CN113295051A - 空气能膨胀岩石致裂系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及爆破技术领域，公开了一种空气能膨胀岩石致裂系统，包括膨胀管、空压机、引爆器和致裂电源，膨胀管包括储压管、发热组件，膨胀管将发热组件密封在内，空压机能够通过管道与储压管连接，发热组件能够通过引爆器与致裂电源连接。本发明还提供上述空气能膨胀岩石致裂系统的使用方法，包括如下步骤：在岩石上打孔布孔并清理，在孔内放置膨胀管并对孔口用快干水泥封堵，待水泥达到凝固强度；向膨胀管内充压空气并封堵保压，利用导线将各膨胀管通过引爆器连接至致裂电源；疏散人员，对岩石膨胀致裂后清理工作面。本发明的安全性高，大大降低了施工成本。
Description
技术领域
本发明涉及爆破技术领域，特别是涉及一种空气能膨胀岩石致裂系统及其使用方法。
背景技术
众所周知，炸药爆破是重大特大事故发生的主要原因之一，在其他领域，炸药爆破时，经常对周围的建筑、人员等形成极大破坏。例如造成建筑物的坍塌，输电线路的破坏，直至人员生命的损失。这是由炸药的特性所决定的，炸药爆炸过程是在极短的瞬间完成的，瞬间的化学反应产生强大的冲击力(1000Mpa-5000Mpa以上)，这种冲击力，甚至在数公里以外，还能够形成强烈震动，达到“三级以上地震”的烈度。
有采用二氧化碳作为致裂介质的致裂系统。从物理角度来看二氧化碳是已经存在并储存的工业废气，随意释放会造成环境污染，而且需要特定储存设备和场地储存。二氧化碳虽然不能燃烧，如果泄漏，只能放气，由于放气吸收大量热，可能引起对周围的局部冷冻，不能致裂岩石。如果在封闭空间放气排气，就可能工作场所二氧化碳超标，甚至造成工作人员窒息。
发明内容
本发明的目的是提供一种空气能膨胀岩石致裂系统及其使用方法，安全性高、成本低廉，致裂效果优良。
为了实现上述目的，本发明提供一种空气能膨胀岩石致裂系统及其使用方法，包括膨胀管、空压机、引爆器和致裂电源，膨胀管包括储压管、发热组件，膨胀管将发热组件密封在内，空压机能够通过管道与储压管连接，发热组件能够通过引爆器与致裂电源连接。
作为优选方案，膨胀管的端部设有充气连接嘴，空压机能够通过管道与储压管的充气连接嘴连接。
作为优选方案，充气连接嘴为铁管，充气连接嘴上配有管道堵头。
作为优选方案，充气连接嘴与管道堵头通过螺纹连接。
作为优选方案，膨胀管为PVC管，膨胀管的两端设有膨胀管堵头。
作为优选方案，发热组件呈杆状设于膨胀管内，发热组件上设有密封延伸到膨胀管外的电源接头。
作为优选方案，引爆器包括引爆组件、定位组件、人员识别组件、时间锁组件和地点锁组件，定位组件用于收集引爆器的位置信息，人员识别组件用于识别操作人员的信息，时间锁组件用于获取时间信息，地点锁组件用于获取定位信息，定位组件、人员识别组件、时间锁组件、地点锁组件与引爆组件控制连接。
作为优选方案，还包括云安全平台，引爆器还包括通讯组件，引爆器通过通讯组件与云安全平台通信连接。
本发明还提供上述任一项所述的空气能膨胀岩石致裂系统的使用方法，包括如下步骤：
S100、在岩石上打孔布孔并清理，在孔内放置膨胀管并对孔口用快干水泥封堵，待水泥达到凝固强度；
S200、向膨胀管内充压空气并封堵保压，利用导线将各膨胀管通过引爆器连接至致裂电源；
S300、疏散人员，对岩石膨胀致裂后清理工作面。
作为优选方案，在步骤S100之前，有条件的在工作现场先测定岩石等级，没有条件在工作现场测定岩石等级的，还包括对岩石的尝试膨胀致裂，根据尝试膨胀致裂的效果来调整步骤S200中向膨胀管内充压空气的压力。
本发明提供一种空气能膨胀岩石致裂系统及其使用方法，具有以下有益效果：
1、安全性高。空气主要是氮气(N2)和氧气(O2)组成，空气的物理、化学性质稳定。因此，在整个膨胀致裂过程中，致裂效果只是从空气到空气，没有有害物质产生；
2、施工成本低廉。致裂介质为空气，空气不存在生产、储存、运输成本，更不会遇到火燃烧爆炸；
3、冲击力小。空气能膨胀岩石致裂产生的振动微弱、破坏力很小，有利于保护建筑物。空气能膨胀岩石致裂大大低于炸药爆破，冲击力一般400Mpa,远远低于炸药爆破的1000-5000Mpa。根据初步检测爆速为3m/s，一般离开爆破点2-3米后已经没有破坏作用；
