一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置及使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，包括自外向内依次套接的外套管、储水管、储液管以及加热管，所述储水管、储液管以及加热管长度均相同，加热管内部填充加热材料并沿轴向设置有导爆索，导爆索两端外露于加热管外部，储液管内部注入液态二氧化碳，储水管内部注入水；所述外套管的两头端部设有螺纹段，外套管的管壁上沿轴向对称开设泄能缝。本发明专利技术利用水作为传爆介质从外套管泄能缝两端瞬间排出形成定向切缝效果，无粉尘且聚能致裂效果好，尤其适用于光面爆破；采用双侧定向聚能致裂方式避免爆破后致裂管飞出伤人的问题；采用导爆索引爆加热材料，可以解决传统致裂管无法实现深孔爆破的限制，可以做到不同深度致裂管同时起爆。

A directional cracking device based on phase change expansion of carbon dioxide and its application

【技术实现步骤摘要】
一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置及使用方法
本专利技术涉及采矿及地下工程煤岩体致裂
，特别涉及一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置及使用方法。
技术介绍
爆破技术被广泛用于矿山资源开采和城市基础建设，传统实施爆破的方式是采用炸药，但是炸药爆破会对生态环境和现场作业人员的身体健康形成不同程度的影响，其带来的巨大噪音、强烈地震、爆破冲击波和大量的爆破飞石等会对周围环境和建筑物造成较大的危害。近年来，采用液态二氧化碳相变致裂作为新兴的物理爆破技术成为发展趋势，该技术是在高压空气炮的基础上发展而来的，最初主要用于低透气高瓦斯煤层的致裂、增透和开采，以代替炸药使用，目的是降低煤尘和减小瓦斯爆炸的风险。随后，该技术又被广泛应用于岩体破裂、混凝土拆除、矿石开采、水下爆破等诸多领域。二氧化碳相变致裂技术的核心是基于相变致裂器实现二氧化碳的液-气转换，从而达到破碎岩石的目的。目前，较为广泛采用的致裂器主要由充装阀、储液管、加热管、定压剪切片、泄能头等组成。充装阀用以将液态二氧化碳通过充装阀装入储液管；储液管用于储存液态二氧化碳；加热管则是含有特殊化学试剂的发热装置；定压剪切片是一种在固定压力下会发生剪切破坏的特殊的钢片，安装在泄能头与储液管之间；泄能头是液态二氧化碳气化后的能量释放通道。使用时用导线将外部激发电源与加热管通过充装阀连接形成通路。在电源的激发下，加热管在极短时间内释放大量热能，释放出来的热能促使储液管内的液态二氧化碳快速气化，二氧化碳的体积快速膨胀，使得储液管内压力增大，当压力大于定压剪切片的承受强度时，定压剪切片发生破坏，二氧化碳气体从泄能头上的泄能孔向外释放，其作用力作用于炮孔周围的岩体并对岩体产生压力。如申请号为201610008951.2的专利技术专利公开的一种二氧化碳致裂器和充装方法、申请号为201610893148.1的专利技术专利公开的一种二氧化碳致裂器、申请号为201710616624.x的专利技术专利公开的二氧化碳致裂器及使用二氧化碳致裂器破岩的方法、申请号为201610634343.2的专利技术专利公开的液态二氧化碳相变定向爆破致裂装置、申请号为201811230614.3的专利技术专利公开的液态二氧化碳相变致裂装置、申请号为201910401188.3的专利技术专利公开的一种矿用二氧化碳致裂器等专利技术均是基于上述技术原理的进行设计和优化的。然而，上述结构设计仍然存在以下诸多缺陷：(1)由于泄能头只设置在致裂管的一端，并且泄能头上只开设一泄能孔，二氧化碳相变膨胀后仅能从位于致裂管端部的泄能孔释放，导致能量释放过于集中，释放的同时产生极大的反冲力，该反冲力容易使致裂管的管体从炮孔中飞出从而伤人，存在一定的安全隐患；并且由于释放能量集中，形成的爆破效果为图3中的“点爆破”，仅能破碎炮孔底位置处的岩石，无法沿钻孔轴向定向切缝，不适用于光面爆破工程。(2)由于现有致裂管结构的加热管只安装在充装阀的一端，只能对储液管内的二氧化碳液体局部加热，导致储液管内的二氧化碳受热不均匀，加热效率较低，使得二氧化碳气化速度变慢，对爆破效果有影响。(3)现有的致裂管在端部设置充装阀，目的是在施工现场通过充装设备当场向储液管内充装液态二氧化碳，现场充装液态二氧化碳不仅对现场环境要求较高，同时现场还需增置充装设备，不适宜在高温矿井等复杂条件下作业；并且由于膨胀泄能是通过定压剪切片的受压破裂实现，因此致裂管一旦实施完爆破任务并不能直接回收二次使用，仍需返回工厂进行补换定压剪切片重新装配方可使用。(4)一根装配好的致裂管长度有限，当钻孔较深时需要将多根致裂管沿钻孔深度方向首尾串联排布起爆。由于每根致裂管均有一根导线引出，多根致裂管串联排布时需要将多根导线引出钻孔，线路较多容易出错，接线方式十分复杂。(5)现有致裂管直接采用二氧化碳相变膨胀破岩，爆破会产生大量烟尘，对现场施工环境影响较大，尤其是用于粉尘较大的矿井或隧道工作面，对人身健康和施工作业也会造成一定程度的影响。因此，基于以上二氧化碳相变致裂装置存在的不足，亟需一种具有定向致裂、引爆方便、结构简单、无污染等优点的致裂装置，以更好的提高二氧化碳相变致裂技术在复杂工程环境下的适应能力。
