CN112343511B - 一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置及方法，属于矿山开采技术领域，装置包括微波加热***、液氮冷却***、声发射监测***，微波加热***将微波发射至岩(矿)体，液氮冷却***通过液氮输送软管将液氮输入到钻孔内进行液氮降温；声发射监测***通过声发射探头对岩(矿)体破裂过程中声发射信号进行接收，传递给声发射数据采集处理***进行采集，由记录分析显示***整合分析，从而对岩(矿)体破裂过程实时监测。本发明对矿山、岩土、石油尤其是金属矿山开采领域具有广泛的实用性，大幅度提高单一微波加热或液氮冷却岩(矿)体破裂效果，通过反复冷热冲击实现破岩，通过声发射监测***对岩(矿)体损伤破裂效果实现动态调控。
Description
技术领域
本发明属于矿山开采技术领域，尤其涉及一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置及方法。
背景技术
随着能源的不断开采，采矿工程逐步转向深部。在深部岩(矿)体工程中，高应力、高硬度等特点使机械破岩法的快速、高效、经济等优点被明显弱化。钻爆法产生的***扰动对围岩造成的损伤降低了围岩稳定性、岩(矿)体块度控制效果不佳、***产物严重污染空气环境等问题仍无法解决。
近年来，水压致裂技术、微波致裂技术、气压致裂技术及利用水力相变的煤层冻融致裂技术逐渐发展，但是由于采用水力化措施用水量较大，在一些水资源匮乏地区水压致裂及利用水利相变的煤层冻融致裂技术难以开展；气压致裂对储层的完整性要求较高，在节理裂隙相对发育的岩(矿)体内，气压致裂效果较差；微波致裂破岩效果受岩(矿)体吸波能力影响较大，同时由于微波设备及地质条件的限制，很多情况下微波致裂效果无法达到工程要求，更无法实现破岩。因此，探索继续扩大岩石损伤的普适性破岩方法尤为重要。
发明内容
针对现有技术存在的不足，基于采用火和水交替使用的这种古老的火法破岩技术的原理，本发明提供一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置及方法，对矿山、岩土、石油尤其是金属矿山开采领域具有广泛的实用性；通过对岩(矿)体进行钻孔内微波加热结合液氮冷却的冷热冲击，大幅度提高单一微波加热或液氮冷却岩(矿)体破裂效果，通过反复冷热冲击可实现破岩，同时通过声发射监测***对岩(矿)体损伤破裂效果实现动态调控。
一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置，包括微波加热***、液氮冷却***、声发射监测***，所述微波加热***包括微波发生装置、同轴传输电缆及微波发射器；微波发生装置与微波发射器通过同轴传输电缆连接；所述微波发生装置由磁控管、矩形波导、环形器水负载、耦合器及检波器、调配器和同轴转换器组成，磁控管的输出口通过矩形波导依次连接环形器水负载、耦合器及检波器、调配器和同轴转换器，同轴转换器末端与同轴传输电缆连接；所述液氮冷却***包括液氮压缩机、液氮罐、液氮泵及液氮输送软管，液氮压缩机的出口端通过液氮输送软管与液氮罐入口连接，液氮罐出口通过液氮输送软管与液氮泵连接，液氮泵出口端通过液氮输送软管连接至岩体的钻孔内；所述声发射监测***包括记录分析显示***、声发射数据采集处理***、声发射探头及监测线，声发射探头设置岩体的钻孔内，声发射数据采集处理***接收端通过监测线与钻孔内的声发射探头电连接。
所述液氮罐及液氮压缩机均设置有压力表和阀门，通过所述液氮罐上连接的压力表显示液氮罐内的压力值。
所述液氮输送软管是输送转移液氮的专用管路，具有耐高温、阻燃及保温性能。
所述声发射探头的数量至少为八个，具体是设置在岩体的四个角及工作面周边中点。
上述的一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置的破岩方法，具体包括以下步骤：
步骤一：使用钻机在工作面施工冷热冲击钻孔；
步骤二：将微波发生装置、同轴传输电缆及微波发射器进行连接；将液氮压缩机、液氮罐、液氮泵使用液氮输送软管进行连接，并启动液氮压缩机，开始制备液氮；将声发射数据采集处理***及声发射探头连接；
步骤三：根据声发射探头性能参数及钻孔深度，将声发射探头布置在冷热冲击岩体周围；启动声发射监测***；
步骤四：将微波发射器送入钻孔，启动微波发生装置，对钻孔进行微波加热；
步骤五：10分钟后或声发射监测***监测到微波加热过程中每分钟声发射事件总数降低至其峰值的60％—40％时，关闭微波发生装置，取出钻孔内的微波发射器，将液氮输送软管送入钻孔，更换冲击方式；
步骤六：启动液氮泵，对钻孔进行液氮冷却；
步骤七：10分钟后或声发射监测***监测到液氮冷却过程中每分钟声发射事件总数值降低至其峰值的60％—40％时，关闭液氮泵，取出钻孔内的液氮输送软管；
