CN116393227A - 一种氢气爆炸破碎矿石设备及破碎方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种氢气爆炸破碎矿石设备及破碎方法，所述的设备包括控制系统、用于装载矿石的爆炸管道、与爆炸管道连接的抽真空系统、与爆炸管道连接的向其中提供氢气‑空气的供气系统、设在爆炸管道中的用于检测其内氢气浓度的氢气浓度传感器、与爆炸管道连接的用于点燃其中可燃气体的点火系统、以及使爆炸管道倾斜以排料的倾斜出料装置。本发明借助氢气爆炸产生的冲击波，对矿石进行破碎，使破碎系统工艺流程简单化；且可进行多次爆炸破碎，将矿石破碎成更细小的颗粒，提高粉碎效率，降低入磨粒度，易达到矿石产品要求粒度；而且通过倾斜出料装置使得爆炸管道为可自动调整倾斜角度的管道，有助于实现爆炸完成后对矿石粉末的快速倾出与收集。

Description

一种氢气爆炸破碎矿石设备及破碎方法

技术领域

本发明属于矿石破碎技术领域，具体涉及一种氢气爆炸破碎矿石设备及破碎方法。

背景技术

在矿物原料加工与利用过程中，碎矿与磨矿作业作为矿产资源加工工艺过程中的关键环节，可占整个选矿厂功耗的60％以上。由于磨机的效率只有1％，破碎机的效率达到10％。因此，将碎磨功耗前移，达到碎磨过程中“多碎少磨”的技术目标，是节能降耗和提升资源利用率的关键。然而碎矿作业始终是困扰矿山行业的一大难题，从最原始的手工打磨到采用机械冲击、热胀冷缩和化学爆破以及使用TNT炸药等，破碎矿石的形式不断变化着。

降低碎磨作业的钢材消耗和改进碎磨工艺过程是实现低耗、增加经济效益的有效途径，进而通过降低入磨粒度，来减少磨机的磨矿比，达到直接有效的提高。特别是坚硬矿石，其碎磨工艺耗能巨大，为提高能源的利用效率，通过改进碎磨作业设备性能、研发高效节能设备、获得更大的破碎比、达到更细的破碎产品粒度、减少能耗，是各相关领域工作者共同追求的目标。

CN201610255050.3披露了一种泄压气爆粉碎矿石装置及方法，其使用专用设备人为进行卸压气爆，利用气爆在卸压时产生的强大拉应力来破碎矿石，降低了碎矿能耗，但该专利中碎矿储存罐的矿石在泄压气爆后，不能轻易地从碎矿储存罐中取出。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种氢气爆炸破碎矿石设备及破碎方法。

为达到上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种氢气爆炸破碎矿石设备，包括控制系统、用于装载矿石的具有可视窗口的爆炸管道、与爆炸管道连接的用于抽出其中气体的抽真空系统、与爆炸管道连接的向其中提供氢气-空气的供气系统、设在爆炸管道中的用于检测其内氢气浓度的氢气浓度传感器、与爆炸管道连接的用于点燃其中可燃气体的点火系统、以及使爆炸管道倾斜以排料的倾斜出料装置；氢气浓度传感器的信号输出端与控制系统的输入端相连，控制系统的点火控制端与点火系统的使能端相连，控制系统的抽真空控制端与抽真空系统的使能端相连，控制系统的配气控制端与供气系统的使能端相连；爆炸管道的一端封闭，爆炸管道的另一端具有进出料口，爆炸管道上连接有用于封闭进出料口的封盖，进出料口外设有用于收集破碎矿石的矿石收集箱；倾斜出料装置能够使横向的爆炸管道向矿石收集箱侧倾斜，倾斜出料装置包括沿爆炸管道长度方向间隔设置的对爆炸管道进行支撑的限制其向下运动的至少两个伸缩支撑架、以及沿爆炸管道长度方向间隔设置的限制其向上运动的至少两个顶部限位架，所有伸缩支撑架可独立工作。

