CN113624082A - 一种快速静态爆破装置及爆破方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速静态爆破装置，实现了快速静爆。快速静态爆破装置包括封孔器和加热器。其中封孔器包括封口盘、由圆弧状连接板板、拉杆与摩擦板构成的抗拉拔组件；加热器包括加热棒和其上部的保护套筒及连接线。封口盘的正视图呈倒“凸”字状，封口盘中心开有一个直径比加热棒直径大0.5‑1mm的轴向贯穿圆孔。拉杆一端焊有一段圆弧状连接板，另一端焊有一段摩擦板。而圆弧状的连接板通过螺丝与封口盘下部的细圆柱体固定。抗拉拔组件相对封口盘轴心对称安装，确保受力均匀。施工时，先灌浆，再依次将封孔器和加热器插入钻孔。封口盘受到的膨胀力和孔内抗拉拔组件与破碎剂之间的摩擦阻力构成一对平衡力，从而实现封孔、防喷目的。通过加热，破碎剂水化反应速度加快，膨胀力随之快速增长，结合有效封孔的联合作用，提高了破岩效率。

Description

一种快速静态爆破装置及爆破方法

技术领域

本发明属于静态破碎技术领域，具体涉及到一种效果更高的快速静态爆破装置。

背景技术

所谓的静态破碎技术主要是指应用静态破碎剂进行岩石或混凝土的爆破和开挖。由于在使用静态破碎剂的施工过程中无噪声、无粉尘、无飞石、无有毒有害气体、无振动，不受法律管制等优点，在世界各地的各项工程中被广泛应用。但是使用破碎剂进行爆破作用时，也暴露了其很多缺点，诸如：

（1）破碎时间长。相对于炸药等烈性爆破材料，使用破碎剂爆破的时间通常在几个小时到数十个小时不等。特别是冬季寒冷季节，温度较低时，甚至因温度太低，破碎剂水化反应慢而导致可能失效。

（2）高温季节易喷孔。在夏季高温季节施工时，静态破碎剂快速水化而释放大量的热量，使得其浆体快速升到100℃以上的温度，导致破碎剂浆体中的水分快速汽化并在孔内积聚形成较高的蒸汽压，极容易导致喷孔发生，同样致使施工失败。

一并同时解决“高温易喷孔、低温反应慢”这一对矛盾已是困扰工程界多年的难题。显而易见，温度是制约这一难题的关键因素。而高温的优点是加速破碎剂水化，缺点是易导致喷孔。因此，如何利用高温的优点，并同时将其缺点转变为优势并加以利用是解决这一难题的新思路，即通过对钻孔中的破碎剂采取加热和封孔双措施，使其在短时间内快速水化而产生的高温高压蒸汽被密封在钻孔内，而高压蒸汽具有较大的膨胀潜能施加在钻孔围岩上，配合巨大的破碎剂固体膨胀压，进而加速预爆破岩石或混凝土的破碎。

目前，大多数技术基本上围绕单一问题进行解决，要么解决高温喷孔问题，要么解决低温反应慢的问题，很少有将两方面的问题同时解决的技术或理论。目前，虽然有的人提出了两个问题都解决的技术，但效果不是非常理想。不是加热效率不高，封孔效果欠佳的问题，就是加热和封孔难以配合匹配的问题。

目前，对于封孔装置，多采用在钻孔孔口的有限深度处布置封孔装置的技术。封孔装置诸如：采用顶针的点摩擦方式、楔形体的面摩擦方式来增加摩擦阻力防喷孔的技术，有的采用在孔口下方一定深度处掏孔，再在孔口加装封口装置的方式进行防喷孔。有的采用在孔口使用低温措施，降低破碎剂水化产生的热量，以此防止喷孔发生；有的采用孔内孔外、上下一体封堵的方式进行防喷孔。这都是解决单一因素的技术或工艺，没有进行两个问题同时解决，技术不全面。

