一种二氧化碳致裂器的致裂压力测定装置及方法与流程

本发明涉及一种二氧化碳致裂器的致裂压力测定装置及方法，特别涉及一种用于直接测定液态二氧化碳瞬间气化并从致裂器泄能孔中高速释放过程中高压气体对周围空间或物质作用压力大小的装置及方法。

背景技术：

二氧化碳相变致裂技术最初是由英国在20世纪50年代开发研制，主要作为一种煤岩破碎方式用于高瓦斯井，以代替炸药，提高块煤率，避免瓦斯爆炸。后来，由于大规模综采设备的问世实现了安全高效的非爆采煤作业，并逐渐取代了CO₂变相爆破技术；此后，该项技术逐渐发展用于岩石、混凝土破碎等领域。

该技术主要基于二氧化碳相变致裂器，实现二氧化碳液-气转换，从而达到破碎岩石的目的，其中，相变致裂器是一种高强度的可以重复使用的金属管状构件，由卸能头1、发热器2、储液罐3、定压剪切片4、充气阀5、垫片6等组成，如图1所示。

另外，相变致裂技术是一种新型的物理爆破技术，与传统爆破技术相比具有无污染、价格低、噪音低、震动小、安全和可重复性利用等优点，在城市拆除爆破、地铁爆破、隧道掘进爆破、矿山开采爆破等具有很大的发展空间，但是对二氧化碳致裂压力的专门研究却很少，一般都是根据常规的现场检测方法获得一些经验值，而常规的孔内检测法又是基于一种理想的环境，未考虑地质构造和岩石特性的影响，使得测量的数据模棱两可，没有一个确切的值，从而严重影响了二氧化碳相变致裂技术的破碎效果和能量的利用率。

而目前关于二氧化碳致裂器的致裂压力检测的装置和方法更是少见报道，因此研发一种能直接测量二氧化碳致裂器的致裂压力的装置和方法，来测定二氧化碳的致裂压力，改善其破碎效果和能量利用率，成为二氧化碳致裂技术研发和推广亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了弥补现有二氧化碳致裂技术中致裂压力测定的空白，提供一种结构简单、实验方便、操作简单易行的二氧化碳相变致裂器的致裂压力测定装置和方法。

本发明采用如下技术方案实现：

一种二氧化碳致裂器的致裂压力测定装置，包括泄能罩、压力传感器和信号采集单元，所述泄能罩为两端开口的筒状结构，所述泄能罩通过其中一端开口罩装在致裂器的泄能头上，并与所述泄能头之间相对固定设置，所述压力传感器贴设在泄能罩的内壁，并与信号采集单元通过信号连接。

进一步的，所述泄能罩上设有螺纹通孔，所述泄能头上设有螺纹盲孔，所述泄能罩和泄能头通过同时螺接在螺纹通孔和螺纹盲孔上的固定螺钉连接。

进一步的，所述螺纹通孔为两个，并沿同一径向方向布置在泄能罩的中部，对应的螺纹盲孔为沿泄能头同一径向上布置的两组。

进一步的，所述螺纹盲孔对称布置在泄能头上的泄能孔两侧，螺纹规格与泄能罩上的螺纹通孔和固定螺钉相同，螺纹盲孔的垂直深度5±1mm。

进一步的，所述固定螺钉由钢铁材料制成的全螺纹螺钉，长度大于等于8cm，螺纹规格与泄能罩的螺纹通孔和泄能头的螺纹盲孔相同。

进一步的，所述泄能罩采用厚度为12±2mm、两端开口的无缝钢管件，泄能罩的直径大于泄能头和致裂器直径3-5cm。

进一步的，所述压力传感器沿泄能罩内壁同一圆周布置，其中两个压力传感器分别设置在正对泄能头的泄能孔的位置上。

在本发明中，所述压力传感器采用PVDF压电薄膜传感器，该PVDF压电薄膜传感器通过锡箔胶带覆盖粘贴于泄能罩的内壁，并通过信号线与外部的信号采集单元连接。

进一步的，所述信号采集单元为示波记录仪。

本发明还公开了使用上述一种二氧化碳致裂器的致裂压力测定装置的致裂压力测定方法，包括以下步骤：

步骤一，将PVDF压电薄膜传感器逐一粘贴于泄能罩内壁的不同位置，并用绝缘胶带将传感器的接线端金属与泄能罩内壁之间绝缘隔离，防止杂散电流干扰信号采集，再用锡箔胶带将PVDF压电薄膜传感器覆盖粘贴于泄能罩内壁上；

