WO2021189660A1 - 一种安全环保的岩石***装置及方法 - Google Patents

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rock
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聂百胜
孟筠青
李祥春
李长兴
王科迪
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中国矿业大学(北京)
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    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C37/00—Other methods or devices for dislodging with or without loading
    • E21C37/06—Other methods or devices for dislodging with or without loading by making use of hydraulic or pneumatic pressure in a borehole
    • E21C37/12—Other methods or devices for dislodging with or without loading by making use of hydraulic or pneumatic pressure in a borehole by injecting into the borehole a liquid, either initially at high pressure or subsequently subjected to high pressure, e.g. by pulses, by explosive cartridges acting on the liquid
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
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    • F42D1/00—Blasting methods or apparatus, e.g. loading or tamping
    • F42D1/04—Arrangements for ignition
    • F42D1/045—Arrangements for electric ignition

Definitions

  • the invention relates to the field of rock blasting, in particular to a safe and environmentally friendly rock blasting device and method.
  • rock blasting technology has been widely used in urban construction, bridge and tunnel engineering, water conservancy and power engineering, mining and various road construction.
  • Rock has the physical characteristics of being hard and brittle, and its compressive strength is usually higher than its shear strength and tensile strength.
  • Traditional rock blasting mostly uses explosive energy generated by explosives to be converted into mechanical energy to break the rock mass.
  • explosives for rock blasting have certain safety hazards in the process of transportation, storage and use.
  • the purpose of the present invention is to provide an environmentally friendly and safe rock blasting device and method.
  • the present invention provides the following solutions:
  • a safe and environmentally friendly rock blasting device including: a controller, a high-voltage power supply, an energy storage capacitor, a discharge switch, a high-voltage electrode, a hole sealer and a water injection system;
  • the controller is respectively connected to the high-voltage power supply and the discharge switch in control, and is used to control the high-voltage power supply to charge the energy storage capacitor and control the opening and closing of the discharge switch;
  • the energy storage capacitor is connected to the high-voltage electrode through the discharge switch;
  • the high-voltage electrode is used to be set in a rock mass borehole, and the rock mass borehole is a hole drilled in the rock mass to be blasted;
  • the water injection system is used to inject water into the rock borehole
  • the sealer is an apron sealer, used to seal the hole of the rock drilling, the apron sealer is provided with a cable hole for a high-voltage cable to pass through, and the high-voltage cable is A cable connecting the discharge switch and the high-voltage electrode, and the size of the cable hole matches the cross-sectional size of the high-voltage cable.
  • the water injection system includes a water injection pump, a water storage tank, and a water injection pipe, the water storage tank is connected to the water injection pipe through the water injection pump, and the water injection pipe is used to drill a hole in the rock mass Water injection.
  • the hole sealer is provided with a water injection hole for the water injection pipe to pass through, the size of the water injection hole matches the cross-sectional size of the water injection pipe, and the water injection pipe is a high-pressure metal pipe.
  • the water injection system further includes a water pipe, and a water pipe through which the water pipe passes is opened on the hole plugger, and the size of the water pipe matches the cross-sectional size of the water pipe , And the water pipe is a high-pressure metal pipe.
  • the water injection system further includes a high-pressure hose, and the water injection pump is respectively connected to the water injection pipe and the water storage tank through the high-pressure hose.
  • the water injection system further includes a first valve, a second valve, and a third valve.
  • the first valve is installed on a high-pressure hose between the water injection pump and the water storage tank
  • the second valve A valve is installed on a high-pressure hose between the water injection pump and the water injection pipe
  • the third valve is installed on a part of the water conduit outside the packager.
  • the present invention also provides a safe and environmentally friendly rock blasting method, which is applied to the rock blasting device provided by the present invention, and the method includes:
  • the controller opens the discharge switch to enable the energy storage capacitor to release electrical energy to the high-voltage electrode to complete the discharge blasting operation.
  • the rock blasting device and method provided by the present invention use a high-voltage charging power supply to charge the energy storage capacitor, and when the charging voltage reaches the breakdown voltage, the controller controls the discharge
  • the switch is activated to transmit the high energy in the energy storage capacitor to the high voltage electrode, so that the high voltage is formed between the positive and negative ends of the high voltage electrode.
  • the high voltage breaks down the liquid medium in the gap between the positive and negative electrodes to form a discharge channel. All the stored energy is released in the discharge channel in a short time and generates high temperature and high pressure.
  • the liquid around the discharge channel is subjected to high temperature and high pressure to produce a strong detonation shock wave (the maximum pressure can reach several hundred to several thousand MPa), and the shock wave outwards The transmission blasted the surrounding rock mass.
