CN115522591A - 一种利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备及破岩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备及破岩方法，包括船体、气体发生装置和软岩破裂机具，气体发生装置设置于船首甲板下方，气体发生装置通过气体输送通道与软岩破裂机具相连，气体输送通道装设在桥架上，软岩破裂机具设置在桥架下端，桥架用于带动软岩破裂机具移动；软岩破裂机具包括联动系统、岩体破裂系统和气体膨胀系统，联动系统的一侧与桥架可转动连接，联动系统内设置有可上下运动的回转机构，回转机构与岩体破裂系统相连，气体膨胀系统与岩体破裂系统相连。本发明利于水下软岩类底床疏浚施工，利用气体相态改变产生冲击力促使岩石裂纹扩展进行破岩，对疏浚施工环保要求的适用性良好，为软岩床疏浚提供了新思路。

Description

一种利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备及破岩方法

技术领域

本发明涉及疏浚工程软岩挖掘施工技术领域，特别是涉及一种利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备及破岩方法。

背景技术

在大型疏浚工程领域，对于淤泥和沙质底床的疏浚，目前已经有比较成熟的工艺。但对于页岩、泥岩等软岩类底床，疏浚工艺尚不完善，通常情况下，先采用水下爆破的方式先行破碎岩石，再采用专业船舶进行疏浚施工。然而，随着国内外环保意识的持续加强，水下爆破技术的应用范围不断缩小，针对岩石类底床的疏浚工艺亟待创新。

岩石是一种含有裂纹、裂隙等多种细观缺陷的混合物质，其破坏过程包括弹性阶段和塑性阶段。在外力作用下，岩石会产生变形，根据能量守恒原理，外力所做的功将转换为一种能量，储存在岩石内部，这种能量称为应变能，而单位体积内的应变能则称为应变能密度。根据第四强度理论，当岩石内应变能密度大于临界值时，其内部裂纹、裂隙将产生不可逆的演化，使岩石强度降低。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备及破岩方法，该装备以常规的环保绞吸船为模型，通过桥架移动带动软岩破裂机具移动，使软岩破裂机具能够对岩体进行垂向加压，结合软岩破裂机具自身的回转功能，实现对水下岩土的开孔；在开孔完成后，该装备通过气体发生装置将膨胀性气体输送至软岩破裂机具内，并通过机具将气体注入岩体内部；气体注入岩土的过程中，相态发生改变，产生冲击能，促使岩石内部裂纹扩展，引起岩体强度降低。该装备适用于水下破碎页岩、泥岩等较软岩床。

本发明是这样实现的，一种利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备，包括船体、气体发生装置和软岩破裂机具，所述船体包括钢桩和桥架，所述钢桩用于实现船体定位，所述气体发生装置设置于船首甲板下方，所述气体发生装置通过气体输送通道与软岩破裂机具相连，所述气体输送通道装设在桥架上，所述软岩破裂机具设置在桥架下端，所述桥架用于带动软岩破裂机具移动；

所述软岩破裂机具包括联动系统、岩体破裂系统和气体膨胀系统，所述联动系统的一侧与桥架可转动连接，所述联动系统内设置有可上下运动的回转机构，所述回转机构与岩体破裂系统相连，用于带动岩体破裂系统做冲击回转钻进运动，所述气体膨胀系统与岩体破裂系统相连，用于向岩体破裂系统输送膨胀性气体。

优选的，所述岩体破裂系统包括钻杆、钻头、传压块，所述钻杆顶端密封，所述钻杆与回转机构相连，所述回转机构带动钻杆旋转，所述钻杆底部与钻头螺纹相连，所述钻杆和钻头内部设置有高压气体通道，所述钻头内部底端设置有具有控温保压功能的爆裂片及泄气孔，所述传压块与钻杆相连，所述传压块顶部与回转机构接触连接。

