一种利用固态干冰相变致裂破岩的装置及其破岩方法与流程

本发明涉及岩石致裂，具体为一种利用固态干冰相变致裂破岩的装置及其破岩方法。

背景技术：

1、爆破技术是利用炸药爆炸产生的巨大能量破坏周边介质，这种破坏效果不是其他方法可以替代的，在铁路、矿山、城市拆除中均发挥着重要的作用，已成为应用最为广泛的破岩和拆除方法。炸药爆破破岩主要是应力波与爆生气体共同作用的结果。当炸药爆炸产生的冲击波压力超过岩体动态抗压强度时，会造成周边岩体的粉碎。炸药爆炸产生的冲击波会快速衰减为应力波，使得岩体产生裂纹形成裂隙区，随之受到爆生气体的膨胀作用，在拉应力和爆生气体气楔共同作用下裂隙迅速扩大，并且推动破碎岩石作抛掷运动。

2、随着我国现代化建设与发展，爆破作业环境越来越复杂，对爆破安全要求也越来越高，在工程实践中需要严格控制爆破有害效应影响，然而工程爆破造成的炸药周围岩体过度粉碎以及形成的强烈地震波、空气冲击波、噪声和爆破飞石均是无益于破岩的能量消耗。炸药在岩体爆炸时所释放的能量通过爆炸应力波和爆生气体传递给岩体并造成其破碎，真正破岩的能量只占炸药爆炸能量的极小部分，大部分消耗的能量在作无用功，用于岩石破碎的有用功不足10％。因此，根据爆破工程要求，提高炸药爆炸能量利用效率是改善爆破效果和经济效益的重要因素。

3、凝聚相二氧化碳具有液态二氧化碳和固态二氧化碳(固态干冰)两种形式，其中液态二氧化碳致裂器是通过点燃发热管内的化学物质(如高氯酸钾、水杨酸、草酸铵等)，生成大量的热量传递给液态二氧化碳，当温度超过31℃时，仅仅40ms时间内迅速气化，形成150mpa以上的膨胀压力，当超过致裂器爆破片的极限承载能力时，释放出的高压气体对周边介质产生冲击，从而出现松动、断裂、抛掷等现象，但液态二氧化碳相变破岩存在成本高、致裂成缝控制难度大、效果不稳定等问题，而且破岩时表现出明显的聚能特点，正对泄爆口的岩体受到的冲击更大，基于上述观点，本领域技术人员提出了一种利用固态干冰相变致裂破岩的装置及其破岩方法，可增加炸药能量利用效率，减少炸药药量同时改善爆破效果，加强对二氧化碳的资源化利用。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用固态干冰相变致裂破岩的装置及其破岩方法，利用固态干冰作为二氧化碳相变材料，在炸药爆炸释放的能量作用下使其迅速升华，产生大量二氧化碳气体，提高炸药能量利用效率，减少炸药药量同时改善爆破效果，加强对二氧化碳的资源化利用。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种利用固态干冰相变致裂破岩的装置及其破岩方法，包括装药台车与起爆装置，所述装药台车的装药机构上安装有装夹器，所述装夹器的底部夹持有干冰爆破装药结构；

3、所述干冰爆破装药结构包括干冰、保温层与炸药，所述保温层填充在干冰与炸药之间，所述干冰爆破装药结构的顶部设置有填塞物；

4、单个所述干冰爆破装药结构中干冰质量小于炸药质量，且单位质量的所述炸药的做功为3倍质量的干冰。

5、所述起爆装置与炸药连接。

6、优选的，所述干冰包括但不限于块状、棒状、颗粒状、粉末状等不同干冰形态，其中干冰的形态优选为颗粒状，干冰颗粒间的孔隙有利于增加干冰升华速度，所述炸药包括但不限于乳化炸药、水胶炸药、铵油炸药、含铝炸药、tnt与黑索金等，其中炸药优选为乳化炸药和水胶炸药，两者具有良好的抗水性能、爆炸性能以及较低的成本，对于含水孔选用水胶炸药，其具有密度大、抗水性好，可以保证炸药顺利沉入含孔底，对于干孔或者含水量较小的炮孔选用乳化炸药，其具有一定的抗水性，而且爆炸性能优异，其中乳化炸药在实验研究中表明外裹3mm厚保温层的炸药在干冰环境中储存3小时仍能起爆，可为现场干冰爆破作业提供充足时长，所述保温层包括但不限于铝箔珍珠棉、隔热棉、泡沫、砂土等，其中保温层优选为铝箔珍珠棉，降低固态干冰对炸药爆炸性能的影响，所述起爆装置包括但不限于导爆管雷管、电雷管、电子数码雷管、导爆索、起爆具等，其中起爆装置优选为起爆具，结合电子数码雷管进行微差起爆，可以增加应力波和爆生气体作用时间，降低干冰爆破振动。