  • the invention adopts electric blasting instead of traditional explosive blasting. Because the electric blasting process can be operated at a long distance and there are no dangerous articles such as explosives, it has high safety in transportation, storage and use.
  • the electric blasting method provided by the present invention does not produce the toxic and harmful smoke generated by traditional explosive blasting, and the blast hole is filled with water during use, and there is no large amount of dust generation and flying during the rock crushing process, and it has the characteristics of good environmental protection.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of the structure of a rock blasting device in an embodiment of the present invention.
  • the rock blasting device includes: a controller 4, a high-voltage power supply 3, an energy storage capacitor 5, a discharge switch 6, a high-voltage electrode 8, and a hole sealer 9. And the water injection system; the controller 4 is respectively connected to the high-voltage power supply 3 and the discharge switch 6 to control the high-voltage power supply 3 to charge the energy storage capacitor 5 and to control the opening and closing of the discharge switch 6; the energy storage capacitor 5 passes through the discharge switch 6 It is connected to the high-voltage electrode 8.
  • the high-voltage electrode 8 is used to set in the rock borehole 2, the water injection system is used to inject water into the rock borehole 2, and the hole sealer 9 is used to seal the orifice of the rock borehole 2;
  • the body drilling 2 is a hole drilled in the rock body 1 to be blasted.
  • the sealer 9 can be an apron sealer, and the apron sealer can be provided with a cable hole for the high-voltage cable 7 to pass through.
  • the high-voltage cable 7 is a cable connecting the discharge switch 6 and the high-voltage electrode 8.
  • the cable hole The size matches the cross-sectional size of the high-voltage cable 7.
  • the water injection system may include a water injection pump 13, a water storage tank 14, and a water injection pipe 10.
  • the water storage tank 14 is connected to the water injection pipe 10 through the water injection pump 13, and the water injection pipe 10 is used to inject water into the rock bore 2 .
  • the plug 9 can be provided with a water injection hole through which the water injection pipe 10 passes.
  • the size of the water injection hole matches the cross-sectional size of the water injection pipe 10, and the water injection pipe is a high-pressure metal pipe, such as a high-pressure steel pipe. .
  • the water injection system may further include a water guide tube 11, and the plug 9 may be provided with a water guide hole through which the water guide tube 11 passes.
  • the size of the water guide hole matches the cross-sectional size of the water guide tube 11, and
  • the water pipe 11 is a high-pressure metal pipe, such as a high-pressure steel pipe.
  • the water injection system may further include a high-pressure hose 12, and the water injection pump 13 is connected to the water injection pipe 10 and the water storage tank 14 through the high-pressure hose 12, respectively.
  • the water injection system may also include a first valve 15, a second valve 16, and a third valve 17.
  • the first valve 15 is installed on the high-pressure hose between the water storage tank 14 and the water injection pump 13.
  • the second valve 16 is installed on the high-pressure hose between the water injection pump 13 and the water injection pipe 10, and the third valve 17 is installed on the part of the water conduit 11 outside the packager.
  • the operation method of using the rock blasting device provided by the present invention for blasting can be specifically as follows:
  • the rock blasting device and method provided by the present invention mainly use the hydroelectric effect generated by high-voltage electric pulses in incompressible liquid water to convert electrical energy into mechanical energy in the liquid, and the mechanical energy acts on the surrounding rock mass in the form of high-voltage shock waves. Caused the rock mass to rupture.
  • it has the following advantages:
  • the discharge can be repeated multiple times, the maximum discharge energy can reach 600KJ, the energy can be adjusted in stages, the scope of action is large, the energy consumption is low, the cost is low, and it is not affected by the environment. It is suitable for various blasting operation conditions.

