CN116978470A - 一种气体破岩储能管中最佳氮氧混合比例的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于采矿破岩领域,提供一种气体破岩储能管中最佳氮氧混合比例的确定方法,包括以下步骤:破岩储能管由吸收剂、中心充液管、排气管、柔性外壳和管口密封件组成,储能管中的相变介质选择氮氧液态混合体。氮氧液态混合体由液氮和液氧以一定比例均匀混合,氮氧混合比例为a∶b;本发明提供了一种能针特定规格气体破岩储能管理论计算得到最佳氮氧混合比例的方法,储能管在该氮氧混合比例下,既能满足储能管内卷纸完全燃烧释放出最大能量以确保炮孔内氮氧液态混合体完全相变并达到最大膨胀比,又可充分提高施工作业的安全性,可为氮氧液态混合体储能管在矿山开采中大范围使用提供理论基础和技术指导。
Description
技术领域
本发明属于采矿破岩领域,具体地说是一种气体破岩储能管中最佳氮氧混合比例的确定方法。
背景技术
气体破岩技术在矿山开采中正在逐渐得到应用。气体破岩储能管中的氮氧液态混合体不属于易燃易爆品;储能管在装入炮孔注入氮氧液态混合体前,不需要采用专门设施储存和运输。因此,与传统的露天深孔爆破技术相比,该破岩技术具有成本低、操作安全和振动幅度小、粉尘量少、噪音低等显著优点。
目前气体储能管破岩技术在小范围应用过程中,氮氧液体混合比的控制主要以经验为主,纯液氧具有强氧化性和助燃性、感度高等特点。因此,氮氧液态混合体中液氧浓度过高时,将使得储能管对压力、电火花、冲击等作用的敏感度提高,导致破岩作业的安全性降低。所以,储能管中氮氧液态混合体的液氧含量在满足助燃的前提下,应使其含量尽量低以有助于破岩作业安全性的提高。
综上,因此本发明提供了一种气体破岩储能管中氮氧液体最佳混合比例的确定方法,以解决上述问题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种气体破岩储能管中最佳氮氧混合比例的确定方法,以解决现有技术中储能管中氮氧液态混合体的液氧含量在满足助燃的前提下,应使其含量尽量低以有助于破岩作业安全性的提高等问题。
一种气体破岩储能管中最佳氮氧混合比例的确定方法,包括以下步骤:
步骤一:破岩储能管由吸收剂、中心充液管、排气管、柔性外壳和管口密封件组成,储能管中的相变介质选择氮氧液态混合体。氮氧液态混合体由液氮和液氧以一定比例均匀混合,氮氧混合比例为a∶b;
其中,a+b=1;
步骤二:计算卷纸的饱和系数:
;
式中:为饱和系数;为卷纸质量(kg);为总液态气体质量(液氮液氧的比
例为a∶b,其中a+b=1)(kg),a为液氮的占比,b为液氧的占比,a+b=1;
步骤三:计算卷纸的氧系数,测定卷纸的元素含量分别为碳C-x%,氢H-y%,氧O-
z%;
C+O2=CO2、C+O2=CO、H2+O2=H2O;
其中,燃烧元素和氧气的质量比分别为1∶2.67、1∶1.33、1∶8;
根据燃烧程度计算;
;
;
式中:为卷纸完全燃烧生成CO2的点,为卷纸部分燃烧只能生成CO的点;
步骤四:确定混合液体中氮氧混合比和液氧的最小注入量:
;
;
得到氮氧混合比a∶b=(1-b)∶b,需要混合液体中的最小液氧注入量为。
进一步的,所述步骤一,所述饱和系数为完全饱和时,氧气质量与单位体积吸
收剂质量之比,氧系数为不同燃烧程度下,氧气质量与单位体积吸收剂(或可燃物部
分)质量之比。
进一步的,所述步骤一,饱和系数计算方法的前提是必须保证储能管中的卷纸
吸收氮氧液态混合体至饱和状态。
进一步的,所述步骤二中,所述氧系数计算方法的卷纸中元素含量可采用有机
元素分析仪测定。
