CN112762781B - 露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置及方法，装置包括气体增压***、储能器、致裂室、封隔器及注气管；气体增压***内及注气管上设有压力传感器、流量传感器和若干阀门，若干气体增压***并联设置；致裂室侧壁上设有致裂孔，封隔器位于致裂孔上下两侧的致裂室与钻孔内孔壁之间环向空间内。储能器与气体增压***并联设置。方法为：布孔；钻孔；将装配有封隔器的致裂室送入钻孔；向封隔器的环向封隔气囊内充气，由膨胀的环向封隔气囊完成封隔；启动气体增压***，选择合适的压裂气体注入钻孔内，往复实施瞬态及静态压裂过程，使矿体产生疲劳作用并产生复杂裂隙网络，实现矿体破坏；废气回收并卸压；环向封隔气囊排气完成解封。

Description

露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置及方法

技术领域

本发明属于露天矿开采技术领域，特别是涉及一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置及方法。

背景技术

露天采矿是一个移走矿体上的覆盖物以得到所需矿物的过程，一般包括剥离、***、采装等作业流程，***过程是影响矿体开采的质量、安全及经济效益的关键环节。传统的***方式是利用***在钻孔中***所产生的爆生气体达到致裂岩石的目的，但传统***方式存在诸多安全隐患，***在存储、运输过程中易造成安全事故，***在使用时会引起较大的空气冲击波，不仅会带来噪声、环境污染，而且较大的地震波还会影响边坡稳定，进而带来了严重的次生灾害。另外，在露天煤矿开采的***过程中高温爆生气体极易损耗钻孔内的煤体，造成了大量的资源浪费。

为此，二氧化碳***、高能气体压裂技术应运而生，尽管二氧化碳***及高能气体压裂技术的破岩效果较为明显，但是，由于其需要采用******的起爆方式，存在整体性、单次作用于矿体的特点，若要提高单次和整体作用效果，需增大冲击波力度，将会影响矿产资源品味。此外这两种***方式都需要预先制备***筒，***筒内容积定量，无法在***过程中进行压力控制和调节，且存在较大的安全隐患，由于***筒导致的安全事故频发。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置及方法，将瞬态气体压裂技术和静态气体压裂技术相结合应用于露天矿开采中，实现***过程中破岩能量的动态调控，解决了传统******技术和传统高能气体压裂技术存在的危险性大、压力不可控、***效果差等技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置，包括气体增压***、储能器、致裂室、封隔器及注气管；所述气体增压***数量若干，若干气体增压***并联设置；所述气体增压***及储能器位于钻孔外部；所述致裂室位于钻孔内部；在所述致裂室的侧壁上开设有致裂孔，致裂室内腔通过致裂孔与钻孔相连通；所述封隔器设置在致裂孔上下两侧的致裂室与钻孔内孔壁之间的环向空间内；所述气体增压***分两路输出，第一路通过注气管与致裂室内腔相连通，第二路通过注气管与封隔器相连通；用于连通所述气体增压***和致裂室的注气管与储能器并联设置。

所述致裂室可采用单级结构或多级串联结构；当所述致裂室采用单级结构时，致裂室的上下两端筒口分别通过顶部堵头和底部堵头进行封堵；当所述致裂室采用多级串联结构时，上数第一级致裂室的上端筒口通过顶部堵头进行封堵，相邻致裂室之间通过螺接方式进行串联连接，下数第一级致裂室的下端筒口通过底部堵头进行封堵。

并联设置的所述气体增压***交汇于第一三通，在第一三通与致裂室之间的注气管上依次设置有第一压力传感器、第一流量传感器、第一阀门、第二三通、第二阀门、第三三通、第一四通及第三阀门；所述储能器的进气端与第二三通相连通，在储能器的进气端与第二三通之间的管路上设置有第四阀门；所述储能器的出气端与第三三通相连通，在储能器的出气端与第三三通之间的管路上依次设置有第二压力传感器、第二流量传感器及第五阀门；在所述钻孔外部设置有废气储罐，废气储罐的进气端与第一四通相连通，在废气储罐的进气端与第一四通之间的管路上依次设置有第三压力传感器及第六阀门。

所述气体增压***包括空压机、空气储罐、制氮机、氮气储罐、液氮储罐、二氧化碳储罐及加热器；所述空压机的出气端与第一三通相连通，在空压机的出气端与第一三通之间的管路上依次设置有第四压力传感器、第四三通、第七阀门、第二四通、第一增压泵、第五压力传感器、第三流量传感器、第八阀门、第二增压泵、第六压力传感器、第四流量传感器及第九阀门；所述空气储罐的进气端与第四三通相连通，在空气储罐的进气端与第四三通之间的管路上设置有第十阀门；所述空气储罐的出气端与制氮机的进气端相连通，在空气储罐的出气端与制氮机的进气端之间的管路上设置有第十一阀门；所述制氮机的出气端与氮气储罐的进气端相连通，在制氮机的出气端与氮气储罐的进气端之间的管路上设置有第十二阀门；所述氮气储罐的出气端与第二四通相连通，在氮气储罐的出气端与第二四通之间的管路上依次设置有第十三阀门和第五三通；所述液氮储罐的出液端与第五三通相连通，在液氮储罐的出液端与第五三通之间的管路上设置有第十四阀门；所述二氧化碳储罐的出气端与加热器的进料端相连通，在二氧化碳储罐的出气端与加热器的进料端之间的管路上依次设置有第六三通及第十五阀门；所述加热器的出料端与第二四通相连通，在加热器的出料端与第二四通之间的管路上依次设置有第十六阀门及第七三通；所述第六三通与第七三通通过一根直通管路相连通，在直通管路上设置有第十七阀门。