上述技术方案，爆炸管道用于装载待破碎的矿石，由抽真空系统抽出爆炸管道中气体，由供气系统向爆炸管道中提供氢气-空气混合气体，由氢气浓度传感器检测爆炸管道中氢气浓度是否达到要求，由点火系统点燃爆炸管道中的可燃气体，借助氢气爆炸产生的冲击波，对矿石进行破碎，使破碎系统工艺流程简单化；且可进行多次爆炸破碎，将矿石破碎成更细小的颗粒，提高粉碎效率，降低入磨粒度，易达到矿石产品要求粒度；而且通过倾斜出料装置使得爆炸管道为可自动调整倾斜角度的管道，有助于实现爆炸完成后对矿石粉末的快速倾出与收集。

在本发明的一种优选实施方式中，伸缩支撑架包括对爆炸管道的底部进行支撑的下弧形块、以及与下弧形块连接的驱动其竖向运动的升降机构。

上述技术方案，下弧形块的形状与爆炸管道的外形相适应，下弧形块限制爆炸管道的向下运动并对其进行支撑，升降机构驱动下弧形块竖向运动以使爆炸管道倾斜。

在本发明的一种优选实施方式中，顶部限位架采用如下结构之一：结构一：顶部限位架包括底座、以及与底座通过转轴转动连接的套设在爆炸管道外的套环，套环的底部与爆炸管道的底部接触并可限制其向下运动，底座上开设有滑槽，套环的转轴卡入滑槽中并可在滑槽中转动和滑动；结构二：顶部限位架包括上端开口的底座、以及与底座连接的套设在爆炸管道外的下端开口的套环，套环下端的开口与底座上端的开口相通，爆炸管道能够从套环中运动至底座中。

上述技术方案，提供了顶部限位架的两种方案，在使用该爆炸管道时，两种方案的顶部限位架均可限制爆炸管道向上运动，爆炸管道倾斜时，顶部限位架能够适应爆炸管道的倾斜。

在本发明的一种优选实施方式中，供气系统包括氢气气瓶、空压机和气囊；氢气气瓶的出气口与气囊进气口通过第一管路连接，第一管路上设有第一压力表和第一减压阀，气囊的出气口通过第四管路与爆炸管道内部连通，第四管路上设有第二压力表和进气阀；空压机的出气口并联连接有第二管路和第三管路，第二管路的出气口与爆炸管道内部连通，第二管路上设有第二减压阀，第三管路的出气口与气囊进气口相连，第三管路上设有第三减压阀。

上述技术方案，通过在气囊中配制相应的氢气-空气混合气体的浓度来实现对具有不同特性矿石的破碎，而且利用气囊可以使氢气的浓度事先配制好，确保每次爆炸过程产生的冲击波能量一致。

在本发明的一种优选实施方式中，封盖的一端通过铰链组件与爆炸管道连接，封盖的另一端为自由端，封盖连接有驱动其运动以打开或关闭进出料口的封盖驱动机构；封盖驱动机构包括设在爆炸管道外的直线电机、以及与直线电机的输出轴固接的连杆，连杆远离直线电机的一端与封盖铰接并可在封盖上滑动。

上述技术方案，通过封盖驱动机构驱动封盖动作以打开或关闭进出料口，无需工人手动操作封盖，降低工人的劳动强度。

在本发明的另一种优选实施方式中，该设备还包括将待破碎矿石输送至爆炸管道中的矿石输送系统，矿石输送系统包括矿石安置框架、固接在矿石安置框架中的多层的金属网格、以及驱动矿石安置框架直线运动以将矿石安置框架输送至爆炸管道中的横向驱动机构，爆炸管道中设有固定矿石安置框架的固定装置。

上述技术方案，利用横向驱动机构自动输送矿石安置框架进入爆炸管道内部，缩减了中转过程，不易造成堵塞；金属网格适当间隔设置在爆炸管道内，用于防止矿石在爆炸分解时飞溅并集中爆炸能量。

在本发明的另一种优选实施方式中，矿石输送系统还包括平行于爆炸管道轴线设置的位于爆炸管道外的多根管外导轨，矿石安置框架位于多根管外导轨上且可在管外导轨上滑动；和/或爆炸管道的内壁上设有沿其长度方向延伸的管内导轨，矿石安置框架能够在管内导轨上滑行；和/或固定装置为靠近爆炸管道的进出料口设置的锁紧卡扣。

上述技术方案，通过设置管外导轨对矿石安置框架在爆炸管道外的直线运动进行导向，通过设置管内导轨对矿石安置框架在爆炸管道内的直线运动进行导向，使得矿石安置框架能够更顺畅的进入爆炸管道中和从爆炸管道中拉出。