在提高破碎剂反应的环境温度方面，有的采用向孔内破碎剂注入热水的方法来加速开裂的技术；有的设计了采用套管加热方法来提高破碎速度的装置；有的采用在孔内释放燃烧剂加温措施。当然，还有很多措施多数是方式单一，即加热，没有封孔，封孔没有加入，这就不能同时解决温度和喷孔、反应慢的矛盾。虽然有的技术同时采用加热和封孔两种措施，但其封孔效果欠佳，易发生封孔装置被孔内高压蒸汽顶飞的安全问题。

如何做到既通过加热促进破碎剂的快速水化，又保障其封孔安全，同时又可以利用孔内积聚的高压蒸汽参与快速爆破是本专利的突出特点。

本发明专利提供一种新的快速静态爆破装置，可以解决破碎剂在夏季高温易喷孔，冬季等低温反应速度慢或滞死等问题。通过加热和封孔联合作用，确保破碎剂在孔内被紧密约束和较高温度下快速水化，致使其在短时间内获得较大的固体膨胀压，同时利用孔内积聚高压蒸汽膨胀潜能大特点而参与爆破，从而实现安全又快速致裂岩石或混凝土的目的。

发明内容

本发明是为了解决至少上述问题，并提供至少后面将要说明的优点。

本发明提供的一种快速静态爆破装置，包括：封孔器，其包括：封口盘、连接板、拉杆和摩擦板，连接板用螺钉紧固在所述的封口盘侧面上，拉杆的一端与连接板通过焊接相连接，摩擦板与拉杆另一端通过焊接相连接，其中，封口盘轴心设有一个轴向贯穿圆孔；加热器，其包括：加热棒和设置在加热棒顶部与之螺纹连接的保护套筒，其中，所述加热棒插入封口盘贯穿圆孔，与封孔器组成快速静态爆破装置。

本发明所涉及的快速静态爆破装置，其特征在于封口盘为倒“凸”字形，封口盘下部的小直径圆柱体与钻孔直径相等，可以起到密封作用；而封口盘的上部的大直径圆柱体要比钻孔直径大10-40mm，用于防止封孔器掉入钻孔内。

本发明所涉及的封口盘，其下部小直径圆柱体高20-40mm，而上部的大直径圆柱体高为10-20mm，并在封口盘轴心设有一个比加热棒直径大0.5-1mm的轴向贯穿圆孔，使得加热棒能够自由穿过贯穿圆孔而不被卡住。

本发明所涉及的连接板，其上下端面的形状为圆弧形，厚度4-6mm，圆弧度数为60-120°，高度为20-40mm，在其侧面对称性地开有两个固定螺纹孔，便于与封口盘通过螺钉紧固连接。

本发明所涉及的封口盘的下部小直径圆柱体侧面开有与连接板厚度、弧形角度和板高均相等、数量相同的凹槽；在每个凹槽的侧面上对称性地开有两个深度为5-10mm，直径为4-6mm螺纹孔，便于安装连接板，同时确保连接板完全嵌入凹槽，使其封口盘下部细圆柱体与连接板形成一个与钻孔直径相等的整体。

本发明所涉及的静态爆破装置，拉杆为直径4-6mm粗细的、数量与连接板相同的不锈钢钢丝，其一端与连接板下部端面的中心通过焊接相连接，另一端与摩擦板一个端面中心通过焊接相连接，拉杆与连接板、摩擦板三个部件的中心在一条线上可实现受力均匀。

本发明所涉及的快速静态爆破装置，摩擦板的端面为圆弧状，其厚度为4-6mm，圆弧度数为30-90°，高度为200-600mm。

本发明所涉及的快速静态爆破装置，加热器的电功率为20W-200W，采用的是220V交流电源。加热器，保护套筒与在加热棒的顶部通过螺纹连接，保护套筒内径与加热棒外径相同，高度20-40mm，便于保护加热棒接线部位，并且防止漏电。加热器，加热棒是不锈钢材质的金属杆体，其直径为5-12mm，其长度视钻孔深度而定。

