[发明专利]一种露天矿用二氧化碳破岩装置及方法

权利要求书

1.一种露天矿用二氧化碳破岩方法，采用了露天矿用二氧化碳破岩装置，其特征在于：装置包括注气管、液态二氧化碳储罐、储能室及致裂室；所述液态二氧化碳储罐位于钻孔外部，所述储能室及致裂室位于钻孔内部；所述注气管一端与液态二氧化碳储罐相连通，注气管另一端与储能室相连通，所述储能室与致裂室串装在一起，储能室与致裂室的内腔之间由封隔片进行分隔；在所述液态二氧化碳储罐与钻孔孔口之间的注气管上依次设置有第一阀门、增压泵、第一压力传感器、第一流量传感器、第一三通、第二阀门、第二三通、第二压力传感器、第二流量传感器、第三三通及第三阀门；在所述钻孔外部设置有搅拌式二氧化碳与磨料混合机构，所述搅拌式二氧化碳与磨料混合机构与第二阀门并联设置，搅拌式二氧化碳与磨料混合机构的进料端通过第四阀门与第一三通相连通，搅拌式二氧化碳与磨料混合机构的出料端通过第五阀门与第二三通相连通；在所述钻孔外部设置有废气储罐，所述废气储罐与第三三通相连通，在第三三通与废气储罐之间的管路上依次设置有第六阀门和第三压力传感器；在所述钻孔外部设置有信息采集器和计算机，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一流量传感器及第二流量传感器的信号输出端均与信息采集器进行电连接，信息采集器的信号输出端与计算机进行电连接；在靠近所述钻孔孔口的钻孔内设置有封隔器，所述封隔器与钻孔孔口之间的空间内由水泥砂浆进行封堵；在所述钻孔外部设置有注浆泵，注浆泵通过注浆管向封隔器与钻孔孔口之间的空间内填充水泥砂浆，在注浆管上设置有第七阀门；在所述储能室与钻孔孔口之间的注气管上由内至外依次套装有陶瓷电加热套管和保温套管；在所述钻孔外部设置有温度控制器，所述温度控制器与陶瓷电加热套管进行电连接；在所述钻孔孔口上方设置有封孔盖板，所述封孔盖板下方依次为封孔垫片和封孔塞；在所述封孔盖板上分别设置有注气管穿装孔和注浆管穿装孔，所述注气管与注气管穿装孔之间、注浆管与注浆管穿装孔之间均设置有密封胶；所述封孔盖板与钻孔围岩之间通过锚杆机构进行固定；在所述储能室的侧壁上开设有若干注入喷口，每个注入喷口外侧均设置有高压闭合喷头，在高压闭合喷头的中心孔口内侧同轴设置有一根推力弹簧，推力弹簧一端与高压闭合喷头相连，推力弹簧另一端连接有一张喷口密封板；所述储能室的内腔通过注入喷口与钻孔相通；在所述致裂室的侧壁上开设有若干致裂喷口，致裂室的内腔通过致裂喷口与钻孔相通；方法包括如下步骤：

步骤一：根据露天矿开采需要确定钻孔的布孔位置和布孔数量；

步骤二：根据露天矿开采所需致裂范围及块度要求，确定二氧化碳与磨料混合注入封堵裂隙、以及致裂矿岩体的压力及流量；

步骤三：在确定好的布孔位置处，利用钻孔设备加工钻孔，当钻孔达到预设深度后，再对钻孔进行热力扩孔，使钻孔形成“上细下粗”的形态；

步骤四：将储能室与致裂室的串装体送入钻孔内，之后将封隔器送入到钻孔内的指定位置，然后启动封隔器；

步骤五：在钻孔孔口处依次完成封孔塞、封孔垫片及封孔盖板的安装，之后开启第七阀门，然后启动注浆泵，通过注浆管向封隔器与钻孔孔口之间的空间内填充水泥砂浆，直到空间被水泥砂浆填满，之后依次关闭注浆泵和第七阀门，最后等待水泥砂浆达到固结强度，封孔完成；

步骤六：将第一阀门、第三阀门、第四阀门及第五阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时启动增压泵和搅拌式二氧化碳与磨料混合机构，设置增压泵的压力，液态二氧化碳储罐内输出的液态二氧化碳先经过增压泵进行增压，之后进入搅拌式二氧化碳与磨料混合机构内与磨料进行混合，所形成的二氧化碳磨料混合流体则通过注气管直接进入储能室的内腔中，喷口密封板此时处于开启状态，二氧化碳磨料混合流体可以顺利通过注入喷口和高压闭合喷头射向钻孔的孔壁，用以对钻孔孔壁内的裂隙进行封堵，使钻孔内形成相对密闭的空间，之后关闭搅拌式二氧化碳与磨料混合机构，当裂隙封堵完成后，持续向钻孔内通入二氧化碳流体，直到钻孔内的液态二氧化碳量满足要求，之后将所有开启状态的阀门关闭，同时关闭增压泵；

步骤七：将第一阀门、第二阀门及第三阀门调整到开启状态，将其余阀门维持在关闭状态，同时启动增压泵和陶瓷电加热套管，液态二氧化碳储罐内输出的二氧化碳先经过增压泵继续进行增压，且增压到7.4MPa以上，增压后的二氧化碳经过陶瓷电加热套管后被加热到31.1℃以上，直至形成超临界二氧化碳并进入储能室的内腔中，进而使储能室内腔中的压力快速增大，且该压力将超过推力弹簧的弹簧力，此时在该压力下会使喷口密封板闭合，进而使高压闭合喷头封闭，最终使储能室的内腔形成封闭空间；

步骤八：继续向储能室的内腔中通入超临界二氧化碳，使储能室内腔中的压力持续升高，直到该压力超过封隔片能够承受的极限，进而使封隔片碎裂，此时储能室内腔中的高压超临界二氧化碳将瞬间进入致裂室的内腔中，并通过致裂喷口喷射而出，而钻孔内的液态二氧化碳在冲击作用下将发生相变并急速气化膨胀，该过程中产生的能量将直接致裂岩层；

步骤九：关闭增压泵和陶瓷电加热套管以及将第一阀门和第二阀门调整到关闭状态，并维持第三阀门的开启状态，同时开启第六阀门，其余阀门继续维持关闭状态，此时通过废气储罐对废气进行回收并实现卸压。