进一步的,所述饱和系数≥氧系数时,此时卷纸在液氧中充分燃烧生成
CO2和H2O,放出最大的热量,储能管能产生最大的破岩效果;当氧系数>饱和系数≥
氧系数时,此时部分卷纸在液氧中燃烧不充分,生成CO2、CO和H2O,放出部分的热量,储
能管能产生破岩效果小于饱和系数≥氧系数时的;当氧系数>饱和系数
时,此时部分卷纸在液氧中极其燃烧不充分,生成CO和碳单质,放出少量的热量,储能管能
产生破岩效果较差。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明提供了一种气体破岩储能管中最佳氮氧混合比例的确定方法,该方法能理论计算出氮氧液态混合体储能管的最佳氮氧混合比例,储能管在该氮氧混合比例下,既能满足储能管内卷纸完全燃烧释放出最大能量以确保炮孔内氮氧液态混合体完全相变并达到最大膨胀比,又可充分提高施工作业的安全性,可为氮氧液态混合体储能管在矿山开采中大范围使用提供理论基础和技术指导。
附图说明
图1是本发明氮氧液态混合体储能管的结构示意图。
图中:
1、塑料外壳;2、发火元件;3、中心充液管;4、排气管;5、卷纸;6、氮氧液态混合体;7、管口密封件。
实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。
本发明提供一种气体破岩储能管中氮氧液体最佳混合比例的确定方法,包括以下步骤:
将液氧和液氮按照一定比例混合后的氮氧液态混合体通过中心铝管注入储能管中后,液态混合体被储能管中环绕铝管的多层纸片(可燃有机物,也即还原剂)充分吸收,当设置在多层纸片中某个位置的发火元件释放高电压火花时,处于该部位的氮氧液态混合体中的液氧被加热随即产生燃烧,其火焰燃烧的波阵面沿储能管轴向传播,使得储能管其他部位的多层纸片也迅速参与燃烧,这种化学反应产生的热量使得岩石炮孔内的氮氧液态混合体处于过热状态时,迅速气化膨胀,短时间内膨胀至为原体积的700多倍,在氮氧膨胀气体的荷载作用下,岩石介质受到破裂破坏并产生了小幅度的抛掷运动,最终达到破岩的目的。
液氧在液态气体中的占比、氮氧液态混合体的量,直接影响了卷纸在化学燃烧过程中产生的热量和气化膨胀压力,最终影响破岩效果。
步骤一:破岩储能管由吸收剂5、中心充液管3、排气管4、柔性外壳1和管口密封件组成,储能管中的相变介质选择氮氧液态混合体。氮氧液态混合体由液氮和液氧以一定比例均匀混合,卷纸在氮氧液态混合体中处于浸润至饱和状态;
液氮液氧的比例为a∶b;
其中,a+b=1;
步骤二:计算卷纸的饱和系数,饱和系数定义为完全饱和时,氧气质量与单
位体积吸收剂质量之比,根据储能管的卷纸质量和液氮液氧混合液体的总质量得出:
;
式中:为饱和系数;为卷纸质量(kg);为总液态气体质量(氮氧混合比例
为a∶b,其中a+b=1)(kg),a为液氮的占比,b为液氧的占比,a+b=1;
步骤三:计算卷纸的氧系数,氧系数定义为不同燃烧程度下,氧气质量与
单位体积吸收剂(可燃物部分)质量之比,测定卷纸的元素含量分别为碳C-x%,氢H-y%,氧O-
z%;
C+O2=CO2、C+O2=CO、H2+O2=H2O;
其中,燃烧元素和氧气的质量比分别为1∶2.67、1∶1.33、1∶8;
根据燃烧程度计算;
;
;
式中:为卷纸完全燃烧生成CO2的点,为卷纸部分燃烧只能生成CO的点;
其中,饱和系数≥氧系数时,此时卷纸在液氧中充分燃烧生成CO2和H2O,
放出最大的热量,储能管能产生最大的破岩效果;当氧系数>饱和系数≥氧系数时,此时部分卷纸在液氧中燃烧不充分,生成CO2、CO和H2O,放出部分的热量,储能管能