在本发明的另一种优选实施方式中，横向驱动机构为具有液压缸的液压传动系统，液压缸的活塞杆的末端通过轴杆与矿石安置框架可拆卸的固定连接；和/或液压传动系统的底部安装有能够在管外导轨上滑行的移动轮。

上述技术方案，液压传动系统能够实现高负载的输送，可靠性高。

为达到上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：一种氢气爆炸破碎矿石设备的破碎方法，

根据如下公式获取单位质量矿石被粉碎所需能量W：

其中，x₁为破碎前矿石粒度，x₂为破碎后矿石粒度，a和b分别为平衡方程单位的拟合系数，t为能量常数，K为与矿石材料性质相关的系数，σ为矿石应力，ρ为矿石密度，e为矿石的弹性模量，M为接近1的指数，矿石破碎比

根据如下公式获取m吨矿石进行破碎，所需要爆炸次数N：

其中，矿石破碎吸收能E_c按如下公式获取

其中，q_e为1m³的氢气完全燃烧释放出的热量，V为装在氢气-空气混合气体的爆炸管道的容积，c为氢气的体积分数，E_c为矿石破碎吸收能。

10、根据权利要求9所述的破碎方法，其特征在于，根据如下公式(1-1)至(1-4)获取K：

其中，E为将粒度为x₁的矿石破碎到粒度为x₂的产品所消耗的能量，k为单位表面能，令K′＝k获取K。

相比现有技术，本发明较优的技术方案具有以下有益效果：本发明借助氢气爆炸产生的冲击波，对矿石进行破碎，使破碎系统工艺流程简单化。通过利用液压传动系统自动输送矿石安置框架进入爆炸管道内部，缩减了中转过程，不易造成堵塞。利用气囊可以使氢气的浓度事先配制好，确保每次爆炸过程产生的冲击波能量一致，且可进行多次爆炸破碎，将矿石破碎成更细小的颗粒，提高了粉碎效率，降低了入磨粒度，易达到矿石产品要求粒度；同时，通过在气囊中配制相应的氢气-空气混合气体的浓度来实现对具有不同特性矿石的破碎。把爆炸管道设计成可自动调整倾斜角度的管道，有助于实现爆炸完成后对矿石粉末的快速倾出与收集。金属网格适当间隔设置在爆炸管道内，用于防止矿石在爆炸分解时飞溅并集中爆炸能量。同时，每次爆炸结束后，启动抽真空系统对爆炸管道内部的残余混合气体收集，并用空压机通入适量空气，避免了噪声污染和空气污染。本发明采用自动化控制，设备稳定可靠，操作简易，具有碎矿效率高、碎石量稳定、使用寿命长、噪音低和无灰尘污染等优势，可广泛适用于各类矿山生产场景。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是实施例的一种氢气爆炸破碎矿石设备的结构示意图。

图2是实施例中的爆炸管道的结构示意图。

图3是实施例中的爆炸管道和倾斜出料装置的结构示意图。

图4是实施例中的爆炸管道和矿石输送系统的结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：爆炸管道10、可视窗口11、法兰盘12、封盖13、密封圈14、铰链组件15、直线电机16、连杆17、管内导轨18、锁紧卡扣19、点火系统20、点火电极21、电源控制器22、抽真空系统30、真空泵31、真空阀32、供气系统40、氢气气瓶41、第一减压阀411、第一压力表412、空压机42、第二减压阀421、第三减压阀422、气囊43、进气阀431、第二压力表432、氢气浓度传感器50、倾斜出料装置60、伸缩支撑架61、下弧形块611、升降机构612、顶部限位架62、底座621、套环622、转轴623、滑槽624、矿石输送系统70、矿石安置框架71、金属网格72、横向驱动机构73、液压缸731、移动轮73、轴杆74、管外导轨75。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

本实施例提供了一种氢气爆炸破碎矿石设备(简称设备)，如图1-图3所示，在一种优选实施方式中，该设备包括控制系统(图中未示出)、用于装载矿石的具有可视窗口11的爆炸管道10、与爆炸管道10连接的用于抽出其中气体的抽真空系统30、与爆炸管道10连接的向其中提供氢气-空气的供气系统40、设在爆炸管道10中的用于检测其内氢气浓度的氢气浓度传感器50、与爆炸管道10连接的用于点燃其中可燃气体的点火系统20、以及使爆炸管道10倾斜以排料的倾斜出料装置60。

