CN209654037U - 腔体结构和气体致裂装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及矿石开采，具体提供了一种具有气体快放机构的腔体结构和气体致裂装置，腔体结构包括壳体和开关阀芯，开关阀芯在针对排气孔打开与关闭位置之间移动；开关阀芯连通控制腔，控制腔中的高压气体施加驱使开关阀芯向关闭位置移动的作用力；腔体的一部分构成储气腔，储气腔中的高压气体施加驱使开关阀芯向打开位置移动的作用力；在关闭位置，控制腔中高压气体在开关阀芯上的作用力沿向关闭位置移动方向上的分力大于储气腔中高压气体在开关阀芯上的作用力沿向打开位置移动方向上的分力。本公开提供的腔体结构利用气压差控制阀芯的开启与关闭，阀芯响应速度更快，使用效率更高。

Description

腔体结构和气体致裂装置

技术领域

本公开涉及矿石开采，具体涉及一种具有气体快放机构的腔体结构和气体致裂装置。

背景技术

目前对于矿石的开采主要包括爆破开采和非爆破开采两种方法，其中爆破开采是指通过安装在钻孔内的炸药爆破的方式实现石材的开采。爆破开采的方式产生大量的粉尘和噪音污染，并且对矿山的山体破坏较大，导致矿体中的石材产生大量碎料，降低开采率，因此目前已经基本禁止爆破开采方法开采石材。非爆破开采包括机械切割或胀裂开采的方式，机械切割时利用火焰切割或绳锯对石材矿体进行切割开采，这种方法对设备和场地要求高，开采效率低，无法应对大规模开采任务。

胀裂开采是指通过人工打入水平和竖直方向的钎孔，利用插入膨胀器或压送膨胀剂的方式开采石材，例如公开号为CN107989616A、 CN103061769B等中国专利文献公开了通过在矿体水平和竖直方向打孔，在孔内插入膨胀器或注入高压膨胀剂对石材进行胀裂开采的方法。这种方法虽然实现了石材的静态开采，但是产生膨胀作用的膨胀剂多为化学试剂或化学凝胶，通过化学反应对矿石产生胀裂作用，膨胀剂制备复杂成本昂贵，并且具有一定的污染和危险性。而膨胀器的结构复杂，回收困难，二次利用率不高，导致石材胀裂开采成本变高。

利用自然资源对矿石进行胀裂开采的过程中，根据开采矿石的不同，流体的脉冲压强需要10～99MPa的高压范围，因此需要使用高压脉冲装置。例如公开号为CN86108271A的中国专利申请公开了一种水力脉冲发生器，其利用液体脉冲产生高压能量可进行矿石分解等。但是这种发生器利用液体，因此必须增加蓄能器来保证排出的液体达到足够的压力强度，导致控制装置和发生器本身结构复杂。并且液体质量远大于气体，在矿石开采中，由于开采环境恶劣，液体的贮存和二次补充的难度也远超气体，导致开采成本增大。同时这种发生器阀门切换结构复杂，导致阀门响应速度慢，影响石材的开采效率。

实用新型内容

为解决传统的高压脉冲发生器阀门结构复杂、响应速度慢的技术问题，本公开提供了一种利用气压差开启阀门，阀门响应速度快的腔体结构。

同时，为解决传统的膨胀剂存在化学污染、膨胀器结构复杂二次利用率低的技术问题，本公开提供了一种利用气体对矿石进行开采的气体致裂装置。

在第一方面，本公开提供了一种具有气体快放机构的腔体结构，包括：

壳体，为内部具有腔体的中空结构，腔体用于储存气体并连通有排气孔；和

开关阀芯，在针对排气孔的打开位置与关闭位置之间移动；

开关阀芯连通控制腔，控制腔中的高压气体施加驱使开关阀芯向关闭位置移动的作用力；以腔体的至少一部分构成储气腔，储气腔中的高压气体施加驱使开关阀芯向打开位置移动的作用力；储气腔在放气时与控制腔为互相气密关系；

在关闭位置，控制腔中高压气体在开关阀芯上的作用力沿向关闭位置移动方向上的分力大于储气腔中高压气体在开关阀芯上的作用力沿向打开位置移动方向上的分力。

在控制腔与储气腔中输入等压的高压气体，在关闭位置，控制腔中高压气体在开关阀芯的作用面积在向关闭位置移动的作用力方向上的投影大于储气腔中高压气体在开关阀芯的作用面积在向打开位置移动的作用力方向上的投影。

由单一高压气源向控制腔及储气腔供气，其中连接储气腔的进气道设有允许气体朝向储气腔内流通并反向截止的单向阀。

进气道设置在储气腔与控制腔之间，单向阀允许气体从控制腔朝向储气腔内流通并反向截止。

排气孔、开关阀芯、进气道、以及控制腔均设置在一个阀座内，阀座内成型有与排气孔同轴的用于设置开关阀芯的滑道，排气孔朝向开关阀芯的口缘与开关阀芯朝向排气孔端部成型有相互密封配合的锥面。