步骤二，将固定螺钉穿过泄能罩上的螺纹通孔，调节固定螺钉使泄能头位于泄能罩内的中心位置，再将泄能罩固定在泄能头的螺纹盲孔上；

步骤三，连接PVDF压电薄膜传感器与信号采集单元，调节并检查PVDF压电薄膜传感器与信号采集单元是否连通，设置信号采集单元的采集参数，使其处于待触发状态，然后引爆致裂器并进行数据采集；

其中，PVDF压力传感器的压力计算公式如下：

式中，σ表示致裂器的致裂压力，Q(t)表示传感器释放的电荷，K表示传感器的灵敏度系数，U(t)表示检测到的电压信号，A表示受压力的有效面积，R表示测试系统的内阻值。

本发明公开的一种二氧化碳致裂器的致裂压力测定装置及方法，该装置包括泄能罩、泄能头、固定螺钉、压力传感器和信号采集单元，泄能罩通过固定螺钉固定罩装在泄能头上，压力传感器粘贴于泄能罩内壁并通过信号线连接至信号采集单元上，当高压气体从泄能头的泄能孔高速释放时会对泄能罩内壁产生很高的冲击压力，即致裂压力，该压力作用于压力传感器会在PVDF压电薄膜的上下表面产生电压信号，并被信号采集单元采集，从而根据公式(1)、(2)计算出致裂器的致裂压力。

本发明的装置及方法具有如下有益效果：

1)泄能罩是由钢铁材料制成，强度远大于二氧化碳所能够产生的致裂压力，测到的直接压力就是致裂压力，避免了外界因素的影响，具有较高的精确度；

2)泄能罩在一定程度上还能防止能量的快速衰减，有效模拟了炮孔压力的持续作用过程；

3)泄能罩是一个两端开口的钢管件，测试过程中高压气体垂直对称地作用于泄能罩内壁后从两端逸出，泄能罩始终处于受力平衡状态，有效防止了泄能罩发生飞管现象；

4)在泄能罩内壁的不同方向粘贴压力传感器，可以获得致裂压力的在圆周方向的环向变化趋势。

5)采用不同直径的泄能罩，可以获得致裂压力在径向的变化趋势，从而研究分析致裂压力随距离的变化关系。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是液态二氧化碳致裂器的结构示意图。

图2是实施例中的一种二氧化碳致裂器的致裂压力测试装置的外部示意图。

图3是实施例中的一种二氧化碳致裂器的致裂压力测试装置的内部示意图。

图4是实施例中的一种二氧化碳致裂器的致裂压力测试装置的截面示意图，主要表现PVDF压电薄膜的周向布置方式。

图中标号：1-泄能头，2-发热器，3-储液罐，4-定压剪切片,5-充气阀，6-垫片，7-泄能罩，8-固定螺钉，10-泄能孔，11-螺纹盲孔，12-螺纹通孔，13-PVDF压电薄膜传感器，14-锡箔胶带，15-信号线，16-示波记录仪。

具体实施方式

参见图2和图3，本实施例中的一种二氧化碳致裂器的致裂压力测试装置为本发明的优选实施方案，具体包括泄能罩7、固定螺钉8、泄能头1、PVDF压电薄膜传感器13、锡箔胶带14、信号线15和示波记录仪16。

泄能罩7采用无缝钢管件，固定罩装在图1中的致裂器的泄能头1上，在泄能头1的同一圆周上间隔180°设有两个泄能孔10，致裂器内部的高压气体从两个泄能孔10中进入到泄能罩7内，对泄能罩7内形成瞬时冲击，然后压力从泄能罩7两端的开口释放。

