一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置制造方法及图纸

一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，包括大功率微波发生器、大功率微波同轴加热器、大功率低损耗微波同轴传输线及微波功率自适应调控系统；大功率微波发生器包括连续波磁控管、永磁体、波导激励腔、同轴环形器、同轴匹配负载、同轴耦合转换器、波导同轴转换器及输出波导；大功率微波同轴加热器包括传输线内导体、传输线外导体、微波输入接头、微波短路封盖及导体支撑筒；大功率低损耗微波同轴传输线包括输入端同轴线、中间段同轴线及输出端同轴线，输入端同轴线通过若干串联的中间段同轴线与输出端同轴线相连；微波功率自适应调控系统包括阻抗匹配调节器、微波功率控制器及温度传感器，通过阻抗匹配调节器对微波功率进行阻抗实时匹配。

【技术实现步骤摘要】
一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置
本专利技术属于岩土工程及采矿工程
，特别是涉及一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置。
技术介绍
微波辅助破岩技术是一种极具潜力的新兴破岩技术，在机械刀具切削岩石前，通过微波预先辐射致裂岩石，降低岩石的单轴压缩、抗拉和点荷载强度等力学特性，解决机械法破碎硬岩时刀具易磨损的问题，即可提高破岩效率，还可降低破岩成本。采用微波辅助致裂技术可对深部岩体进行有效的应力释放，在应力释放孔的基础上增加岩体预裂，这样在围岩内部造成一个破裂带，降低内部岩体应力和能量集中水平，从而有效降低极强岩爆的风险。想要将微波辅助破岩技术应用到工程岩体进行孔内致裂，就必须采用大功率微波进行致裂，因此就必须要用到大功率微波致裂装置，同时还要拥有适合的微波加热器和微波同轴传输线才行。但是，目前传统的微波发生器多为采用单模或多模谐振腔的箱体式结构，微波通过在密闭的腔体内反射，从而使腔体内的岩石完成对微波的吸收，微波的频率为915MHz或2450MHz，微波输出的最高功率约为30kW，该类微波发生器仅适用于室内试验，可以用来研究微波辐射对岩石热物理特性及力学特性的影响，但却无法满足实际工程应用。虽然30kW的微波功率能够满足小尺寸岩块的致裂需要，但对于实际工程中的工程岩体来说，该微波功率还是过小，当该功率下的微波辐射到工程岩体后，工程岩体的升温速率较低，这将导致工程岩体发生局部熔化，而无法产生所需的致裂效果。那么能否采用多组小功率叠加方式呢，答案也是否定的，因为多个微波加热器进行叠加加热时，各个微波加热器所辐射出的微波能量还没有被工程岩体吸收时，就会相互耦合或抵消了，最终还是无法实现岩石致裂。另外，尽管还有一些能够满足大功率输出的微波发生器，但此类微波发生器均属于工业级，微波发生器体积庞大，且均通过电磁铁提供磁场，并采用Y结环形器进行反射功率的隔离，此类微波发生器无法移动到工程现场进行应用，也不具备与破岩机械进行结合的条件。目前传统的微波加热器无法满足大功率孔内致裂要求，由于传统的微波加热器的功率容量偏低，而且微波辐射范围较小，如果强行输入大功率微波，则会导致空气电离并发生击穿打火现象，从而损坏大功率微波致裂装置。目前传统结构的微波同轴传输线无法满足大功率孔内致裂要求，其功率容量偏低且远距离传输时微波能量损耗大，而且微波同轴传输线的外径尺寸无法有效满足岩体孔尺寸要求，并且现场安装和拆卸也不方便。再有，由于目前利用微波致裂工程岩体的技术方案还主要停留在室内试验阶段，微波发生器输出的微波功率以恒定状态作用在岩石试样上，但由于岩石试样的温度变化很大，会导致岩石试样的微波特性(介电常数、介电损耗等)也会相应产生较大变化，最终导致岩石试样的负载阻抗具有了动态特性，也就是说，岩石试样的负载阻抗产生动态变化时，如果还以恒定微波功率作用岩石试样，必然会导致阻抗不匹配，直接后果就是微波反射功率增大，这不但会导致微波设备的稳定性降低，同时使微波能的利用效率降低。因此，想要将微波辅助破岩技术成功的应用到实际工程中，必须实现微波功率的自适应调控，在岩石负载阻抗产生动态变化时，可以满足阻抗的实时匹配。