阀座以滑道远离排气孔一端为界，分为可拆分的两部分，其中不具有滑道的部分在与滑道对应的部位具有朝向滑道凸出的凸起，开关阀芯上设置有与凸起适配的凹槽，凸起与凹槽为开关阀芯提供滑动路径。

进气道的一部分成型在开关阀芯内，单向阀设置在开关阀芯中。

储气腔通过成型在阀座内的出气通道将气压作用在滑动地设置在阀座内的开关阀芯上。

壳体由多个储气单元构成，各个储气单元各自通过一个成型在阀座上的分配腔与开关阀芯中的进气道连通。

壳体为一管状部件，其腔体内设有活塞，活塞与腔体的内壁滑动连接且将腔体分为两个独立的腔室，其中具有进气道及排气孔一侧的腔室构成储气腔，另一侧腔室为调节腔，调节腔内设有对活塞施加有驱使活塞朝向排气孔滑动的偏压力的偏压力机构。

偏压力机构包括设置在调节腔中适于连通调节气压的调节孔，在放气时通过连通调节气压对活塞施加朝向排气孔滑动的偏压力。

还包括排气装置，排气装置为适于与钎孔配合的中空管状结构，一端连通排气孔，另一端用于连通钎孔。

排气装置具有一个伸入钎孔中的排气管，排气管侧壁上成型有多个用于排出气体的径向孔；排气装置通过径向孔与钎孔连通，径向孔朝向使待致裂物体沿预设方向分解的方向。

排气管还包括设置在尾部的轴向密封装置，轴向密封装置包括多个用以对排气管轴向进行密封的密封垫圈、以及位于密封垫圈之后的集气腔，集气腔设置有贯通腔壁的集气孔。

排气装置靠近排气孔的一端设置有连通排气装置的气液混合通道。

在第二方面，本公开提供了一种气体致裂装置，其包括上述的腔体结构。

本公开的技术方案，具有如下有益效果：

1)本公开提供的具有气体快放机构的腔体结构，壳体内部具有储存气体的腔体，设有连通腔体的排气孔，开关阀芯连通控制腔和储气腔，控制腔中高压气体对开关阀芯施加朝向关闭位置移动的作用力，储气腔中高压气体对开关阀芯施加朝向打开位置移动的作用力，开关阀芯在控制腔和储气腔的气压差下动作，从而控制排气孔的开启与关闭，阀门控制结构简单，开关阀芯的响应速度快，在非放气状态下，控制腔中高压气体对开关阀芯沿关闭方向上的作用力大于储气腔中气体对开关阀芯沿打开方向上的作用力，从而在充气时无需对阀门施加控制，充气操作简单，并且在搬运或存放状态时，腔体结构内气体更加稳定。

2)本公开提供的腔体结构，由单一气源向控制腔和储气腔内同时供气，使得腔体结构的充气简单方便，同时连接储气腔的进气道设有单向阀，使得腔体在非放气状态下腔体内部形成稳定的密闭状态，便于储存和输运。

3)本公开提供的腔体结构，进气道设置在储气腔和控制腔之间，单向阀允许气体从控制腔朝向储气腔内流通并反向截止，使用同一进气道同时为控制腔和储气腔中充入气体，简化腔体结构。

4)本公开提供的腔体结构，排气孔、开关阀芯、进气道、以及控制腔均设置在一个一体化阀座上，将排气孔、开关阀芯、进气道和控制腔等集成在阀座上，简化零部件结构，便于生产及装配，同时集成阀座适用于安装在多种高压储气腔体结构，阀座内成型有用于安装并适配开关阀芯的滑道，使得气控结构的集成度更高，排气孔内和开关阀芯上设置有相互密封配合的锥面结构，锥面结构形成开关阀芯滑动的限位部，以限制开关阀芯的滑动路径。

5)本公开提供的腔体结构，阀座以排气孔一端为界，分为可拆分的两部分，两部分结构装配以便于阀座成型，其中阀座上设置有与开关阀芯上凹槽适配的凸起结构，为开关阀芯在阀座内滑动提供滑动路径，使得开关阀芯滑动更加稳定可靠，避免发生卡顿，同时凸起设置为圆台形状，在开关阀开启时，凸起在逐渐插入凹槽的过程中，由于凸起的锥面结构，开关阀越靠近凸起底部，凸起与凹槽的间隙越小，从而使得控制腔和凹槽内的气体对开关阀芯形成缓冲，有效避免开关阀芯撞击阀座。