4、噪音污染小。空气能致裂膨胀的噪音、震动很小，基本没有噪音污染；
5、不必要测定岩石等级。在生产实际中，在不具测定岩石等级条件的工况下也能够使用，由于致裂介质的成本低廉，能够通过尝试对岩石致裂的效果调节膨胀管气压来优化对岩石的致裂效果，生产效率高、成本低廉；
6、全程智能监控。①远程监控分散的致裂施工，包括人员，时间，地点，用量，岩石，致裂参数，致裂效果等等。可以实现监管(管理)机关不同意就不能致裂；②监控致裂地点、致裂区域，以监测其是否在规定的区域、位置，实现不在规定的地点范围自动闭锁、禁止起爆；③监控致裂时间，不在规定的时间内就自动闭锁、不能致裂；④监控操作与管理人员，非相关人员操作就自动闭锁、不能致裂。
附图说明
图1是本发明实施例1中的膨胀管立体结构示意图；
图2是本发明实施例1中的膨胀管剖面结构示意图；
图3是本发明实施例1中的空气能膨胀岩石致裂系统的连接结构示意图；
图4是本发明实施例1中的引爆器的连接结构示意图；
图5是本发明实施例中的空气能膨胀岩石致裂系统的使用方法的步骤示意图；
图中，100、膨胀管；101、膨胀管堵头；110、储压管；120、发热组件；121、电源接头；130、充气连接嘴；131、管道堵头；200、空压机；300、引爆器；310、引爆组件；320、人员识别组件；330、时间锁组件；340、地点锁组件；350、通讯组件；400、致裂电源；500、云安全平台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1至图4所示，本发明优选实施例的一种空气能膨胀岩石致裂系统，通过空气介质对岩石致裂。
基于上述技术方案，本实施例中提供一种空气能膨胀岩石致裂系统，包括膨胀管100、空压机200、引爆器300和致裂电源400，膨胀管100包括储压管110、发热组件120，膨胀管100将发热组件120密封在内，空压机200能够通过管道与储压管110连接，发热组件120能够通过引爆器300与致裂电源400连接。
其中，膨胀管100为膨胀致裂的直接工作组件。发热组件120用于在膨胀管100内对膨胀管100加热加压，以实现膨胀管100快速膨胀裂开，实现通过膨胀管100对岩石孔的膨胀致裂。
其中，空压机200用于向膨胀管100提供高压空气，以向膨胀管100充入高压空气。空压机200采用高压空压机200。
其中，电源400用于向发热组件120提供电能供发热组件120发热。引爆器300使用晶体变换器，引爆器300的引爆电压为1800V。
优选地，膨胀管100的端部设有充气连接嘴130，空压机200能够通过管道与储压管110的充气连接嘴130连接。充气连接嘴130与膨胀管100的储压腔室连接，以向膨胀管100储入高压空气。
优选地，充气连接嘴130为铁管，充气连接嘴130上配有管道堵头131。充气连接嘴130能够通过夹管器对充气连接嘴130夹紧，进而实现对充气连接嘴130的密封。
优选地，充气连接嘴130与管道堵头131通过螺纹连接。管道堵头131可以通过螺纹旋紧在充气连接嘴130进而对充气连接嘴130密封。充气连接嘴130与管道堵头131之间设有橡胶垫片。
优选地，膨胀管100为PVC管，膨胀管100的两端设有膨胀管堵头101。PVC材质的膨胀管100在高温高压空气膨胀裂开后释放高压气体，通过特种水泥的封堵，实现了膨胀管100裂开释放的高压气体对岩石孔的膨胀致裂。膨胀管堵头101通过胶液稳定连接在膨胀管100的两端，实现了对膨胀管100的密封。
优选地，发热组件120呈杆状设于膨胀管100内，以均匀地对膨胀管100内的气体快速加热，发热组件120上设有密封延伸到膨胀管100外的电源接头121。发热组件120的外侧壁与膨胀管100之间连接有支撑法兰，以将发热组件120支撑在膨胀管100的内侧壁上。其中，发热组件120上通过金属的电源接头121穿过膨胀管堵头101延伸到膨胀管100外，实现电连接。
具体地，发热组件120内设有发热丝，实现了发热组件120的快速发热。