本发明至少包括以下作用与效果：

1、爆破时间大幅缩短；

通过加热和封孔联合作用下，使得爆破钻内的破碎剂在较高温度和四周严密约束下而得以快速水化、膨胀压迅速增长，与此同时生成的高压蒸汽又被强烈的密封在钻孔内。因此在强大固体膨胀压和较高的蒸汽压的联合作用下，快速实现了岩石或混凝土的爆破。由原来的数小时、数十小时缩短至一小时以内，爆破效率显著提高。

2、安全性能显著提高；

加热棒是具有一定抗压强度的不锈钢材质钢管，采用电加热方式，其加热功率通过配合功率调节电路得以控制，同时通过孔内温度传感器监测，因此可以较为精确的控制破碎剂的水化进程；同时在封孔器的联合作用下的加热过程中，破碎剂快速水化而释放出的大量热量积聚在孔内，这些热量促使孔内温度快速上升到100℃以上，甚至高达150℃，远超过水的沸点，所以此时孔内的游离水迅速汽化而生成高压水蒸气。由于此时的破碎剂已固化并具有巨大膨胀压力，并且四周又被严格约束，对高压水蒸气起到密封作用，因此高压水蒸气若没有跑出或少部分逸出钻孔的情况下而参与岩石或混凝土的开裂，在爆破效率提高的同时，安全性能又得以保证。因为高压水蒸气对外膨胀做功后，其温度降低、压力下降，危险性降低，所以本专利提供的技术安全性能显著提高。

3、变害为利，提升效能

本发明最重要的一个显著优点是将以前导致喷孔的高压蒸汽潜能转化为破碎岩石或混凝土的能量。而岩石或混凝土被爆破后，高压蒸汽的潜能因膨胀对外做功而内能降低，危险性降低，因此将其加以利用，变害为宝，一举双得。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的静态爆破装置示意图；

图2为发明所述的静态爆破装置的轴测图，并对封口盘、连接板和加热器等作半剖；

图3为静态破碎控制装置装配及封孔原理示意图;

图中，10-封孔器，11-封口盘，12-连接板，13-拉杆，14-摩擦板，15-贯穿圆孔，16-螺钉，20-加热器，21-加热棒，22-保护套筒，23-接线电缆，30-钻孔，31-固化破碎剂。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸根据“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

首先对发明提供的快速静态爆破装置进行详细说明。

本发明提供了一种快速静态爆破装置，其示意图根据图1和图2所示，所述快速静态爆破装置包括：封孔器10，其包括：封口盘11、连接板12、拉杆13和摩擦板14，连接板12通过螺钉16紧固在封口盘11侧面上，拉杆13的一端与连接板12通过焊接连接，摩擦板14与拉杆13另一端通过焊接连接，其中，封口盘11轴心设有一个轴向贯穿圆孔15；加热器20包括：加热棒21和设置在加热棒21顶部与之螺纹连接的保护套筒22，其中，所述加热棒21插入贯穿圆孔15，与封孔器10组成快速静态爆破装置。

封口盘11为倒“凸”字形，封口盘11下部的小直径圆柱体与钻孔30直径相等，便于插入钻孔30内起到良好的密封作用；而封口盘11的上部的大直径圆柱体要比钻孔30直径大10-40mm，用于防止封孔器10掉入钻孔内。

封口盘11下部小直径圆柱体高20-40mm，而上部的大直径圆柱体高为10-20mm，并在封口盘11轴心设有一个比加热棒21直径大0.5-1mm的轴向贯穿圆孔15，使得加热棒21能够自由穿过贯穿圆孔15而不被卡住；同时，这样的结构设计可以将破碎剂所施加的轴向膨胀力多数由封孔器10来承担，而加热棒21基本不承受轴向拉拔力作用，保证了安全使用。

连接板12上下端面的形状为圆弧形，板厚为4-6mm，圆弧的度数为60-120°，高度为20-40mm，在其侧面对称性地开有两个固定螺纹孔，便于与封口盘11通过螺钉16紧固连接。这样便于更换部件，拆装方面。

