[发明专利]一种基于二氧化碳相变膨胀的定向致裂装置及使用方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及采矿及地下工程煤岩体致裂技术领域，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。

背景技术

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的发明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的发明专利公开的一种二氧化碳致裂器、申请号为201710616624.x的发明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的发明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的发明专利公开的液态二氧化碳相变致裂装置、申请号为201910401188.3的发明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。