在其中一套所述气体增压***内，在所述第三流量传感器与第八阀门之间的管路上还设置有第八三通，在第八三通与封隔器之间的注气管上依次设置有第十八阀门、减压阀、第十九阀门、第九三通及第十三通；所述第十三通分两路与封隔器相连通，在第十三通与封隔器的第一路管路上设置有第二十阀门，在第十三通与封隔器的第二路管路上设置有第二十一阀门；所述第十三通与第一四通相连通，在第十三通与第一四通之间的管路上设置有第二十二阀门。

所述封隔器包括环向承载基座、注气中心管柱、环向封隔气囊及高压闭合喷头；所述环向承载基座固定套装在致裂室外部，所述注气中心管柱固定插装在环向承载基座内，注气中心管柱与注气管相连通；所述环向封隔气囊套装在环向承载基座周向外侧，环向封隔气囊与注气管之间通过高压闭合喷头相连通；在所述高压闭合喷头的中心孔口内侧同轴设置有一根推力弹簧，推力弹簧一端与高压闭合喷头相连，推力弹簧另一端连接有一张喷口密封板。

在所述致裂孔上下两侧封隔器之间的致裂室筒壁上安装有第七压力传感器，在致裂室筒壁上部安装有传感器信号转接头；在所述钻孔外部设置有信息采集器和计算机，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、第七压力传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器及第四流量传感器的信号输出端均与信息采集器进行电连接，所述第七压力传感器的信号输出端通过传感器信号转接头与信息采集器进行电连接，信息采集器的信号输出端与计算机进行电连接。

一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩方法，采用了所述的露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置，包括如下步骤：

步骤一：根据露天矿开采需要确定钻孔的布孔位置和布孔数量；

步骤二：在确定好的布孔位置处，利用钻孔设备加工钻孔，直到钻孔达到预设深度；

步骤三：将装配有封隔器的致裂室送入钻孔内；

步骤四：将第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十八阀门、第十九阀门、第二十阀门及第二十一阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时启动空压机，压缩空气先经过第一增压泵进行增压，之后流经减压阀并进入注气中心管柱，经减压阀调压后的压缩空气由注气中心管柱流出直接进入环向封隔气囊内，喷口密封板此时处于开启状态，压缩空气可以顺利通过高压闭合喷头，使环向封隔气囊逐渐充气膨胀，直到膨胀后的环向封隔气囊贴紧钻孔内孔壁，随着压缩空气的持续注入，高压闭合喷头内部的压力逐渐升高，当该压力将超过推力弹簧的弹簧力时，此时在该压力下会使喷口密封板闭合，进而使高压闭合喷头封闭，环向封隔气囊充气结束，致裂孔上下两侧的钻孔环向空间完成封隔，并形成环向封隔段，之后迅速关闭所有开启的阀门，同时关闭空压机和第一增压泵；

步骤五：启动气体增压***，根据压裂气体的不同，分为以下五种运行模式：

①、基于空气的瞬态及静态压裂

步骤1：将第七阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门、第四阀门、第五阀门及第三阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时启动空压机，压缩空气先经过第一增压泵进行一级增压，之后通过第二增压泵进行二级增压，完成二级增压后的压缩空气直接进入储能器中，当储能器内的压力达到设定值后，由储能器释放高压空气，高压空气依次经过致裂室内腔及致裂孔进入钻孔的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门和第五阀门，开启第二阀门，同时维持第七阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门及第三阀门的开启状态，完成二级增压后的压缩空气直接注入致裂室内腔和钻孔的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

②、基于液氮的静态压裂

将第十四阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门、第二阀门及第三阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，开启液氮储罐，输出的液氮先经过第一增压泵进行一级增压，之后通过第二增压泵进行二级增压，增压后的液氮直接注入致裂室内腔和钻孔的环向封隔段中，液氮气化后吸收大量热量并形成低温气体，进而对矿体产生冷冲击作用，使矿体脆性增加，随着液氮的持续注入，液氮气化膨胀后形成的高压气体也会作用于矿体，在冷冲击和高压的反复作用下，会使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