氢气浓度传感器50的信号输出端与控制系统的输入端相连，氢气浓度传感器50的数量为多个，多个氢气浓度传感器50间隔的安装在爆炸管道10内壁上。控制系统的点火控制端与点火系统20的使能端相连，控制系统的抽真空控制端与抽真空系统30的使能端相连，控制系统的配气控制端与供气系统40的使能端相连，控制系统的倾斜控制端与倾斜出料装置60的使能端相连。

爆炸管道10为圆柱形管道，爆炸管道10的左端通过法兰盘12封闭，爆炸管道10的右端具有进出料口，爆炸管道10的右端连接有用于封闭进出料口的圆形的封盖13，封盖13可打开和关闭，进出料口外设有用于收集破碎矿石的矿石收集箱(图中未示出)。爆炸管道10和封盖13均采用能够防爆的钢材制成，可视窗口11采用透明的防爆玻璃制成，根据实际情况设置可视窗口11的大小，或者在爆炸管道10上设置多个可视窗口11。爆炸管道10的右端设有密封圈14，封盖13关闭时，密封圈14使封盖13与爆炸管道10之间密封。

倾斜出料装置60能够使横向的爆炸管道10向矿石收集箱侧倾斜，即使爆炸管道10从左至右由上向下倾斜，以使破碎后的矿石从爆炸管道10右端的进出料口排出。倾斜出料装置60包括沿爆炸管道10长度方向间隔设置的对爆炸管道10进行支撑的限制其向下运动的至少两个伸缩支撑架61、以及沿爆炸管道10长度方向间隔设置的限制其向上运动的至少两个顶部限位架62，所有伸缩支撑架61可独立工作。图3中所示为设置两个伸缩支撑架61和两个顶部限位架62，两个伸缩支撑架61和两个顶部限位架62间隔设置。

其中，伸缩支撑架61包括对爆炸管道10的底部进行支撑的下弧形块611、以及与下弧形块611连接的驱动其竖向运动的升降机构612，升降机构612包括但不限于为液压缸、电动升降杆，比如伸缩电缸。

其中，顶部限位架62包括底座621、以及与底座621通过转轴623转动连接的套设在爆炸管道10外的套环622，转轴623位于底座621外的端部螺纹连接有锁紧螺母。套环622的底部与爆炸管道10的底部接触并可限制其向下运动，底座621上开设有滑槽624，滑槽为以左侧套环622的转轴623为圆心的弧形槽，套环622的转轴623卡入滑槽624中并可在滑槽624中转动和滑动。爆炸试验时，两个顶部限位架62限制爆炸管道10向上运动，伸缩支撑架61伸长并向上顶爆炸管道10以限制爆炸管道10向下运动，从而固定爆炸管道10。

需要使爆炸管道10倾斜以排出破碎后的矿石时，升降机构612工作使下弧形块611向下运动，在重力的作用下，爆炸管道10的右端向下倾斜，左右两个套环622的转轴623在滑槽624中转动、同时右侧的套环622的转轴623在滑槽624中向下运动，以适应爆炸管道10的右端向下倾斜。在爆炸管道10倾斜时，下弧形块611还限制爆炸管道10向下滑动，具体可在爆炸管道10外壁上设置与下弧形块611左端抵接的限位凸台。

需要说明的是，以上仅是顶部限位架62的一种实施方式，还可采用其他方式，比如顶部限位架62包括上端开口的底座621、以及与底座621连接的套设在爆炸管道10外的下端开口的套环622，套环622下端的开口与底座621上端的开口相通，爆炸管道10倾斜时，爆炸管道10能够从套环622中运动至底座621中。

在本发明中，点火系统20包括安装在爆炸管道10左端顶部的点火电极21、以及与点火电极21通过导线连接的电源控制器22，电源控制器22远离爆炸管道10设置，控制点火电极21通电以点燃爆炸管道10内的可燃气体，点火系统20可采用现有技术，不是本发明的创新点，其结构和原理在此不详述。

