CN113091545A - 一种气-热膨胀管破岩装置及其破岩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气‑热膨胀管破岩装置及其破岩方法，包括膨胀管、高压打气筒和起爆器，所述膨胀管包括外管、防潮锡纸和充气头，所述充气头设置于所述外管的两端，所述外管的内部铺设有一层所述防潮锡纸，所述防潮锡纸内部包裹热膨胀剂，所述膨胀剂内部埋设有编码电子电点火管，所述编码电子电点火管通过导线连接所述起爆器，所述充气头上设置有可拆卸的堵头，其中一端的所述充气头通过充气管连接所述高压打气筒；本发明中的气‑热膨胀管破岩装置及其破岩方法，解决了现有气体膨胀破岩技术实施过程中存在的安全系数低、破岩效果差、操作工序复杂等缺点。

Description

一种气-热膨胀管破岩装置及其破岩方法

技术领域

本发明涉及硬岩破岩技术领域，特别是涉及一种气-热膨胀管破岩装置及其破岩方法。

背景技术

目前，钻爆法仍然是隧道开挖最常用的方法之一。但在富水岩溶区(特别是临近水体、泥砂充填体)隧道工程爆破开挖时，不可避免会对其围岩产生损伤，增加岩体孔隙度，导致围岩松动。同时，上部大型水体沿围岩裂隙通道的承压水，产生的水楔作用会加剧围岩导水裂隙的扩展。承压水水楔和爆破振动耦合作用下，上部水体的水更快进入隧道开挖空间，导致隧道内隧道大量涌水和突水等灾害事故。另外随着经济的发展和土地的集约开发利用，城市或者既有结构区域工程建筑密度越来越大，领近既有结构或建筑兴建新的工程难度越来越高，例如一些城市地铁、人防工程，传统钻爆法存在爆破扰动大、噪音大等问题，一般禁止使用。为了降低爆破对围岩以及邻近建筑的振动损伤，一般使用气体破岩技术来代替传统炸药爆破，气体破岩中如液态CO2相变破岩技术，由于其致裂管结构复杂、制作加工成本较高、液态二氧化碳储存、运输等条件要求高，且对于坚硬岩石破岩效果并不好，该方法多被用在较为松软的煤层和节理裂隙发育的中硬岩的爆破开挖中。中南大学刘敦文课题组提出了一种基于膨胀管的高压气体膨胀破岩方法，2018年，采用高压气体膨胀破岩技术在某隧道掌子面进行现场试验，初步提出了隧道破岩孔网参数；2019年，针对城市硬岩隧道开挖效率低的问题，将高压气体膨胀破岩技术用于地铁联络通道开挖破岩，取得了良好的破岩效果，但是该破岩技术对钻孔质量和堵孔质量要求很高，要求钻孔的成孔质量好、破岩时堵孔严密，且堵孔成本较高，对于地下水丰富条件下，堵孔材料要求高、堵孔成本高且封孔时间长，影响破岩效果和效益。

专利104961387提出了一种气-热膨胀破岩材料，即热膨胀裂石剂，简称热膨胀剂，该种破岩技术与传统爆破破岩机理不同，是以产生的高温、高压气体快速膨胀作用为主，含能材料瞬间燃烧对致裂孔附近岩体的热冲击为辅，因而气-热膨胀破岩技术既避免了传统炸药爆破的三大危害，具有振动很小、噪声小、无飞石、对周围岩体损伤小等特点，又避免了液态CO2相变破岩技术和基于膨胀管的高压气体膨胀破岩技术存在的不足，特别适合邻近富水岩溶区隧道、市政工程和邻近重要建(构)筑物的硬岩工程开挖破岩作业。