6)本公开提供的腔体结构，进气道的一部分成型在开关阀芯上，单向阀设置在开关阀芯中，将进气道与单向阀集成在开关阀芯中，简化阀座结构，便于阀座加工成型。

7)本公开提供的腔体结构，储气腔通过成型在阀座内的出气通道将气压作用在开关阀芯上，出气通道设置在阀座上，使得气控结构均集成在阀座上，阀座的集成度更高，控制结构简单。

8)本公开提供的腔体结构，壳体由多个储气单元构成，各个储气单元各自通过一个成型在阀座上的分配腔与开关阀芯中的进气道连通，储气单元的数量构成了不同容量的腔体结构，多种不同容量的腔体结构以适用于不同的工作环境，同时本公开的腔体结构采用多个储气单元并联，同一开关阀芯同时控制多个储气单元的开闭，阀芯响应速度快，从而气体释放更加快速。

9)本公开提供的腔体结构，腔体内设有活塞，活塞将腔体分为储气腔和调节腔，调节腔内设有对活塞施加有驱使活塞朝向排气孔滑动的偏压力的偏压力机构，在腔体结构放气的过程中，偏压力机构对活塞施加偏压力，从而使储气腔内气体释放更快速。

10)本公开提供的腔体结构，偏压力机构包括设置在调节腔中适于连通调节气压的调节孔，在放气时通过连通调节气压对活塞施加朝向排气孔滑动的偏压力，从而使得储气腔内气体释放速度更快。

11)本公开提供的腔体结构，还包括有排气装置，排气装置为适于插入钎孔的管状结构，一端连通排气孔，另一端连通钎孔，排气装置配合插入钎孔中，用于直接对钎孔内释放高压气体，从而实现矿石基体的裂解。

12)本公开提供的腔体结构，排气装置具有一个伸入钎孔中的排气管，排气管侧壁成型有多个用于排出气体的径向孔，排气孔设置为径向孔，从而使高压气体对矿石施加使矿体克服拉应力的压力，使得矿石的裂解更加容易，同时避免高压气体裂解过程中发生飞管，排气装置通过径向孔与钎孔连通，径向孔朝向使待致裂物体沿预设方向分解的方向，径向孔设置为均布的多个方向，从而使用过程中根据不同位置的裂解方向采用不同方向的排气孔，开采效率更高。

13)本公开提供的腔体结构，排气管还包括设置在尾部的轴向密封装置，轴向密封装置包括多个用以对排气管轴向进行密封的密封垫圈、以及密封垫圈之后的集气腔，集气腔设置有贯通腔壁的集气孔，设置轴向密封装置对排气管的轴向进行密封，防止排气管在工作过程中产生轴向反推力，从而避免飞管现象，使用过程更安全。

14)本公开提供的腔体结构，排气装置靠近排气孔一端设置有连通排气装置的气液混合通道，在工作过程中，可根据不同矿石的工作要求，在高压气体释放的过程中混合入满足工作要求的液体，以增大进入钎孔中流体的粘性力，从而满足多种开采要求。

15)本公开提供的气体致裂装置，包括上述的腔体结构，利用高压气体对矿石进行致裂开采，避免化学污染，同时气体运输与二次补充方便，从而降低开采成本，致裂装置本身结构简单，控制方便，阀门响应速度更快，从而提高开采效率。

附图说明

为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本公开一种实施方式中具有气体快放机构的腔体结构的结构示意图；

图2是图1中阀座位置处的放大示意图；

图3是根据本公开一种实施方式中阀座的结构示意图；

图4是根据本公开另一种实施方式的腔体结构的结构示意图；

图5是图4中阀座位置处的放大示意图；

图6是图4中排气装置的放大示意图；

图7是根据本公开再一种实施方式中排气装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-壳体；11-控制腔；12-储气腔；13-调节腔；14-储气单元；2-开关阀芯；21-凹槽；3-排气孔；41-进气道；42-单向阀；43-进气口；5-阀座；51- 滑道；52-锥面；53-凸起；54-出气通道；6-活塞；7-排气装置；71-排气管； 72-径向孔；73-轴向密封装置；74-密封垫圈；75-集气腔；76-集气孔；8-气液混合通道。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述。

本公开提供的具有气体快放机构的腔体结构，可用于对矿体或矿石基体进行胀裂分解的致裂装置中，需要说明的是，岩石系硬脆性材料具有抗拉强度远小于抗压强度的明显特点，有鉴于此，本公开提供的用于矿石分解的腔体结构及致裂装置均是克服矿石的抗拉强度，因此分解难度大大降低，矿石的分解开采效率随之提高。