进一步优选的，所述钻杆包括上部钻杆和下部钻杆，所述上部钻杆和下部钻杆通过螺纹连接，且在连接处设置密封装置。

优选的，所述气体膨胀系统包括高压气体发生装置和热源输送装置，所述高压气体发生装置与联动系统上部相连，所述高压气体发生装置与岩体破裂系统的钻杆上部相连，且高压气体发生装置内部可使钻杆随动旋转，所述高压气体发生装置上设置有配气孔，所述配气孔与气体输送通道相连，用于将气体发生装置内的气体输送至岩体破裂系统的高压气体通道内；所述热源输送装置置于岩体破裂系统的传压块内，所述热源输送装置内设置有可将其弹出至高压气体通道对高压气体通道进行封堵的弹卡机构，所述热源输送装置可卡接在高压气体通道的卡槽内，使位于上方的高压气体通道内为稳定室，位于下方的高压气体通道内为发射室。

优选的，所述回转机构与联动系统下部通过键连接，且联动系统内部设置有供回转机构上下运动的滑道。

优选的，所述气体发生装置通过甲板下方的船舱内部管路与气体输送通道连通，经桥架部分设置的气体输送通道向软岩破裂机具输送气态膨胀性气体。

一种利用气体膨胀破碎软岩的破岩方法，包括如下步骤：

a.将装备行进至指定施工区，下放钢桩对船体进行定位；

b.移动桥架使软岩破裂机具下端钻头与岩体接触，通过船用电机驱动联动系统工作，使回转机构做回转和下移动作，带动钻头进行冲击回转钻进；

c.待钻进完成后，保持钻头置于岩体内部，气体发生装置将膨胀性气体输送至高压气体发生装置内，再经加压处理后输送至发射室；

d.气体在发射室内由气态转变为液态，待液态空气充满发射室后，停止输送气体，通过电驱动对热源输送装置进行充能；

e.待充能结束后，通过弹卡机构将热源输送装置弹出，使热源输送装置与发射室顶端连接，发射室内气体由液态瞬间转换为气态，破坏爆裂片并通过泄气孔注入岩体内，利用气体膨胀带来的冲击力进行破岩；

f.提起钻头，移动桥架。

本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明可降低岩体强度，利于水下页岩、泥岩等软岩类底床疏浚施工，利用气体相态改变产生冲击力促使岩石裂纹扩展进行破岩，对疏浚施工环保要求的适用性良好，为软岩床疏浚提供了新思路。

2、本发明针对岩石内存在随机分布的节理、裂隙的特性，基于气体相态受环境变化而改变的特点，提出了一种适用于水下软岩环保疏浚的新装备，该装备能够将膨胀性气体注入岩体内部，利用气体膨胀带来的冲击力促使岩石裂纹扩展，引起岩体强度降低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的软岩破裂机具的结构示意图。

图中：1、船体；2、气体发生装置；3、软岩破裂机具；4、桥架；5、钢桩；3-1、高压气体发生装置；3-2、稳定室；3-3、上部钻杆；3-4、回转机构；3-5、传压块；3-6、热源输送装置；3-7、密封装置；3-8、下部钻杆；3-9、发射室；3-10、膨胀性气体；3-11、联动系统；3-12、钻头；3-13、海水；3-14、岩体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参阅图1和图2，本实施例提供一种利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备，包括船体1、气体发生装置2和软岩破裂机具3，船体1与常规环保绞吸船类似，所述船体1包括钢桩5和桥架4，所述钢桩5用于实现船体1定位。所述气体发生装置2设置于船首甲板下方，所述气体发生装置2通过气体输送通道与软岩破裂机具3相连，所述气体输送通道装设在桥架4上，具体的，所述气体发生装置2通过甲板下方的船舱内部管路与气体输送通道连通，经桥架4部分设置的气体输送通道向软岩破裂机具3输送气态膨胀性气体；所述软岩破裂机具3设置在桥架4下端，所述桥架4用于带动软岩破裂机具3移动。

所述软岩破裂机具3包括联动系统3-11、岩体破裂系统和气体膨胀系统，所述联动系统3-11的一侧与桥架4可转动连接，所述联动系统3-11内设置有可上下运动的回转机构3-4，具体的，所述回转机构3-4与联动系统3-11下部通过键连接，且联动系统3-11内部设置有供回转机构3-4上下运动的滑道。所述回转机构3-4与岩体破裂系统相连，用于带动岩体破裂系统做冲击回转钻进运动。所述气体膨胀系统与岩体破裂系统相连，用于向岩体破裂系统输送膨胀性气体。联动系统3-11在实现桥架4与软岩破裂机具3相连的基础上，具有垂向位移功能，能够带动软岩破裂机具3进行垂向加压。