现有的气体膨胀破岩技术存在以下缺点：

1)二氧化碳爆破技术：运输过程中安全性难以保证、操作工序较为繁琐。

2)膨胀管破岩技术：成孔质量要求高、封堵质量要求高、封堵成本较高。

3)热膨胀剂：遇明火易误燃、遇水容易失效。

现有的膨胀破岩技术存在以下缺点：1)现有的二氧化碳爆破管分为两种，一种是提前充装液态二氧化碳，然后将爆破管运送至工程现场，在运输过程中，由于震动以及碰撞等因素的影响，爆破管极易自爆；另一种是现场致裂孔外先充装好液态二氧化碳，然后逐个放入致裂孔中实施爆破，现场致裂孔外实施液态二氧化碳充装，安全风险仍然大，且操作流程较为繁琐。2)根据爆破现场的爆破振动监测数据可知，现有的膨胀管破岩技术对围岩以及周边建筑物的爆破扰动仍然存在，只是振动值较低；该破岩技术对钻孔质量和堵孔质量要求很高，要求钻孔的成孔质量好、破岩时堵孔严密，且堵孔成本较高，对于地下水丰富条件下，堵孔材料要求高、堵孔成本高且封孔时间长，影响破岩效果和效益。3)热膨胀剂为颗粒状，使用时直接将一定量的药剂塞进炮孔，如遇致裂孔存在积水或致裂孔内环境较为潮湿时，药剂接触水或受潮会失效，造成哑炮；该药剂在运输、储存、应用时以普通防潮编织袋作为包装，使用时手工抓取药剂进行装药，在这个过程中药剂存在接触明火引发误燃的情况，存在极大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种气-热膨胀管破岩装置及其破岩方法，以解决上述现有技术存在的问题，解决了现有气体膨胀破岩技术实施过程中存在的安全系数低、破岩效果差、操作工序复杂等缺点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种气-热膨胀管破岩装置，包括膨胀管、高压打气筒和起爆器，所述膨胀管包括外管、防潮锡纸和充气头，所述充气头设置于所述外管的两端，所述外管的内部铺设有一层所述防潮锡纸，所述防潮锡纸内部包裹热膨胀剂，所述膨胀剂内部埋设有编码电子电点火管，所述编码电子电点火管通过导线连接所述起爆器，所述充气头上设置有可拆卸的堵头，其中一端的所述充气头通过充气管连接所述高压打气筒。

优选地，所述膨胀管的外壁上周向分布有四条V形凹槽，所述V形凹槽的深度为4mm，所述V形凹槽的角度为60°。

优选地，所述充气头内部靠近所述膨胀剂的一端设置有筛网，所述筛网的网口直径小于所述膨胀剂的直径。

优选地，所述充气头的外部设置有螺纹，所述膨胀管的两端连接所述充气头位置处设置有带有内螺纹的连接口，所述充气头通过内外两个螺母连接在所述充气头的连接口处。

优选地，所述膨胀管设置有两根，两根所述膨胀管之间通过连接管连接，所述连接管的外部套设有水袋，两根所述膨胀管中的编码电子电点火管一端通过导线连接，另一端则通过导线分别连接所述起爆器的正负极；其中一根所述膨胀管的端部的充气头连接所述充气管，所述充气管通过充气软管连接所述高压打气筒，所述充气管上设置有充气管阀门。