产生破岩效果小于饱和系数≥氧系数时;当氧系数>饱和系数时,此时部
分卷纸在液氧中极其燃烧不充分,生成CO和碳单质,放出少量的热量,储能管能产生破岩效
果较差;
步骤四:液氧极其敏感,具有强氧化性和助燃性,其在液氮液氧混合体中浓度过高
时将导致储能管对压力、电火花、冲击等作用的敏感度也提高,使得破岩作业安全性降低,
储能管的液氧含量在满足助燃量的前提下(饱和系数=氧系数),储能管能发挥最
大能量的同时,也能保证破岩作业的安全性提高;
确定混合液体中氮氧混合比和液氧的最小注入量:卷纸能完全燃烧的前提是饱和
系数≥氧系数。当饱和系数=氧系数,理论上储能管的卷纸和液氧正好能
完全燃烧生成CO2,此时储能管在激发后能燃烧释放出最大的热量,氮氧液态混合体的液氧
占比:
;
;
得到氮氧混合比a∶b=(1-b)∶b,需要混合液体中的最小液氧注入量为;
其中,实际使用中,由于液氮的加入,稀释了液氧浓度,降低了液氧的敏感度,可能会导致卷纸和液氧的反应不充分,所以实际使用中,为满足卷纸5的充分燃烧,达到最好的破岩效果时,液氧的实际占比可适当增大b=(1~2)bCO2,优选的b=1.5*bCO2。
作为本发明的一种实施方式,步骤一,饱和系数为完全饱和时,氧气质量与单
位体积吸收剂质量之比,氧系数为不同燃烧程度下,氧气质量与单位体积吸收剂(或
可燃物部分)质量之比。
作为本发明的一种实施方式,步骤一,饱和系数计算方法的前提是必须保证储
能管中的卷纸吸收氮氧液态混合体至饱和状态。
作为本发明的一种实施方式,步骤二中,氧系数计算方法的卷纸中元素含量可
采用有机元素分析仪测定。
实施例一:
如图1所示,本实施例中,一种氮氧液态混合体储能管,其规格为:卷纸质量为5kg、氮氧液态混合体的注入量40kg、卷纸主要由纤维素组成。通过有机元素分析得到成分C-45%,氢H-6%,氧O-42%,其他组分7%。
(1)计算饱和系数:完全饱和时,氧气质量与单位体积吸收剂质量之比;
(2)氧系数:不同燃烧程度下,氧气质量与单位体积吸收剂(或可燃物部分)质
量之比;
(3)确定混合液体中氮氧混合比和液氧的最小注入量:
使;
即8b=1.26;b=0.1575
理论上液氧和卷纸正好能完全燃烧生成CO2,为使储能管在激发后能燃烧释放出
最大的热量,在卷纸5kg的条件下,混合液体中氮氧混合比a:b=0.8425∶0.1575,需要混合液
体中的最低液氧注入量为=5*1.26=6.3kg。
液氧实际占比可选择b=0.1575*1.5=0.236,a∶b=0.764∶0.236,实际液氧注入量为9.45kg。
实施例二:一种氮氧液态混合体储能管,其规格为:卷纸质量为5kg、氮氧液态混合体的注入量60kg、卷纸主要由纤维素组成,通过有机元素分析得到成分C-45%,氢H-6%,氧O-42%,其他组分7%。
(1)计算饱和系数:完全饱和时,氧气质量与单位体积吸收剂质量之比;
;
(2)氧系数:不同燃烧程度下,氧气质量与单位体积吸收剂(或可燃物部分)质
量之比;
;
(3)确定混合液体中氮氧混合比和液氧的最小注入量:
使;
即12b=1.26;即b=0.105;
理论上液氧和卷纸正好能完全燃烧生成CO2,为了使储能管在激发后能燃烧释放
出最大的热量,在卷纸5kg的条件下,混合液体中氮氧混合比a:b=0.895∶0.105,需要混合液
体中的最低液氧注入量为=5*1.26=6.3kg。
液氧实际占比可选择b=0.105*1.5=0.158,a∶b=0.842∶0.158,实际液氧注入量为9.45kg。
实施例三:一种氮氧液态混合体储能管,其规格为:卷纸质量为10kg、氮氧液态混合体的注入量60kg、卷纸主要由纤维素组成。通过有机元素分析得到成分C-45%,氢H-6%,氧O-42%,其他组分7%。
