CN114396836B - 一种基于多相爆轰的破岩爆破筒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多相爆轰的破岩爆破筒。涉及爆炸装药领域，该基于多相爆轰的破岩爆破筒，包括密封顶帽、高压驱动段与密封底帽，所述高压驱动段内设置有可燃固体与高压助燃气体，所述密封顶帽密封所述高压驱动段的上端，所述密封底帽密封所述高压驱动段的下端，且所述密封底帽与高压驱动段之间设置有金属膜片，所述密封底帽的表面开设有泄压孔，所述泄压孔与高压驱动段内的高压助燃气体之间通过金属膜片隔离，所述密封顶帽连接有点火结构，所述点火结构可点燃所述可燃固体；该基于多相爆轰的破岩爆破筒，制备简易，操作方便，使用灵活，成本低廉，安全性高，且使用后，不产生有毒有害气体，便于推广使用。

Description

一种基于多相爆轰的破岩爆破筒

技术领域

本发明属于爆破筒技术领域，具体涉及一种基于多相爆轰的破岩爆破筒。

背景技术

现如今，无论是道路修建还是能源开采之类的大型作业，经常会遇到需要破岩的工况，尤其是在能源开采领域，大规模破岩有时是不可避免的。而在破岩领域，雷管与炸药作为被广泛使用的器材，有着效率高、成本低等优点。但大规模爆破作业存在很多负面问题。如：爆破振动大、会产生粉尘及有害气体、飞石以及噪声等问题。最重要的是炸药危险性较高，根据民间爆破安全管理条例，很多作业场合都对TNT、黑索金等高威力炸药做出了限制和禁止，同时也因为炸药危险性较高，在生产、运输、储存等过程都需要耗费大量人力物力，而一旦监管不当就有可能给人民的生命财产带来重大的损失。因为炸药存在的这些问题，目前破岩领域的探索都倾向于尽量避免炸药的使用而又达到相应的效果，即非炸药破岩技术。

目前，非炸药破岩方法主要分为机械类破岩方法、物化做功类破岩方法以及电器设备类破岩方法三类。相对于炸药破岩，这三种破岩方法在安全环保上都具有很大优势，但不可避免的存在效率低、成本高的问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种相对炸药爆破更加安全，且具有来源广泛、价格低廉以及反应不产生有毒有害气体等优点的基于多相爆轰的破岩爆破筒。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于多相爆轰的破岩爆破筒，包括密封顶帽、高压驱动段与密封底帽，所述高压驱动段内设置有可燃固体与高压助燃气体，所述密封顶帽密封所述高压驱动段的上端，所述密封底帽密封所述高压驱动段的下端，且所述密封底帽与高压驱动段之间设置有金属膜片，所述密封底帽的表面开设有泄压孔，所述泄压孔与高压驱动段内的高压助燃气体7之间通过金属膜片隔离，所述密封顶帽连接有点火结构，所述点火结构可点燃所述可燃固体；

该爆破筒内可燃固体的质量分布为：

m（x）=（0.8+0.4x/L）λPVM/22.4µ；

式中，L为可燃物填充长度，x为可燃物距点火点的距离，m为高压驱动段中添加的可燃固体的质量；V为高压驱动段内的体积；P为欲充压力；M为可燃固体的相对分子质量，λ为助燃气体占所充气体百分比；µ为助燃气体与可燃固体完全反应的物质的量的比。

作为本发明的进一步优化方案，所述点火结构包括点火引线，所述点火引线的一端从所述密封顶帽伸出，所述点火引线的另一端连接有点火桥丝。

作为本发明的进一步优化方案，所述点火桥丝的表面缠绕有金属纤维。

作为本发明的进一步优化方案，所述可燃固体为蓬松、多孔的可燃材质。

作为本发明的进一步优化方案，所述密封顶帽内还设置有单向阀，所述单向阀的出气端与所述高压驱动段的内部连通。

作为本发明的进一步优化方案，所述高压驱动段的内部设置有固定台，所述固定台的底面与金属膜片挤压接触，所述固定台的内径小于高压驱动段的内径。

一种基于多相爆轰的破岩爆破筒的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，将高压驱动段与密封底帽密封配合，固定金属膜片；