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Abstract

公开了一种安全环保的岩石***装置，该装置包括：控制器（4）、高压电源（3）、储能电容器（5）、放电开关（6）、高压电极（8）、封孔器（9）和注水***；控制器（4）分别与高压电源（3）以及放电开关（6）控制连接，用于控制高压电源（3）向储能电容器（5）充电，以及控制放电开关（6）的开闭；储能电容器（5）通过放电开关（6）与高压电极（8）连接；高压电极（8）用于设置在岩体钻孔（2）中；注水***用于向岩体钻孔（2）中注水；封孔器（9）为胶圈封孔器，用于密封岩体钻孔（2）的孔口，胶圈封孔器上开设有供高压电缆（7）穿过的电缆孔，高压电缆（7）为连接放电开关（6）与高压电极（8）的电缆，电缆孔尺寸与高压电缆（7）横截面尺寸相匹配。还公开了一种安全环保的岩石***方法，该安全环保的岩石***装置及方法具有环保性好、安全性高的优势。

Description

一种安全环保的岩石***装置及方法
本申请要求于2020年03月23日提交中国专利局、申请号为202010206379.7、发明名称为“一种安全环保的岩石***装置及方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及岩石***领域，特别是涉及一种安全环保的岩石***装置及方法。
背景技术
随着工业化进程的高速发展，岩石***技术在城镇建设、桥梁隧道工程、水利电力工程、矿山开采及各种道路工程建设中得到了广泛应用。岩石具有坚硬、质脆的物理特性，通常其抗压强度高于其抗剪强度和抗拉强度。传统的岩石***多采用的是利用***产生的***能转化为机械能破碎岩体。但岩石***用***在运输、储存及使用过程中存在一定的安全隐患，而且，由于******能量和***冲击波方向的不可控制性，导致***作业过程中会产生大量碎飞石，这给作业区域一定范围内的人员和设备带来严重危害；此外，***过程中产生的大量有毒有害烟雾和粉尘颗粒污染环境。因此，亟需寻求一种能够替代传统***且***效果能够达到甚至优于***的绿色、安全的岩石***技术及装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种环保且安全的岩石***装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种安全环保的岩石***装置，包括：控制器、高压电源、储能电容器、放电开关、高压电极、封孔器和注水***；
所述控制器，分别与所述高压电源以及所述放电开关控制连接，用于控制所述高压电源向所述储能电容器充电，以及控制所述放电开关的开闭；
所述储能电容器，通过所述放电开关与所述高压电极连接；
所述高压电极用于设置在岩体钻孔中，所述岩体钻孔为在待***岩体上钻出的孔洞；
所述注水***用于向所述岩体钻孔中注水；
所述封孔器，为胶圈封孔器，用于密封所述岩体钻孔的孔口，所述胶圈封孔器上开设有供高压电缆穿过的电缆孔，所述高压电缆为连接所述放电开关与所述高压电极的电缆，所述电缆孔尺寸与所述高压电缆横截面尺寸相匹配。
可选的，所述注水***包括注水泵、储水罐和注水管，所述储水罐通过所述注水泵与所述注水管连接，所述注水管用于向所述岩体钻孔中注水。
可选的，所述封孔器上开设有供所述注水管穿过的注水孔，所述注水孔尺寸与所述注水管横截面尺寸相匹配，且所述注水管为高压金属管。
可选的，所述注水***还包括导水管，所述封孔器上还开设有供所述导水管穿过的导水孔，所述导水孔尺寸与所述导水管横截面尺寸相匹配，且所述导水管为高压金属管。
可选的，所述注水***还包括高压胶管，所述注水泵分别通过所述高压胶管与所述注水管以及所述储水罐连接。
可选的，所述注水***还包括第一阀门、第二阀门和第三阀门，所述第一阀门安装在所述注水泵与所述储水罐之间的高压胶管上，所述第二阀门安装在所述注水泵与所述注水管之间的高压胶管上，所述第三阀门安装在所述导水管位于所述封装器外侧的部分。
本发明还提供了一种安全环保的岩石***方法，该方法应用于本发明提供的岩石***装置，所述方法包括：
在预***的岩体施工设定深度的钻孔；
将电缆穿过胶圈封孔器上的电缆孔后，与高压电极连接；
将所述高压电极下放至钻孔预设位置；
将所述胶圈封孔器在钻孔内离孔口设定距离处固定；
转动所述胶圈封孔器的螺杆对封孔器的胶圈进行压缩，利用胶圈的膨胀作用把胶圈与电缆、注水管和导水管以及钻孔周围壁面间的空隙封闭严密；
开启注水泵，向钻孔中反复多次进行注水，直至导水管管口有水溢出且液面水位下降值小于设定值时为止，关闭注水泵；