图1、图2中示出了根据本公开提供的具有气体快放机构的腔体结构的一种具体实施方式，在本实施方式中，腔体结构包括壳体1、开关阀芯2、控制腔11、以及储气腔12。壳体1作为内部储存气体的压力容器，其设置为中空的腔体结构，壳体1的一端具有敞口，敞口的口缘内密封安装有阀座5，阀座5内部具有连通腔体的排气孔3，使得腔体内的气体可通过排气孔3排出。阀座5的内部还设置有开关阀芯2，开关阀芯2为类似活塞6的密封滑动件，开关阀芯2可在成型在阀座5内的滑道51中滑动，其中阀座本体形成开关阀芯2滑动的上限位部，而开关阀芯2开滑动的下限位部由成型在阀座5滑道51内壁上的锥面52密封结构形成，开关阀芯2的下端面上设置有与滑道51上的锥面52配合的锥面密封结构，两个锥面结构相互抵接时，开关阀芯2处于关闭的位置，其中滑道51中位于开关阀芯2下端面的部分构成所述排气孔3，开关阀芯2在滑道51内滑动从而控制排气孔3的开启或关闭。

如图1所示，壳体1内阀座5上方的空间形成储气腔12，储气腔12内用来储存高压气体，储气腔12内的高压气体通过成型在阀座5内的出气通道54对开关阀芯2施加有驱使开关阀芯2向开启方向移动的压力，即图示中驱使开关阀芯2向上滑动；而阀座5的内部还成型有控制腔11，对控制腔11内充入气体时，控制腔11内的气体压力对开关阀芯2施加有驱使开关阀芯2向关闭方向移动得到压力，即图示中驱使开关阀芯2向下滑动。

如图2所示，阀座5内成型有进气道41，进气道41至少为三通结构，进气道41的一端为进气口43，另外两端分别连通控制腔11和储气腔12，其中进气道41连通储气腔12的一端的气道内设置有单向阀42，单向阀42 使得气体允许从进气道41进入储气腔12并反向截止，单向阀42为现有技术中在售的阀体结构，例如在本实施方式中，单向阀42为具有偏压弹簧的偏压单向阀42。外界气源通过进气口43对进气道41中充入气体，进入进气道41的气体一部分进入控制腔11中，进入控制腔11中的气体对开关阀芯2施加朝向关闭方向移动的力使得开关阀芯2位于关闭状态，进入进气道41的气体另一部分通过单向阀42进入储气腔12中储存，在开关阀芯2 处于关闭位置时，控制腔11中高压气体在开关阀芯2的作用面积在向关闭位置移动的作用力方向上的投影大于储气腔12中高压气体在开关阀芯2的作用面积在向打开位置移动的作用力方向上的投影。

具体而言，由单一高压气源通过进气道41充入气体时，由于单向阀42 具有一定的偏压力，气体率先进入控制腔11中驱使开关阀芯2关闭，直至进气道41中的气体压力足以克服偏压单向阀42的偏压力，气体进一步顶开单向阀42进入储气腔12中储存，由于开关阀芯2处于关闭状态，储气腔12中形成密闭的储气空间，直至气体充入完成。气体充入完成后，通过气控阀门或电磁阀(附图未示出)对所述进气口43进行关闭。此时，储气腔12中的高压气体经出气通道54对开关阀芯2的作用力位于开关阀芯2 的锥面结构上，而控制腔11中的高压气体对开关阀芯2的作用力位于开关阀芯2的上端面，锥面结构的受力面积在水平方向上的投影远小于开关阀芯2上端面的受力面积，即驱使开关阀芯2朝向关闭方向运动的压力大于驱使开关阀芯2朝向开启方向运动的压力，因此在非放气状态下，腔体结构处于稳定的密封状态，便于腔体结构的输运和保存。

需要说明的是，如图2中所示，成型在阀座5内的进气道41为四通结构，除了上述的三个气道之外，还有朝向阀座5右侧连通储气腔12的一条气道，这是为了便于阀座5内进气道41的加工和成型，从而可降低阀座5 的加工成本，而在上述的实施方式中，朝向右侧连通储气腔12的气道可通过螺栓或其它密封件进行密封，使得进气道41形成三通的结构。再有，如图2所示，多个出气通道54(图中仅示出两条)呈周向均匀开设在阀座5 的侧壁上，进气道41与出气通道54独立不连通的设置在阀座5内，未避免附图产生歧义，特在此进行说明。还有，如图2所示，开关阀芯2位于关闭位置时，开关阀芯2的下端面的缘部的锥面结构与滑道51的限位部进行密封配合，开关阀芯2上的锥面结构的一部分位于出气通道54中，出气通道54中的高压气体作用在锥面结构上，从而对开关阀芯2产生垂直于锥面的压力，周向均匀布置的出气通道54对开关阀芯2的合力方向朝向使开关阀芯2的开启方向，因此产生使开关阀芯2开启的力。最后，对于控制进气口43的关闭与开启的控制阀门，可采用现有技术中的气控阀或电磁阀等气控元件进行控制，所述的控制阀门可直接设置在进气口43的端口处，也可设置在连接进气口43的气管路上，以方便操作人员在钎孔外控制操作，对于进气阀对进气口43的控制，均采用现有技术即可，本公开对此不再赘述。