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，在其内全新设计了大功率微波发生器、大功率微波同轴加热器、大功率低损耗微波同轴传输线以及微波功率自适应调控系统；大功率微波发生器有效满足了实际工程应用，并且首次在大功率微波发生器中应用了永磁体来提供磁场，同时首次在大功率微波发生器中应用同轴环形器进行反射功率的隔离，使大功率微波发生器的结构更加紧凑，体积大幅度缩小，也进一步具备了与破岩机械进行结合的条件；大功率微波同轴加热器具有更高的功率容量，微波辐射范围更大，能够有效满足大功率孔内致裂要求，并且能够有效避免因空气电离而发生的击穿打火现象；大功率低损耗微波同轴传输线具有更高的功率容量，远距离传输时微波能量损耗小，能够有效满足大功率孔内致裂要求，并且方便现场安装和拆卸；微波功率自适应调控系统实现了微波功率的自适应调控，在岩石负载阻抗产生动态变化时，可以满足阻抗的实时匹配，有效提高了微波设备的稳定性，最大程度的降低了微波反射功率，有效满足了微波辅助破岩技术在实际工程中的应用。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，包括大功率微波发生器、大功率微波同轴加热器、大功率低损耗微波同轴传输线及微波功率自适应调控系统；所述大功率微波发生器依次通过微波功率自适应调控系统及大功率低损耗微波同轴传输线与大功率微波同轴加热器相连；所述大功率微波同轴加热器用于辐射微波能量使工程岩体孔周围的岩石产生致裂；所述微波功率自适应调控系统用于将大功率微波发生器输出的微波功率进行阻抗实时匹配；所述大功率低损耗微波同轴传输线用于将阻抗匹配好的微波传输至大功率微波同轴加热器内。所述大功率微波发生器包括连续波磁控管、永磁体、波导激励腔、同轴环形器、同轴匹配负载、同轴耦合转换器、波导同轴转换器及输出波导；所述永磁体采用圆环形结构，永磁体固定套装在连续波磁控管外部，用于为连续波磁控管提供磁场；所述连续波磁控管通过导线与电源相连，连续波磁控管的微波发射头位于波导激励腔内，通过连续波磁控管将直流电能转换为微波能，连续波磁控管产生的微波能通过微波发射头进入波导激励腔内，并在波导激励腔内形成导行模；所述同轴环形器上设置有三个端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述波导激励腔通过同轴耦合转换器与同轴环形器的第一端口相连接，所述连续波磁控管产生的微波能依次通过波导激励腔及同轴耦合转换器进入同轴环形器内；所述输出波导通过波导同轴转换器与同轴环形器的第二端口相连接，同轴环形器内的微波能量通过波导同轴转换器进入输出波导内，微波能量由同轴输出模式转换成波导模式；所述输出波导是微波发生器的微波输出口；所述同轴匹配负载连接在同轴环形器的第三端口，同轴匹配负载用于吸收同轴环形器隔离的微波反射功率，用于保护同轴环形器和连续波磁控管。所述大功率微波同轴加热器包括微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头、微波短路封盖及导体支撑筒；所述微波传输内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述微波传输外导体为圆柱筒形结构，微波传输外导体同轴套装在微波传输内导体外侧，处于同轴套装状态的微波传输内导体和微波传输外导体固装在微波输入接头与微波短路封盖之间；所述微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头及微波短路封盖之间形成环向空间，环向空间内由导体支撑筒进行填充，通过导体支撑筒维持微波传输内导体与微波传输外导体之间的同轴状态；在所述微波传输外导体的筒壁上开设有若干微波辐射口，通过微波辐射口向外辐射微波能量，在微波辐射口内填充有防击穿介质块。所述导体支撑筒及防击穿介质块均采用透波材料制成；所述微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头及微波短路封盖均采用导电金属材料制成；所述微波辐射口为弧形条缝状，微波辐射口的弧形条缝长度等于微波传输外导体圆周长度的2/3；所述防击穿介质块与微波辐射口的形状和尺寸完全相同，若干微波辐射口在微波传输外导体轴向方向上等间距分布，且相邻的微波辐射口的朝向彼此相反，相邻微波辐射口之间的间距为其中，εr为透波材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：包括大功率微波发生器、大功率微波同轴加热器、大功率低损耗微波同轴传输线及微波功率自适应调控系统；所述大功率微波发生器依次通过微波功率自适应调控系统及大功率低损耗微波同轴传输线与大功率微波同轴加热器相连；所述大功率微波同轴加热器用于辐射微波能量使工程岩体孔周围的岩石产生致裂；所述微波功率自适应调控系统用于将大功率微波发生器输出的微波功率进行阻抗实时匹配；所述大功率低损耗微波同轴传输线用于将阻抗匹配好的微波传输至大功率微波同轴加热器内。

【技术特征摘要】
