【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于坚硬矿岩辅助开采，具体涉及一种辅助开采矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置和方法。
技术介绍
1、岩层的开挖和破碎是岩土工程中的一个重要分支，而岩层中坚硬矿岩的存在是导致矿石的开采、岩层的破碎、巷道的掘进等采掘工程效率降低的关键因素。目前针对坚硬矿岩的开挖破碎主要采用爆破法和机械刀具法两种，他们都具有造价低、连续性好的特点，但同时也伴有不同程度的环境污染或噪音污染，如爆破法带来的安全问题和机械法的刀具损耗过大等问题。而随着科技的发展和安全要求的提高，也逐渐衍生出一些新兴致裂方法，如微波致裂、激光致裂、高压水射流致裂等。
2、微波作为一种近年来的新型工业技术，其独有的选择性加热特性，配合静态破碎的特点，在高介电特性物质的致裂和破碎方面越发突出，同时由于其具有绿色高效的优点，也使其逐渐应用在坚硬矿岩的辅助开采中。微波辅助开采坚硬矿岩是通过微波辐射岩体，快速加热矿岩层中的微波敏感矿物（高介电常数矿物），与周围微波不敏感矿物形成较大的温度梯度，进而使得岩层在热膨胀的作用下沿矿物晶体或晶体周围形成裂纹，并随着微波辐射时间的增加，裂纹相互贯通直至岩层破碎、剥离，而后配合其他机械工具完成采掘活动，同时坚硬矿岩的脆性特点也使得微波致裂效率得到了进一步提高。在微波辅助致裂的作用下，对于机械刀具法等开采方式来说，不仅开采效率大幅提高，而且解决了机械刀具损耗过大的问题，是促进岩土工程采掘活动的一种新思路。
3、微波辅助开采坚硬矿岩根据负载形式的不同主要分为面辐射和孔辐射两种，其中面辐射是微波输出端直接辐射岩层平面，岩层
4、在公开文献中可以获得公开号为cn112212748a的“基于微波致裂岩石的井巷施工方法及其装置”专利。该专利技术是通过数值计算确定微波参数，布置多种不同作用破坏孔的形式，最终通过在钻孔内放置微波输出端，依次对钻孔不同位置进行微波辐射实现致裂的，该方法存在以下不足，其一是该方法微波输出端为伸缩式，仅能针对小范围、单点区域形成单次辐射，而岩层处于高围压状态下，若无其他方式提供弱面导向，辐射强度和时间均需大幅提高才可形成破坏，同时对于长钻孔而言，则需要针对不同位置多次移动；其二是该方法对于微波和负载岩层的阻抗匹配性无法调整，这就导致在岩层吸波特性变化较大或出现分层时，微波与岩层形成了阻抗不匹配，入射功率恒定，且反射功率提高容易破坏元器件，增加比能耗和功率消耗；其三是该方法在钻孔内无专用传输通道，仅依靠孔壁岩层会大大降低传输效率，造成微波辐射强度的不均匀性。
5、在公开文献中可以获得公开号为cn110805442a的“一种可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板的装置及方法”专利。该专利技术是通过在钻孔孔口布置微波馈入天线，配合封孔夹持器来弱化顶板岩层。该方法虽可在一定程度上破坏顶板岩层，但仍存在以下不足：其一是当钻孔长度较大时，由于孔壁岩层表面缺陷较多，不够光滑，并非微波的良好传输通道，传输至深部岩层的有效微波能量大大减少，大幅降低了深部岩层的致裂效率；其二是该方法会导致孔口岩层受到的微波辐射强度较大，使其最先发生破坏或破坏程度大，一旦发生塌孔、熔融等现象，该孔即无法达成有效致裂，降低了致裂效果；其三是该专利技术功率输出是恒定的，而不同岩层的吸波能力也不同，功率恒定会导致，微波与负载岩层阻抗不匹配，不仅比能耗增大，还降低了致裂效果。
6、在公开文献中可以获得公开号为cn108463020a的“一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置”专利，该专利技术主要是通过大功率同轴加热器实现微波在钻孔内的传输，配合多个微波辐射口实现岩体致裂的。