优选地，引爆器300包括引爆组件310、人员识别组件320、时间锁组件330和地点锁组件340，人员识别组件320用于识别操作人员的信息，时间锁组件330用于获取时间信息，地点锁组件340用于获取定位信息，人员识别组件320、时间锁组件330、地点锁组件340与引爆组件310控制连接。引爆组件310上设有开关按钮，人员识别组件320、时间锁组件330、地点锁组件340能够与引爆组件310的开关按钮相互配合对引爆组件310控制，进而实现对引爆器300的控制。
优选地，还包括云安全平台500，引爆器300还包括通讯组件350，引爆器300通过通讯组件350与云安全平台500通信连接。通讯组件350可以为WiFi组件连接或者ZigBee组件。
通过云安全平台500能够收集使用本系统的每一次的膨胀致裂破数据，包括本系统的各个膨胀孔的孔深、孔数、孔距、岩性、致裂效果，以及致裂时间、操作人员、地点等信息。通过致裂时间、操作人员、地点等信息对致裂作业实现安全控制，不安全就不能起动引爆器300致裂。能够强化管理力度，避免事故发生。
空气能膨胀岩石致裂原理，就是利用空气压缩在容器里(即膨胀管100)，在突然快速加热的条件下，急剧快速气化膨胀、产生强大冲击力，通过适当的控制，造成膨胀致裂破岩的效果。具体来讲，首先打孔，再是装膨胀管100(膨胀管100内已装发热组件120)，然后采用特种水泥封堵，三小时后在致裂岩石时用高压充气机将空气打进去形成高压；然后采用引爆器310激活膨胀管里面的发热组件120，使高压空气在快速加热的条件下，急速膨胀1000-2000倍以上，产生强大的冲击力(200-400Mpa),首先冲破膨胀管100，接着在岩石孔内快速冲出，由于岩石孔封闭，高压气体不能自由外泄，从而对周围的岩石产生冲击，产生破坏作用，形成破岩效果。
实施例2
对实施例1中的致裂系统使用的步骤大体工作顺序为：在施工场地操作打孔——组装膨胀管——装膨胀——特种水泥封堵——在膨胀时加压高压气——膨胀——清理工作面。
具体地，如图5所示，本发明提供一种空气能膨胀岩石致裂系统的使用方法，包括如下步骤：
S100、在岩石上打孔布孔并清理，在孔内放置膨胀管100并对孔口用快干水泥封堵，待水泥达到凝固强度。这里，打孔深度与岩石等级无关，根据地理环境决定；打孔大小也与岩石等级无关，仅仅能放置膨胀管就行；无需抽干水分，对于岩石孔的要求不高。所以在生产实际中，不一定需要测定岩石等级。
打孔：直径为Φ63(mm)的膨胀管100需要配合打Φ90(mm)的岩石孔，孔深可以为3m、6m、9m(孔深根据工作面确定)。
这里，空气能膨胀岩石致裂前需要的准备工作：准备功率为8kw的高压的空压机200。准备膨胀管100的原材料和组装膨胀管100，准备相应的耗材，向膨胀管100充气的管道采用空心无缝铁管，并配备密封垫片提高密封效果。所需要的工具有：万用表、钳子、扳手、夹管器。
S200、向膨胀管100内充压空气并封堵保压，利用导线将各膨胀管100通过引爆器300连接至致裂电源400。
这里，将膨胀管100装入岩石孔的孔道，用快干水泥(特种水泥)封堵，并注意留出充气连接嘴130。向膨胀管100充加高压空气：等水泥凝固后，一般三小时水泥凝固，先拧开管道堵头131，在充气连接嘴130上连接高压的管道，通过空压机200向膨胀管100充加空气，当膨胀管100中气压压力表上升到合适值时关掉空压机200，然后用夹管器夹紧充气连接嘴130，再拧紧管道堵头131，以防止漏气。
S300、疏散人员，对岩石膨胀致裂后清理工作面。
这里，将各个膨胀管100的两极电源线引离膨胀致裂处约三十米，用引爆器300检测各个膨胀管100是否通电。将膨胀管100的两极线接入引爆器300，通过引爆器300进行安全验证，待引爆器300的电源灯闪烁时扭动到引爆器300的起爆键。数秒后开始致裂，致裂后大约三分钟后开始进入致裂现场开始清场。
优选地，有条件时可以测定现场的岩石等级，对岩石致裂的经验参数可以为：
作为优选方案，在步骤S100之前，有条件的在工作现场先测定岩石等级，没有条件在工作现场测定岩石等级的，还包括对岩石的尝试膨胀致裂，根据尝试膨胀致裂的效果来调整步骤S200中向膨胀管100内充压空气的压力。
这里，实际生产中，不必要测定岩石等级。根据经验值控制岩石孔距在2米至3米之间。在不具测定岩石等级条件的工况下也能够使用，由于致裂介质的成本低廉，能够通过对岩石致裂的效果调节膨胀管100内的气压来优化对岩石的致裂效果。