封口盘11的下部小直径圆柱体侧面开有与连接板12厚度、弧形的角度和板高均相等、数量相同的凹槽；在每个凹槽的侧面上对称性地开有两个深度为5-10mm，直径为4-6mm螺纹孔，便于安装连接板12，同时确保连接板12完全嵌入凹槽，使其封口盘11下部细圆柱体与连接板12形成一个与钻孔30直径相等的整体。现场施工的钻孔30孔口附近多不规则，一定长度的封口盘11可以插入到钻孔30内部，避免留下过多空隙，对钻孔30起到密封作用，同时防止高压蒸汽或部分破碎剂粉末从封口盘11与钻孔30之间的缝隙中喷出。

拉杆13为直径4-6mm粗细的、数量与连接板12相同的不锈钢钢丝，其一端与连接板12下部端面的中心通过焊接相连接，另一端与摩擦板14一个端面中心通过焊接相连接，拉杆13与连接板12、摩擦板14三个部件的中心在一条线上，可实现受力均匀，同时保证封孔装置重复多次使用。

摩擦板14的端面为圆弧状，其厚度为4-6mm，圆弧度数为30-90°，高度为200-600mm。施工时，根据工程实际情况，来调整钻孔30的深度和封孔装置的长度。增加摩擦板14的长度，可以增大摩擦板14与固化的破碎剂之间的摩擦阻力。这是因为当摩擦板14深入到钻孔30底部时，随着破碎剂不断的固化，可以产生几十MPa的巨大的膨胀力，将摩擦板14强力的约束在钻孔30底部。当孔口的封口盘11受到孔口附近破碎剂轴向膨胀力作用时，底部的摩擦板14通过拉杆13对顶部的封口盘11产生一个较大的拉力，在此过程中这两种力的合力始终为零，从而实现平衡，阻止了封口盘11和整套封孔装置外移，达到封孔、防喷孔的目的。

加热器20是采用电加热方式，采用220V交流电源，其加热功率为20W-200W。电加热方式可以对破碎剂水化速度和过程进行精准控制，从而实现快速精准控制爆破。

保护套筒22与在加热棒21的顶部通过螺纹连接，保护套筒22内径与加热棒21外径相同，高度20-40mm，便于保护加热棒21接线23部位，并且防止其多次使用过程中，电缆线23容易被折断，或进入水或水蒸汽而发生漏电安全事故。因孔内的破碎剂水化后是强碱、高温和高压环境，所以加热棒21通常采用不锈钢材质，以防止在此环境下被腐蚀并长期重复使用。加热棒21的直径为5-12mm，其长度视钻孔30深度而定。加热棒21杆体在钻孔30中，要占据一定体积，过细的直径容易折断或折弯，并且加工难度增大，使用寿命缩短；因为加热棒21内的电阻丝的周围用氧化镁等耐高温材料充填，当其直径较粗时，其抗拉、抗折和抗压的强度都会受到影响，并且其导热性能下降。直径为5-12mm范围的加热棒21比较符合钻孔30大小，各种强度均能够满足工程需要。

以上是本实施例所提供的快速静态爆破装置的具体结构，下面对该装置的操作方法进行举例说明。

首先，根据工程需要，在预爆破岩石或混凝土上钻取一个直径40mm，深度1000mm的钻孔；

其次，安装控制装置的步骤为：组装好封孔器。将封口盘与拉杆通过螺纹连接好，拉杆另一端再与抗拔盘通过螺纹连接，再用螺纹紧固防脱。保证封口盘和抗拔盘的中心贯穿圆孔的轴心在一条直线上；将保护套筒与加热器的上端通过螺纹连接，确保加热器杆体的接线头被保护仓包裹。然后将加热棒依此插入并穿过封口盘和抗拔盘。再将加热器的工作电路与220V电源连接好，安装完成后待用。