在本实施方式中，排气孔3、开关阀芯2、进气道41、控制腔11、以及出气通道54均设置在一个所述阀座5内，将本公开腔体结构的气控部分设置为一个独立的小型阀体结构，可便于阀体的加工制造，降低腔体结构的实施成本，同时使得阀体可适配多种的腔体结构，对于壳体1的要求更小，使得本公开的腔体结构可直接在现有的大多压力容器上进行改装，降低制造成本。同时如图2中所示，在进气道41的各个出口处设置有螺栓的安装孔，可通过螺栓对进气道41进行密封，防止进气道41堵塞，便于阀体的保存。

如图3所示，在本实施方式中，阀座5以滑道51远离排气孔3的一端为界，分为可拆分的两部分，即图中所示的上下两部分，两部分结构通过螺栓紧固连接形成具有气密性的所述阀座5，其中上部分结构在与滑道51 对应的部位具有朝向滑道51内凸出的凸起53，而开关阀芯2上设置有与凸起53适配的凹槽21，在开关阀芯2滑道51的过程中，凸起53与凹槽21 配合为开关阀芯2提供滑动路径，使得开关阀芯2滑动更顺畅，避免卡顿。同时凸起53设置为圆台形状，在沿底部至端部的方向上凸起53的截面的直径逐渐缩小，在开关阀芯2开启时，凹槽21向凸起53滑动的过程中，由于凸起53端部的直径较小，凸起53与凹槽21之间间隙较大，从而控制腔11内的气体通过间隙进而经过进气道41快速排出，当开关阀芯2继续向开启方向滑动，由于凸起53直径变大，凸起53与凹槽21之间的间隙减小，使得控制腔11中的气体无法排出，从而对开关阀芯2上端面形成气体缓冲层，有效避免开关阀芯2撞击阀座5。

在本实施方式中，如图1中所示，壳体1的腔体内设有活塞6，活塞6 与腔体的内壁滑动连接且将腔体分成两个独立的腔室，其中安装有阀体的一侧的腔室形成储气腔12用来储存高压的工作气体，而另一侧为调节腔13，调节腔13内设置有对活塞6施加有驱使活塞6朝向排气孔3滑动的偏压力的偏压力机构。具体而言，在本实施方式中，偏压力机构包括设置在调节腔13中的调节孔，在放气时，调节孔连通调节气压对活塞6施加朝向排气孔3滑动的偏压力，从而使得当腔体内气体释放出一定程度，压力减小时，活塞6对腔体内气体施加压力，使得气体满足工作要求。

上述对本实施方式中的腔体结构的具体结构进行了说明，本实施方式的腔体结构可用于中小型的矿石开采致裂装置，在作为致裂装置时，排气孔3通过气管连通矿石上的钎孔，从而使腔体结构内的高压气体释放进钎孔中，实现矿石的裂解，下面结合上述的结构对本实施方式的腔体结构的工作原理进行说明。

充气时，高压气源通过进气口43对进气道41中充入气体，进入进气道41的气体一部分进入控制腔11中，控制腔11中气体压力推动开关阀芯2朝向关闭位置移动，直至开关阀芯2的锥面结构与阀座5下限位部抵接，以使排气孔3处于关闭状态；当充入控制腔11中的气体压力足以克服进气道41中的单向阀42的偏压弹簧的弹性力时，单向阀42被打开，进入进气道41的气体另一部分进入储气腔12中储存，直至控制腔11及储气腔12 中的气体压力达到预定的压力值后，通过一个与进气口43关联的所述控制阀门关闭进气口43。

在储气状态下，由于单向阀42和开关阀芯2的作用，储气腔12、出气通道54形成一密闭的腔体以存储工作气体，进气道41、控制腔11形成一密闭的腔体。同时由于出气通道54的高压气体作用在开关阀芯2上的受力面积在水平方向上的投影小于控制腔11内高压气体在开关阀芯2上的受力面积，因此控制开关阀抵靠在下限位部以关闭排气孔3。

使用该腔体结构放气时，控制所述控制阀门打开进气口43，使进气道 41和控制腔11中的高压气体排出，此时储气腔12和出气通道54中的高压气体推动开关阀芯2向开启位置滑动，储气腔12内高压气体经排气孔3排出，进而可通过后续连接气管进入钎孔实现气压致裂，当腔体内气体释放出一定程度，压力减小时，调节机构对活塞6施加压力进而对储气腔12内气体产生压力，使得气体满足工作要求。开关阀芯2在储气腔12和控制腔 11内气体的气压差下实现开启和关闭，开关阀的响应速度更快，气体释放更快。

在图4、图5中示出了根据本公开提供的具有气体快放机构的腔体结构的第二种具体实施方式，本实施方式的基本原理与上述实施方式相同，由此对于结构和原理相同以及适用的部分本公开中不再进行赘述，但应理解为本实施方式已进行了充分公开。