开启高压电源，通过控制器使高压电源向储能电容器充电，充电至设定电压时停止充电；
通过控制器打开放电开关使储能电容器向高压电极释放电能完成放电***作业。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的岩石***装置及方法，采用高压充电电源对储能电容器充电，当充电电压达到击穿电压后，控制器控制放电开关启动，将储能电容器中的高电能传输至高压电极，使高压电极的正负极间端形成高电压，高电压将正负极间隙中的液体介质击穿形成放电通道，储能电容器中存储的全部能量短时间内被释放在放电通道中并产生高温高压，放电通道周围的液体受到高温、高压的作用产生爆轰强冲击波(最大压力可达几百到几千MPa)，冲击波向外传输使周围的岩体***。本发明采用电***代替传统的******，由于电***过程可以远距离操作以及不存在***等危险物品，在运输、存储和使用方面安全性高。另外，本发明提供的电***方法不会产生传统******所产生的有毒有害烟雾，而且使用过程中***孔中充满了水，岩石破碎过程没有大量粉尘产生和飞扬，具有环保性好的特点。
说明书附图
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例中岩石***装置结构示意图。
1.岩体；2.岩体钻孔；3.高压电源；4.控制器；5.储能电容器；6.放电开关；7.高压电缆；8.高压电极；9.封孔器；10.注水管；11.导水管；12.高压胶管；13.注水泵；14.储水罐；15.第一阀门；16.第二阀门；17.第三阀门；18.封孔器螺杆；19.水。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种安全环保的岩石***装置，如图1所示，该岩石***装置包括：控制器4、高压电源3、储能电容器5、放电开关6、高压电极8、封孔器9和注水***；控制器4，分别与高压电源3以及放电开关6控制连接，用于控制高压电源3向储能电容器5充电，以及控制放电开关6的开闭；储能电容器5通过放电开关6与高压电极8连接，高压电极8用于设置在岩体钻孔2中，注水***用于向岩体钻孔2中注水，封孔器9用于密封岩体钻孔2的孔口；岩体钻孔2为在待***岩体1上钻出的孔洞。其中，封孔器9可以为胶圈封孔器，胶圈封孔器上可以开设有供高压电缆7穿过的电缆孔，高压电缆7为连接放电开关6与高压电极8的电缆，电缆孔尺寸与高压电缆7横截面尺寸相匹配。
使用时，首先，将高压电极8下方至岩体钻孔2中，通过注水***向岩体钻孔2中注水，压缩封孔器9的胶圈，通过胶圈的膨胀将岩体钻孔2的孔口密封，然后控制储能电容器5向高压电极8传输高压电能，使高压电极8的正负极间端形成高电压，高电压将正负极间隙中的液体介质击穿形成放电通道，储能电容器5中存储的全部能量短时间内(时间约为1-10μs)被释放在放电通道中并产生高温高压，放电通道周围的液体受到高温、高压的作用产生爆轰强冲击波(最大压力可达几百到几千MPa)，冲击波向外传输对周围的岩体进行***。
在本实施例中，注水***可以包括注水泵13、储水罐14和注水管10，储水罐14通过注水泵13与注水管10连接，注水管10用于向岩体钻孔2中注水。作为一种优选的实施方式，封孔器9上可以开设供注水 管10穿过的注水孔，注水孔尺寸与注水管10的横截面尺寸相匹配，且注水管为高压金属管，比如高压钢管。
在本实施例中，注水***还可以包括导水管11，封孔器9上可以开设有供导水管11穿过的导水孔，导水孔尺寸与导水管11的横截面尺寸相匹配，且导水管11为高压金属管，比如高压钢管。
在本实施例中，注水***还可以包括高压胶管12，注水泵13通过高压胶管12分别与注水管10以及储水罐14连接。
作为一种优选的实施方式，注水***还可以包括第一阀门15、第二阀门16和第三阀门17，第一阀门15安装在储水罐14与注水泵13之间的高压胶管上，第二阀门16安装在注水泵13与注水管10之间的高压胶管上，第三阀门17安装在导水管11位于封装器外侧的部分。
在本实施例中，采用本发明提供的岩石***装置进行***的操作方法可以具体如下：
(1)选择施工地点的岩体1，在预***的岩体指定位置施工钻出一个直径10cm的岩体钻孔2，钻进深度达到设计深度时停止钻进，然后撤出钻具并将孔内的钻屑清理干净；将高压电缆7的一端以及注水管10和导水管11从封孔器胶圈9上预留电缆孔、注水孔和导水孔内穿出，引出的高压电缆7与高压电极8通过压接的方式连接，将连接好的高压电极8下放至钻孔中预定位置，然后将封孔器9在高压电缆7上移至岩体钻孔2内离孔口30-40cm的位置进行固定，注水管10和导水管11从封孔器9上的穿孔中露出即可。