(1)计算饱和系数:完全饱和时,氧气质量与单位体积吸收剂质量之比;
;
(2)氧系数:不同燃烧程度下,氧气质量与单位体积吸收剂(或可燃物部分)质
量之比;
;
(3)确定混合液体中氮氧混合比和液氧的最小注入量:
使;
即6b=1.26;即b=0.21;
理论上液氧和卷纸正好能完全燃烧生成CO2,为了使储能管在激发后能燃烧释放
出最大的热量,在卷纸5kg的条件下,混合液体中氮氧混合比a∶b=0.79∶0.21,需要混合液体
中的最低液氧注入量为=10*1.26=12.6kg。
液氧实际占比可选择b=0.21*1.5=0.315,a∶b=0.685∶0.315,实际液氧注入量为18.9kg。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的,尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种气体破岩储能管中最佳氮氧混合比例的确定方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一:破岩储能管由吸收剂、中心充液管、排气管、柔性外壳和管口密封件组成,储能管中的相变介质选择氮氧液态混合体,氮氧液态混合体由液氮和液氧以一定比例均匀混合,氮氧混合比例为a∶b;
其中,a+b=1;
步骤二:计算卷纸的饱和系数:
;
式中:为饱和系数;/>为卷纸质量(kg);/>为总液态气体质量(氮氧混合为a∶b,其中a+b=1)(kg),a为液氮的占比,b为液氧的占比,a+b=1;
步骤三:计算卷纸的氧系数,测定卷纸的元素含量分别为碳C-x%,氢H-y%,氧O-z%;
C+O2=CO2、C+O2=CO、H2+O2=H2O;
其中,燃烧元素和氧气的质量比分别为1∶2.67、1∶1.33、1∶8;
根据燃烧程度计算;
;
;
式中:为卷纸完全燃烧生成CO2的点,/>为卷纸部分燃烧只能生成CO的点;
步骤四:确定混合液体中最佳氮氧混合比例和液氧的最小注入量:
;
;
得到最佳氮氧混合比例为a∶b=(1-b)∶b,需要混合液体中的最小液氧注入量为。
2.如权利要求1所述一种气体破岩储能管中最佳氮氧混合比例的确定方法,其特征在于:所述步骤一,所述饱和系数为完全饱和时,氧气质量与单位体积吸收剂质量之比,氧系数/>为不同燃烧程度下,氧气质量与单位体积吸收剂(或可燃物部分)质量之比。
3.如权利要求1所述一种气体破岩储能管中最佳氮氧混合比例的确定方法,其特征在于:所述步骤一,饱和系数计算方法的前提是必须保证储能管中的卷纸吸收氮氧液态混合体至饱和状态。
4.如权利要求1所述一种气体破岩储能管中最佳氮氧混合比例的确定方法,其特征在于:所述步骤二中,所述氧系数计算方法的卷纸中元素含量可采用有机元素分析仪测定。
5.如权利要求1所述一种气体破岩储能管中最佳氮氧混合比例的确定方法,其特征在于:所述[饱和系数不小于氧系数/>时],此时卷纸在液氧中充分燃烧生成CO2和H2O,放出最大的热量,储能管能产生最大的破岩效果;当[氧系数/>大于饱和系数/>不小于氧系数/>时],此时部分卷纸在液氧中燃烧不充分,生成CO2、CO和H2O,放出部分的热量,储能管能产生的破岩效果小于[饱和系数/>不小于氧系数/>时];当[氧系数/>大于饱和系数/>时],此时部分卷纸在液氧中极其燃烧不充分,生成CO和碳单质,放出少量的热量,储能管能产生破岩效果较差。
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