在本实施方式中，壳体1设置由多个储气单元14构成，多个储气单元 14均匀设置在外壳体1中，为便于对本实施方式进行说明，图4中仅示出了一个储气单元14。如图5所示，多个储气单元14的底部可通过螺栓安装在基座上，基座内成型有出气通道54，多个储气单元14均连通出气通道 54。需要特别说明的是，在本实施方式中，储气单元14仅有一条气体的通道，因此所述的出气通道54同时也作为充气时的进气通道，为便于描述，在此统一为出气通道54，不应局限的理解为字面含义。

阀座5安装在基座的中间，阀座5上成型有连通出气通道54的分配腔，阀座5的上方设置为进气道41和进气口43，进气口43连接外部气源从而对储气单元14进行充气。开关阀芯2安装在阀座5内，开关阀的底部成型有与上述原理相同的锥面结构，进气道41的一部分成型在开关阀芯2内位于锥面结构的位置处，各个储气单元14各自通过出气通道54以及成型在阀座5上的分配腔与开关阀芯2中的进气道41连通，单向阀42设置在开关阀芯2中的进气道41内，使得允许气体从朝向储气单元14的方向流通反向截止。

如图5所示，在本实施方式中，进气口43与开关阀芯2上端面形成控制腔11，储气单元14、出气通道54和开关阀芯2形成储气腔12，高压气源从进气道41充入高压气体，气体进入控制腔11中，由于偏压弹簧的单向阀42具有一定的偏压力，因此控制腔11中的气体推动开关阀芯2向关闭位置移动，直至开关阀芯2的锥面结构与滑道51内的下限位部抵接时排气孔3被关闭，当控制腔11中的气体压力足以克服偏压弹簧的偏压力，气体顶开单向阀42经过成型在开关阀芯2内的进气道41的一部分、成型在阀座5上的分配腔、以及出气通道54进入各个储气单元14中进行储存。直至储气单元14中的气体压力达到预定的压力值后，通过一个与进气口43 关联的所述控制阀门关闭进气口43，控制阀门可同上述实施方式。从而进气道41与位于开关阀芯2上端面的阀座5内的腔体形成一密闭的高压气体腔，即控制腔11，而相应的储气单元14、出气通道54、以及分配腔形成又一密闭的高压气体腔，即储气腔12。由于控制腔11与储气腔12采用同一高压气源充气，而储气腔12中高压气体对开关阀芯2作用力的受力面积小于控制腔11中高压气体对开关阀芯2作用力的受力面积，因此开关阀芯2受到的合力方向朝向关闭方向，因此开关阀芯2保持与下限位部的抵接状态，从而使得排气孔3被关闭。

当使用本实施方式的腔体结构进行放气时，控制所述控制阀门打开进气口43，使得进气道41以及控制腔11中的高压气体排出，此时储气腔12 中的高压气体推动开关阀芯2向开启位置滑动，进而打开排气孔3，高压气体经排气孔3迅速排出。

本实施方式中，由于高压气体分多个储气单元14储存，在降低对腔体的生产即输运要求的同时实现高压气体的大容量存储，本实施方式中的腔体结构可用于大型的矿石开采致裂装置，在作为气体致裂装置时，本公开中还提供了适配的排气装置7。

如图4、图6所示，本实施方式中，腔体结构还包括排气装置7，排气装置7的壳体1设置为适于与钎孔配合的中空管状结构，排气装置7一端通过螺栓安装在基座上，其内部连通排气孔3，另一端具有一个插入钎孔中的排气管71，排气管71的径向尺寸可根据工作需要设置为多种不同规格，以适配地插入在矿石基体上形成的钎孔中。

如图6所示，排气管71的侧壁上成型有若干用于排出气体的径向孔72，腔体中的高压气体经排气孔3进入排气装置7中，再经排气管71通过径向孔72排出。径向孔72使致裂装置在工作时，在钎孔中对矿石施加使矿体克服拉应力的气体压力，使得矿石的裂解更加容易，同时避免在高压气体胀裂过程中产生轴向的反推力从而发生飞管，使开采过程更加安全。对于径向孔72的布置，可设置为多种利于待致裂的矿石沿预设方向分解的布置形式，例如可周向均匀步骤，或半周向布置，或在排气管71两侧相对布置等。

为便于排气管71成型以及防止排气管71中气体发生轴向泄漏，在排气管71尾部设置有轴向密封装置73，轴向密封装置73包括多个叠加安装的密封垫圈74，以对进入进气管的气体进行轴向密封，在密封垫圈74之后还设置有一端集气腔75，集气腔75设置有径向贯通腔壁的集气孔76，以使得密封垫圈74在泄漏时，气体进入集气腔75并通过集气孔76径向排出，进一步防止产生轴向的反推力导致发生飞管，使开采过程更安全。