第三，将水与静态破碎剂按照0.3重量比混合均匀后，在10min内灌装入已经钻取的钻孔。

第四，将安装好的快速静态爆破装置插入灌满破碎剂的钻孔中，启动加热器的电源，按照既定程序，缓慢加热。待岩石或混凝土开裂后，停止加热，拔出整套装置。

下面结合具体实施例对本发明提供的静态破碎控制装置及静态破碎方法进行说明。以下所有实施例均使用220V交流电源。

实施例

本实施例为本发明提供的快速静态爆破装置进行的静态爆破实验。

用325标号的水泥浇筑两个400mm×400mm×400mm的混凝土试件，在试件的中心预制一个直径40mm，深300mm的竖直钻孔30。养护28天，待强度达到标准时，再进行静态爆破。

根据此混凝土试件的预爆钻孔深度，设计相应规格的快速静态爆破装置。多次实验显示，因为破碎剂膨胀力和变形在竖向方向上不均匀分布，加热棒21和拉杆13的中部出现弯曲现象，因此，一般选用强度较高的材料。

为了凸显快速静态爆破装置的效能，在本实施例子中采用一组对比实验。实验时的环境最高温度为10℃，最低温度为1℃。一个使用传统静态破碎工艺，即无封孔又不加热，依靠破碎剂材料自身的缓慢水化来破碎混凝土试件。另一个采用“快速静态爆破装置”进行爆破。

实验在下午温度峰值10℃时进行实验。首先，将“快速静态爆破装置”安装好，然后接好加热电路并调试好后（不启动加热棒21）待用。

然后，将水与静态破碎剂以重量比0.3:1混合均匀后，在10分钟内，将破碎剂灌入预爆破两个试件的钻孔30内。

随后，任意挑选一个装好破碎剂浆体的试件进行快速静态爆破，然后将“快速静态爆破装置”插入到钻孔30，并上下快速小幅度振动，迫使钻孔30中的空气逸出，使得破碎剂浆体与快速静态爆破装置紧密结合。再次检查快速静态爆破实验装置，如钻孔30密封性，接线完好性等。确保正确无误后，在实验区域拉上警戒线，防止他人误入爆破区域，避免不必要的伤害。

最后，启动电源，开启加热棒21，按照既定程序进行实验。加热20min左右时，现场出现“砰”的一声，随即判断混凝土试件已被胀开，接着立即断开“快速静态爆破装置”电源，查看爆破情况。

结果发现，岩石出现的三条宏观裂纹将试件为三部分。从三条裂纹处打开其混凝土试件，破碎剂呈现白色，冒着热气，而孔口处多余的破碎剂仍呈深灰色，用手挤压时表现为塑性。而作为对比的传统静态爆破工艺的试件，没有丝毫动静，其孔口处的破碎剂颜色仍是深灰色，而固化的破碎剂颜色是白色。过了一个晚上时间后，第二天上午，历时18个小时，此试件才出现极细小的一条裂纹，到下午后，才完全开裂。

结果表明：本发明提供的快速静态爆破装置有效抑制了喷孔，大幅提高了静态破碎剂的膨胀性能与膨胀效率。封孔器10在孔口产生良好的封孔效果，使的破碎剂快速水化而导致的高压蒸汽被密封在钻孔30内。同时破碎剂在短时间内膨胀压快速增长，固气相互耦合，从而促使了混凝土试件在短时间内快速开裂。开裂后的几分钟内，裂纹宽度达到10mm左右，随即，该混凝土试件被解体。相比较传统静态爆破工艺，在时间上只是其1/40-1/20，可见，快速静态爆破装置起到了关键的作用。

Claims (11)

1.一种快速静态爆破的装置，其特征在于，包括：

封孔器(10)，

其包括：封口盘(11)、连接板（12）、拉杆(13)和摩擦板(14)，

所述的连接板(12)通过螺钉（16）紧固在所述的封口盘(11)侧面上，

所述的拉杆（13）的一端与所述的连接板（12）通过焊接连接，

所述的摩擦板(13)与所述的拉杆（13）另一端通过焊接连接，

其中，所述的封口盘(11)轴心设有一个轴向的贯穿圆孔(15)；

加热器(20)，

其包括：加热棒(21)和保护套筒(22)，

所述的保护套筒(22)设置在所述的加热棒(21)顶部，并用螺纹相连接，

其中，所述加热棒(21)插入所述的贯穿圆孔（15），与所述的封孔器(10)组成所述的快速静态爆破装置。

2.根据权利要求1所述的快速静态爆破装置，其特征在于所述的封口盘(11)为倒“凸”字形，所述的封口盘(11)下部的小直径圆柱体与钻孔(30)直径相等，而所述的封口盘(11)的上部的大直径圆柱体要比所述的钻孔(30)直径大10-40mm，用于防止所述的封孔器(10)掉入钻孔内。