在本发明中，抽真空系统30包括与爆炸管道10右端顶部通过管路连接的真空泵31，真空泵31与爆炸管道10相连的管路上设有真空阀32。

在本发明中，供气系统40设在爆炸管道10的左侧，供气系统40包括氢气气瓶41、空压机42和气囊43。氢气气瓶41的出气口与气囊43的进气口通过第一管路连接，第一管路上设有第一压力表412和第一减压阀411，气囊43的出气口通过第四管路与爆炸管道10内部连通，第四管路上设有第二压力表432和进气阀431，第四管路与爆炸管道10的连接处位于爆炸管道10左端的底部。空压机42的出气口并联连接有第二管路和第三管路，第二管路的出气口与爆炸管道10内部连通，第二管路上设有第二减压阀421，第二管路与爆炸管道10的连接处也位于爆炸管道10左端的底部；第三管路的出气口与气囊43进气口相连，第三管路上设有第三减压阀422。

在本发明中，封盖13的前端通过铰链组件15与爆炸管道10连接，封盖13的后端为自由端，封盖13连接有驱动其运动以打开或关闭进出料口的封盖驱动机构。封盖驱动机构包括设在爆炸管道10外的直线电机16、以及与直线电机16的输出轴固接的连杆17，连杆17远离直线电机16的一端与封盖13铰接并可在封盖13上滑动。需要说明的是，也可采用现有技术中的其他方式驱动封盖13运动以打开或关闭爆炸管道10右端的进出料口。

如图4所示，在本发明的另一种优选实施方式中，该设备还包括将待破碎矿石输送至爆炸管道10中的矿石输送系统70。矿石输送系统70包括圆柱形的矿石安置框架71、固接在矿石安置框架71中的多层横向设置的金属网格72、以及驱动矿石安置框架71直线运动以将矿石安置框架71输送至爆炸管道10中的横向驱动机构73，金属网格72为铁丝网或不锈钢网格。爆炸管道10中设有固定矿石安置框架71的固定装置，固定装置为靠近爆炸管道10的进出料口设置的两个锁紧卡扣19。

其中，横向驱动机构73为具有液压缸731的液压传动系统，液压缸731的活塞杆的末端通过轴杆74与矿石安置框架71可拆卸的固定连接，液压缸731和矿石安置框架71可通过轴杆74连接与断开。

在另一优选的实施方式中，矿石输送系统70还包括平行于爆炸管道10轴线设置的位于爆炸管道10外的多根管外导轨75，比如并排的设置两根管外导轨75，矿石安置框架71位于两根管外导轨75上且可在管外导轨75上滑动。优选地，液压传动系统的底部安装有能够在管外导轨75上滑行的移动轮73，便于移动液压传动系统的位置。

在另一优选的实施方式中，爆炸管道10的内壁上设有沿其长度方向延伸的管内导轨18，比如在爆炸管道10的的前侧和后侧内壁上各设置一根管内导轨18，两个锁紧卡扣19分别靠近两根管内导轨18的右端设置，矿石安置框架71能够在管内导轨18上滑行，以便于矿石安置框架71进出爆炸管道10。

本发明的氢气爆炸破碎矿石设备的工作过程如下：

步骤一：将矿石输送至爆炸管道10内。将需要破碎的矿石先平铺在矿石安置框架71的每层金属网格72上；启动横向驱动机构73沿着地面设置的管外导轨75将矿石安置框架71送入爆炸管道10内部，当矿石安置框架71接触到爆炸管道10时，矿石安置框架71能够沿着爆炸管道10内壁上安设的管内导轨18移动，保证矿石能平稳进入爆炸管道10内部。待矿石安置框架71完全进入爆炸管道10内后，横向驱动机构73上的轴杆74脱离矿石安置框架71，回归到原来的位置，合上前后两侧管内导轨18处的锁紧卡扣19以固定矿石安置框架71；启动爆炸管道10外部的直线电机16，推动连杆17使爆炸管道10右端的封盖13动作以关闭，使整个爆炸管道10密封起来。

步骤二：检查爆炸管道10的气密性。关闭进气阀431、第一减压阀411、第二减压阀421和第三减压阀422，打开真空阀32，对爆炸管道10抽真空，然后关闭真空阀32。打开第二减压阀421和真空阀32，开启空压机42，向整个爆炸管道10内输送干燥空气，排出爆炸管道10及与其连接的管路中残余的杂质气体，清洗整个爆炸管道10和与其连接的管路，时间持续2～3min即可，随后，关闭第二减压阀421和空压机42，启动真空泵31，对爆炸管道10抽真空。