如图4所示，在本实施方式中，排气装置7靠近排气孔3的一端还设置有气液混合通道8，可通过外部压力源对排气过程中的排气装置7中输入液体或流体，由于液体的粘性力远大于气体，因此更容易在钎孔中产生足够的胀开力，从而使得矿石的开采效率更高。气液混合通道8可实现为安装在排气装置7上的阀门管路，通过现有技术中的阀体即可实现，本公开不在赘述。

在本实施方式中，如图5所示，凸起53设置在进气口43位置处，进气道41的一部分成型在凸起53结构的内部，开关阀芯2内不设置有与凸起53结构适配的凹槽21，凹槽21同时形成连通开关阀芯2内部进气道41 的气道，单向阀42设置在开关阀芯2内的进气道41内部。

上述实施方式中的腔体结构，根据施工的地的现场需要，储气腔12中高压气体的压强为5～200Mpa，以满足不同矿石的开采需求。

需要说明的是，本公开提供的腔体结构在上述的实施方式的基础上还可以有其它可替代的实施方式。

例如在一些可替代的实施方式中，如图7所示，排气装置7与腔体结构的排气孔3通过柔性的气管道连接，排气管71连接在气管道的另一端，柔性的气管道使得排气管71的使用与布置更加灵活方便。

在另一些可替代的实施方式中，与上述实施方式的区别在于调节腔13 内的偏压力机构方式不同，例如偏压力机构设置为弹性力驱动活塞6在腔体内滑动的弹性组件，当储气腔12内充入气体时，储气腔12内气体推动活塞6压缩弹性组件，使得在放气过程中，弹性组件推动活塞6运动，使得储气腔12中气体排出更快。

在再一些可替代的实施方式中，与第一种实施方式的区别在于，储气腔12与控制腔11通过两个独立气源分别进行供气，可使得开关阀芯2在不依赖两端与气体接触面积的情况下，仅通过储气腔12和控制腔11内的气压差满足控制开关阀芯2的滑动。在本实施方式中，首先对控制腔11中充入气体，使得开关阀芯2移动到关闭排气孔3的位置，然后通过进气道41向储气腔12内输入气体，并在输入过程中始终保持控制腔11中向开关阀芯2提供的气体压力大于储气腔12所提供的压力，直至储气腔12中的气压达到所述的预定值，本实施方式中的放气过程与上述相同，不再赘述。

在第二方面中，本公开提供了一种用于矿石开采的气体致裂装置，该装置采用上述的具有气体快放机构的腔体结构，致裂装置的使用原理与上述原理叙述相同，在此不再赘述。

在第三方面中，本公开提供了一种矿石开采方法，该方法利用上述的具有气体快放机构的腔体结构，该方法包括以下步骤：

步骤一、在矿石基体上成型出若干钎孔，若干钎孔围设成石材从基体分解的设定形状；

步骤二、使用腔体结构对若干钎孔中输入气体，以使基体上胀裂出设定形状的石材。

其中，步骤二还包括：

提供排气装置7，并连接于腔体结构；

将排气装置7插入对应的若干钎孔中，并使腔体结构动作，以对钎孔输入气体。

具体而言，本公开提供的矿石开采方法，对矿石开采时，可利用现有机械在矿体的水平或竖直方向上开设若干钎孔，使钎孔围设成待开采石材从矿石基体上分解的预设形状。提供排气装置7，将排气装置7通过软管或固接安装在腔体结构上，将排气装置7分别插入对应的钎孔中；打开控制阀门，通过进气口43使控制腔11内的压力降低至环境气压，以使开关阀在储气腔12内的气体压力下滑动以开启排气孔3，致使储气腔12内的气体冲出，在钎孔中形成冲击致裂气压，以使矿石基体上裂解出所预设形状的石材。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (16)

1.一种具有气体快放机构的腔体结构，包括：

壳体(1)，为内部具有腔体的中空结构，所述腔体用于储存气体并连通有排气孔(3)；和

开关阀芯(2)，在针对所述排气孔(3)的打开位置与关闭位置之间移动；

其特征在于，

所述开关阀芯(2)连通控制腔(11)，所述控制腔(11)中的高压气体施加驱使所述开关阀芯(2)向关闭位置移动的作用力；以所述腔体的至少一部分构成储气腔(12)，所述储气腔(12)中的高压气体施加驱使所述开关阀芯(2)向打开位置移动的作用力；所述储气腔(12)在放气时与所述控制腔(11)为互相气密关系；

在关闭位置，所述控制腔(11)中高压气体在所述开关阀芯(2)上的作用力沿向关闭位置移动方向上的分力大于所述储气腔(12)中高压气体在所述开关阀芯(2)上的作用力沿向打开位置移动方向上的分力。