泄能罩7采用厚度为12±2mm的金属材质，足够低档住二氧化碳相变时的冲击压力，不会被冲击压力造成损坏。

同时，泄能罩7的直径要大于泄能头1的外径3-5cm，保证泄能孔10与泄能罩7之间存在一定的压力分布空间。

泄能罩7中间位置的同一径向上设有两个螺纹通孔12，对应的在泄能头1的外径上设有两组对应的螺纹盲孔11，螺纹盲孔11深度为5±1mm，并且与螺纹通孔12的螺纹参数一致，在泄能罩7的螺纹通孔12和泄能头1的螺纹盲孔11对齐后，通过固定螺钉8螺接穿过螺纹通孔12与螺纹盲孔11螺接，采用两组间隔180°的固定螺钉8有效将泄能罩7支撑罩装在泄能头1上，保证泄能罩7和泄能头1之间相对固定。

固定螺钉8的长度大于等于8cm，钢铁材质的螺杆上设置全螺纹，保证能够分别与螺纹通孔12和螺纹盲孔11螺接，将泄能罩7和泄能头1之间有效连接固定。

通过配合调节两个间隔180°的固定螺钉8，可调整泄能头1在泄能罩7内的空间位置，保证泄能头1尽量与泄能罩7同轴设置，泄能孔10到泄能罩两侧壁的垂直距离相等。

本实施例采用PVDF压电薄膜传感器13作为压力传感器，检测泄能罩内承受二氧化碳致裂时的压力，具有较高的灵敏度，能很好地输出0-20GPa范围内的信号。PVDF压电薄膜传感器13为薄片，通过锡箔胶带14覆盖粘贴与泄能罩7的内壁。

如图4所示，PVDF压电薄膜传感器13沿泄能罩7的同一周向位置设置至少两个，其中有两个分别与泄能头1的泄能孔10正对设置，用于检测二氧化碳致裂时的直接冲击压力，其他的PVDF压电薄膜传感器13则检测二氧化碳致裂压力沿周向的变化趋势。

本实施例通过调整泄能罩7的直径，还可分批对二氧化碳致裂压力沿径向方向的变化趋势，分析致裂压力随距离的变化关系。

本实施例采用型号为DL750的示波记录仪16作为与PVDF压电薄膜传感器13连接的信号采集单元。

在使用本实施例进行二氧化碳致裂器的致裂压力进行测定时，包括以下结构步骤：

步骤一，将PVDF压电薄膜传感器13逐一粘贴于泄能罩7内壁的不同位置，并用绝缘胶带将传感器的接线端金属与泄能罩7内壁之间绝缘隔离，防止杂散电流干扰信号采集，再用锡箔胶带14将PVDF压电薄膜传感器13覆盖粘贴于泄能罩7内壁上；

步骤二，将固定螺钉8穿过泄能罩7上的螺纹通孔12，调节固定螺钉8使泄能头1位于泄能罩7内的中心位置，再将两组固定螺钉8分别泄能罩7固定在泄能头1的螺纹盲孔11上；

步骤三，通过信号线15连接PVDF压电薄膜传感器13与示波记录仪16，调节并检查PVDF压电薄膜传感器13与示波记录仪16是否连通，设置示波记录仪16的采集参数，使其PVDF压电薄膜传感器13处于待触发状态，然后引爆致裂器并进行数据采集；

当高压气体在致裂器的储液罐3内瞬间气化后从泄能头1的泄能孔10高速释放时，会对泄能罩7内壁产生很高的压力，即致裂压力，该压力作用于压电薄膜传感器13时会在压电薄膜的上下表面产生电压信号，并被信号采集单元显示和采集。然后根据如下压力计算公式计算出致裂器的致裂压力。

式中，σ表示致裂器的致裂压力，Q(t)表示传感器释放的电荷，K表示传感器的灵敏度系数，U(t)表示检测到的电压信号，A表示受压力的有效面积，R表示测试系统的内阻值。

在一实际实施过程中测得2kg液态二氧化碳致裂器的相关数据如下：

有效作用面积A＝337.5mm2；

传感器灵敏度系数K＝13.21；

检测到的电压信号U＝2.7V；

传感器内阻值R＝50Ω；

经过计算得到：该致裂器的致裂压力σ＝253.33MPa。

以上实施例是对本发明的说明，并非对本发明的限定，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。