③、基于氮气的瞬态及静态压裂

步骤1：将第十阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门、第四阀门、第五阀门及第三阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时启动空压机，压缩空气先进入空气储罐中，再由空气储罐流入制氮机内，之后由制氮机输出氮气并注入氮气储罐中，然后由氮气储罐输出的氮气，氮气经过第一增压泵进行一级增压，之后通过第二增压泵进行二级增压，完成二级增压后的氮气直接进入储能器中，当储能器内的压力达到设定值后，由储能器释放高压氮气，高压氮气依次经过致裂室内腔及致裂孔进入钻孔的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门和第五阀门，开启第二阀门，同时维持第十阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门及第三阀门的开启状态，完成二级增压后的氮气直接注入致裂室内腔和钻孔的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

④、基于二氧化碳的瞬态及静态压裂

步骤1：将第十七阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门、第四阀门、第五阀门及第三阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时开启二氧化碳储罐，二氧化碳先经过第一增压泵进行一级增压，之后通过第二增压泵进行二级增压，完成二级增压后的二氧化碳直接进入储能器中，当储能器内的压力达到设定值后，由储能器释放高压二氧化碳，高压二氧化碳依次经过致裂室内腔及致裂孔进入钻孔的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门和第五阀门，开启第二阀门，同时维持第十七阀门V、第八阀门、第九阀门、第一阀门及第三阀门的开启状态，完成二级增压后的二氧化碳直接注入致裂室内腔和钻孔的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

⑤、基于超临界二氧化碳的瞬态及静态压裂

步骤1：将第十五阀门、第十六阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门、第四阀门、第五阀门及第三阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时开启二氧化碳储罐，二氧化碳先进入加热器内，并在加热器内被加热到31.1℃以上，完成加热后的二氧化碳从加热器流出后，先经过第一增压泵进行一级增压，之后通过第二增压泵进行二级增压，直到压力达到7.4MPa以上，进而形成超临界二氧化碳，且超临界二氧化碳直接进入储能器中进行存储，当储能器内的压力达到设定值后，由储能器释放高压超临界二氧化碳，高压超临界二氧化碳依次经过致裂室内腔及致裂孔进入钻孔的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门和第五阀门，开启第二阀门，同时维持第十五阀门、第十六阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门及第三阀门的开启状态，形成的超临界二氧化碳直接注入致裂室内腔和钻孔的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

步骤六：维持第三阀门的开启状态，关闭其他所有开启的阀门，关闭气体增压***，之后开启第六阀门，此时通过废气储罐对废气进行回收并实现卸压，最后关闭第三阀门和第六阀门；

步骤七：将第六阀门、第二十二阀门、第二十阀门及第二十一阀门调整到开启状态，高压闭合喷头内部的压力瞬间下降，推力弹簧由压缩状态恢复到伸长状态，此时喷口密封板从闭合状态恢复到开启状态，环向封隔气囊逐渐回缩并进行排气，排出的气体通过废气储罐进行回收，当环向封隔气囊回缩到初始体积后，解封结束。

本发明的有益效果：

1.破岩效果好。本发明采用瞬态气体压裂技术和静态气体压裂技术相结合的方式致裂矿体，瞬态气体压裂技术作用于矿体，依靠较大压力作用产生大裂缝，静态气体压裂技术作用于矿体，依靠持续稳定注入高压气体来沟通扩展裂缝，通过瞬态及静态压裂重复多次作用于矿体，可使矿体产生疲劳作用，从而使矿体产生破坏。

2.安全性好。本发明将瞬态气体压裂技术和静态气体压裂技术相结合应用于露天矿开采中，与传统的******技术和传统高能气体压裂技术相比，整个过程不产生火花和***，避免了******所带来的次生危害，提高了安全性。

3、压力可控。瞬态高压气体可以起到动态冲击的作用，可在破岩过程中通过控制压力与气体体积等参数动态调控动载破岩的效果；静态气体压裂技术可以通过控制气体流量和气体压力动态调节破岩效果，可在露天煤矿开采中有效减小沫煤量，进而提高矿产资源的品位；在露天金属矿开采中可以控制破岩块度，控制大块率产生。

4.高效快捷。本发明的气体增压***多级增压及并联增压，在保证压力的前提下，提高了高压气体的注入流量和气体扩散度，有效扩大了作用范围，同时具备了利用多种、多相气体进行矿体致裂，能够降低起裂压力，提高破岩效果，并且采用封隔器进行封隔，避免了封孔的复杂工序。

5.环保且成本低。本发明采用气体压裂技术代替传统******技术，具有环保优势，且氮气、二氧化碳等资源充足，可重复利用，有效降低了成本。

综上，本发明的露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置及方法，具有破岩效果好、安全性好、压力可控、高效快捷、环保且成本低的优点，因此适用于露天矿开采中进行矿体致裂。

附图说明

图1为本发明的一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置(图中气体增压***为两套并联，但也可根据破岩需求进行多套并联)的结构示意图；