2.根据权利要求1所述的腔体结构，其特征在于，

在所述控制腔(11)与所述储气腔(12)中输入等压的高压气体，在关闭位置，所述控制腔(11)中高压气体在所述开关阀芯(2)的作用面积在向关闭位置移动的作用力方向上的投影大于储气腔(12)中高压气体在所述开关阀芯(2)的作用面积在向打开位置移动的作用力方向上的投影。

3.根据权利要求2所述的腔体结构，其特征在于，

由单一高压气源向所述控制腔(11)及所述储气腔(12)供气，其中连接所述储气腔(12)的进气道(41)设有允许气体朝向所述储气腔(12)内流通并反向截止的单向阀(42)。

4.根据权利要求3所述的腔体结构，其特征在于，

所述进气道(41)设置在所述储气腔(12)与所述控制腔(11)之间，所述单向阀(42)允许气体从所述控制腔(11)朝向所述储气腔(12)内流通并反向截止。

5.根据权利要求4所述的腔体结构，其特征在于，

所述排气孔(3)、开关阀芯(2)、进气道(41)、以及所述控制腔(11)均设置在一个阀座(5)内，所述阀座(5)内成型有与所述排气孔(3)同轴的用于设置所述开关阀芯(2)的滑道(51)，所述排气孔(3)朝向所述开关阀芯(2)的口缘与所述开关阀芯(2)朝向所述排气孔(3)端部成型有相互密封配合的锥面(52)。

6.根据权利要求5所述的腔体结构，其特征在于，

所述阀座(5)以所述滑道远离所述排气孔(3)一端为界，分为可拆分的两部分，其中不具有所述滑道(51)的部分在与所述滑道(51)对应的部位具有朝向所述滑道(51)凸出的凸起(53)，所述开关阀芯(2)上设置有与所述凸起(53)适配的凹槽(21)，所述凸起(53)为在沿底部至端部的方向上截面尺径逐渐缩小的圆台型结构，所述凸起(53)与所述凹槽(21)为所述开关阀芯(2)提供滑动路径。

7.根据权利要求5或6所述的腔体结构，其特征在于，

所述进气道(41)的一部分成型在所述开关阀芯(2)内，所述单向阀(42)设置在所述开关阀芯(2)中。

8.根据权利要求5或6所述的腔体结构，其特征在于，

所述储气腔(12)通过成型在所述阀座(5)内的出气通道(54)将气压作用在滑动地设置在所述阀座(5)内的所述开关阀芯(2)上。

9.根据权利要求7所述的腔体结构，其特征在于，

所述壳体(1)由多个储气单元(14)构成，各个所述储气单元(14)各自通过一个成型在所述阀座(5)上的分配腔与所述开关阀芯(2)中的所述进气道(41)连通。

10.根据权利要求3至6任一项所述的腔体结构，其特征在于，

所述壳体(1)为一管状部件，其所述腔体内设有活塞(6)，所述活塞(6)与所述腔体的内壁滑动连接且将所述腔体分为两个独立的腔室，其中具有所述进气道(41)及所述排气孔(3)一侧的腔室构成所述储气腔(12)，另一侧腔室为调节腔(13)，所述调节腔(13)内设有对所述活塞(6)施加有驱使所述活塞(6)朝向所述排气孔(3)滑动的偏压力的偏压力机构。

11.根据权利要求10所述的腔体结构，其特征在于，

所述偏压力机构包括设置在所述调节腔(13)中适于连通调节气压的调节孔，在放气时通过连通所述调节气压对所述活塞(6)施加朝向所述排气孔(3)滑动的偏压力。

12.根据权利要求1至6任一项所述的腔体结构，其特征在于，

还包括排气装置(7)，所述排气装置(7)为适于与钎孔配合的中空管状结构，一端连通所述排气孔(3)，另一端用于连通所述钎孔。

13.根据权利要求12所述的腔体结构，其特征在于，

所述排气装置(7)具有一个伸入所述钎孔中的排气管(71)，所述排气管(71)侧壁上成型有多个用于排出气体的径向孔(72)；所述排气装置(7)通过所述径向孔(72)与所述钎孔连通，所述径向孔(72)朝向使待致裂物体沿预设方向分解的方向。

14.根据权利要求13所述的腔体结构，其特征在于，

所述排气管(71)还包括设置在尾部的轴向密封装置(73)，所述轴向密封装置(73)包括多个用以对所述排气管(71)轴向进行密封的密封垫圈(74)、以及位于所述密封垫圈(74)之后的集气腔(75)，所述集气腔设置有贯通腔壁的集气孔(76)。

15.根据权利要求13或14所述的腔体结构，其特征在于，

所述排气装置(7)靠近所述排气孔(3)的一端设置有连通所述排气装置(7)的气液混合通道(8)。

16.一种气体致裂装置，其特征在于，包括根据权利要求1至15任一项所述的腔体结构。