CN110735637B - 一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置与工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置与工艺方法，包括原料存储仓及所述原料存储仓下方设置的爆燃仓；所述爆燃仓一端开口并连接通往***处的耐压管道，所述爆燃仓的中部设置有排气管道并连接至排气装置；所述排气装置通过管道一连接至高压泵，所述高压泵通过管道二连接所述原料存储仓；所述原料存储仓中设有存储仓开关阀门，所述存储仓开关阀门的下端部穿过进料通道位于所述爆燃仓中；所述爆燃仓中对应所述下端部处设有叶轮，所述爆燃仓中还设有点火装置；本装置利用爆燃原料膨胀相变后产生瞬态的高压高温气体冲击被***处实现压裂，安全性高、易于操作，压裂效果好。
Description
技术领域
本发明涉及到***装置及方法技术领域，具体涉及到一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置与工艺方法。
背景技术
在矿山与石材开采、基坑开挖、隧道与地下空间施工、顽石/孤石安全***拆除、管道等堵塞疏通等市政交通工程中，常常需要进行***。***致裂法具有效率高、成本低等特点，在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖中得到广泛应用。然而在***作业过程中产生的强烈冲击波会造成近区岩体扰动与损伤，以及岩体的振动危害，从而会对工程岩体稳定性及周边环境的安全性造成一定影响。为了提高作业安全性、降低冲击扰动强烈，同时达到较为理想的破岩效果，利用高能气体膨胀做功致裂岩体的新型碎岩技术应运而生，尤其是CO2相变膨胀致裂技术正受到矿山开采、隧道掘进、市政交通等领域广泛关注。
高能气体压裂技术最早于19世纪60年代出现在美国，该技术是一种利用火(炸)药在短时间内燃烧产生的冲击波和爆生气体来压裂岩体。最开始是采用TNT等猛***对储层实施***压裂，但因***对井筒和地层的破坏太大而逐渐被淘汰，取而代之的是使用硝化棉等火(炸)药的爆燃来实施高能气体压裂。近年来还出现了浓稠硝基甲烷***、液体推进剂等一系列爆燃更稳定、更加安全、更高效的高能火药。从原理上讲，CO2相变膨胀致裂装置也属于高能气体压裂技术中的一种，最早由欧美国家科研人员研发。该装置利用液态CO2为媒介，将液态CO2和发热管(***性物质)封装在密闭容器内。激发发热管使之在数十毫秒内产生800℃以上的高温，液态CO2压力急剧增加，高压气体快速释放，致使岩体开裂或破碎。在CO2气爆致裂岩体施工过程中，由于发热管(II类***品)在摩擦、静电等偶然因素作用下提前触发，曾出现致裂管炸管或飞管事件。然而，无论是控制***技术，还是高能气体压裂技术，当前均不同程度的使用到I、II类民用***品(当前二氧化碳相变膨胀致裂技术使用的发热药属于II类民用***品)，并没有从根本上解决安全与冲击扰动问题。因此，需要开发一种安全性高、易于操作的高能气体压裂方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供了一种安全性高、易于操作的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置与工艺方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，所述增压破岩装置包括原料存储仓及所述原料存储仓下方设置的爆燃仓；所述爆燃仓一端开口并连接通往***处的耐压管道，所述爆燃仓的中部设置有排气管道并连接至排气装置；所述排气装置通过管道一连接至高压泵，所述高压泵通过管道二连接所述原料存储仓；
所述原料存储仓与所述爆燃仓相抵接，并设有贯穿仓壁的进料通道；所述原料存储仓中设有存储仓开关阀门，所述存储仓开关阀门的下端部穿过所述进料通道位于所述爆燃仓中；所述爆燃仓中对应所述下端部处设有叶轮，所述叶轮通过转轴连接有电机，所述电机设置在所述爆燃仓外；所述爆燃仓中还设有点火装置。