(2)转动封孔器螺杆18对封孔器9的胶圈进行压缩，使压缩的胶圈膨胀后与高压电缆7、注水管10和导水管11以及岩体钻孔2周围壁面间的缝隙紧密接触以密封岩体钻孔2。
(3)上述步骤完成后，依次打开第一阀门15、第二阀门16、第三阀门17，开启注水泵13，向钻孔2中注水，当有水从导水管11中排出后关闭注水泵13停止注水。隔5min后再次注水，反复进行多次注水，直至导水管11管口位置有水排出且水位5min内下降不明显(下降值小于预设值)时为止，然后关闭注水泵13和第一阀门15、第二阀门16、 第三阀门17。
(4)开启高压电源3，通过控制器4控制高压电源3向储能电容器5充电，充电至设定电压阈值时停止充电，再通过控制器4控制放电开关6打开，使储能电容器5储集的电能通过高压电缆7传输至高压电极8，高电能瞬间被释放在高压电极两尖端间的水中，使水气化、膨胀而产生高温、高压冲击波，高压冲击波作用于岩体1使之损伤破裂。
重复上述步骤可完成多次放电作业，直至岩体1***效果达到预期要求。
本发明提供的岩石***装置及方法，主要利用高压电脉冲在具有不可压缩性质的液体水中产生的液电效应将电能转换为液体中的机械能，机械能以高压冲击波的形式作用于周围岩体，致使岩体破裂。与采用传统***进行岩石***相比，具有以下优势：
1)整套装置完全是机电设备，依靠电能作用，存储和运输没有安全隐患。
2)可重复多次放电，最大放电能量可达600KJ，能量可分级调控、作用范围大、能耗小、成本低、受环境影响小、适合各种***作业条件。
3)在钻孔水中放电，不会产生大量粉尘和烟雾，绿色环保。
4)可实现远程操作控制，能够保障放电过程中作业区域人员的安全。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

  1. 一种安全环保的岩石***装置，其特征在于，包括：控制器、高压电源、储能电容器、放电开关、高压电极、封孔器和注水***；
    所述控制器，分别与所述高压电源以及所述放电开关控制连接，用于控制所述高压电源向所述储能电容器充电，以及控制所述放电开关的开闭；
    所述储能电容器，通过所述放电开关与所述高压电极连接；
    所述高压电极用于设置在岩体钻孔中，所述岩体钻孔为在待***岩体上钻出的孔洞；
    所述注水***用于向所述岩体钻孔中注水；
    所述封孔器，为胶圈封孔器，用于密封所述岩体钻孔的孔口，所述胶圈封孔器上开设有供高压电缆穿过的电缆孔，所述高压电缆为连接所述放电开关与所述高压电极的电缆，所述电缆孔尺寸与所述高压电缆横截面尺寸相匹配。
  2. 根据权利要求1所述的岩石***装置，其特征在于，所述注水***包括注水泵、储水罐和注水管，所述储水罐通过所述注水泵与所述注水管连接，所述注水管用于向所述岩体钻孔中注水。
  3. 根据权利要求2所述的岩石***装置，其特征在于，所述封孔器上开设有供所述注水管穿过的注水孔，所述注水孔尺寸与所述注水管横截面尺寸相匹配，且所述注水管为高压金属管。
  4. 根据权利要求3所述的岩石***装置，其特征在于，所述注水***还包括导水管，所述封孔器上还开设有供所述导水管穿过的导水孔，所述导水孔尺寸与所述导水管横截面尺寸相匹配，且所述导水管为高压金属管。
  5. 根据权利要求4所述的岩石***装置，其特征在于，所述注水***还包括高压胶管，所述注水泵分别通过所述高压胶管与所述注水管以及所述储水罐连接。
  6. 根据权利要求5所述的岩石***装置，其特征在于，所述注水***还包括第一阀门、第二阀门和第三阀门，所述第一阀门安装在所述注水 泵与所述储水罐之间的高压胶管上，所述第二阀门安装在所述注水泵与所述注水管之间的高压胶管上，所述第三阀门安装在所述导水管位于所述封装器外侧的部分。
  7. 一种安全环保的岩石***方法，其特征在于，应用于如权利要求4所述的岩石***装置，所述方法包括：
    在预***的岩体施工设定深度的钻孔；
    将电缆穿过胶圈封孔器上的电缆孔后，与高压电极连接；
    将所述高压电极下放至钻孔预设位置；
    将所述胶圈封孔器在钻孔内离孔口设定距离处固定；
    转动所述胶圈封孔器的螺杆对封孔器的胶圈进行压缩，利用胶圈的膨胀作用把胶圈与电缆、注水管和导水管以及钻孔周围壁面间的空隙封闭严密；
    开启注水泵，向钻孔中反复多次进行注水，直至导水管管口有水溢出且液面水位下降值小于设定值时为止，关闭注水泵；
    开启高压电源，通过控制器使高压电源向储能电容器充电，充电至设定电压时停止充电；
    通过控制器打开放电开关使储能电容器向高压电极释放电能完成放电***作业。
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