7、优选的，所述干冰爆破装药结构中干冰、保温层与炸药的位置关系可以为圆筒装药结构，即将所述炸药布置在岩体炮孔的中芯，而所述干冰布置在炸药的外周，而所述保温层填充于干冰与炸药之间。

8、优选的，所述干冰爆破装药结构中干冰、保温层与炸药的位置关系可以为集中装药结构，即将所述炸药布置在岩体炮孔的底部，所述干冰放置在炸药的上方，所述保温层填充于干冰与炸药之间。

9、优选的，所述干冰爆破装药结构中干冰、保温层与炸药的位置关系可以为分层装药结构，即将炸药分为若干层并分层布置在岩体炮孔内，而所述炸药的克重由上到下逐渐增加，而所述干冰布置在每两层炸药之间，所述保温层布置在干冰与炸药之间。

10、优选的，所述装夹器包括雷管导管、气缸安装架、两个升降气缸、升降架、转盘、若干转动齿轮、若干夹爪与若干驱动齿板，所述气缸安装架固定在雷管导管靠顶部的位置，两个所述升降气缸分别安装在气缸安装架的左右两侧，所述升降架套于雷管导管的外侧并与两个升降气缸的活动端连接，若干所述转动齿轮呈圆周阵列分布并固定连接在升降架的底部，所述转盘通过轴承安装在雷管导管的外部，若干所述转动齿轮呈圆周阵列分布并转动连接在转盘的若干槽体内，若干所述夹爪固定连接在若干转动齿轮的外侧壁且与转动齿轮啮合。

11、优选的，所述雷管导管的底部靠前端与靠后端的位置均转动连接有雷管限位轮。

12、优选的，所述升降架的底部连接有固定齿盘，所述雷管导管的外侧安装有驱动电机、所述驱动电机的活动端上连接有驱动齿轮，所述驱动齿轮与固定齿盘啮合。

13、优选的，包括以下步骤：

14、s1.根据岩体结构及预爆破区域现场环境确定孔网参数进行钻孔处理进而形成炮孔，通过装夹器装夹干冰爆破装药结构，在装夹时，两个升降气缸带动升降架向下移动，使得若干驱动齿板带动若干转动齿轮与夹爪一同向下转动，从而将干冰爆破装药结构装夹在若干夹爪内，在夹装时，起爆装置的引线穿过雷管限位轮，在夹装完成后通过装药台车放入到炮孔内；

15、s2.在干冰爆破装药结构放入到炮孔内后，若干夹爪微微松开，并驶离炮孔，通过雷管限位轮可防止起爆装置的引线倾斜，当装夹器的底部离开炮孔后，向炮孔内部倒入土层；

16、s3.在土层倒入完成后，两个升降气缸带动升降架上升至顶部，使得驱动齿板离开转动齿轮，此时若干夹爪呈漏斗形，随后装药台车的装药机构带动装夹器轻轻砸击土层，将土层压实后，驱动电机带动驱动齿轮转动，而驱动齿轮带动固定齿盘转动，从而带动安装在转盘上的若干夹爪转动，从而将土层压成顶部呈漏斗形状的填塞物

17、s4.在填塞物压制完成后，通过起爆装置即可完成破岩工作。

18、优选的，所述干冰爆破装药结构可利用制冰机、碎冰机、人工等手段制得。

19、本发明具备以下技术要点与有益效果：

20、本发明利用二氧化碳相变致裂破岩，炸药爆炸能量直接作用在干冰上使其迅速升华，增加了爆生气体产物体积，在孔内形成高压气腔，可以减少炸药消耗量和岩石开采成本，且干冰比炸药更具有安全性，不属于民爆产品，对于矿山使用较为便利，复杂作业环境均可使用，相较于炸药爆破作业，能量利用率更高，可以有效控制爆破产生的空气冲击、降低爆破震动、减少粉尘及噪音等有害效应，而固态干冰可以作为间隔结构，使得装药较为分散，降低孔壁的峰值压力以及周围岩体的粉碎区，更多的能量用于岩体破碎，增加裂隙区范围，其中干冰爆破装药结构可采用不同的装药方式，使得不同结构的岩体均能高效爆破，利用固态干冰使得炸药与炮孔不耦合装药，不仅可以减少岩体的粉碎区，释放的能量直接作用在固态干冰使其升华，并迅速释放出大量的二氧化碳气体，增加了爆炸产物的气楔作用，有利于裂纹进一步扩展，将更多能量用于周边岩体的破碎，在降低炸药能量同时，保证爆破破岩效率，干冰在炸药爆炸能量作用下瞬间相变升华，体积迅速膨胀700多倍，在保证干冰爆破破岩和抛掷效果同时，降低炸药药量，而干冰分层装药的爆破效果要优于集中装药爆破效果，主要为增加干冰与炸药自由面数量，能提高爆破效果，其自上而下采用炸药+干冰+炸药或干冰+炸药+干冰+炸药装药模式，干冰爆破在满足爆破效果的同时，可有效降低爆破的振动，特殊环境可使用干冰实现减振目标。