图2为图1中I部放大图；

图中，1—气体增压***，2—储能器，3—致裂室，4—封隔器，5—注气管，6—钻孔，7—致裂孔，8—顶部堵头，9—底部堵头，10—第一压力传感器，11—第一流量传感器，12—第二压力传感器，13—第二流量传感器，14—废气储罐，15—第三压力传感器，16—空压机，17—空气储罐，18—制氮机，19—氮气储罐，20—液氮储罐，21—二氧化碳储罐，22—加热器，23—第四压力传感器，24—第一增压泵，25—第五压力传感器，26—第三流量传感器，27—第二增压泵，28—第六压力传感器，29—第四流量传感器，30—减压阀，31—环向承载基座，32—注气中心管柱，33—环向封隔气囊，34—高压闭合喷头，35—推力弹簧，36—喷口密封板，37—第七压力传感器，38—传感器信号转接头，V1—第一阀门，V2—第二阀门，V3—第三阀门，V4—第四阀门，V5—第五阀门，V6—第六阀门，V7—第七阀门，V8—第八阀门，V9—第九阀门，V10—第十阀门，V11—第十一阀门，V12—第十二阀门，V13—第十三阀门，V14—第十四阀门，V15—第十五阀门，V16—第十六阀门，V17—第十七阀门，V18—第十八阀门，V19—第十九阀门，V20—第二十阀门，V21—第二十一阀门，V22—第二十二阀门，T1—第一三通，T2—第二三通，T3—第三三通，T4—第四三通，T5—第五三通，T6—第六三通，T7—第七三通，T8—第八三通，T9—第九三通，T10—第十三通，ST1—第一四通，ST2—第二四通。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置，包括气体增压***1、储能器2、致裂室3、封隔器4及注气管5；所述气体增压***1数量若干，若干气体增压***1并联设置；所述气体增压***1及储能器2位于钻孔6外部；所述致裂室3位于钻孔6内部；在所述致裂室3的侧壁上开设有致裂孔7，致裂室3内腔通过致裂孔7与钻孔6相连通；所述封隔器4设置在致裂孔7上下两侧的致裂室3与钻孔6内孔壁之间的环向空间内；所述气体增压***1分两路输出，第一路通过注气管5与致裂室3内腔相连通，第二路通过注气管5与封隔器4相连通；用于连通所述气体增压***1和致裂室3的注气管5与储能器2并联设置。

所述致裂室3可采用单级结构或多级串联结构；当所述致裂室3采用单级结构时，致裂室3的上下两端筒口分别通过顶部堵头8和底部堵头9进行封堵；当所述致裂室3采用多级串联结构时，上数第一级致裂室3的上端筒口通过顶部堵头8进行封堵，相邻致裂室3之间通过螺接方式进行串联连接，下数第一级致裂室3的下端筒口通过底部堵头9进行封堵。

并联设置的所述气体增压***1交汇于第一三通T1，在第一三通T1与致裂室3之间的注气管5上依次设置有第一压力传感器10、第一流量传感器11、第一阀门V1、第二三通T2、第二阀门V2、第三三通T3、第一四通ST1及第三阀门V3；所述储能器2的进气端与第二三通T2相连通，在储能器2的进气端与第二三通T2之间的管路上设置有第四阀门V4；所述储能器2的出气端与第三三通T3相连通，在储能器2的出气端与第三三通T3之间的管路上依次设置有第二压力传感器12、第二流量传感器13及第五阀门V5；在所述钻孔6外部设置有废气储罐14，废气储罐14的进气端与第一四通ST1相连通，在废气储罐14的进气端与第一四通ST1之间的管路上依次设置有第三压力传感器15及第六阀门V6。

所述气体增压***1包括空压机16、空气储罐17、制氮机18、氮气储罐19、液氮储罐20、二氧化碳储罐21及加热器22；所述空压机16的出气端与第一三通T1相连通，在空压机16的出气端与第一三通T1之间的管路上依次设置有第四压力传感器23、第四三通T4、第七阀门V7、第二四通ST2、第一增压泵24、第五压力传感器25、第三流量传感器26、第八阀门V8、第二增压泵27、第六压力传感器28、第四流量传感器29及第九阀门V9；所述空气储罐17的进气端与第四三通T4相连通，在空气储罐17的进气端与第四三通T4之间的管路上设置有第十阀门V10；所述空气储罐17的出气端与制氮机18的进气端相连通，在空气储罐17的出气端与制氮机18的进气端之间的管路上设置有第十一阀门V11；所述制氮机18的出气端与氮气储罐19的进气端相连通，在制氮机18的出气端与氮气储罐19的进气端之间的管路上设置有第十二阀门V12；所述氮气储罐19的出气端与第二四通ST2相连通，在氮气储罐19的出气端与第二四通ST2之间的管路上依次设置有第十三阀门V13和第五三通T5；所述液氮储罐20的出液端与第五三通T5相连通，在液氮储罐20的出液端与第五三通T5之间的管路上设置有第十四阀门V14；所述二氧化碳储罐21的出气端与加热器22的进料端相连通，在二氧化碳储罐21的出气端与加热器22的进料端之间的管路上依次设置有第六三通T6及第十五阀门V15；所述加热器22的出料端与第二四通ST2相连通，在加热器22的出料端与第二四通ST2之间的管路上依次设置有第十六阀门V16及第七三通T7；所述第六三通T6与第七三通T7通过一根直通管路相连通，在直通管路上设置有第十七阀门V17。