步骤三：打开第一减压阀411和第三减压阀422，开启空压机42和氢气气瓶41，在气囊43中配制足够体积浓度的氢气-空气混合气体，关闭第一减压阀411和第三减压阀422，打开进气阀431，将氢气-空气混合气体充入爆炸管道10内。

步骤四：静置15～20min，以保证爆炸管道10内的氢气-空气混合气体混合均匀且静止，通过氢气浓度传感器50检测爆炸管道10内部的氢气浓度是否已经均匀分布，待各项数据稳定之后，启动点火系统20，引燃爆炸管道10内的可燃气体，产生的气体流在爆炸管道10内传播，对矿石造成冲击破碎。

步骤五：透过爆炸管道10上的可视窗口11，观察矿石颗粒的粒度变化，如若未达到破碎预期粒度，打开真空阀32，启动真空泵31，将爆炸管道10中残存尾气抽出，并通过管道排出至室外。残存尾气抽出完毕后，关闭真空阀32，并停止真空泵31的运行，待爆炸管道10内的氢气浓度显示为0时，重复步骤三和步骤四，来增加爆炸的次数，直至最终矿石粒度符合预期。

步骤六：待爆炸结束，爆炸管道10趋于稳定后，启动直线电机16，打开爆炸管道10右端的封盖13，在爆炸管道10右侧进出料口的下方位置，放置一个矿石收集箱。然后启动升降机构612使爆炸管道10向右下方倾斜后，爆炸管道10内部破碎的矿石粉末能够全部倾倒在矿石收集箱里。待矿石粉末收集完毕，然后启动升降机构612使爆炸管道10复位为水平状态，打开固定矿石安置框架71的锁紧卡扣19，利用横向驱动机构73将矿石安置框架71从爆炸管道10中移出，之后再填装新的矿石，重复实验。

实施例二

本实施例提供一种用于实施例一的氢气爆炸破碎矿石设备的破碎方法，是一种根据氢气浓度和含量实现矿石粒度控制的方法。

当爆炸管道10形状不变时，向爆炸管道10内填入不同体积分数的氢气的混合气体时，爆炸管道10内的最大爆炸压力会随之发生改变。氢气浓度过低时，氧气供应充分。从传热方面分析，氢气浓度越高，分子数目越多，参与化学燃烧的分子数增多，释放的总热量越大，整个燃烧程度加强，爆炸压力随之增加并达到最大，处在爆炸管道10内部的矿石所承受的压力也随之增大，促进了矿石内部裂隙扩展和裂纹数量的增加。进一步增加氢气浓度，单位体积内的氢气分子数增多，有限密闭空间内氧气供应不足，氢气不能完全燃烧，参与反应的有效氢分子数减少，最终导致爆炸压力随氢气浓度的增加而减小，则处在爆炸管道10内部的矿石所承受的压力也随之减小，破碎程度减弱。

当改变爆炸管道10内的氢气浓度时，氢气爆炸产生的爆炸压力有所不同，矿石所受到作用力发生改变，内部裂隙扩展不同，裂纹数量也会有区别，致使最终矿石粒度不一。鉴于氢气爆炸强度与矿石破碎程度有着直接联系，可通过改变氢气浓度实现控制矿石粒度的目的。对氢气体积分数为35％的混合气体而言，产生的最大爆炸压力可达7.3x107Pa，平均升压速度可达730x107Pa/s。

氢气爆炸能量来源于氢气与空气的燃烧反应热，由H₂与O₂反应方程式可知，1molH₂与0.5mol的O₂反应放出能量241.8kJ，因此1m³的氢气完全燃烧释放出的热量为：