所述岩体破裂系统包括钻杆、钻头3-12、传压块3-5，所述钻杆顶端密封，所述钻杆与回转机构3-4相连，所述回转机构3-4带动钻杆旋转，所述钻杆底部与钻头3-12螺纹相连，所述钻杆和钻头3-12内部设置有高压气体通道，所述钻头3-12内部底端设置有具有控温保压功能的爆裂片及泄气孔，所述传压块3-5与钻杆相连，所述传压块3-5顶部与回转机构3-4接触连接，通过传压块3-5对钻杆实现垂向加压。所述钻杆包括上部钻杆3-3和下部钻杆3-8，所述上部钻杆3-3和下部钻杆3-8通过螺纹连接，且在连接处设置密封装置3-7。

所述气体膨胀系统包括高压气体发生装置3-1和热源输送装置3-6，所述高压气体发生装置3-1与联动系统3-11上部相连，所述高压气体发生装置3-1与钻杆上部相连，且高压气体发生装置3-1内部可使钻杆随动旋转，所述高压气体发生装置3-1上设置有配气孔，所述配气孔与气体输送通道相连，用于将气体发生装置2内的气体输送至高压气体通道内；所述热源输送装置3-6置于传压块3-5内，所述热源输送装置3-6内设置有可将其弹出至高压气体通道对高压气体通道进行封堵的弹卡机构，所述热源输送装置3-6可卡接在高压气体通道的卡槽内，使位于上方的高压气体通道内为稳定室3-2，位于下方的高压气体通道内为发射室3-9。

装备到达施工区后，使钢桩5下降进行船舶定位，桥架4移动带动软岩破裂机具3移动，使软岩破裂机具3下端钻头3-12与岩体3-14接触。通过船用电机驱动联动系统3-11工作，使回转机构3-4回转和下移，回转机构3-4与传压块3-5接触，通过对传压块3-5施加垂向压力，传压块3-5再将压力传导至钻头3-12与岩体的接触面，带动钻头3-12旋转，进而实现了冲击回转钻进。待钻进结束后，保持钻头3-12置于岩体内部，气体发生装置2将膨胀性气体3-10输送至高压气体发生装置3-1，高压气体发生装置3-1经稳定室3-2将一定压力状态下的高压气体输送至发射室3-9内，发射室3-9具备控温保压功能，室内温度低于稳定室3-2，气体进入发射室3-9后，受温度变化影响由气态转变为液态，待液态空气充满发射室3-9后，停止输气。热源输送装置3-6通过电驱动充能，充能结束后，由弹卡机构将其弹出，热源输送装置3-6在压力和自身重力的作用下在钻杆内进行垂向自由落体运动，利用动能作用使自身与发射室3-9通过卡槽连接，发射室3-9内液态气体受热源影响瞬间由液态转化为气态，破坏爆裂片并通过泄气孔注入岩体内，利用气体膨胀带来的冲击力促使岩石裂纹扩展，引起岩体强度降低。

一种利用气体膨胀破碎软岩的破岩方法，包括如下步骤：

a.将装备行进至指定施工区，下放钢桩5对船体1进行定位；

b.移动桥架4使软岩破裂机具3下端钻头3-12与岩体3-14接触，通过船用电机驱动联动系统3-11工作，使回转机构3-4做回转和下移动作，带动钻头3-12进行冲击回转钻进；

c.待钻进完成后，保持钻头3-12置于岩体内部，气体发生装置2将膨胀性气体3-10输送至高压气体发生装置3-1内，再经加压处理后输送至发射室3-9；

d.气体在发射室3-9内由气态转变为液态，待液态空气充满发射室3-9后，停止输送气体，通过电驱动对热源输送装置3-6进行充能；

e.待充能结束后，通过弹卡机构将热源输送装置3-6弹出，使热源输送装置3-6与发射室3-9顶端连接，发射室3-9内气体由液态瞬间转换为气态，破坏爆裂片并通过泄气孔注入岩体内，利用气体膨胀带来的冲击力进行破岩；

