CN114812283B - 一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置，包括通过螺纹连接的端头、致裂管、反应管、封孔管和连接管，所述端头设置为圆锥形，所述致裂管上设置有用于释放二氧化碳气体的射孔，所述反应管用于提供二氧化碳气体和向爆破孔内注入水，所述封孔管用于将位于后侧的爆破孔封住，防止出现泄漏，所述连接管用于增加装置的长度；还公开了一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂方法。本发明在使用时，不仅推送阻力小、结构简单、操作简单，同时能降低爆破时的粉尘，从而提高爆破效率和性能。

Description

一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置及方法

技术领域

本发明属于煤岩体致裂技术领域，具体涉及一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置及方法。

背景技术

采矿、隧道、交通、城市建设及地下工程中均涉及到爆破技术，传统的爆破方式一般是指化学炸药爆破，这种爆破方式威力大，破碎效果显著，爆破过程相对简单，爆破效率高；但是，传统化学爆破方式同样具备危险系数较高、破坏性大、不易控制、噪音和粉尘污染严重等缺点；同时，现在炸药审批程序非常严格，其在一定程度上增加了炸药的使用成本。为了有效解决化学炸药所造成的相关问题，现有技术中，采用一种物理爆破方式—二氧化碳爆破，这种爆破方式的原理是通过给爆破装置内部充入液态二氧化碳，并通过加热方式是液态二氧化碳瞬间转化为气态二氧化碳，体积膨胀600多倍，瞬间释放的气体膨胀能使钻孔周边煤岩体致裂，从而起到与炸药爆破相同的效果。

目前，现有的二氧化碳致裂装置存在以下缺点：1)现有二氧化碳致裂装置多为管状，由于钻孔内部含有煤岩体的碎渣，随着二氧化碳致裂装置在钻孔内的不断推进，其阻力越来越大，不方便在钻孔内推送；2)二氧化碳致裂装置致裂装置在爆破时一般不设置封孔装置，导致二氧化碳由液态转变为气态时所产生的气体膨胀能出现泄漏，从而大大降低了其致裂效果，并且还存在将致裂装置及后方连接的推进管一起推出孔外损坏相关设备的危险；3)煤岩体受到爆破冲击后就会产生粉尘，对于粉尘危害比较严重的工作面而言，即使是二氧化碳致裂也会恶化现场施工环境；4)现有二氧化碳致裂装置内部的加热管只能对装置内部液态二氧化碳进行局部加热，导致装置内部液态二氧化碳受热不均匀，从而降低二氧化碳致裂装置的爆破效果；5)现有二氧化碳致裂装置的起爆线，在推送过程中一般需要放置在推送管的内部(穿过推送管)，导致连接推送管操作比较麻烦，而起爆线若是放置在推送管的外部，在整个装置推送过程中又容易将其损坏。

发明内容

本发明拟提出一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置，推送阻力小、结构简单、操作简单，同时能降低爆破时的粉尘，从而提高爆破效率和性能。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置，包括通过螺纹连接的端头、致裂管、反应管、封孔管和连接管，所述端头设置为圆锥形，所述致裂管上设置有用于释放二氧化碳气体的射孔，所述反应管用于提供二氧化碳气体和向爆破孔内注入水，所述封孔管用于将位于后侧的爆破孔封住，防止出现泄漏，所述连接管用于增加装置的长度。

作为上述方案的优选，所述致裂管内沿轴线设置有供气体通过的致裂过孔，所述射孔沿致裂管的直径设置，且一端与致裂过孔相通，另一端穿透致裂管的外壁；所述反应管内设置有用于存储二氧化碳的储存室，所述储存室的前端与致裂过孔之间通过泄能片隔开，所述储存室外设置有能对储存室进行加热的加热组件，所述储存室的后端配有能向储存室内充入液态气体的充装口，所述反应管的后端设置有出水口，所述出水口配有能向出水口内注入液体的注液管；所述封孔管的中部外套装有高压胶囊，所述高压胶囊上配有能向高压胶囊充入气体或液体的高压管。

进一步优选，所述加热组件包括呈环形的加热环，所述加热环呈螺旋状设置在储存室内，所述加热环配有用于通电控制加热的加热线，当加热环在被加热后，能对储存室内的液态气体进行加热，使其汽化变成气态，当储存室内气体压力达到泄能片的极限后，会冲破泄能片，进入到致裂过孔内从射孔中射出，完成爆破。

