CN113338926A - 一种爆破裂岩系统及爆破裂岩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种爆破裂岩系统及爆破裂岩方法，包括相变装置、加热装置以及控制装置，相变装置包括储液管、注液电磁阀以及泄能电磁阀，加热装置包括超导加热管和高频加热器，超导加热管设置在储液管内，高频加热器与超导加热管通电连接，控制装置包括电源变频器和电源总线，以相变装置构成泄压强度可调的相变管，以及加热装置构成加热功率可调的高频加热模块。本发明以可控的高频加热双层超导加热管代替传统的电加热方式，实现储液管内的全部液态CO2同时气化，以急剧增大液态CO2的爆破强度，同时通过注液电磁阀及泄能电磁阀的共同作用，避免了传统作业的不连续性，以及泄压的不稳定性与不可控性，可实现集群爆破管的智能控制。
Description
技术领域
本发明实施例涉及爆破裂岩技术领域，具体涉及一种爆破裂岩系统及爆破裂岩方法。
背景技术
现有的CO2爆破是指微电流通过高导热棒时，产生高温击穿安全膜，瞬间将液态二氧化碳气化，急剧膨胀产生高压冲击波致泄压阀自动打开，利用液态二氧化碳吸热气化时体积急剧膨胀产生高压致使岩体开裂。在此过程中不产生火花或者有毒有害气体，且噪音相对于炸药爆破低。由于该方法具有环保、安全性高、噪音小、审批快、能够有效代替炸药爆破等优点被广泛的应用于高瓦斯或煤与瓦斯突出煤层开采与地铁基坑开挖。
但上述方法制作的爆破管爆破效能低，抑制了CO2爆破方法的推广。原因在于在CO2爆破过程中由于局部加热气化，气化的CO2量逐渐增加，相变不充分，爆声气体释放的量与速度均有一定程度的限制，这在一定程度上弱化了破岩效果。另一方面，在实行爆破管集群爆破时，由于爆破片的泄压不可控性，难以产生优化的群体爆破效应。目前市场上一般电磁阀都达不到承受爆破管内高压气体，控制性的泄压未能在实践中应用。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种爆破裂岩系统及爆破裂岩方法，以解决现有技术中CO2爆破方法存在上述不足的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种爆破裂岩系统，包括：
相变装置，所述相变装置包括储液管、注液电磁阀以及泄能电磁阀，所述储液管用于放置在待爆破岩体内，所述注液电磁阀封装于储液管的顶端，所述泄能电磁阀封装于储液管的底端；
加热装置，所述加热装置包括超导加热管和高频加热器，所述超导加热管为双层管结构，并设置在储液管内，所述高频加热器设置在储液管的上方，且超导加热管的顶端于注液电磁阀穿出并接入高频加热器，以液态CO2自注液电磁阀注入储液管内后，经加热气化产生高压气体，高压气体通过泄能电磁阀释放并压裂岩石；
控制装置，所述控制装置包括电源变频器和电源总线，所述电源变频器外接电源，所述电源总线集成注液电磁阀、泄能电磁阀以及高频加热器的供电线为一体，并接入电源变频器，以所述相变装置构成泄压强度可调的相变管，以及加热装置构成加热功率可调的高频加热模块。
进一步地，所述超导加热管包括外层热管和内层热管，所述外层热管设置在储液管内，所述内层热管嵌装在外层热管内，且内层热管的顶端于注液电磁阀穿出并接入高频加热器。
进一步地，所述内层热管内安装有激发电热棒，所述激发电热棒于注液电磁阀上方通过导线外接电源变频器，且导线集成于电源总线中。
进一步地，所述储液管的内部固定有环形支架，所述环形支架的中部形成有嵌装孔，以所述超导加热管的底端自上至下顺形嵌装于环形支架的嵌装孔内固定。
进一步地，所述注液电磁阀包括注液壳体和设置在注液壳体内的注液阀体，所述注液壳体呈圆柱结构，并适配封装于储液管的顶端，在注液壳体上开设有供超导加热管顶端自下向上顺形伸出的伸出口，其中，所述注液阀体于注液壳体上形成有注液口，使液态CO2自注液口注入储液管内。
进一步地，所述泄能电磁阀包括泄能壳体和设置在泄能壳体内的泄能阀体，所述泄能壳体呈圆柱结构，并适配封装于储液管的底端，所述泄能阀体于泄能壳体上形成有进能口，并在泄能壳体的侧壁上沿圆周方向开设有多个泄能口，并使液态CO2汽化后的高压气体在泄能阀体的作用下，自进能口进入，并从泄能口释放压裂岩石。
进一步地，所述注液电磁阀和泄能电磁阀均为高压电磁阀，且高压电磁阀的承压范围为：40～230MPa。