在其中一套所述气体增压***1内，在所述第三流量传感器26与第八阀门V8之间的管路上还设置有第八三通T8，在第八三通T8与封隔器4之间的注气管5上依次设置有第十八阀门V18、减压阀30、第十九阀门V19、第九三通T9及第十三通T10；所述第十三通T10分两路与封隔器4相连通，在第十三通T10与封隔器4的第一路管路上设置有第二十阀门V20，在第十三通T10与封隔器4的第二路管路上设置有第二十一阀门V21；所述第十三通T10与第一四通ST1相连通，在第十三通T10与第一四通ST1之间的管路上设置有第二十二阀门V22。

所述封隔器4包括环向承载基座31、注气中心管柱32、环向封隔气囊33及高压闭合喷头34；所述环向承载基座31固定套装在致裂室3外部，所述注气中心管柱32固定插装在环向承载基座31内，注气中心管柱32与注气管5相连通；所述环向封隔气囊33套装在环向承载基座31周向外侧，环向封隔气囊33与注气管5之间通过高压闭合喷头34相连通；在所述高压闭合喷头34的中心孔口内侧同轴设置有一根推力弹簧35，推力弹簧35一端与高压闭合喷头34相连，推力弹簧35另一端连接有一张喷口密封板36。

在所述致裂孔7上下两侧封隔器4之间的致裂室3筒壁上安装有第七压力传感器37，在致裂室3筒壁上部安装有传感器信号转接头38；在所述钻孔6外部设置有信息采集器和计算机，所述第一压力传感器10、第二压力传感器12、第三压力传感器15、第四压力传感器23、第五压力传感器25、第六压力传感器28、第七压力传感器37、第一流量传感器11、第二流量传感器13、第三流量传感器26及第四流量传感器29的信号输出端均与信息采集器进行电连接，所述第七压力传感器37的信号输出端通过传感器信号转接头38与信息采集器进行电连接，信息采集器的信号输出端与计算机进行电连接。

一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩方法，采用了所述的露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置，包括如下步骤：

步骤一：根据露天矿开采需要确定钻孔6的布孔位置和布孔数量；

步骤二：在确定好的布孔位置处，利用钻孔设备加工钻孔6，直到钻孔6达到预设深度；

步骤三：将装配有封隔器4的致裂室3送入钻孔6内；

步骤四：将第七阀门V7、第八阀门V8、第九阀门V9、第十八阀门V18、第十九阀门V19、第二十阀门V20及第二十一阀门V21调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时启动空压机16，压缩空气先经过第一增压泵24进行增压，之后流经减压阀30并进入注气中心管柱32，经减压阀30调压后的压缩空气由注气中心管柱32流出直接进入环向封隔气囊33内，喷口密封板36此时处于开启状态，压缩空气可以顺利通过高压闭合喷头34，使环向封隔气囊33逐渐充气膨胀，直到膨胀后的环向封隔气囊33贴紧钻孔6内孔壁，随着压缩空气的持续注入，高压闭合喷头34内部的压力逐渐升高，当该压力将超过推力弹簧35的弹簧力时，此时在该压力下会使喷口密封板36闭合，进而使高压闭合喷头34封闭，环向封隔气囊33充气结束，致裂孔7上下两侧的钻孔6环向空间完成封隔，并形成环向封隔段，之后迅速关闭所有开启的阀门，同时关闭空压机16和第一增压泵24；

步骤五：启动气体增压***1，根据压裂气体的不同，分为以下五种运行模式：

①、基于空气的瞬态及静态压裂

步骤1：将第七阀门V7、第八阀门V8、第九阀门V9、第一阀门V1、第四阀门V4、第五阀门V5及第三阀门V3调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时启动空压机16，压缩空气先经过第一增压泵24进行一级增压，之后通过第二增压泵27进行二级增压，完成二级增压后的压缩空气直接进入储能器2中，当储能器2内的压力达到设定值后，由储能器2释放高压空气，高压空气依次经过致裂室3内腔及致裂孔7进入钻孔6的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门V4和第五阀门V5，开启第二阀门V2，同时维持第七阀门V7、第八阀门V8、第九阀门V9、第一阀门V1及第三阀门V3的开启状态，完成二级增压后的压缩空气直接注入致裂室3内腔和钻孔6的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

②、基于液氮的静态压裂

将第十四阀门V14、第八阀门V8、第九阀门V9、第一阀门V1、第二阀门V2及第三阀门V3调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，开启液氮储罐20，输出的液氮先经过第一增压泵24进行一级增压，之后通过第二增压泵27进行二级增压，增压后的液氮直接注入致裂室3内腔和钻孔6的环向封隔段中，液氮气化后吸收大量热量并形成低温气体，进而对矿体产生冷冲击作用，使矿体脆性增加，随着液氮的持续注入，液氮气化膨胀后形成的高压气体也会作用于矿体，在冷冲击和高压的反复作用下，会使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