本二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置利用爆燃原料膨胀相变后产生瞬态的高压高温气体冲击被***处实现压裂。
所述原料存储仓用于存储爆燃原料，通过阀门控制，实现原料循环投放和补充，所述爆燃仓中实现爆燃并承受高压；每次爆燃后，残余气体通过排气装置经由高压泵再次进入所述原料存储仓中，以保持所述原料存储仓中的压力，便于打开阀门后，将原料压入所述爆燃仓中。
所述电机能够带动所述叶轮转动，以实现循环开启和关闭所述存储仓开关阀门，所述叶轮转动的频率和停留时间与爆燃频次及爆燃时间相匹配，实现爆燃原料多次脉冲冲压代替单次大剂量冲压，以达到更好的压裂效果。
进一步的，所述原料存储仓中设有固体块状、颗粒状或/和粉末状二氧化碳聚能剂。采用固体二氧化碳原料，如干冰，能够在所述原料存储仓中存放更多的原料。
进一步的，所述原料存储仓的下端面与所述爆燃仓的上端面焊接在一起；所述原料存储仓和所述爆燃仓均由不锈钢材质铸造而成，所述原料存储仓的上侧面设有可开启的填料仓门。在存储仓开关阀门关闭时，其本身侧面可以打开，能够用于补充消耗的爆燃原料。
进一步的，所述存储仓开关阀门包括相互连接的阀杆和所述下端部；所述阀杆穿过所述进料通道延伸至所述原料存储仓中；所述阀杆与所述下端部的连接处设有一圈凸起，所述凸起的外径等于所述进料通道的内径，所述凸起的周向上设有若干层密封圈。
进一步的，所述阀杆直径小于所述进料通道的直径。
进一步的，所述叶轮为金属材质铸造而成的叶片状柱体，所述叶片状柱体的两端均为弧形；所述下端部的外轮廓与所述叶片状柱体相契合。
进一步的，所述原料存储仓中还设有原料磨粉装置；所述原料磨粉装置包括设置在所述原料存储仓中带齿纹的锉刀，以及设置在所述存储仓的顶部的齿轮传动装置；所述锉刀通过传动轴与所述齿轮传动装置连接。所述锉刀能够将所述原料存储仓中的大块固体原料摩碎成粉状原料，再投放至所述爆燃仓中，以提高爆燃效果。
进一步的，所述点火装置包括设置在所述爆燃仓中的电打火头，所述电打火头通过导线连接外部电源及打火控制器。
进一步的，所述排气装置中设有吸气装置，所述吸气装置连接所述排气管道。
一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩工艺方法，包含有上述的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，所述工艺方法包括如下步骤：
步骤一：向所述原料存储仓中添加爆燃原料并磨成粉末；
步骤二：控制电机转动所述叶轮打开存储仓开关阀门，将粉末状的爆燃原料压入所述爆燃仓中；关闭所述存储仓开关阀门；
步骤三：通过点火装置引发所述爆燃原料爆燃冲压，产生的瞬态高压气体通过耐压管道涌入被***处实现第一次压裂；
步骤四：打开排气装置排出爆燃后残余的气体，残余的气体通过高压泵通入所述原料存储仓中，保持舱内的压力，关闭所述排气装置；
步骤五：所述存储仓开关阀门再次打开，重复所述步骤三～所述步骤四，引发下一次爆燃冲压，直至完成被***处的压裂。
通过上述步骤，采用超临界态二氧化碳多次脉冲冲压代替单次大剂量冲压，能够达到较为理想的脉冲式爆燃冲压的压裂效果，而且安全性高，易于操作，能够适用于实验室模拟***、隧道掘进、基坑开挖、地下资源***开采等。
本脉冲式增压破岩工艺方法，使用爆燃增压的方式，利用爆燃提供的瞬态高压达到压裂目的，循环爆燃能够多次提供瞬态高压达到更高压的目的，省略了现有技术中多次更换***筒的操作方式；通过向被爆物直接输送高压气体的方式，能够实现在地面以上操作地下岩石的压裂。
本工艺方法是利用爆燃原料(干冰粉聚能剂)实现爆燃冲压，利用多次瞬态高压实现岩石体的压裂，利用叶轮推动存储仓开关阀门实现不拆卸装置的情况下爆燃原料的补充，利用排气装置实现爆燃后气体的循环使用，利用存储仓内锉刀实现固体原料粉末化，利用二氧化碳高压泵为存储仓提供持续高压，便于粉末状爆燃原料进入爆燃仓，利用电机控制叶轮的理想化转动、停止时间以及停止位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置及工艺方法利用爆燃原料膨胀相变后产生瞬态的高压高温气体冲击被***处实现压裂，由多次脉冲冲压代替单次大剂量冲压，以达到更好的压裂效果，安全性高，易于操作；2、存储仓开关阀门和叶轮的配合设置，能够快速多次投料，减少了人工投料和***筒的频繁更换；3、通过耐压管道输送高温、高压气体，能够实现远距离及地下岩石的压裂；4、通过排气装置和高压泵的设置，能够合理运用残余的高压气体，为所述原理存储仓提供合适的压力。
