝缘隔绝，仅所述第二电极1-9可放电并引爆；当第二电极引爆后，其PVC管2-2被破坏，绝缘绳被破坏，所述绝缘绳3-1失去紧固能力，所述弹簧3-2开始发挥作用，历时t将所述第一电极1-8的阴极、阳极之间的第二绝缘套筒弹开，使其具备放电功能，并引爆第一电极，实现延时爆破。

爆破延时时间t即为所述第二绝缘套筒1-6右侧凸起嵌入凹槽部分移出的时间，因此，爆破延时时间t可通过嵌入长度L、弹簧刚度系数K进行调整。因此通过控制吸水树脂填入量及所电容量方式调整爆破能量，通过控制弹簧刚度系数和两级绝缘套筒的重叠长度调整爆破延迟时间，实现了模拟试验中爆破的安全、定量模拟。

通过监测件记录围岩试样的响应情况。

采用本实施例的爆破系统，在模拟试验中实现了多个爆炸源的逐个爆炸及相邻爆炸源的毫秒级延迟爆炸，在模型试验中可真实模拟毫秒延时爆破。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，其特征在于，包括之间设有弹性件的第一电极及第二电极，第一电极和第二电极之间设有能够被爆破破坏的连接件，第一电极和第二电极均包括绝缘套筒、套在绝缘套筒外周的阴极导体及穿过绝缘套筒的阳极发射杆，第一电极和第二电极的绝缘套筒相贴合，第二电极的绝缘套筒通过端部的凸起插入第一电极绝缘套筒端部的凹槽中，第一电极和第二电极的阳极发射杆在凸起内部的空间内贴合，凸起插入和离开凹槽能够实现第一电极的阳极发射杆与阴极导体之间绝缘和非绝缘状态的切换。

2.如权利要求1所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，其特征在于，所述第一电极和第二电极的阴极导体外周均设置有PVC管，PVC管两端通过固定件与阴极导体固定，PVC管与阴极导体之间的空间填充有饱和盐水和吸水树脂。

3.如权利要求1所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，其特征在于，所述连接件采用无弹性的绝缘绳。

4.如权利要求1所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，其特征在于，所述阳极发射杆两端具有螺纹段，阳极发射杆的两端穿出绝缘套筒，并在螺纹段上旋紧紧固螺帽，紧固螺帽压紧在绝缘套筒的端面上。

5.如权利要求1所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，其特征在于，所述第二电极的阴极导体的长度为第一阴极导体长度与炸药理论间距之和。

6.如权利要求1所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，其特征在于，第二电极的绝缘套筒包括同轴设置的第一筒段和第二筒段，第一筒段直径大于第二筒段且套于第二电极的阴极导体内部，所述第一筒段伸入第一电极的阴极导体内部，且其长度等于第一电极的阴极导体长度一半、炸药理论间距及凸起插入凹槽深度之和。

7.模型试验用电火花毫秒延时定量爆破系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置，还包括电火花震源，电火花震源的电容的阳极和阴极分别与第一电极的阳极发射杆和阴极导体连接。

8.如权利要求7所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破系统，其特征在于，还包括空心的支撑杆，所述支撑杆的一端与第一电极固定连接，还包括滚轮，所述滚轮与滚轮固定轴固定连接，滚轮固定轴固定在模型试验架，所述滚轮与支撑杆的外周面接触。

9.如权利要求7所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破系统，其特征在于，还包括监测件，用于监测围岩试样的响应情况。

10.权利要求7所述的模型试验用电火花毫秒延时定量爆破系统的工作方法，包括以下步骤：

将模型试验用电火花毫秒延时定量爆破装置送入围岩试样预先挖好的孔洞中的设定位置；

将第一电极的阳极发射杆和阴极导体分别与电火花震源的电容的阳极和阴极连接；

启动电火花震源，第二电极的阳极发射杆和阴极导体放电引爆，将连接件破坏，在弹性件的作用下，第二电极的绝缘套筒被弹开，凸起从凹槽中脱离，第一电极的阳极发射杆和阴极导体由绝缘状态变化为非绝缘状态，此时第一电极放电引爆。

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