③、基于氮气的瞬态及静态压裂

步骤1：将第十阀门V10、第十一阀门V11、第十二阀门V12、第十三阀门V13、第八阀门V8、第九阀门V9、第一阀门V1、第四阀门V4、第五阀门V5及第三阀门V3调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时启动空压机16，压缩空气先进入空气储罐17中，再由空气储罐17流入制氮机18内，之后由制氮机18输出氮气并注入氮气储罐19中，然后由氮气储罐19输出的氮气，氮气经过第一增压泵24进行一级增压，之后通过第二增压泵27进行二级增压，完成二级增压后的氮气直接进入储能器2中，当储能器2内的压力达到设定值后，由储能器2释放高压氮气，高压氮气依次经过致裂室3内腔及致裂孔7进入钻孔6的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门V4和第五阀门V5，开启第二阀门V2，同时维持第十阀门V10、第十一阀门V11、第十二阀门V12、第十三阀门V13、第八阀门V8、第九阀门V9、第一阀门V1及第三阀门V3的开启状态，完成二级增压后的氮气直接注入致裂室3内腔和钻孔6的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

④、基于二氧化碳的瞬态及静态压裂

步骤1：将第十七阀门V17、第八阀门V8、第九阀门V9、第一阀门V1、第四阀门V4、第五阀门V5及第三阀门V3调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时开启二氧化碳储罐21，二氧化碳先经过第一增压泵24进行一级增压，之后通过第二增压泵27进行二级增压，完成二级增压后的二氧化碳直接进入储能器2中，当储能器2内的压力达到设定值后，由储能器2释放高压二氧化碳，高压二氧化碳依次经过致裂室3内腔及致裂孔7进入钻孔6的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门V4和第五阀门V5，开启第二阀门V2，同时维持第十七阀门V17、第八阀门V8、第九阀门V9、第一阀门V1及第三阀门V3的开启状态，完成二级增压后的二氧化碳直接注入致裂室3内腔和钻孔6的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

⑤、基于超临界二氧化碳的瞬态及静态压裂

步骤1：将第十五阀门V15、第十六阀门V16、第八阀门V8、第九阀门V9、第一阀门V1、第四阀门V4、第五阀门V5及第三阀门V3调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时开启二氧化碳储罐21，二氧化碳先进入加热器22内，并在加热器22内被加热到31.1℃以上，完成加热后的二氧化碳从加热器22流出后，先经过第一增压泵24进行一级增压，之后通过第二增压泵27进行二级增压，直到压力达到7.4MPa以上，进而形成超临界二氧化碳，且超临界二氧化碳直接进入储能器2中进行存储，当储能器2内的压力达到设定值后，由储能器2释放高压超临界二氧化碳，高压超临界二氧化碳依次经过致裂室3内腔及致裂孔7进入钻孔6的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门V4和第五阀门V5，开启第二阀门V2，同时维持第十五阀门V15、第十六阀门V16、第八阀门V8、第九阀门V9、第一阀门V1及第三阀门V3的开启状态，形成的超临界二氧化碳直接注入致裂室3内腔和钻孔6的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

步骤六：维持第三阀门V3的开启状态，关闭其他所有开启的阀门，关闭气体增压***1，之后开启第六阀门V6，此时通过废气储罐14对废气进行回收并实现卸压，最后关闭第三阀门V3和第六阀门V6；

步骤七：将第六阀门V6、第二十二阀门V22、第二十阀门V20及第二十一阀门V21调整到开启状态，高压闭合喷头34内部的压力瞬间下降，推力弹簧35由压缩状态恢复到伸长状态，此时喷口密封板36从闭合状态恢复到开启状态，环向封隔气囊33逐渐回缩并进行排气，排出的气体通过废气储罐14进行回收，当环向封隔气囊33回缩到初始体积后，解封结束。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置，其特征在于：包括气体增压***、储能器、致裂室、封隔器及注气管；所述气体增压***数量若干，若干气体增压***并联设置；所述气体增压***及储能器位于钻孔外部；所述致裂室位于钻孔内部；在所述致裂室的侧壁上开设有致裂孔，致裂室内腔通过致裂孔与钻孔相连通；所述封隔器设置在致裂孔上下两侧的致裂室与钻孔内孔壁之间的环向空间内；所述气体增压***分两路输出，第一路通过注气管与致裂室内腔相连通，第二路通过注气管与封隔器相连通；用于连通所述气体增压***和致裂室的注气管与储能器并联设置；

并联设置的所述气体增压***交汇于第一三通，在第一三通与致裂室之间的注气管上依次设置有第一压力传感器、第一流量传感器、第一阀门、第二三通、第二阀门、第三三通、第一四通及第三阀门；所述储能器的进气端与第二三通相连通，在储能器的进气端与第二三通之间的管路上设置有第四阀门；所述储能器的出气端与第三三通相连通，在储能器的出气端与第三三通之间的管路上依次设置有第二压力传感器、第二流量传感器及第五阀门；在所述钻孔外部设置有废气储罐，废气储罐的进气端与第一四通相连通，在废气储罐的进气端与第一四通之间的管路上依次设置有第三压力传感器及第六阀门；