技术实现思路
本专利技术为了弥补上述现有技术中存在的不足，提供了一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置及使用方法，其中定向致裂装置具有定向致裂效果，能实现均匀加热和快速气化，无需现场充装液态二氧化碳，串联连接操作简单，可以减少施工现场的粉尘。为了实现上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，包括自外向内依次套接的外套管、储水管、储液管以及加热管，所述储水管、储液管以及加热管长度均相同，加热管内部填充加热材料并沿轴向设置有导爆索，导爆索两端外露于加热管外部，储液管内部注入液态二氧化碳，储水管内部注入水；所述外套管的两头端部设有螺纹段，外套管的管壁上沿轴向对称开设泄能缝。进一步设置，所述加热材料由高氯酸钾13％、高猛酸钾6％，硝酸钾10％、碳粉35％、铝粉15％、硫磺21％组成。进一步设置，所述导爆索由芯线、芯药、数层棉线以及纸包缠制成。进一步设置，所述加热管采用直径20mm、壁厚2mm的PVC管。进一步设置，所述加热管中心的导爆索直径5～6mm。进一步设置，所述储液管采用外径60mm、内径20mm，壁厚为2～3mm的铁皮中空管。进一步设置，所述储水管采用外径70mm，内径60mm，壁厚2～3mm的PVC中空管。进一步设置，所述外套管采用截面为半圆的两片钢管拼装而成，外套管两端为螺纹段，外套管中段沿轴向对称开设泄能缝，螺纹段内端头处设有限位环，限位环中心预留有直径与导爆索直径相匹配的中心孔。进一步设置，所述定向致裂装置还包括用于多根定向致裂装置串联连接的连接头，连接头为含与外套管螺纹段相匹配的内螺纹的套筒。本专利技术还公开上述定向致裂装置的使用方法，内容包括：根据炮孔深度选择所需数量的定向致裂装置，将加热管、储液管和储水管相互穿套，再将外套管套装在储水管外部；将串联连接的定向致裂装置的导爆索相邻端引出并相互搭接在一起，用连接头将两个串联的定向致裂装置固定连接，并确保所有定向致裂装置上的泄能缝均位于同一条直线上；将上述组装好的定向致裂装置沿炮孔插入，使泄能缝与需要致裂切缝的方向保持一致，然后将尾端外露的导爆索引出炮孔，令导爆索与电雷管脚线以及起爆器相连。本专利技术相对于现有技术的有益效果主要体现在以下几点：1)在致裂管侧向对称设置泄能缝的方式，可以将二氧化碳相变瞬间产生的膨胀压力沿致裂管两侧对称均匀释放，所产生的释放反冲力可以相互抵消，避免了传统结构致裂管易从钻孔飞出伤人的问题；并且线性泄能缝可以实现类似于线切割的切缝效果；2)在二氧化碳外部包裹水介质层，采用水介质作为二氧化碳相变致裂的传爆介质，增添了高温、高压射流以及水楔作用，相比于现有结构直接采用二氧化碳作为传爆介质更增强了膨胀气体的静力作用，可以显著提高定向致裂的效果，能够用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：包括自外向内依次套接的外套管、储水管、储液管以及加热管，所述储水管、储液管以及加热管长度均相同，加热管内部填充加热材料并沿轴向设置有导爆索，导爆索两端外露于加热管外部，储液管内部注入液态二氧化碳，储水管内部注入水；所述外套管的两头端部设有螺纹段，外套管的管壁上沿轴向对称开设泄能缝。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：包括自外向内依次套接的外套管、储水管、储液管以及加热管，所述储水管、储液管以及加热管长度均相同，加热管内部填充加热材料并沿轴向设置有导爆索，导爆索两端外露于加热管外部，储液管内部注入液态二氧化碳，储水管内部注入水；所述外套管的两头端部设有螺纹段，外套管的管壁上沿轴向对称开设泄能缝。


2.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述加热材料由高氯酸钾13％、高猛酸钾6％，硝酸钾10％、碳粉35％、铝粉15％、硫磺21％组成。


3.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述导爆索由芯线、芯药、数层棉线以及纸包缠制成。


4.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述加热管采用直径20mm、壁厚2mm的PVC管。


5.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述加热管中心的导爆索直径5～6mm。


6.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置，其特征在于：所述储液管采用外径60mm、内径20mm，壁厚为2～3mm的铁皮中空管。


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【专利技术属性】
技术研发人员：薛飞，赵同阳，王天佐，张玉，黄睿，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33