则，对于体积分数为c，容器体积为V的氢气-空气混合气体，其完全燃烧时释放热量计算公式为：

Q₀＝q_e·V·c

氢气爆炸能量为：

氢气爆炸破碎矿石的过程中，点火爆炸瞬间产生的冲击波能量主要转化成以下几个部分的能量：

E₀＝E_e+E_c+E_p

其中，E_e为矿石碎片的动能；E_c为矿石破碎吸收能，用于使矿石生成新表面积和新的裂纹的能量；E_p为其他形式消耗的能量，如声能，热能和光能等。

因在矿石破碎过程中，矿石碎片的动能、声能、热能等其他方式的能量占总吸收能的比例很小，所以矿石破碎吸收能可以等同于矿石的破碎能耗，即：

将氢气爆炸产生的冲击波能量作用于破碎矿石的过程中，要使矿石能发生变形，变形至矿石的极限时发生破裂。根据邦德学说指出，破碎矿石所做的功先使矿石产生变形，当局部变形超过临界点时产生裂缝，裂缝进一步扩展生成新生表面，因此，矿石破碎所消耗的功应包含变形能和表面能两部分。

Rittinger面积假说认为破碎能量与新生表面积呈函数关系，公式为：

Kick体积假说认为能量促使物料颗粒体积减小，体积减小量与施加能量呈比例关系，公式为：

Bond提出破碎能量消耗与裂隙长度成正比，矿石破碎能耗方程表达式为：

其中，E为将粒度为x₁的给矿破碎到粒度为x₂的产品所消耗的能量，x₁为破碎前矿石粒度，x₂为破碎后矿石粒度；K为与矿石材料性质相关的系数。

为拓展破碎能量的使用范围，本发明提出一种单位质量矿石被粉碎所需能量W计算公式为：

其中，K为与矿石材料性质相关的系数，a和b分别为平衡方程单位的拟合系数，t为能量常数。

根据破碎矿石半经验能耗公式：

其中，σ为矿石应力，ρ为矿石密度，M为接近1的指数，e为矿石弹性模量，k为单位表面能。

将Bond矿石破碎能耗方程改写为如下形式：

令K′＝k，则有:

其中，i为原料粒度与产品粒度的比值，即矿石破碎比

已知破碎比i，对m吨矿石进行破碎，所需要爆炸次数N为:

随着爆炸次数的增加，矿石得到进一步破碎，使得破碎的矿石之间距离缩短，再一次承受冲击压力，承受压力的矿石又开始变形，直至破碎，实现第二次破碎。在整个破碎周期内，矿石经历多次破碎，最终使得矿石的粒度不断变小，达到产品要求粒度。

为了控制最终矿石的粒度，可以根据所要求的矿石破碎比i和矿石的性质参数(如：σ、ρ、e、k)来确定最佳的爆炸条件，同时具体爆炸次数受爆炸过程中应力波的传递效率、矿石物理性质以及破碎方式等因素的影响，故而对于不同硬度的矿石，所需爆炸次数不一致，这个过程根据具体操作方式和实验数据进行反复调整和优化。

在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种氢气爆炸破碎矿石设备，其特征在于，包括控制系统、用于装载矿石的具有可视窗口的爆炸管道、与爆炸管道连接的用于抽出其中气体的抽真空系统、与爆炸管道连接的向其中提供氢气-空气的供气系统、设在所述爆炸管道中的用于检测其内氢气浓度的氢气浓度传感器、与爆炸管道连接的用于点燃其中可燃气体的点火系统、以及使爆炸管道倾斜以排料的倾斜出料装置；

所述氢气浓度传感器的信号输出端与控制系统的输入端相连，控制系统的点火控制端与点火系统的使能端相连，控制系统的抽真空控制端与抽真空系统的使能端相连，控制系统的配气控制端与供气系统的使能端相连；

所述爆炸管道的一端封闭，所述爆炸管道的另一端具有进出料口，所述爆炸管道上连接有用于封闭所述进出料口的封盖，所述进出料口外设有用于收集破碎矿石的矿石收集箱；

所述倾斜出料装置能够使横向的爆炸管道向所述矿石收集箱侧倾斜，所述倾斜出料装置包括沿爆炸管道长度方向间隔设置的对爆炸管道进行支撑的限制其向下运动的至少两个伸缩支撑架、以及沿爆炸管道长度方向间隔设置的限制其向上运动的至少两个顶部限位架，所有伸缩支撑架可独立工作。

2.根据权利要求1所述的一种氢气爆炸破碎矿石设备，其特征在于，所述伸缩支撑架包括对爆炸管道的底部进行支撑的下弧形块、以及与下弧形块连接的驱动其竖向运动的升降机构。