f.提起钻头3-12，移动桥架4。

本发明具有利用气体膨胀带来的冲击力促使岩石裂纹扩展，引起岩体强度降低的特点，对疏浚施工环保要求的适用性良好，为软岩床疏浚提供了新思路。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备，其特征在于：包括船体、气体发生装置和软岩破裂机具，所述船体包括钢桩和桥架，所述钢桩用于实现船体定位，所述气体发生装置设置于船首甲板下方，所述气体发生装置通过气体输送通道与软岩破裂机具相连，所述气体输送通道装设在桥架上，所述软岩破裂机具设置在桥架下端，所述桥架用于带动软岩破裂机具移动；

所述软岩破裂机具包括联动系统、岩体破裂系统和气体膨胀系统，所述联动系统的一侧与桥架可转动连接，所述联动系统内设置有可上下运动的回转机构，所述回转机构与岩体破裂系统相连，用于带动岩体破裂系统做冲击回转钻进运动，所述气体膨胀系统与岩体破裂系统相连，用于向岩体破裂系统输送膨胀性气体。

2.根据权利要求1所述的利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备，其特征在于，所述岩体破裂系统包括钻杆、钻头、传压块，所述钻杆顶端密封，所述钻杆与回转机构相连，所述回转机构带动钻杆旋转，所述钻杆底部与钻头螺纹相连，所述钻杆和钻头内部设置有高压气体通道，所述钻头内部底端设置有具有控温保压功能的爆裂片及泄气孔，所述传压块与钻杆相连，所述传压块顶部与回转机构接触连接。

3.根据权利要求2所述的利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备，其特征在于，所述钻杆包括上部钻杆和下部钻杆，所述上部钻杆和下部钻杆通过螺纹连接，且在连接处设置密封装置。

4.根据权利要求1所述的利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备，其特征在于，所述气体膨胀系统包括高压气体发生装置和热源输送装置，所述高压气体发生装置与联动系统上部相连，所述高压气体发生装置与岩体破裂系统的钻杆上部相连，且高压气体发生装置内部可使钻杆随动旋转，所述高压气体发生装置上设置有配气孔，所述配气孔与气体输送通道相连，用于将气体发生装置内的气体输送至岩体破裂系统的高压气体通道内；所述热源输送装置置于岩体破裂系统的传压块内，所述热源输送装置内设置有可将其弹出至高压气体通道对高压气体通道进行封堵的弹卡机构，所述热源输送装置可卡接在高压气体通道的卡槽内，使位于上方的高压气体通道内为稳定室，位于下方的高压气体通道内为发射室。

5.根据权利要求1所述的利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备，其特征在于，所述回转机构与联动系统下部通过键连接，且联动系统内部设置有供回转机构上下运动的滑道。

6.根据权利要求1所述的利用气体膨胀破碎软岩的破岩装备，其特征在于，所述气体发生装置通过甲板下方的船舱内部管路与气体输送通道连通，经桥架部分设置的气体输送通道向软岩破裂机具输送气态膨胀性气体。

7.一种利用气体膨胀破碎软岩的破岩方法，其特征在于，所述破岩方法基于权利要求1至6任一项所述的破岩装备进行破岩，包括如下步骤：

a.将装备行进至指定施工区，下放钢桩对船体进行定位；

b.移动桥架使软岩破裂机具下端钻头与岩体接触，通过船用电机驱动联动系统工作，使回转机构做回转和下移动作，带动钻头进行冲击回转钻进；

c.待钻进完成后，保持钻头置于岩体内部，气体发生装置将膨胀性气体输送至高压气体发生装置内，再经加压处理后输送至发射室；

d.气体在发射室内由气态转变为液态，待液态空气充满发射室后，停止输送气体，通过电驱动对热源输送装置进行充能；

e.待充能结束后，通过弹卡机构将热源输送装置弹出，使热源输送装置与发射室顶端连接，发射室内气体由液态瞬间转换为气态，破坏爆裂片并通过泄气孔注入岩体内，利用气体膨胀带来的冲击力进行破岩；

f.提起钻头，移动桥架。

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