步骤S2，向高压驱动段内填充可燃固体；

步骤S3，将高压驱动段与密封顶帽密封配合；

步骤S4，向高压驱动段内充入高压助燃气体，完成制备；

其中，步骤S1与步骤S2的顺序不受限制。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S2，将高压驱动段分为若干段，基于下述公式，对若干段进行填充；

m（x）=（0.8+0.4x/L）λPVM/22.4µ；

其中，L为可燃物填充长度，x为可燃物距点火点的距离，m为高压驱动段中添加的可燃固体的质量；V为高压驱动段内的体积；P为欲充压力；M为可燃固体的相对分子质量，λ为助燃气体占所充气体百分比；µ为助燃气体与可燃固体完全反应的物质的量的比。

本发明的有益效果在于：本发明通过棉纤维等可燃固体爆燃快速提高高压驱动段压力，并通过压力差实现金属膜片的破膜，从而形成高压冲击波并通过泄压孔作用于岩体，进而在岩体内部形成裂缝与孔洞并使裂缝不断扩展、贯通，最终达到破岩效果；

本发明采用棉纤维等可燃固体，由于其比表面积很大且蓬松多孔，非常易于燃烧，因此在密闭容器且氧气充足的条件下，极大概率发生爆燃，当管道较长时甚至可转化为爆轰，瞬间生成大量气体同时放出大量热，使得金属膜片破膜，同时棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等可燃固体相对炸药非常安全，且具有来源广泛、价格低廉以及反应不产生有毒有害气体等优点；

本发明通过棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等可燃固体爆燃破膜，形成高压冲击波作用于岩体，从而达到破岩效果，避免了传统炸药破岩中炸药的使用，大大提高了破岩作业过程中的安全性，同时相对于传统炸药破岩，该发明破岩后反应物无残留且不会产生有毒有害气体；相对于其他非炸药破岩方法，棉纤维等可燃固体成本也更低廉同时破岩效率也更高；同时由于棉纤维等可燃固体蓬松多孔，可附着酒精等液体燃料从而提高能量密度，便于破岩使用。

附图说明

图1为本发明整体装置组合剖面图。

图2为本发明密封顶帽剖面图。

图3为本发明密封底帽剖面图。

图4为本发明方法流程示意图。

图中：1、单向阀；2、点火引线；3、点火桥丝；4、铝纤维；5、吊环；6、可燃固体；7、高压助燃气体；8、固定台；9、金属膜片；10、泄压孔。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如图1至图3所示，一种基于多相爆轰的破岩爆破筒，包括密封顶帽、高压驱动段与密封底帽，高压驱动段内设置有可燃固体6与高压助燃气体7，密封顶帽密封高压驱动段的上端，密封底帽密封高压驱动段的下端，并且，密封底帽与高压驱动段之间设置有金属膜片9，密封底帽的表面开设有泄压孔10，泄压孔10与高压驱动段内的高压助燃气体7之间通过金属膜片9隔离，密封顶帽连接有点火结构，点火结构可点燃可燃固体6。

其中，泄压孔10的一端一般开设于爆破筒的侧壁面，该爆破筒在点火后，在高压驱动段内形成高压，实现金属膜片9破膜，从而形成高压冲击波，通过泄压孔10作用于岩体从而实现破岩效果。

点火结构可以选择现有的点火机构，但为了更好的使本实施例中的爆破筒内的可燃固体6燃烧，在此，点火结构包括点火引线2，点火引线2的一端从密封顶帽伸出，点火引线2的另一端连接有点火桥丝3，点火桥丝3位于高压驱动段内。其中，点火引线2如图所示，采用两根的形式，将点火桥丝3连接在两根点火桥丝3之间，在实际的使用中，可以通过焊接的方式将点火桥丝3与点火引线2固定，并缠绕少量铝纤维4，来提高点火温度，稳定点火。其中，铝纤维4也可以用其他金属纤维替代，满足可被电火花和熔融桥丝点燃并快速放出大量热的要求即可，最佳的，选用铝纤维，其便于被点燃快速释放热量。