进一步地，所述储液管的上方设有支撑架，所述支撑架包括顶盖和多根支撑柱，所述顶盖水平设置在注液电磁阀的上方，所述支撑柱呈竖直分布，且多根支撑柱沿顶盖的边缘分布，以支撑柱的顶端固接在顶盖的底面上，且支撑柱的底端固接在注液电磁阀上，所述高频加热器设置在顶盖和注液电磁阀之间，并滑动连接在支撑柱上，在顶盖的底面上固接有电动推杆，所述电动推杆通过供电线连接于电源变频器，且电动推杆的输出端连接高频加热器，以所述电动推杆通电后驱动电源变频器沿竖直方向运动，并接入超导加热管，其中，所述电源变频器的底部设有供超导加热管顶端嵌入的接口。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种爆破裂岩方法，采用本实施例所述的一种爆破裂岩系统，所述爆破裂岩方法包括以下步骤：
S1：在待爆破岩体上开设爆破钻孔；
S2、在爆破钻孔中放入已经装配好的相变装置；
S3、在爆破钻孔与相变装置之间进行填充物的填充；
S4：待相变装置放置稳定后，打开注液电磁阀，并从注液电磁阀的注液口向储液管中加入液态CO2，随后关闭注液电磁阀；
S5、启动加热装置，使液态CO2瞬间气化，并产生高压气体，打开泄能电磁阀，使高压气体通过泄能电磁阀的泄能口释放并压裂岩石。
进一步地，所述爆破裂岩方法还包括：在步骤S5中，通过启动电动推杆，使高频加热器罩住超导加热管的内层热管顶端，先通电内层热管内的激发电热棒，使其激发超导加热管内的工质，再启动高频加热器加热超导加热管，使储液管内的液态CO2瞬间气化。
本发明实施例具有如下优点：通过以可控的高频加热双层超导加热管代替传统的电加热方式，利用双层管结构的超导加热管导热的超导性和放热的均匀性，实现储液管内的全部液态CO2同时气化，以急剧增大液态CO2的爆破强度，同时通过注液电磁阀及泄能电磁阀的共同作用，避免了传统作业的不连续性，以及泄压的不稳定性与不可控性，可实现集群爆破管的智能控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供的一种爆破裂岩系统的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种爆破裂岩系统的注液电磁阀的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种爆破裂岩系统的泄能电磁阀的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种爆破裂岩系统的超导加热管的结构示意图。
图中：1、相变装置；11、储液管；12、注液电磁阀；121、注液壳体；122、注液阀体；123、伸出口；13、泄能电磁阀；131、泄能壳体；132、泄能阀体；133、泄能口；2、加热装置；21、超导加热管；211、外层热管；212、内层热管；213、激发电热棒；22、高频加热器；3、控制装置；31、电源变频器；32、电源总线；4、待爆破岩体；5、环形支架；6、支撑架；61、顶盖；62、支撑柱；63、电动推杆；7、爆破钻孔；8、填充物。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种爆破裂岩系统，包括相变装置1、加热装置2以及控制装置3，具体设置如下：
相变装置1包括储液管11、注液电磁阀12以及泄能电磁阀13。储液管11用于放置在待爆破岩体4内，将注液电磁阀12封装于储液管11的顶端，并将泄能电磁阀13封装于储液管11的底端，当注液电磁阀12和泄能电磁阀13均关闭的时候，使储液管11的内部形成封闭腔室。
其中，结合图2和图3所示，注液电磁阀12和泄能电磁阀13均为高压电磁阀。注液电磁阀12包括注液壳体121和设置在注液壳体121内的注液阀体122。注液壳体121呈圆柱结构，并适配封装于储液管11的顶端。注液阀体122于注液壳体121上形成有注液口，使液态CO2自注液口注入储液管11内。泄能电磁阀13包括泄能壳体131和设置在泄能壳体131内的泄能阀体132。泄能壳体131呈圆柱结构，并适配封装于储液管11的底端。泄能阀体132于泄能壳体131上形成有进能口，并在泄能壳体131的侧壁上沿圆周方向开设有多个泄能口133，储液管11内液态CO2汽化后的高压气体在泄能阀体132的作用下，自进能口进入，并从泄能口133释放压裂岩石。
优选地，注液电磁阀12和泄能电磁阀13的承压范围为：40～230MPa，且低于上限的电磁阀不能用于爆破管作业。