基于上述气-热膨胀管破岩装置，本发明还提供了一种气-热膨胀管破岩装置的破岩方法，包括以下步骤：

1)首先将膨胀管任意一端的堵头取下，将充气头与连接管进行连接，并将导线穿过连接管；

2)将圆环状水袋充满水，并将水袋密封，然后将水袋套在连接管上；

3)将另外一根膨胀管一端堵头取下，取出导线，与上述穿过连接管的导线连接，然后将该端充气头与上述连接管另一端连接；

4)将上述两个膨胀管中的任一个的一端作为底部，另一个的一端作为头部，将头部堵头取下，并将充气管与头部充气头连接；

5)将上述连接完成的组件以充气管端作为上部，另一端作为底部放入致裂孔，并用堵孔材料将致裂孔剩余空间填满；

6)将高压打气筒与充气管通过软管连接，向膨胀管内充入空气，直至膨胀管内部气压达到0.5Mpa时，关闭充气管上的阀门；

7)将伸出致裂孔外的两根导线与起爆器连接，启动电源，实施爆破。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的气-热膨胀管破岩装置及其破岩方法，装置防水防潮，可在渗水潮湿的环境中使用；采取了致裂孔内加压的方式，更加安全，热膨胀剂不与外界接触，且需要在一定气压下才能引爆，极大地降低了误燃的风险；设置了凹槽和水袋，可增加“气楔”、“水锲”作用，破岩效率更高；膨胀管本身具有一定的承压能力，能够减少冲孔现象的发生。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中气-热膨胀管破岩装置的结构示意图；

图2为本发明中膨胀管的剖面图；

图3为本发明中膨胀管的断面图；

图4为本发明充气头的立体图；

图5为本发明中连接管和水袋的装配图；

图中：1-膨胀管，101-外管，2-充气头，3-编码电子电点火管，4-热膨胀剂，5-防潮锡纸，6-堵头，7-螺母，8-导线，9-外管凹槽，10-充气管阀门，11-连接管，12-水袋，13-充气软管，14-高压打气筒，15-起爆器，16-充气管。

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。

本发明的目的是提供一种气-热膨胀管破岩装置及其破岩方法，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的气-热膨胀管破岩装置，如图1-3所示，包括膨胀管1、高压打气筒14和起爆器15，膨胀管1包括外管101、防潮锡纸5和充气头2，外管101长度为400mm，直径为40mm，充气头2设置于外管101的两端，外管101的内部铺设有一层防潮锡纸5，防潮锡纸5内部包裹热膨胀剂4，膨胀剂内部埋设有编码电子电点火管3，编码电子电点火管3通过导线8连接起爆器15，充气头2上设置有可拆卸的堵头6，其中一端的充气头2通过充气管16连接高压打气筒14；膨胀管1的外壁上周向分布有四条V形凹槽9，V形凹槽9的深度为4mm，角度为60°。

本实施例中，膨胀剂为专利104961387改良版，膨胀剂需满足1Mpa的气压条件下才能引爆。

如图4所示，充气头2直径为10mm，充气头2内部靠近膨胀剂的一端设置有筛网，筛网的网口直径小于膨胀剂的直径；具体地，筛网的网口为3mm，小于热膨胀剂4颗粒直径5mm。充气头2的外部设置有螺纹，膨胀管1的两端连接充气头2位置处设置有带有内螺纹的连接口，充气头2通过内外两个螺母7连接在充气头2的连接口处。

于本具体实施例中，膨胀管1可单根使用或多根连接使用，以两根膨胀管1连接使用为例，膨胀管1设置有两根，两根膨胀管1之间通过连接管11连接，连接管11长度300mm，直径比充气头2直径稍大3-5mm，两端头部设置内螺纹，与充气头2外螺纹相匹配。如图5所示，连接管11的外部套设有水袋12，圆环状水袋12高度250mm，内直径为13-15mm，外直径为30mm。两根膨胀管1中的编码电子电点火管3一端通过导线8连接，另一端则通过导线8分别连接起爆器15的正负极；其中一根膨胀管1的端部的充气头2连接充气管16，充气管16长度500-1200mm，具体长度视致裂孔深度而定。充气管16通过充气软管13连接高压打气筒14，充气管16上设置有充气管16阀门10。