进一步的，可燃固体6为蓬松、多孔的可燃材质。

具体的，可燃固体6为棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等，尽可能选择比表面积很高的材质，其在氧气充足的密闭容器内点火会形成爆燃乃至爆轰，瞬间放出大量热并生成大量气体；在本实施例中选用棉纤维来进行展示说明，在实际的使用中，还可以选用木粉等价格更加低廉的可燃固体替代。

具体的，密封顶帽内还设置有单向阀1，单向阀1的出气端与高压驱动段的内部连通；使用时，通过单向阀1向高压驱动段内充入气体。

以棉纤维为例，经过多次试验结果显示，该爆破筒内的当量比函数为：f（x）=0.8+0.4x/L时，能够确保棉纤维被稳定点燃并实现破膜，且破岩效果要优于均匀填充；其中，式中L为可燃物填充长度，x为可燃物距点火点的距离。原因在于，可燃物能否点火成功温度起最主要作用，当量比越低，可燃物越少，单位可燃物吸热越多，更易达到燃点从而燃烧；而在点火点处热量有限，采用低当量比温度和氧气含量更高，更利于成功点火；而在高压驱动段后段热量充足，在较高当量比的条件下仍能维持燃烧的传播，同时生成更多能量，提高破岩效果。

上述当量比函数虽然以棉纤维为例，但其同样适用其他材质的可燃固体6。

高压驱动段的内部设置有固定台8，固定台8的底面与金属膜片9挤压接触，固定台8的内径小于高压驱动段的内径。

一般的，可以将金属膜片固定在高压驱动段的固定台8上，固定台内径略小于高压驱动段内径，这是因为为平衡高压驱动段（相当于管道）内气体，在生成爆轰波的同时会在紧跟随爆轰波的地方生成Taylor稀疏波，同时破膜也会生成稀疏波，两稀疏波的叠加造成稀疏波能够追赶上激波，从而使激波衰减迅速，作用时间减少，破岩效果减弱。而通过固定台的台阶反射一部分爆轰波用于抵消随后的Taylor稀疏波，就会减弱甚至避免这种问题，从而提高破岩效果。

高压助燃气体7为高压空气或氧气，该助燃气体经济便宜，效果好。

以棉纤维为例，分子式取纤维的分子式(C₆H₁₀O₅)_n,则反应方程式为：

；

根据概率密度函数可确定填充棉纤维质量，并由反应方程式可确定氧气的摩尔质量。进而可根据标准情况下1mol气体体积为22.4升及装置体积近似计算所充氧气或空气的压力，或可根据欲充压力计算棉纤维的质量分布，从而提高材料利用率。具体关系式如下：

m=λPVM/22.4µ；

由关系式可求得填充可燃固体与氧气或空气的对应关系。进一步的可以得到管道内可燃固体的质量分布：

m（x）=（0.8+0.4x/L）m；

其中，m为高压驱动段中添加的可燃固体的质量（kg）；V为高压驱动段内的体积（L）；P为欲充压力（bar）；M为可燃固体的相对分子质量（kg/mol），λ为所充气体氧气含量（在本实施例中纯氧λ=1；空气λ=0.21）；µ为氧气与可燃固体的物质的量的比。

在本实施例中，密封顶帽与高压驱动段、密封底帽与高压驱动段均为螺纹连接。

通过密封顶帽处的点火引线点火，由于棉纤维比表面积大且易燃，在氧气充足且密闭的环境下会形成爆燃，瞬间放出大量热并生成大量气体，快速提高高压驱动段压力，从而达到破膜效果。在破膜瞬间会形成高压冲击波，通过泄压孔作用于岩石内部，从而在岩石上形成裂缝和孔洞，裂缝逐渐扩展贯通最终达到破岩效果。

可通过提高装置强度、添加酒精等可燃液体或增加高压驱动段内棉纤维和氧气、增加金属膜片厚度或换用强度更高的金属膜片等方法来提高冲击波强度从而提高破岩威力；可通过将多个装置间隔一定距离并联排布，对其同时充气以及同时点燃，从而达到大面积破岩效果，提高破岩效率。