加热装置2包括超导加热管21和高频加热器22。超导加热管21为双层管结构，并设置在储液管11内，包括在储液管11的内部固定有环形支架5，环形支架5的中部形成有嵌装孔，以使超导加热管21的底端自上至下顺形嵌装于环形支架5的嵌装孔内固定。高频加热器22设置在储液管11的上方，且超导加热管21的顶端于注液电磁阀12穿出并接入高频加热器22，以液态CO2自注液电磁阀12得注液口注入储液管11内后，经加热气化产生高压气体，高压气体通过泄能电磁阀13释放并压裂岩石。
具体的，结合图1和图4所示，超导加热管21包括外层热管211和内层热管212。外层热管211设置在储液管11内，且外层热管211的底端自上至下顺形嵌装于环形支架5的嵌装孔内固定。内层热管212嵌装在外层热管211内，且内层热管212的顶端于注液电磁阀12穿出并接入高频加热器22。其中，在注液壳体121上开设有供内层热管212顶端自下向上顺形伸出的伸出口123(参考图2)，且内层热管212与伸出口123之间进行密封处理。以利用双层管结构的超导加热管21导热的超导性和放热的均匀性，实现储液管11内全部液态CO2同时气化，以急剧增大液态CO2的爆破强度。另外，在内层热管212内安装有激发电热棒213，并使激发电热棒213于注液电磁阀12的上方通过导线外接电源，以先通电内层热管212内的激发电热棒213，使其激发超导加热管21内的工质，再启动高频加热器22加热超导加热管21，使储液管11内的液态CO2瞬间气化。
优选地，在储液管11的上方设有支撑架6。支撑架6包括顶盖61和多根支撑柱62。顶盖61水平设置在注液电磁阀12的上方。支撑柱62呈竖直分布，且多根支撑柱62沿顶盖61的边缘分布，使支撑柱62的顶端固接在顶盖61的底面上，且支撑柱62的底端固接在注液电磁阀12的注液壳体121上。高频加热器22设置在顶盖61和注液电磁阀12之间，并滑动连接在支撑柱62上。在顶盖61的底面上固接有电动推杆63，电动推杆63通过供电线连接于电源，且电动推杆63的输出端连接高频加热器22，以使电动推杆63通电后驱动电源变频器22沿竖直方向运动，并接入超导加热管。其中，在电源变频器22的底部设有供超导加热管22的内层热管212顶端嵌入的接口，从而通过启动电动推杆63让高频加热器22罩住内层热管212的顶端进行加热，并当爆破结束后，启动电动推杆63让高频加热器22向上移动，使其脱离内层热管212并停止供热。
控制装置3包括电源变频器31和电源总线32。电源变频器31外接电源。电源总线32集成注液电磁阀12、泄能电磁阀13、高频加热器22、电动推杆63以及激发电热棒213的供电线为一体，并接入电源变频器31，以使相变装置1构成泄压强度可调的相变管，以及加热装置2构成加热功率可调的高频加热模块。从而可根据爆破裂岩的破裂程度需要，可以调整高频加热器22的发热功率和泄能电磁阀13的控制泄爆，以实现液态CO2不同程度的气化，并进一步实现不同破裂程度的需要。
本发明实施例以可控的高频加热双层超导加热管21代替传统的电加热方式，利用双层管结构的超导加热管21导热的超导性和放热的均匀性，由超导加热管21的顶端将热量导至储液管11的内部，并瞬间引起储液管11内的全部液态CO2同时气化，以膨胀达到一定的压强，急剧增大液态CO2的爆破强度，同时通过注液电磁阀12及泄能电磁阀13的共同作用，使高压的CO2气体从泄能电磁阀13的泄能口133喷出，实现可控爆破裂岩。避免了传统作业的不连续性，以及泄压的不稳定性与不可控性，可实现集群爆破管的智能控制。
特别说明：各高压电磁阀的承压范围为40～230MPa；双层的超导加热管21必须自行设计制作。除此之外，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明实施例还提供了一种爆破裂岩方法，采用本实施例的爆破裂岩系统，包括以下步骤：
S1：在待爆破岩体4上开设爆破钻孔7；
S2、在爆破钻孔7中放入已经装配好的相变装置1；
S3、在爆破钻孔7与相变装置1之间进行填充物8的填充；
S4：待相变装置1放置稳定后，打开注液电磁阀12，并从注液电磁阀12的注液口向储液管11中加入液态CO2，随后关闭注液电磁阀12；
S5、启动加热装置2，使液态CO2瞬间气化，并产生高压气体，打开泄能电磁阀13，使高压气体通过泄能电磁阀13的泄能口133释放并压裂岩石。
其中，结合爆破裂岩系统的布置，在步骤S5中，可通过启动电动推杆63，使高频加热器22罩住超导加热管21的内层热管212顶端，然后先通电内层热管212内的激发电热棒213，使其激发超导加热管21内的工质，再启动高频加热器22加热超导加热管21，使储液管11内的液态CO2瞬间气化。