上述组件中，外管101为PVC材质，充气头2、堵头6、连接管11、充气管16为金属材质，可重复使用，成本较低。

基于上述气-热膨胀管破岩装置，本实施例还提供了一种气-热膨胀管破岩装置的破岩方法，以两根膨胀管连接使用为例(根据工程需要，可单根或多根连接使用)，包括以下步骤：

1)首先根据工程需要钻一定深度的致裂孔，致裂孔深度不得小于1m，直径不得小于45mm；

2)首先将膨胀管1任意一端的堵头6取下，将充气头2与连接管11进行连接，并将导线8穿过连接管11；

3)将圆环状水袋12充满水，并将水袋12密封，然后将水袋12套在连接管11上；

4)将另外一根膨胀管1一端堵头6取下，取出导线8，与上述穿过连接管11的导线8连接，然后将该端充气头2与上述连接管11另一端连接；

5)将上述两个膨胀管1中的任一个的一端作为底部，另一个的一端作为头部，将头部堵头6取下，并将充气管16与头部充气头2连接；

6)将上述连接完成的组件以充气管16端作为上部，另一端作为底部放入致裂孔，并用堵孔材料将致裂孔剩余空间填满；

7)将高压打气筒14与充气管16通过软管连接，向膨胀管1内充入空气，直至膨胀管1内部气压达到0.5Mpa时，关闭充气管16上的阀门；

8)将伸出致裂孔外的两根导线8与起爆器15连接，启动电源，实施爆破。

需要说明的是，上述实施例只展示了两根膨胀管1的安装过程，根据工程需要，可将多根膨胀管1进行连接，步骤同上。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种气-热膨胀管破岩装置，其特征在于：包括膨胀管、高压打气筒和起爆器，所述膨胀管包括外管、防潮锡纸和充气头，所述充气头设置于所述外管的两端，所述外管的内部铺设有一层所述防潮锡纸，所述防潮锡纸内部包裹热膨胀剂，所述膨胀剂内部埋设有编码电子电点火管，所述编码电子电点火管通过导线连接所述起爆器，所述充气头上设置有可拆卸的堵头，其中一端的所述充气头通过充气管连接所述高压打气筒。

2.根据权利要求1所述的气-热膨胀管破岩装置，其特征在于：所述膨胀管的外壁上周向分布有四条V形凹槽，所述V形凹槽的深度为4mm，所述V形凹槽的角度为60°。

3.根据权利要求1所述的气-热膨胀管破岩装置，其特征在于：所述充气头内部靠近所述膨胀剂的一端设置有筛网，所述筛网的网口直径小于所述膨胀剂的直径。

4.根据权利要求3所述的气-热膨胀管破岩装置，其特征在于：所述充气头的外部设置有螺纹，所述膨胀管的两端连接所述充气头位置处设置有带有内螺纹的连接口，所述充气头通过内外两个螺母连接在所述充气头的连接口处。

5.根据权利要求1所述的气-热膨胀管破岩装置，其特征在于：所述膨胀管设置有两根，两根所述膨胀管之间通过连接管连接，所述连接管的外部套设有水袋，两根所述膨胀管中的编码电子电点火管一端通过导线连接，另一端则通过导线分别连接所述起爆器的正负极；其中一根所述膨胀管的端部的充气头连接所述充气管，所述充气管通过充气软管连接所述高压打气筒，所述充气管上设置有充气管阀门。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的气-热膨胀管破岩装置的破岩方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先将膨胀管任意一端的堵头取下，将充气头与连接管进行连接，并将导线穿过连接管；

2)将圆环状水袋充满水，并将水袋密封，然后将水袋套在连接管上；

3)将另外一根膨胀管一端堵头取下，取出导线，与上述穿过连接管的导线连接，然后将该端充气头与上述连接管另一端连接；

4)将上述两个膨胀管中的任一个的一端作为底部，另一个的一端作为头部，将头部堵头取下，并将充气管与头部充气头连接；

5)将上述连接完成的组件以充气管端作为上部，另一端作为底部放入致裂孔，并用堵孔材料将致裂孔剩余空间填满；

6)将高压打气筒与充气管通过软管连接，向膨胀管内充入空气，直至膨胀管内部气压达到0.5Mpa时，关闭充气管上的阀门；

7)将伸出致裂孔外的两根导线与起爆器连接，启动电源，实施爆破。

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