3.根据权利要求1所述的一种氢气爆炸破碎矿石设备，其特征在于，所述顶部限位架采用如下结构之一：

结构一：所述顶部限位架包括底座、以及与底座通过转轴转动连接的套设在爆炸管道外的套环，套环的底部与所述爆炸管道的底部接触并可限制其向下运动，所述底座上开设有滑槽，所述套环的转轴卡入所述滑槽中并可在滑槽中转动和滑动；

结构二：所述顶部限位架包括上端开口的底座、以及与底座连接的套设在爆炸管道外的下端开口的套环，套环下端的开口与底座上端的开口相通，所述爆炸管道能够从套环中运动至所述底座中。

4.根据权利要求1所述的一种氢气爆炸破碎矿石设备，其特征在于，还包括将待破碎矿石输送至爆炸管道中的矿石输送系统，所述矿石输送系统包括矿石安置框架、固接在矿石安置框架中的多层金属网格、以及驱动所述矿石安置框架直线运动以将矿石安置框架输送至爆炸管道中的横向驱动机构，所述爆炸管道中设有固定矿石安置框架的固定装置。

5.根据权利要求4所述的一种氢气爆炸破碎矿石设备，其特征在于，所述矿石输送系统还包括平行于爆炸管道轴线设置的位于爆炸管道外的多根管外导轨，所述矿石安置框架位于多根管外导轨上且可在管外导轨上滑动；

和/或所述爆炸管道的内壁上设有沿其长度方向延伸的管内导轨，所述矿石安置框架能够在所述管内导轨上滑行；

和/或所述固定装置为靠近所述爆炸管道的进出料口设置的锁紧卡扣。

6.根据权利要求5所述的一种氢气爆炸破碎矿石设备，其特征在于，所述横向驱动机构为具有液压缸的液压传动系统，液压缸的活塞杆的末端通过轴杆与矿石安置框架可拆卸的固定连接；

和/或所述液压传动系统的底部安装有能够在所述管外导轨上滑行的移动轮。

7.根据权利要求1所述的一种氢气爆炸破碎矿石设备，其特征在于，所述封盖的一端通过铰链组件与爆炸管道连接，所述封盖的另一端为自由端，所述封盖连接有驱动其运动以打开或关闭所述进出料口的封盖驱动机构；

所述封盖驱动机构包括设在爆炸管道外的直线电机、以及与直线输出轴固接的连杆，所述连杆远离直线电机的一端与封盖铰接并可在封盖上滑动。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种氢气爆炸破碎矿石设备，其特征在于，所述供气系统包括氢气气瓶、空压机和气囊；

所述氢气气瓶的出气口与气囊进气口通过第一管路连接，所述第一管路上设有第一压力表和第一减压阀，所述气囊的出气口通过第四管路与爆炸管道内部连通，所述第四管路上设有第二压力表和进气阀；

所述空压机的出气口并联连接有第二管路和第三管路，所述第二管路的出气口与所述爆炸管道内部连通，所述第二管路上设有第二减压阀，所述第三管路的出气口与所述气囊进气口相连，所述第三管路上设有第三减压阀。

9.一种用于前述权利要求1-8中任一项所述的氢气爆炸破碎矿石设备的破碎方法，其特征在于，

根据如下公式获取单位质量矿石被粉碎所需能量W：

其中，x₁为破碎前矿石粒度，x₂为破碎后矿石粒度，a和b分别为平衡方程单位的拟合系数，t为能量常数，K为与矿石材料性质相关的系数，σ为矿石应力，ρ为矿石密度，e为矿石的弹性模量，M为接近1的指数，矿石破碎比

根据如下公式获取m吨矿石进行破碎，所需要爆炸次数N：

其中，矿石破碎吸收能E_c按如下公式获取

其中，q_e为1m³的氢气完全燃烧释放出的热量，V为装在氢气-空气混合气体的爆炸管道的容积，c为氢气的体积分数，E_c为矿石破碎吸收能。

10.根据权利要求9所述的破碎方法，其特征在于，根据如下公式(1-1)至(1-4)获取K：

其中，E为将粒度为x₁的矿石破碎到粒度为x₂的产品所消耗的能量，k为单位表面能，令K′＝k获取K。

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