本实施例中，根据爆破裂岩的破裂程度需要，可以调整高频加热器22的发热功率和泄能电磁阀13的控制泄爆，以实现液态CO2不同程度的气化，并进一步实现不同破裂程度的需要。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种爆破裂岩系统，其特征在于，所述爆破裂岩系统包括：
相变装置，所述相变装置包括储液管、注液电磁阀以及泄能电磁阀，所述储液管用于放置在待爆破岩体内，所述注液电磁阀封装于储液管的顶端，所述泄能电磁阀封装于储液管的底端；
加热装置，所述加热装置包括超导加热管和高频加热器，所述超导加热管为双层管结构，并设置在储液管内，所述高频加热器设置在储液管的上方，且超导加热管的顶端于注液电磁阀穿出并接入高频加热器，以液态CO2自注液电磁阀注入储液管内后，经加热气化产生高压气体，高压气体通过泄能电磁阀释放并压裂岩石；
控制装置，所述控制装置包括电源变频器和电源总线，所述电源变频器外接电源，所述电源总线集成注液电磁阀、泄能电磁阀以及高频加热器的供电线为一体，并接入电源变频器，以所述相变装置构成泄压强度可调的相变管，以及加热装置构成加热功率可调的高频加热模块。
2.根据权利要求1所述的一种爆破裂岩系统，其特征在于：所述超导加热管包括外层热管和内层热管，所述外层热管设置在储液管内，所述内层热管嵌装在外层热管内，且内层热管的顶端于注液电磁阀穿出并接入高频加热器。
3.根据权利要求2所述的一种爆破裂岩系统，其特征在于：所述内层热管内安装有激发电热棒，所述激发电热棒于注液电磁阀上方通过导线外接电源变频器，且导线集成于电源总线中。
4.根据权利要求1所述的一种爆破裂岩系统，其特征在于：所述储液管的内部固定有环形支架，所述环形支架的中部形成有嵌装孔，以所述超导加热管的底端自上至下顺形嵌装于环形支架的嵌装孔内固定。
5.根据权利要求1所述的一种爆破裂岩系统，其特征在于：所述注液电磁阀包括注液壳体和设置在注液壳体内的注液阀体，所述注液壳体呈圆柱结构，并适配封装于储液管的顶端，在注液壳体上开设有供超导加热管顶端自下向上顺形伸出的伸出口，其中，所述注液阀体于注液壳体上形成有注液口，使液态CO2自注液口注入储液管内。
6.根据权利要求1所述的一种爆破裂岩系统，其特征在于：所述泄能电磁阀包括泄能壳体和设置在泄能壳体内的泄能阀体，所述泄能壳体呈圆柱结构，并适配封装于储液管的底端，所述泄能阀体于泄能壳体上形成有进能口，并在泄能壳体的侧壁上沿圆周方向开设有多个泄能口，并使液态CO2汽化后的高压气体在泄能阀体的作用下，自进能口进入，并从泄能口释放压裂岩石。
7.根据权利要求5或6任意一项所述的一种爆破裂岩系统，其特征在于：所述注液电磁阀和泄能电磁阀均为高压电磁阀，且高压电磁阀的承压范围为：40～230MPa。
8.根据权利要求1所述的一种爆破裂岩系统，其特征在于：所述储液管的上方设有支撑架，所述支撑架包括顶盖和多根支撑柱，所述顶盖水平设置在注液电磁阀的上方，所述支撑柱呈竖直分布，且多根支撑柱沿顶盖的边缘分布，以支撑柱的顶端固接在顶盖的底面上，且支撑柱的底端固接在注液电磁阀上，所述高频加热器设置在顶盖和注液电磁阀之间，并滑动连接在支撑柱上，在顶盖的底面上固接有电动推杆，所述电动推杆通过供电线连接于电源变频器，且电动推杆的输出端连接高频加热器，以所述电动推杆通电后驱动电源变频器沿竖直方向运动，并接入超导加热管，其中，所述电源变频器的底部设有供超导加热管顶端嵌入的接口。
9.一种爆破裂岩方法，采用权利要求1-8任意一项所述的一种爆破裂岩系统，其特征在于，所述爆破裂岩方法包括以下步骤：
S1：在待爆破岩体上开设爆破钻孔；
S2、在爆破钻孔中放入已经装配好的相变装置；
S3、在爆破钻孔与相变装置之间进行填充物的填充；
S4：待相变装置放置稳定后，打开注液电磁阀，并从注液电磁阀的注液口向储液管中加入液态CO2，随后关闭注液电磁阀；
S5、启动加热装置，使液态CO2瞬间气化，并产生高压气体，打开泄能电磁阀，使高压气体通过泄能电磁阀的泄能口释放并压裂岩石。
10.根据权利要求9所述的一种爆破裂岩方法，其特征在于，所述爆破裂岩方法还包括：在步骤S5中，通过启动电动推杆，使高频加热器罩住超导加热管的内层热管顶端，先通电内层热管内的激发电热棒，使其激发超导加热管内的工质，再启动高频加热器加热超导加热管，使储液管内的液态CO2瞬间气化。
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