进一步的，参考图1，爆破筒整体呈圆柱形，高压驱动段上端和下端内壁存在螺纹，在下端存在平滑固定台8，密封顶帽和密封底帽外壁具有螺纹，密封底帽上有十字型泄压孔10。在本实施例中装置尺寸如下：高压驱动段长度为115cm，内径28mm，壁厚7mm，高压驱动段体积约为0.7L；泄压孔直径19mm。

参考图2，单向阀1、点火引线2、吊环5安装在密封帽顶端，点火桥丝3焊接在点火引线2上，并将少许铝纤维4缠绕在点火桥丝3上。参考图1，将棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等可燃固体6填充在高压驱动段内，在实际操作中，很难将质量填充完美符合质量分布函数，采用分段添加的方法：将装置分为数段，在每一段填充均匀填充对质量分布函数在该段积分得到的总质量；参考图1，将金属膜片9放置在固定台8处。棉纤维分子式取纤维的分子式(C₆H₁₀O₅)_n，则可通过反应方程式计算棉纤维质量和所充高压氧气或高压空气间的对应关系。在本实施例中，采用15g棉纤维作为填充物6，金属膜片9采用1mm厚的铝片。

参考图1，将密封顶帽、高压驱动段、密封底帽通过螺纹紧密连接，使得密封底帽与固定台8可以将金属膜片9紧密固定，使得高压驱动段密封。将该安全破岩装置安放在岩体内，使得泄压孔10朝向欲破岩方向。通过单向阀1向高压驱动段内充入高压氧气或高压空气7，通过点火引线2点火破岩。在本实施例中充入2MPa氧气。

具体实验时，试件为整体为呈圆柱型的混凝土块，高20cm，直径20cm。在试件中心存在一个深15cm，内径5cm的孔洞，试验时将密封底帽端伸入孔洞中。试件在2MPa氧气、15g棉纤维的条件下试件完全破碎，泄压孔处压力达到10-11MPa，15g棉纤维完全反应无残留且空气中没有棉纤维燃烧的味道。

实施例2

参考实施例1，装置尺寸、试件、金属膜片及操作流程等均不变，仅将填充物更改为1.5MPa氧气和12g棉纤维。

结果表明在12g棉纤维、1.5MPa氧气的条件下，试件底部完全破碎，试件侧壁碎裂为三部分。在试验中相当一部分气体及能量从四周及孔洞耗散掉了，而在实际应用中，装置会深入岩石内部同时会对孔隙进行填塞，使得能量耗散更低。即相同条件下实际应用作用效果会更好。

实施例3

如图4所示，一种基于多相爆轰的破岩爆破筒的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，将高压驱动段与密封底帽密封配合，固定金属膜片9；

步骤S2，向高压驱动段内填充可燃固体6；

步骤S3，将高压驱动段与密封顶帽密封配合；

步骤S4，向高压驱动段内充入高压助燃气体，完成制备；

其中，步骤S1与步骤S2的顺序不受限制。

在该方法的实际使用中，需要说明的是，高压驱动段与密封底帽、密封顶帽的连接包括但不限于螺纹连接、焊接等方式，其中的可燃固体6可以选择棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等蓬松、多孔、比表面积很高的可燃固体6，高压助燃气体一般选择高压空气与高压氧气。

步骤S2，将高压驱动段分为若干段，基于下述公式，对若干段进行填充；

m（x）=（0.8+0.4x/L）λPVM/22.4µ；

其中，L为可燃物填充长度，x为可燃物距点火点的距离，m为高压驱动段中添加的可燃固体的质量；V为高压驱动段内的体积；P为欲充压力；M为可燃固体的相对分子质量，λ为所充气体氧气含量；µ为氧气与可燃固体的物质的量的比。

在实际的使用中，在分段填充的实际操作中，棉纤维等特别蓬松的不需考虑爆破筒立起时，可燃固体6掉落的情况，而在使用木粉等松散的可燃固体6时，可用0.2-0.8mm铝箔包裹约束，同时铝箔可作为含能材料参与反应。