步骤八：重复步骤四～七，直至3-5分钟声发射事件总数小于上一循环中每分钟声发射事件总数平均值的40％时，或岩体明显破坏时停止。
所述步骤一种钻孔孔径大于微波发射器、同轴传输电缆及液氮输送软管的外径。
所述方法中至少4个钻孔同时作业即同时微波加热或钻孔液氮冷却。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用微波高效穿透性加热特点，通过对岩(矿)体进行微波加热，使岩(矿)体一定范围内温度快速升高，产生较大热应力，导致岩(矿)体损伤；微波加热到一段时间后，对岩(矿)体进行液氮冷却，使岩(矿)体由外向内急剧降温，岩(矿)体内产生较大热应力梯度，热冲击范围内的岩(矿)体迅速从膨胀状态向收缩状态发展，较大的交变热应力使岩(矿)体产生拉破坏；通过循环冷热冲击，提高岩(矿)体内裂隙密度，最终使岩(矿)体发生疲劳破坏。本发明通过微波加热及液氮冷却相结合，提高了单一微波加热和单一液氮冷却的破岩能力，在一定程度上克服了岩(矿)体物理力学性质对单一微波加热和液氮冷却的限制；
2、本发明在地质条件复杂、岩(矿)体破碎、水资源匮乏等地区均能使用，具有更广泛的适用性；
3、本发明通过声发射监测手段，实时分析岩石破裂情况，实现微波加热和液氮冷却时间的科学智能调控。
附图说明
图1为本发明中装置的结构连接示意图；
其中，
1-钻孔，2-微波发生装置，3-同轴传输电缆，4-微波发射器，5-液氮压缩机，6-液氮罐，7-液氮泵，8-液氮输送软管，9-记录分析显示***，10-声发射数据采集处理***，11-声发射探头，12-监测线。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
如图1所示，一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置，包括微波加热***、液氮冷却***、声发射监测***，所述微波加热***包括微波发生装置2、同轴传输电缆3及微波发射器4；微波发生装置2与微波发射器4通过同轴传输电缆3连接，所述微波发射器4是向钻孔1内发射微波的装置，同轴传输电缆3将微波发生装置2产生的微波传递至微波发射器4，由微波发射器4将微波发射至岩(矿)体。
所述微波发生装置2为市购的微波发生装置2，由磁控管、矩形波导、环形器水负载、耦合器及检波器、调配器和同轴转换器组成，磁控管的输出口通过矩形波导依次连接环形器水负载、耦合器及检波器、调配器和同轴转换器，同轴转换器末端与同轴传输电缆3连接。
所述液氮冷却***包括液氮压缩机5、液氮罐6、液氮泵7及液氮输送软管，液氮压缩机5的出口端通过液氮输送软管8与液氮罐6入口连接，液氮罐6出口通过液氮输送软管8与液氮泵7连接，液氮泵7出口端通过液氮输送软管8连接至岩体的钻孔1内；所述液氮泵7是将所述液氮罐6内的液氮抽出并输入到钻孔1内的装置，为液氮冷却提供动力。所述液氮压缩机5将空气中的氮气分离并压缩成液氮，通过所述液氮输送软管将制备成功的液氮输入液氮罐6中储存，通过液氮泵7将液氮罐6内的液氮通过液氮输送软管抽出并输入到钻孔1内进行液氮降温。
所述液氮罐6及液氮压缩机5均设置有压力表和阀门，通过所述液氮罐6上连接的压力表显示液氮罐6内的压力值。
所述液氮输送软管是输送转移液氮的专用管路，具有耐高温、阻燃及保温性能。
所述声发射监测***包括记录分析显示***9、声发射数据采集处理***10、声发射探头11及监测线12，声发射探头11设置岩(矿)体的钻孔1内，声发射探头11的数量要保证预破坏岩体完全被声发射探头11包围，至少为八个，具体是设置在岩(矿)体的四个角及每个边中点；本实施例中声发射探头11的数量为八个。所述声发射数据采集处理***10接收端通过监测线12与钻孔1内的声发射探头11电连接，所述声发射监测***是通过声发射探头11对岩(矿)体破裂过程中声发射信号进行接收，并通过监测线12传递给声发射数据采集处理***10对声发射信号进行采集，最后由记录分析显示***9对信号整合分析，从而对岩(矿)体破裂过程实现实时监测，根据声发射信号分析结果调控加热和冷却的时间，从而实现动态调控冷热冲击破岩。
采用上述一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置进行破岩的方法，该方法中应保证至少4个钻孔同时作业即同时微波加热或钻孔液氮冷却，具体包括以下步骤：
步骤一：使用钻机在工作面施工冷热冲击钻孔1，钻孔1孔径大于微波发射器4、同轴传输电缆3及液氮输送软管8的外径，保证后续工作顺利开展；
步骤二：将微波发生装置2、同轴传输电缆3及微波发射器4进行连接；将液氮压缩机5、液氮罐6、液氮泵7使用液氮输送软管8进行连接，并启动液氮压缩机5，开始制备液氮；将声发射数据采集处理***10及声发射探头11连接；