附图说明
图1为本发明一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置的整体结构示意图；
图2为本发明一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置的爆燃仓侧视结构示意图；
图3为本发明另一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置的整体结构示意图；
图4为本发明另一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置的原料磨粉装置结构示意图；
图5为图4中原料磨粉装置的俯视结构示意图；
图中：1、原料存储仓；2、爆燃仓；3、耐压管道；4、排气管道；5、排气装置；6、管道一；7、高压泵；8、管道二；9、进料通道；10、存储仓开关阀门；11、下端部；12、阀杆；13、凸起；14、叶轮；15、电机；16、锉刀；17、传动轴；18、转盘。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1和图2所示，一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，包括原料存储仓1及所述原料存储仓1下方设置的爆燃仓2；所述爆燃仓2一端开口并连接通往***处的耐压管道3，所述爆燃仓2的中部设置有排气管道4并连接至排气装置5；所述排气装置5通过管道一6连接至高压泵7，所述高压泵7通过管道二8连接所述原料存储仓1；
所述原料存储仓1的底面与所述爆燃仓2顶面紧密焊接，并设有贯穿两个仓壁的进料通道9；所述原料存储仓1中设有存储仓开关阀门10，所述存储仓开关阀门10的下端部11穿过所述进料通道9位于所述爆燃仓2中；所述爆燃仓2中对应所述下端部11处设有叶轮14，所述叶轮14通过转轴连接有电机15，所述电机15设置在所述爆燃仓2外；所述爆燃仓2中还设有点火装置(图中未示出)。
本二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置利用爆燃原料膨胀相变后产生瞬态的高压高温气体冲击被***处实现压裂。
所述原料存储仓1用于存储爆燃原料，通过存储仓开关阀门10控制，实现原料循环投放和补充，所述爆燃仓2中实现爆燃并承受高压；每次爆燃后，残余气体通过排气装置5经由高压泵7再次进入所述原料存储仓1中，以保持所述原料存储仓1中的压力，便于打开阀门后，将原料压入所述爆燃仓2中。如所述高压泵7为所述原料存储仓1提供持续的20MPa的压力。
所述电机15能够带动所述叶轮14转动，以实现循环开启和关闭所述存储仓开关阀门10，所述叶轮14转动的频率和停留时间与爆燃频次及爆燃时间相匹配，实现爆燃原料多次脉冲冲压代替单次大剂量冲压，以达到更好的压裂效果。
进一步的，所述原料存储仓1中设有固体颗粒状二氧化碳聚能剂。采用固体的二氧化碳原料，如干冰，能够在所述原料存储仓1中存放更多的原料。
进一步的，所述原料存储仓1和所述爆燃仓2均由耐压、耐高温钢铁合金铸造而成；所述爆燃仓2为壁厚50mm、内径500mm、长度1000mm的圆柱形爆燃仓；所述原料存储仓1为壁厚50mm的立方体存储仓。
所述原料存储仓1的上侧面还设有可开启的填料仓门(图中未示出)。在存储仓开关阀门10关闭时，原料存储仓1的侧面可以打开，能够用于补充消耗的爆燃原料。
进一步的，所述存储仓开关阀门10包括相互连接的阀杆12和所述下端部11；所述阀杆12穿过所述进料通道9延伸至所述原料存储仓1中；所述阀杆12与所述下端部11的连接处设有一圈凸起13，所述凸起13的外径等于所述进料通道9的内径，所述凸起13的周向上设有若干层密封圈，以确保阀门关闭时的密封性能。