1.一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：包括大功率微波发生器、大功率微波同轴加热器、大功率低损耗微波同轴传输线及微波功率自适应调控系统；所述大功率微波发生器依次通过微波功率自适应调控系统及大功率低损耗微波同轴传输线与大功率微波同轴加热器相连；所述大功率微波同轴加热器用于辐射微波能量使工程岩体孔周围的岩石产生致裂；所述微波功率自适应调控系统用于将大功率微波发生器输出的微波功率进行阻抗实时匹配；所述大功率低损耗微波同轴传输线用于将阻抗匹配好的微波传输至大功率微波同轴加热器内。2.根据权利要求1所述的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：所述大功率微波发生器包括连续波磁控管、永磁体、波导激励腔、同轴环形器、同轴匹配负载、同轴耦合转换器、波导同轴转换器及输出波导；所述永磁体采用圆环形结构，永磁体固定套装在连续波磁控管外部，用于为连续波磁控管提供磁场；所述连续波磁控管通过导线与电源相连，连续波磁控管的微波发射头位于波导激励腔内，通过连续波磁控管将直流电能转换为微波能，连续波磁控管产生的微波能通过微波发射头进入波导激励腔内，并在波导激励腔内形成导行模；所述同轴环形器上设置有三个端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述波导激励腔通过同轴耦合转换器与同轴环形器的第一端口相连接，所述连续波磁控管产生的微波能依次通过波导激励腔及同轴耦合转换器进入同轴环形器内；所述输出波导通过波导同轴转换器与同轴环形器的第二端口相连接，同轴环形器内的微波能量通过波导同轴转换器进入输出波导内，微波能量由同轴输出模式转换成波导模式；所述输出波导是微波发生器的微波输出口；所述同轴匹配负载连接在同轴环形器的第三端口，同轴匹配负载用于吸收同轴环形器隔离的微波反射功率，用于保护同轴环形器和连续波磁控管。3.根据权利要求1所述的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：所述大功率微波同轴加热器包括微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头、微波短路封盖及导体支撑筒；所述微波传输内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述微波传输外导体为圆柱筒形结构，微波传输外导体同轴套装在微波传输内导体外侧，处于同轴套装状态的微波传输内导体和微波传输外导体固装在微波输入接头与微波短路封盖之间；所述微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头及微波短路封盖之间形成环向空间，环向空间内由导体支撑筒进行填充，通过导体支撑筒维持微波传输内导体与微波传输外导体之间的同轴状态；在所述微波传输外导体的筒壁上开设有若干微波辐射口，通过微波辐射口向外辐射微波能量，在微波辐射口内填充有防击穿介质块。4.根据权利要求2所述的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：所述导体支撑筒及防击穿介质块均采用透波材料制成；所述微波传输内导体、微波传输外导体、微波输入接头及微波短路封盖均采用导电金属材料制成；所述微波辐射口为弧形条缝状，微波辐射口的弧形条缝长度等于微波传输外导体圆周长度的2/3；所述防击穿介质块与微波辐射口的形状和尺寸完全相同，若干微波辐射口在微波传输外导体轴向方向上等间距分布，且相邻的微波辐射口的朝向彼此相反，相邻微波辐射口之间的间距为其中，εr为透波材料的相对介电常数；与所述微波短路封盖相邻的微波辐射口，其与微波短路封盖之间的间距为1/2λp，其中，式中，λp为相波长，λ为微波波长，εr为透波材料的相对介电常数。5.根据权利要求1所述的一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，其特征在于：所述大功率低损耗微波同轴传输线采用组合式结构，包括输入端同轴线、中间段同轴线及输出端同轴线，所述输入端同轴线通过若干串联的中间段同轴线与输出端同轴线相连；所述输入端同轴线包括输入端内导体、输入端外导体、输入端微波输入接头、输入端微波输出接头及输入端导体支撑盘；所述输入端内导体为实心圆柱体结构或空心圆柱体结构，所述输入端外导体为圆柱筒形结构，输入端外导体同轴套装在输入端内导体外侧；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯夏庭，卢高明，李元辉，张希巍，温建华，童天扬，龚彦华，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21