进一步优选，所述封孔管内设置有供管道或电线经过的管线孔，所述连接管的外侧沿轴线设置有供管线通过的连接缺槽，所述连接缺槽与管线孔之间通过过线孔连通，所述连接缺槽上配有连接密封盖，所述连接缺槽上设置有连接凹槽，所述连接密封盖上对应连接凹槽的位置处设置有连接凸起，当连接凸起位于连接凹槽内时，连接密封盖盖在连接缺槽上。

进一步优选，所述端头材质为耐磨的金属材料，所述致裂管和反应管的材质均为抗压的金属材料，所述连接管材质为具有一定强度的塑料。

同时还公开了一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂的方法，基于上述的爆破冲击装置，能进行二氧化碳致裂的气水耦合致裂，所述基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂包括以下步骤：

S1：爆破孔的施工，根据爆破设计在煤岩体上施工爆破孔，且爆破孔的直径大于致裂装置的直径，完成爆破孔的加工后，对爆破孔进行冲洗；

S2：致裂装置的组装和放入，通过推送组件将致裂管移动到爆破孔内的爆破点时；

S3：进行爆破，先使高压胶囊膨胀，完成反应管后端的封孔，然后通过注液管向爆破孔内注入水，由于射孔的存在，部分水进入到致裂过孔中，从而在爆破时实现能量传递和降尘的作用，注水完成后，然后加热组件工作，对储存室内的液态气体进行加热，完成起爆；

S4：对高压胶囊进行卸压，然后在推送组件的作用下按顺序，将致裂装置拉出爆破孔，从而完成致裂装置的回收。

进一步优选，在S2中，通过推送组件依次将端头、致裂管、反应管、封孔管和连接管送入到爆破孔内，并且在送入过程中，将各个管道和加热线放置在相应位置。

本发明的有益效果：

1)设置有圆锥形的端头，能有效减少整个装置在爆破孔内进行推进时受到的阻力，从而方便装置进入到爆破孔内；

2)释放气体与提供气体的管道分开设置，便于更换释放气体的管道，从而能根据实际需要选择不同长度、不同布置方式的射孔；同时通过增减连接管的数量，能改变整个致裂装置的长度，使其能适应不同环境下不同深度的爆破孔；

3)在爆破前向爆破孔的爆破段内注入水，将水作为爆破能的载体，利用水的不可压缩性，减少爆破能量损耗，并且设置有封孔管，其能防止爆破能量泄漏，从而使爆炸能量能被充分传递进而作用在煤岩体上；同时利用水的流动性，在爆炸后，水携带巨大的能量作用与煤岩体，形成“尖劈”效应，从而能促使爆炸生成的裂隙进行扩展和延伸；

4)封孔管的封孔采用高压胶囊的形式，能实现封孔管的再利用，从而降低爆破成本；

5)连接管为一定强度的塑料，重量较小，并且连接管上设置有放置致裂管和反应管外接管线的沟槽和密封盖，从而方便保护和固定致裂管和反应管的外接管线。

附图说明

图1为本发明中致裂装置的示意图。

图2为图1中M-M的剖视放大图。

图3为本发明安装在爆破孔内的示意图。

附图标记说明：1-端头、2-致裂管、201-射孔、202-致裂过孔、3-反应管、301-储存室、302-泄能片、303-充装口、304-出水口、305-注液管、306-加热环、307-加热线、4-封孔管、401-高压胶囊、402-高压管、403-管线孔、5-连接管、501-连接缺槽、502-过线孔、503-连接密封盖、504-连接凹槽、505-连接凸起、6-爆破孔、7-推送组件、8-手动加压泵、9-注水组件、10-起爆器。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1-3所示，一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置，主要由端头1、致裂管2、反应管3、封孔管4和连接管5组成，且端头1、致裂管2、反应管3、封孔管4和连接管5之间通过螺纹连接，其中在致裂管2上设置有用于释放二氧化碳气体的射孔201，反应管3用于提供二氧化碳气体和向爆破孔内注入水，封孔管4用于将位于后侧的爆破孔封住，防止出现泄漏，连接管5用于增加装置的长度。为方便整个装置在爆破孔6内的推进，将端头1设置为圆锥形，且采用耐磨的金属材料，方便多次使用，为减轻重量，端头1可采用中空结构。