所述气体增压***包括空压机、空气储罐、制氮机、氮气储罐、液氮储罐、二氧化碳储罐及加热器；所述空压机的出气端与第一三通相连通，在空压机的出气端与第一三通之间的管路上依次设置有第四压力传感器、第四三通、第七阀门、第二四通、第一增压泵、第五压力传感器、第三流量传感器、第八阀门、第二增压泵、第六压力传感器、第四流量传感器及第九阀门；所述空气储罐的进气端与第四三通相连通，在空气储罐的进气端与第四三通之间的管路上设置有第十阀门；所述空气储罐的出气端与制氮机的进气端相连通，在空气储罐的出气端与制氮机的进气端之间的管路上设置有第十一阀门；所述制氮机的出气端与氮气储罐的进气端相连通，在制氮机的出气端与氮气储罐的进气端之间的管路上设置有第十二阀门；所述氮气储罐的出气端与第二四通相连通，在氮气储罐的出气端与第二四通之间的管路上依次设置有第十三阀门和第五三通；所述液氮储罐的出液端与第五三通相连通，在液氮储罐的出液端与第五三通之间的管路上设置有第十四阀门；所述二氧化碳储罐的出气端与加热器的进料端相连通，在二氧化碳储罐的出气端与加热器的进料端之间的管路上依次设置有第六三通及第十五阀门；所述加热器的出料端与第二四通相连通，在加热器的出料端与第二四通之间的管路上依次设置有第十六阀门及第七三通；所述第六三通与第七三通通过一根直通管路相连通，在直通管路上设置有第十七阀门；

所述封隔器包括环向承载基座、注气中心管柱、环向封隔气囊及高压闭合喷头；所述环向承载基座固定套装在致裂室外部，所述注气中心管柱固定插装在环向承载基座内，注气中心管柱与注气管相连通；所述环向封隔气囊套装在环向承载基座周向外侧，环向封隔气囊与注气管之间通过高压闭合喷头相连通；在所述高压闭合喷头的中心孔口内侧同轴设置有一根推力弹簧，推力弹簧一端与高压闭合喷头相连，推力弹簧另一端连接有一张喷口密封板。

2.根据权利要求1所述的一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置，其特征在于：所述致裂室可采用单级结构或多级串联结构；当所述致裂室采用单级结构时，致裂室的上下两端筒口分别通过顶部堵头和底部堵头进行封堵；当所述致裂室采用多级串联结构时，上数第一级致裂室的上端筒口通过顶部堵头进行封堵，相邻致裂室之间通过螺接方式进行串联连接，下数第一级致裂室的下端筒口通过底部堵头进行封堵。

3.根据权利要求1所述的一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置，其特征在于：在其中一套所述气体增压***内，在所述第三流量传感器与第八阀门之间的管路上还设置有第八三通，在第八三通与封隔器之间的注气管上依次设置有第十八阀门、减压阀、第十九阀门、第九三通及第十三通；所述第十三通分两路与封隔器相连通，在第十三通与封隔器的第一路管路上设置有第二十阀门，在第十三通与封隔器的第二路管路上设置有第二十一阀门；所述第十三通与第一四通相连通，在第十三通与第一四通之间的管路上设置有第二十二阀门。

4.根据权利要求3所述的一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置，其特征在于：在所述致裂孔上下两侧封隔器之间的致裂室筒壁上安装有第七压力传感器，在致裂室筒壁上部安装有传感器信号转接头；在所述钻孔外部设置有信息采集器和计算机，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、第七压力传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器及第四流量传感器的信号输出端均与信息采集器进行电连接，所述第七压力传感器的信号输出端通过传感器信号转接头与信息采集器进行电连接，信息采集器的信号输出端与计算机进行电连接。

5.一种露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩方法，采用了权利要求4所述的露天矿用瞬态静态气体压裂共同作用的破岩装置，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：根据露天矿开采需要确定钻孔的布孔位置和布孔数量；

步骤二：在确定好的布孔位置处，利用钻孔设备加工钻孔，直到钻孔达到预设深度；

步骤三：将装配有封隔器的致裂室送入钻孔内；

步骤四：将第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十八阀门、第十九阀门、第二十阀门及第二十一阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时启动空压机，压缩空气先经过第一增压泵进行增压，之后流经减压阀并进入注气中心管柱，经减压阀调压后的压缩空气由注气中心管柱流出直接进入环向封隔气囊内，喷口密封板此时处于开启状态，压缩空气可以顺利通过高压闭合喷头，使环向封隔气囊逐渐充气膨胀，直到膨胀后的环向封隔气囊贴紧钻孔内孔壁，随着压缩空气的持续注入，高压闭合喷头内部的压力逐渐升高，当该压力将超过推力弹簧的弹簧力时，此时在该压力下会使喷口密封板闭合，进而使高压闭合喷头封闭，环向封隔气囊充气结束，致裂孔上下两侧的钻孔环向空间完成封隔，并形成环向封隔段，之后迅速关闭所有开启的阀门，同时关闭空压机和第一增压泵；