进一步的，所述阀杆12的直径小于所述进料通道9的直径，在阀门开启时，爆燃原料能够从两者之间的间隙中进入所述爆燃仓2中。
进一步的，所述叶轮14为耐压、耐高温钢铁合金铸造而成的叶片状柱体，所述叶片状柱体的两端均为弧形；所述下端部11的下部外轮廓与所述叶片状柱体相契合。所述叶轮14转至垂直状态时，所述下端部11向上顶住所述进料通道9，即关闭了阀门；所述叶轮转动倾斜时，所述下端部11向下运动，打开阀门，当所述叶轮14转至水平状态时，阀门开启为最大状态。
进一步的，所述点火装置包括设置在所述爆燃仓中的电打火头，所述电打火头通过导线连接外部电源及打火控制器。
进一步的，所述排气装置5中设有吸气装置，所述吸气装置连接所述排气管道4。
本二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置是利用二氧化碳(干冰)聚能剂实现爆燃冲压，利用多次瞬态高压实现岩石体的压裂，利用叶轮14推动存储仓开关阀门10实现不拆卸装置的情况下爆燃原料的补充，利用排气装置5实现爆燃后残余气体的循环使用，利用二氧化碳高压泵7为存储仓提供持续高压，便于爆燃原料进入爆燃仓，利用电机15控制叶轮14的间歇式转动、停止时间以及停止位置。
实施例二：
如图3和图4所示，一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，包括原料存储仓1及所述原料存储仓1下方设置的爆燃仓2；所述爆燃仓2一端开口并连接通往***处的耐压管道3，所述爆燃仓2的中部设置有排气管道4并连接至排气装置5；所述排气装置5通过管道一6连接至高压泵7，所述高压泵7通过管道二8连接所述原料存储仓1；所述原料存储仓1的底面与所述爆燃仓2顶面紧密焊接，并设有贯穿两个仓壁的进料通道9；
所述原料存储仓1中还设有原料磨粉装置；所述原料磨粉装置包括设置在所述原料存储仓中锉刀16，以及设置在所述存储仓的顶部的转盘18；所述锉刀16通过传动轴17与所述转盘18连接。所述锉刀16为圆盘状，上方设有若干齿纹；所述锉刀16下方设有存储仓开关阀门，所述存储仓开关阀门包括阀杆12和下端部11，所述阀杆12连接所述锉刀16或传动轴17；所述存储仓开关阀门10的下端部11穿过所述进料通道9位于所述爆燃仓2中；所述爆燃仓2中对应所述下端部11处设有叶轮14，所述叶轮14通过转轴连接有电机15，所述电机15设置在所述爆燃仓2外；所述爆燃仓2中还设有点火装置(图中未示出)。
所述锉刀16能够将所述原料存储仓中的大块固体原料摩碎成粉状原料，再投放至所述爆燃仓中，以提高爆燃效果。
所述锉刀16的四周与所述原料存储仓的内壁之间具有间隙，便于粉末落到所述锉刀16的下方；所述转盘18连接有齿轮传动装置，以驱动所述锉刀16转动，对其上的原料进行研磨。在本装置非爆燃的工作状态下，能够将原料预先磨成粉末状。
本实施例中其它部件的设置与实施例一中基本相同。
实施例三：
一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩工艺方法，包括实施例一或实施例二中的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，所述工艺方法包括如下步骤：
步骤一：向所述原料存储仓中添加爆燃原料并磨成粉末；
步骤二：控制电机转动所述叶轮打开存储仓开关阀门，将粉末状的爆燃原料压入所述爆燃仓中；关闭所述存储仓开关阀门；
步骤三：通过点火装置引发所述爆燃原料爆燃冲压，产生的瞬态高压气体通过耐压管道涌入被***处实现第一次压裂；
步骤四：打开排气装置排出爆燃后残余的气体，残余的气体通过高压泵通入所述原料存储仓中，保持舱内的压力，关闭所述排气装置；
步骤五：所述存储仓开关阀门再次打开，重复所述步骤三～所述步骤四，引发下一次爆燃冲压，直至完成被***处的压裂。
通过上述步骤，采用超临界态二氧化碳多次脉冲冲压代替单次大剂量冲压，能够达到较为理想的脉冲式爆燃冲压的压裂效果，而且安全性高，易于操作，能够适用于实验室模拟***、隧道掘进、基坑开挖、地下资源***开采等。