步骤三：根据声发射探头11性能参数及钻孔1深度，将声发射探头11布置在冷热冲击岩(矿)体周围，保证预破坏岩体完全被声发射探头11包围，本实施例中声发射探头11为八个，具体是设置在岩(矿)体的四个角及工作面周边中点；启动声发射监测***；
步骤四：将微波发射器4送入钻孔1，启动微波发生装置2，对钻孔1进行微波加热；
步骤五：10分钟后或声发射监测***监测到微波加热过程中每分钟声发射事件总数降低至其峰值的60％—40％时，关闭微波发生装置2，取出钻孔1内的微波发射器4，将液氮输送软管送入钻孔1，更换冲击方式；
步骤六：启动液氮泵7，对钻孔1进行液氮冷却；
步骤七：10分钟后或声发射监测***监测到液氮冷却过程中每分钟声发射事件总数值降低至其峰值的60％—40％时，关闭液氮泵7，取出钻孔1内的液氮输送软管；
步骤八：重复步骤四～七，直至3-5分钟声发射事件总数小于上一循环中每分钟声发射事件总数平均值的40％时，或岩体明显破坏时停止。
Claims (5)
1.一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置的破岩方法，其中基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置包括微波加热***、液氮冷却***、声发射监测***，所述微波加热***包括微波发生装置、同轴传输电缆及微波发射器；微波发生装置与微波发射器通过同轴传输电缆连接；所述微波发生装置由磁控管、矩形波导、环形器水负载、耦合器及检波器、调配器和同轴转换器组成，磁控管的输出口通过矩形波导依次连接环形器水负载、耦合器及检波器、调配器和同轴转换器，同轴转换器末端与同轴传输电缆连接；所述液氮冷却***包括液氮压缩机、液氮罐、液氮泵及液氮输送软管，液氮压缩机的出口端通过液氮输送软管与液氮罐入口连接，液氮罐出口通过液氮输送软管与液氮泵连接，液氮泵出口端通过液氮输送软管连接至岩体的钻孔内；所述声发射监测***包括记录分析显示***、声发射数据采集处理***、声发射探头及监测线，声发射探头设置岩体的钻孔内，声发射数据采集处理***接收端通过监测线与钻孔内的声发射探头电连接；
其特征在于：破岩方法具体包括以下步骤：
步骤一：使用钻机在工作面施工冷热冲击钻孔；
步骤二：将微波发生装置、同轴传输电缆及微波发射器进行连接；将液氮压缩机、液氮罐、液氮泵使用液氮输送软管进行连接，并启动液氮压缩机，开始制备液氮；将声发射数据采集处理***及声发射探头连接；
步骤三：根据声发射探头性能参数及钻孔深度，将声发射探头布置在冷热冲击岩体周围，声发射探头的数量要保证预破坏岩体完全被声发射探头包围，至少为八个；启动声发射监测***；
步骤四：将微波发射器送入钻孔，启动微波发生装置，对钻孔进行微波加热；
步骤五：10分钟后或声发射监测***监测到微波加热过程中每分钟声发射事件总数降低至其峰值的60％—40％时，关闭微波发生装置，取出钻孔内的微波发射器，将液氮输送软管送入钻孔，更换冲击方式；
步骤六：启动液氮泵，对钻孔进行液氮冷却；
步骤七：10分钟后或声发射监测***监测到液氮冷却过程中每分钟声发射事件总数值降低至其峰值的60％—40％时，关闭液氮泵，取出钻孔内的液氮输送软管；
步骤八：重复步骤四～七，直至3-5分钟声发射事件总数小于上一循环中每分钟声发射事件总数平均值的40％时，或岩体明显破坏时停止；
所述方法中至少4个钻孔同时作业即同时微波加热或钻孔液氮冷却。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置的破岩方法，其特征在于：所述液氮罐及液氮压缩机均设置有压力表和阀门，通过所述液氮罐上连接的压力表显示液氮罐内的压力值。
3.根据权利要求1所述的一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置的破岩方法，其特征在于：所述液氮输送软管是输送转移液氮的专用管路，具有耐高温、阻燃及保温性能。
4.根据权利要求1所述的一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置的破岩方法，其特征在于：所述声发射探头的数量至少为八个，具体是设置在岩体的四个角及工作面周边中点。
5.根据权利要求1所述的一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置的破岩方法，其特征在于：所述步骤一种钻孔孔径大于微波发射器、同轴传输电缆及液氮输送软管的外径。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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