综上实施例所述，本发明通过棉纤维等可燃固体爆燃快速提高高压驱动段压力，并通过压力差实现金属膜片的破膜，从而形成高压冲击波并通过泄压孔作用于岩体，进而在岩体内部形成裂缝与孔洞并使裂缝不断扩展、贯通，最终达到破岩效果；

本发明采用棉纤维等可燃固体，由于其比表面积很大且蓬松多孔，非常易于燃烧，因此在密闭容器且氧气充足的条件下，极大概率发生爆燃，当管道较长时甚至可转化为爆轰，瞬间生成大量气体同时放出大量热，使得金属膜片破膜，同时棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等可燃固体相对炸药非常安全，且具有来源广泛、价格低廉以及反应不产生有毒有害气体等优点；

本发明通过棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等可燃固体爆燃破膜，形成高压冲击波作用于岩体，从而达到破岩效果，避免了传统炸药破岩中炸药的使用，大大提高了破岩作业过程中的安全性，同时相对于传统炸药破岩，该发明破岩后反应物无残留且不会产生有毒有害气体；相对于其他非炸药破岩方法，棉纤维等可燃固体成本也更低廉同时破岩效率也更高；同时由于棉纤维等可燃固体蓬松多孔，可附着酒精等液体燃料从而提高能量密度，便于破岩使用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于多相爆轰的破岩爆破筒，其特征在于，包括密封顶帽、高压驱动段与密封底帽，所述高压驱动段内设置有可燃固体与高压助燃气体，所述密封顶帽密封所述高压驱动段的上端，所述密封底帽密封所述高压驱动段的下端，且所述密封底帽与高压驱动段之间设置有金属膜片，所述密封底帽的表面开设有泄压孔，所述泄压孔与高压驱动段内的高压助燃气体之间通过金属膜片隔离，所述密封顶帽连接有点火结构，所述点火结构可点燃所述可燃固体；

该爆破筒内可燃固体的质量分布为：

m（x）=（0.8+0.4x/L）λPVM/22.4µ；

式中，L为可燃物填充长度，x为可燃物距点火点的距离，m为高压驱动段中添加的可燃固体的质量；V为高压驱动段内的体积；P为欲充压力；M为可燃固体的相对分子质量，λ为助燃气体占所充气体百分比；µ为助燃气体与可燃固体完全反应的物质的量的比；

所述可燃固体为蓬松、多孔的可燃材质。

2.根据权利要求1所述的一种基于多相爆轰的破岩爆破筒，其特征在于：所述点火结构包括点火引线，所述点火引线的一端从所述密封顶帽伸出，所述点火引线的另一端连接有点火桥丝。

3.根据权利要求2所述的一种基于多相爆轰的破岩爆破筒，其特征在于：所述点火桥丝的表面缠绕有金属纤维。

4.根据权利要求1所述的一种基于多相爆轰的破岩爆破筒，其特征在于：所述密封顶帽内还设置有单向阀，所述单向阀的出气端与所述高压驱动段的内部连通。

5.根据权利要求1所述的一种基于多相爆轰的破岩爆破筒，其特征在于：所述高压驱动段的内部设置有固定台，所述固定台的底面与金属膜片挤压接触，所述固定台的内径小于高压驱动段的内径。

6.一种基于权利要求1所述的多相爆轰的破岩爆破筒的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1，将高压驱动段与密封底帽密封配合，固定金属膜片；

步骤S2，向高压驱动段内填充可燃固体；

步骤S3，将高压驱动段与密封顶帽密封配合；

步骤S4，向高压驱动段内充入高压助燃气体，完成制备；

其中，步骤S1与步骤S2的顺序不受限制；

所述步骤S2，将高压驱动段分为若干段，基于下述公式，对若干段进行填充；

m（x）=（0.8+0.4x/L）λPVM/22.4µ；

其中，L为可燃物填充长度，x为可燃物距点火点的距离，m为高压驱动段中添加的可燃固体的质量；V为高压驱动段内的体积；P为欲充压力；M为可燃固体的相对分子质量，λ为助燃气体占所充气体百分比；µ为助燃气体与可燃固体完全反应的物质的量的比。

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