步骤五：启动气体增压***，根据压裂气体的不同，分为以下五种运行模式：

①、基于空气的瞬态及静态压裂

步骤1：将第七阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门、第四阀门、第五阀门及第三阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时启动空压机，压缩空气先经过第一增压泵进行一级增压，之后通过第二增压泵进行二级增压，完成二级增压后的压缩空气直接进入储能器中，当储能器内的压力达到设定值后，由储能器释放高压空气，高压空气依次经过致裂室内腔及致裂孔进入钻孔的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门和第五阀门，开启第二阀门，同时维持第七阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门及第三阀门的开启状态，完成二级增压后的压缩空气直接注入致裂室内腔和钻孔的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

②、基于液氮的静态压裂

将第十四阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门、第二阀门及第三阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，开启液氮储罐，输出的液氮先经过第一增压泵进行一级增压，之后通过第二增压泵进行二级增压，增压后的液氮直接注入致裂室内腔和钻孔的环向封隔段中，液氮气化后吸收大量热量并形成低温气体，进而对矿体产生冷冲击作用，使矿体脆性增加，随着液氮的持续注入，液氮气化膨胀后形成的高压气体也会作用于矿体，在冷冲击和高压的反复作用下，会使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

③、基于氮气的瞬态及静态压裂

步骤1：将第十阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门、第四阀门、第五阀门及第三阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时启动空压机，压缩空气先进入空气储罐中，再由空气储罐流入制氮机内，之后由制氮机输出氮气并注入氮气储罐中，然后由氮气储罐输出的氮气，氮气经过第一增压泵进行一级增压，之后通过第二增压泵进行二级增压，完成二级增压后的氮气直接进入储能器中，当储能器内的压力达到设定值后，由储能器释放高压氮气，高压氮气依次经过致裂室内腔及致裂孔进入钻孔的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门和第五阀门，开启第二阀门，同时维持第十阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门及第三阀门的开启状态，完成二级增压后的氮气直接注入致裂室内腔和钻孔的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

④、基于二氧化碳的瞬态及静态压裂

步骤1：将第十七阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门、第四阀门、第五阀门及第三阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时开启二氧化碳储罐，二氧化碳先经过第一增压泵进行一级增压，之后通过第二增压泵进行二级增压，完成二级增压后的二氧化碳直接进入储能器中，当储能器内的压力达到设定值后，由储能器释放高压二氧化碳，高压二氧化碳依次经过致裂室内腔及致裂孔进入钻孔的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门和第五阀门，开启第二阀门，同时维持第十七阀门V、第八阀门、第九阀门、第一阀门及第三阀门的开启状态，完成二级增压后的二氧化碳直接注入致裂室内腔和钻孔的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

⑤、基于超临界二氧化碳的瞬态及静态压裂

步骤1：将第十五阀门、第十六阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门、第四阀门、第五阀门及第三阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时开启二氧化碳储罐，二氧化碳先进入加热器内，并在加热器内被加热到31.1℃以上，完成加热后的二氧化碳从加热器流出后，先经过第一增压泵进行一级增压，之后通过第二增压泵进行二级增压，直到压力达到7.4MPa以上，进而形成超临界二氧化碳，且超临界二氧化碳直接进入储能器中进行存储，当储能器内的压力达到设定值后，由储能器释放高压超临界二氧化碳，高压超临界二氧化碳依次经过致裂室内腔及致裂孔进入钻孔的环向封隔段中，通过瞬态高压来致裂矿体；

步骤2：关闭第四阀门和第五阀门，开启第二阀门，同时维持第十五阀门、第十六阀门、第八阀门、第九阀门、第一阀门及第三阀门的开启状态，形成的超临界二氧化碳直接注入致裂室内腔和钻孔的环向封隔段中，通过静态高压进一步致裂矿体以扩展裂缝；

步骤3；重复步骤1和步骤2，往复实施瞬态及静态压裂过程，以使矿体产生疲劳作用，进而使矿体产生复杂裂隙网络，最终实现矿体的破坏；

步骤六：维持第三阀门的开启状态，关闭其他所有开启的阀门，关闭气体增压***，之后开启第六阀门，此时通过废气储罐对废气进行回收并实现卸压，最后关闭第三阀门和第六阀门；

步骤七：将第六阀门、第二十二阀门、第二十阀门及第二十一阀门调整到开启状态，高压闭合喷头内部的压力瞬间下降，推力弹簧由压缩状态恢复到伸长状态，此时喷口密封板从闭合状态恢复到开启状态，环向封隔气囊逐渐回缩并进行排气，排出的气体通过废气储罐进行回收，当环向封隔气囊回缩到初始体积后，解封结束。