3.根据权利要求1所述的封口盘(11)，其特征在于其下部小直径圆柱体高20-40mm，而上部的大直径圆柱体高为10-20mm，并在所述的封口盘(11)轴心设有一个比所述的加热棒(21)直径大0.5-1mm的轴向的所述的贯穿圆孔（15），使得所述的加热棒(21)能够自由穿过所述的贯穿圆孔（15）而不被卡住，便于拆装。

4.根据权利要求1，所述的连接板（12）的数量为2-4个，其上下端面的形状为圆弧形，其厚度为4-6mm，圆弧度数为60-120°，高度为20-40mm，并在其侧面对称性地开有两个固定螺纹孔，便与所述的封口盘（11）通过所述的螺钉（16）紧固连接。

5.根据权利要求3中所述的封口盘（11）的下部小直径圆柱体侧面开有与连接板（12）厚度、弧形角度和板高均相等、数量相同的凹槽；在每个凹槽的侧面上对称性地开有两个深度为5-10mm，直径为4-6mm螺纹孔，便于安装或拆除所述的连接板（12），同时确保所述的连接板（12）完全嵌入凹槽，使其所述的封口盘（11）下部细圆柱体与所述的连接板（12）形成一个与所述的钻孔（30）直径相等的整体。

6.根据权利要求1所述的静态爆破装置，其特征在于所述的拉杆(13)为直径4-6mm粗细的不锈钢钢丝，其一端与所述的连接板（12）下部端面的中心通过焊接相连接，另一端与所述的摩擦板（14）的上端面的中心通过焊接相连接，所述的拉杆（13）与所述的连接板（12）、所述的摩擦板（14）三个部件的中心在一条线上，可实现受力均匀。

7.根据权利要求1所述的快速静态爆破装置，其特征在于所述的摩擦板（14）的端面为圆弧状，其厚度为4-6mm，圆弧度数为30-90°，高度为200-600mm。

8.根据权利要求1所述的快速静态爆破装置，其特征在于所述的加热器（20）是采用电加热方式，其所述的加热器采用的是220V交流电源，加热功率为20W-200W。

9.根据权利要求1和权利要求8所述的加热器(20)，其特征在于所述的保护套筒(22)与在所述的加热棒(21)的顶部通过螺纹连接，所述的保护套筒(22)内径与所述的加热棒（21）外径相同，高度20-40mm，可起到保护加热棒(21)接线(23)部位，防止漏电的作用。

10.根据权利要求8和权利要求9所述的加热器(20)，其特征在于所述的加热棒(21)是不锈钢材质，其直径为5-12mm，其长度视钻孔(30)深度而定。

11.快速静爆方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在预爆破的岩石或混凝土上钻取一定数量的、直径为30mm-50mm或更大直径的、深度为1000-2000mm的钻孔(30)；

步骤二、在10min内，将一定量的按0.3水剂比均匀混合后的浆体灌入步骤一中的钻孔（30）中；

步骤三、根据钻孔（30）直径大小和钻孔深度而选择与之相匹配的封孔器(10)，然后将加热器(20)穿过封口盘(11)的所述的贯穿圆孔（15）而完成组装，再一起插入装有破碎剂浆体的钻孔（30）中，从灌浆到插入快速静态爆破装置必须在灌浆结束后的5-10min中内完成；

步骤四、待钻孔（30）中的浆体凝固10-20min后，将加热器(20)接通电源并按照既定程序进行加热，直至岩石或混凝土开裂为止，然后断开电源停止加热，取出快速静态破碎装置，预备进行下一批爆破作业。

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