在致裂管2内沿轴线设置有供气体通过的致裂过孔202。最好是，射孔201沿致裂管2的直径设置，且一端与致裂过孔202相通，另一端穿透致裂管2的外壁。由于高压气体经致裂过孔202后从射孔201射出，因此整个致裂管2的材料为抗压的金属材料。最好是致裂过孔的直径大于射孔的直径，从而便于形成射流状态，加快从射孔中射出气体的流速，便于对爆破孔形成致裂。

在反应管3内设置有用于存储二氧化碳的储存室301，且储存室301的前端与致裂过孔202之间通过泄能片302隔开，在储存室301外设置有能对储存室301进行加热的加热组件，在反应管3的后端设置有出水口304，且出水口304配有能向出水口304内注入液体的注液管305。为方便储存室内液态气体的补充，在储存室301的后端配有能向储存室301内充入液态气体的充装口303，也可设置为在储存室301的后端配有带单向阀的充液管。由于储存室301内出现压力的增加，因此，整个反应管的材质采用抗压的金属材料。

本实施例中，还可将泄能片302设置为单向电磁阀，同时在储存室301内设置有压力传感器，当储存室301内压力达到一定值后，打开单向电磁阀，从而形成爆破致裂。

在封孔管4的中部外套装有高压胶囊401，且高压胶囊401上配有能向高压胶囊401充入气体或液体的高压管402。最好是，在封孔管4的中部外侧设置有环形槽，高压胶囊401刚好位于环形槽内，能在高压胶囊被注液膨胀时，防止其沿封孔管4的轴向移动。为确定是否形成封孔状态，在高压胶囊401内设置有压力传感器。

加热组件的具体结构包括呈环形的加热环306，加热环306呈螺旋状设置在储存室301内，且加热环306配有用于通电控制加热的加热线307。由于加热环306呈螺旋状设置在储存室301外，在加热时，便于均匀加热。当加热环306在被加热后，能对储存室301内的液态气体进行加热，使其汽化变成气态，当储存室301内气体压力达到泄能片302的极限后，会冲破泄能片302，进入到致裂过孔202内再从射孔201中射出，完成爆破。

为方便对加热线和注液管，在爆破孔内推进时进行保护防止磨损，在封孔管4内设置有供管道或电线经过的管线孔403，同时在连接管5的外侧沿轴线设置有供管线通过的连接缺槽501，且连接缺槽501与管线孔403之间通过过线孔502连通，同时在连接缺槽501上配有连接密封盖503。为方便将连接密封盖503固定在连接缺槽501上，在连接缺槽501上设置有连接凹槽504，连接密封盖503上对应连接凹槽504的位置处设置有连接凸起505，当连接凸起505位于连接凹槽504内时，连接密封盖503固定盖在连接缺槽501上。同时连接凸起505也可设置为连接密封凹槽，在连接密封凹槽和连接凹槽内设置有密封圈。

在本实施例中，为减少整个装置的重量，连接管5材质选用为具有一定强度的塑料，或者可在连接管5内设置有减重通孔。

基于上述的基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置，还包括一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂方法，其具体包括以下步骤：

第一步：爆破孔6的施工，根据爆破设计在煤岩体上施工爆破孔6，且爆破孔6的直径大于致裂装置的直径，完成爆破孔6的加工后，对爆破孔6进行冲洗。

第二步：致裂装置的组装和放入，通过推送组件7将致裂管2移动到爆破孔6内的爆破点时。在整个装置进行推送时，需要通过推送组件7依次将端头1、致裂管2、反应管3、封孔管4和连接管5送入到爆破孔6内，并且在送入过程中，将各个管道和加热线放置在相应位置，在推送时，采用的是边推送边连接的方式。在致裂管2被推送到位后，将穿出爆破孔的注液管305与注水组件9手动加压泵8连接，高压管402与手动加压泵8连接，加热线307与起爆器10电连接

第三步：进行爆破，具体包括以下步骤：

1、封孔，通过手动加压泵8向高压胶囊401内注入液体，使高压胶囊401膨胀，使其膨胀压力不小于20MPa具体膨胀压力可根据实际需要进行试验和调整，从而完成反应管3后端的封孔。

2、注液，通过注水组件9向爆破孔6被封孔的前端内注入水，由于致裂管上射孔202的存在，使得从出水口304流出的部分水将进入到致裂过孔202中，在注水过程中密切观察注水压力的变化，当注水压力达到1MPa时，停止注水，注水的目的是让致裂管2被水覆盖，从而方便爆破时借助水实现爆破能量的传递和降尘作用。