具体的施工效率分析为：
组装膨胀管100：1-2分钟组装1根膨胀管100，1小时充装30-50根膨胀管100。
打孔：打孔机一小时约60米，8小时约480米，每个孔6米约80个孔，长度为40米，两排宽度为4米，深度为6米，一个班致裂工作量为960立方每小时，可以根据工作量增加打孔机。
高压连接管：连接管只需要把空管和致裂管连接即可，连接两根管需要1分钟。空压机200充气量为(每分钟200升)，每个岩石孔压缩空气只需要2-3分钟。
水泥封孔：每个岩石孔封孔需要2-3分钟，特种水泥15分钟就可以凝固，水泥达到凝固强度需要两小时才达到35MPa，三小时后就可以进行加压致裂。
工程进度：试用性测试，膨胀对岩石膨胀致裂一两次，因为不是每个工地都有检测设备和技术。正常施工时，每个班每天可以膨胀致裂两次。
这里，打孔设备采用90型导轨回转凿岩机，以压缩空气为动力的中深孔凿岩机具，适用于巷道断面为2.5*2.5m到3m*3m之间、钻孔直径在50－80cm之间、有效孔深30m以内。采用直径65mm的十字型合金钎头在F12-14级矿岩中，平均纯凿岩速度可达680mm/分。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种空气能膨胀岩石致裂系统，其特征在于，包括膨胀管(100)、空压机(200)、引爆器(300)和致裂电源(400)，膨胀管(100)包括储压管(110)、发热组件(120)，膨胀管(100)将发热组件(120)密封在内，空压机(200)能够通过管道与储压管(110)连接，发热组件(120)能够通过引爆器(300)与致裂电源(400)连接。
2.如权利要求1所述的空气能膨胀岩石致裂系统，其特征在于，膨胀管(100)的端部设有充气连接嘴(130)，空压机(200)能够通过管道与储压管(110)的充气连接嘴(130)连接。
3.如权利要求2所述的空气能膨胀岩石致裂系统，其特征在于，充气连接嘴(130)为铁管，充气连接嘴(130)上配有管道堵头(131)。
4.如权利要求3所述的空气能膨胀岩石致裂系统，其特征在于，充气连接嘴(130)与管道堵头(131)通过螺纹连接。
5.如权利要求1所述的空气能膨胀岩石致裂系统，其特征在于，膨胀管(100)为PVC管，膨胀管(100)的两端设有膨胀管堵头(101)。
6.如权利要求1所述的空气能膨胀岩石致裂系统，其特征在于，发热组件(120)呈杆状设于膨胀管(100)内，发热组件(120)上设有密封延伸到膨胀管(100)外的电源接头(121)。
7.如权利要求1所述的空气能膨胀岩石致裂系统，其特征在于，引爆器(300)包括引爆组件(310)、人员识别组件(320)、时间锁组件(330)和地点锁组件(340)，人员识别组件(320)用于识别操作人员的信息，时间锁组件(330)用于获取时间信息，地点锁组件(340)用于获取定位信息，人员识别组件(320)、时间锁组件(330)、地点锁组件(340)与引爆组件(310)控制连接。
8.如权利要求7所述的空气能膨胀岩石致裂系统，其特征在于，还包括云安全平台(500)，引爆器(300)还包括通讯组件(350)，引爆器(300)通过通讯组件(350)与云安全平台(500)通信连接。
9.如权利要求1至8任一项所述的空气能膨胀岩石致裂系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、在岩石上打孔布孔并清理，在孔内放置膨胀管并对孔口用快干水泥封堵，待水泥达到凝固强度；
S200、向膨胀管内充压空气并封堵保压，利用导线将各膨胀管通过引爆器连接至致裂电源；
S300、疏散人员，对岩石膨胀致裂后清理工作面。
10.如权利要求9所述的空气能膨胀岩石致裂系统的使用方法，其特征在于，在步骤S100之前，有条件的在工作现场先测定岩石等级，没有条件在工作现场测定岩石等级的，还包括对岩石的尝试膨胀致裂，根据尝试膨胀致裂的效果来调整步骤S200中向膨胀管内充压空气的压力。
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