该方法存在以下不足，其一是微波致裂岩体效率最主要由功率决定，该方法中的微波传输口径向长度为同轴外导体周长的2/3，轴向长度贯穿全段同轴加热器，微波输出方式为分散辐射，即在同一功率水平下，单点密度相对较低，致裂效率相对聚焦辐射也较低；其二是由于该装置微波能量为同轴线传输，微波辐射口的位置必须固定于波峰处才可达到预定功率值，这就限制了微波辐射口位置兼容性，导致无法调整输出口间距，或通过减少微波辐射口数量来提高单口输出能量，地质条件适用性差；其三是该专利技术中微波辐射口为被动输出形式，即微波输入时，各辐射口均为输出口，对于特殊地层条件，无法实现深浅部岩层的分层致裂；其四是该方法调谐实现阻抗匹配是针对全段岩层，若有分层现象（各层介电常数差距较大），则会导致微波吸收效果较差的岩层有效吸收能量进一步变少，微波吸收效果较好的岩层有效吸收能量进一步增加，无法达到预期致裂效果；其五是该方法需要将微波源形成的波导模式的微波能量经同轴耦合器转换为同轴线模式，其转换过程会产生较大的功率损耗，降低了终端有效功率的输出；其六是该专利技术以温度数据作为调谐阻抗匹配的依据，大幅降低了低吸波效率岩层的致裂效率，即若目标岩层吸收效率较低，则温度也相对较低，此时反射功率增大，入射功率减小，致裂效率也进一步降低，最终产生了“反作用”；其七是同轴线传输模式对于功率有所限制，在大埋深高围压且需要大范围致裂的情况时，同轴线传输与波导传输相比，支持传输功率和有效传输功率均较低，且传输稳定性也较差。
技术实现思路
1、在微波辅助开采坚硬矿岩时，由于岩层的非均质性导致不同深度的孔壁岩层受微波辐射后其破坏程度和破坏时机无法控制，本专利技术的目的在于提供一种适用于辅助开采坚硬矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置和方法，该装置以矩形波导为主传输通道，以圆波导为分级传输通道，配合同轴内芯实现聚焦辐射，最终通过短路匹配器达到微波能量分级以及微波与矿石阻抗匹配的目的，在微波辐射传输方面具有能量利用率高本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种辅助开采矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置，其特征在于：包括微波辐射系统、分级加载系统和中央控制系统；
2.根据权利要求1所述的一种辅助开采矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置，其特征在于：所述分级加载系统包括圆形壳体（14），所述圆形壳体（14）伸入钻孔（16）内，圆形壳体（14）内设有矩形波导二（19），所述矩形波导一（6）与矩形波导二（19）通过直角弯头（7）连接，矩形波导二（19）的两侧垂直布置有若干圆波导（8），圆波导（8）与矩形波导二（19）的连接端设有密封网（10），圆波导（8）的中心点沿轴向设有同轴内芯（9），所述同轴内芯（9）与密封网（10）的圆心位置连接，矩形波导二（19）内设有短路匹配器（11），所述短路匹配器（11）的两端设有驱动轮（12）。
3.根据权利要求2所述的一种辅助开采矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置，其特征在于：所述圆形壳体（14）的外壁设有若干输出口，圆波导（8）的一端与输出口固定连接，圆形壳体（14）外壁每两个输出口的连线中点位置设有超声波传感器（13）。
4.根据权利要求3所述的一种辅助开采矿岩的分级加载微
5.一种如权利要求4所述的辅助开采矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种辅助开采矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置，其特征在于：包括微波辐射系统、分级加载系统和中央控制系统；
2.根据权利要求1所述的一种辅助开采矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置，其特征在于：所述分级加载系统包括圆形壳体（14），所述圆形壳体（14）伸入钻孔（16）内，圆形壳体（14）内设有矩形波导二（19），所述矩形波导一（6）与矩形波导二（19）通过直角弯头（7）连接，矩形波导二（19）的两侧垂直布置有若干圆波导（8），圆波导（8）与矩形波导二（19）的连接端设有密封网（10），圆波导（8）的中心点沿轴向设有同轴内芯（9），所述同轴内芯（9）与密封网（10）的圆心位置连接，矩形波导二（19）内设有短路匹配器（11），所述短路匹配器（11）的两端设有驱动轮（12）。
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【专利技术属性】
技术研发人员：朱文庆，康天合，康健婷，李昊洋，梁晓龙，梁晓敏，王泽，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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