3、起爆，让起爆器通过加热线，控制加热环进行加热，热量被传递到储存室内，使储存室301内的液态气体汽化成气态，当储存室301内气体压力达到泄能片302的极限后，会冲破泄能片302，进入到致裂过孔202内再从射孔201中射出，完成爆破。

第四步：对高压胶囊401进行卸压，然后在推送组件7的作用下按顺序，将致裂装置拉出爆破孔，从而完成致裂装置的回收。

Claims (5)

1.一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置，其特征在于：包括通过螺纹连接的端头（1）、致裂管（2）、反应管（3）、封孔管（4）和连接管（5），所述端头（1）设置为圆锥形，所述致裂管（2）上设置有用于释放二氧化碳气体的射孔（201），所述反应管（3）用于提供二氧化碳气体和向爆破孔内注入水，所述封孔管（4）用于将位于后侧的爆破孔封住，防止出现泄漏，所述连接管（5）用于增加装置的长度；

所述致裂管（2）内沿轴线设置有供气体通过的致裂过孔（202），所述射孔（201）沿致裂管（2）的直径设置，且一端与致裂过孔（202）相通，另一端穿透致裂管（2）的外壁；所述反应管（3）内设置有用于存储二氧化碳的储存室（301），所述储存室（301）的前端与致裂过孔（202）之间通过泄能片（302）隔开，所述储存室（301）外设置有能对储存室（301）进行加热的加热组件，所述储存室（301）的后端配有能向储存室（301）内充入液态气体的充装口（303），所述反应管（3）的后端设置有出水口（304），所述出水口（304）配有能向出水口（304）内注入液体的注液管（305）；所述封孔管（4）的中部外套装有高压胶囊（401），所述高压胶囊（401）上配有能向高压胶囊（401）充入气体或液体的高压管（402）；

所述封孔管（4）内设置有供管道或电线经过的管线孔（403），所述连接管（5）的外侧沿轴线设置有供管线通过的连接缺槽（501），所述连接缺槽（501）与管线孔（403）之间通过过线孔（502）连通，所述连接缺槽（501）上配有连接密封盖（503），所述连接缺槽（501）上设置有连接凹槽（504），所述连接密封盖（503）上对应连接凹槽（504）的位置处设置有连接凸起（505），当连接凸起（505）位于连接凹槽（504）内时，连接密封盖（503）盖在连接缺槽（501）上。

2.根据权利要求1所述的基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置，其特征在于：所述加热组件包括呈环形的加热环（306），所述加热环（306）呈螺旋状设置在储存室（301）内，所述加热环（306）配有用于通电控制加热的加热线（307），当加热环（306）在被加热后，能对储存室（301）内的液态气体进行加热，使其汽化变成气态，当储存室（301）内气体压力达到泄能片（302）的极限后，会冲破泄能片（302），进入到致裂过孔（202）内从射孔（201）中射出，完成爆破。

3.根据权利要求1所述的基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置，其特征在于：所述端头（1）材质为耐磨的金属材料，所述致裂管（2）和反应管（3）的材质均为抗压的金属材料，所述连接管（5）材质为具有一定强度的塑料。

4.一种基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂方法，其特征在于：包括权利要求1-3中任一所述的基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂装置，其步骤为：

S1：爆破孔（6）的施工，根据爆破设计在煤岩体上施工爆破孔（6），且爆破孔（6）的直径大于致裂装置的直径，完成爆破孔（6）的加工后，对爆破孔（6）进行冲洗；

S2：致裂装置的组装和放入，通过推送组件（7）将致裂管（2）移动到爆破孔（6）内的爆破点时；

S3：进行爆破，先使高压胶囊（401）膨胀，完成反应管（3）后端的封孔，然后通过注液管（305）向爆破孔（6）内注入水，由于射孔（201）的存在，部分水进入到致裂过孔（202）中，从而在爆破时实现能量传递和降尘的作用，注水完成后，然后加热组件工作，对储存室（301）内的液态气体进行加热，完成起爆；

S4：对高压胶囊（401）进行卸压，然后在推送组件（7）的作用下按顺序，将致裂装置拉出爆破孔，从而完成致裂装置的回收。

5.根据权利要求4所述的基于二氧化碳致裂的气水耦合致裂方法，其特征在于：在S2中，通过推送组件（7）依次将端头（1）、致裂管（2）、反应管（3）、封孔管（4）和连接管（5）送入到爆破孔（6）内，并且在送入过程中，将各个管道和加热线放置在相应位置。