本脉冲式增压破岩工艺方法，使用爆燃增压的方式，利用爆燃提供的瞬态高压达到压裂目的，循环爆燃能够多次提供瞬态高压达到更高压的目的，省略了现有技术中多次更换***筒的操作方式；通过向被爆物直接输送高压气体的方式，能够实现在地面以上操作地下岩石的压裂。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，其特征在于，所述增压破岩装置包括原料存储仓及所述原料存储仓下方设置的爆燃仓；所述爆燃仓一端开口并连接通往***处的耐压管道，所述爆燃仓的中部设置有排气管道并连接至排气装置；所述排气装置通过管道一连接至高压泵，所述高压泵通过管道二连接所述原料存储仓；
所述原料存储仓与所述爆燃仓相抵接，并设有贯穿仓壁的进料通道；所述原料存储仓中设有存储仓开关阀门，所述存储仓开关阀门的下端部穿过所述进料通道位于所述爆燃仓中；所述爆燃仓中对应所述下端部处设有叶轮，所述叶轮通过转轴连接有电机，所述电机设置在所述爆燃仓外；所述爆燃仓中还设有点火装置。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，其特征在于，所述原料存储仓中设有固体块状、颗粒状或/和粉末状二氧化碳聚能剂。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，其特征在于，所述原料存储仓的下端面与所述爆燃仓的上端面焊接在一起；所述原料存储仓和所述爆燃仓均由不锈钢材质铸造而成，所述原料存储仓的上侧面设有可开启的填料仓门。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，其特征在于，所述存储仓开关阀门包括相互连接的阀杆和所述下端部；所述阀杆穿过所述进料通道延伸至所述原料存储仓中；所述阀杆与所述下端部的连接处设有一圈凸起，所述凸起的外径等于所述进料通道的内径，所述凸起的周向上设有若干层密封圈。
5.根据权利要求4所述的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，其特征在于，所述阀杆直径小于所述进料通道的直径。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，其特征在于，所述叶轮为金属材质铸造而成的叶片状柱体，所述叶片状柱体的两端均为弧形；所述下端部的外轮廓与所述叶片状柱体相契合。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，其特征在于，所述原料存储仓中还设有原料磨粉装置；所述原料磨粉装置包括设置在所述原料存储仓中带齿纹的锉刀，以及设置在所述存储仓的顶部的齿轮传动装置；所述锉刀通过传动轴与所述齿轮传动装置连接。
8.根据权利要求1所述的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，其特征在于，所述点火装置包括设置在所述爆燃仓中的电打火头，所述电打火头通过导线连接外部电源及打火控制器。
9.根据权利要求1所述的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置，其特征在于，所述排气装置中设有吸气装置，所述吸气装置连接所述排气管道。
10.一种含有权利要求1所述的二氧化碳爆燃脉冲式增压破岩装置的工艺方法，其特征在于，所述工艺方法包括如下步骤：
步骤一：向所述原料存储仓中添加爆燃原料并磨成粉末；
步骤二：控制电机转动所述叶轮打开存储仓开关阀门，将粉末状的爆燃原料压入所述爆燃仓中；关闭所述存储仓开关阀门；
步骤三：通过点火装置引发所述爆燃原料爆燃冲压，产生的瞬态高压气体通过耐压管道涌入被***处实现第一次压裂；
步骤四：打开排气装置排出爆燃后残余的气体，残余的气体通过高压泵通入所述原料存储仓中，保持舱内的压力，关闭所述排气装置；
步骤五：所述存储仓开关阀门再次打开，重复所述步骤三～所述步骤四，引发下一次爆燃冲压，直至完成被***处的压裂。
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