一种基于工程破裂、破碎用的充装装置及其施工方法与流程

本发明涉及非火工品破裂领域，具体涉及一种基于工程破裂、破碎用的充装装置及其施工方法。

背景技术：

人们在提到爆炸极限时，常常是谈爆炸色变。因为当达到爆炸极限时，稍不留神，就会引起爆炸，因而会造成损坏甚至是破坏。

所谓爆炸极限也称爆炸浓度极限，是指可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或氧气)必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围。有时也指液相物质在遇到合适的热量能够变成气相的热量极限。

日常生活或工作中担心碰到这个极限，而在工程破裂、破碎过程中恰恰可以充分利用这个极限，本发明的基本思想就基于这一点。

由爆炸极限理论可以知道，可燃气体或蒸气与空气的混合物，并不是在任何组成下都可以燃烧或爆炸，而且燃烧(或爆炸)的速率也随组成而变。实验发现，当混合物中可燃气体浓度接近化学反应式的化学计量比时，燃烧最快、最剧烈。若浓度减小或增加，火焰蔓延速率则降低。当浓度低于或高于某个极限值，火焰便不再蔓延。

可燃气体或蒸气与空气的混合物能使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸气的爆炸下限；反之，能使火焰蔓延的最高浓度则称为爆炸上限。

可燃气体或蒸气与空气的混合物，若其浓度在爆炸下限以下或爆炸上限以上，便不会着火或爆炸。

爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合气体中的体积百分数表示，有时也用单位体积可燃气体的质量(kg·m^-3)表示。

混合气体浓度在爆炸下限以下时含有过量空气，由于空气的冷却作用，活化中心的消失数大于产生数，阻止了火焰的蔓延。若浓度在爆炸上限以上，含有过量的可燃气体，助燃气体不足，火焰也不能蔓延。但此时若补充空气，仍有火灾和爆炸的危险。所以浓度在爆炸上限以上的混合气体不能认为是安全的。

现有的工程岩石破裂、破碎过程，通常采用炸药破裂对岩石进行破碎，其具有诸多弊端和限制，尤其是安全上的弊端和政策上的限制，往往在需要进行炸药破裂的时候，无法得到使用炸药的许可，即使得到使用炸药的许可，也因其容易出现诸如飞石，震动，噪音，粉尘等负面效应，使得炸药在矿山开采和废石剥离的过程中呈现出弊多利少。

因而凡是涉及到需要爆破破裂或破碎的领域都在寻找非炸药作业方式，实际上，现实中存在的这种爆炸极限现象就是完全可以充分主动利用的现象，当然要配合必要的装置来实现以保障其安全性。

技术实现要素：

基于此，针对上述问题，有必要提出一种基于工程破裂、破碎用的充装装置及其施工方法，该装置适用于爆破极限理论，利用非火工品进行破裂，避免破裂过程中造成飞石、震动和粉尘等负面效应，其噪音小，破裂效率高。

本发明提供一种基于工程破裂、破碎用的充装装置，其技术方案如下：

一种基于工程破裂、破碎用的充装装置，包括保护套、充装管和固定在充装管外表面的激活装置，所述充装管的输出端伸入保护套，且输入端位于保护套外部；充装管的输出端和激活装置密封设置于保护套内，所述激活装置为用于装激活材料的密封管，所述激活装置内部设置有引线，引线的一端暴露于保护套外。

充装管用于将介质单向输送介质(气体或者液体)进入保护套内，实现介质的快速输入，可根据需求控制输送进入的介质量，更加方便、快捷、安全；保护套具有密封效果，抗低温、并借助孔壁的帮助承受高压，在需要进行破裂操作时，通过引线通电，传输电流到激活装置，使激活装置内部发生热化学反应，引起介质发生相变，由液相变成气相发生体积膨胀，而且通常在变化的一瞬间体积会增加很多倍，而充装液态介质的物理空间实际上是被限制或固定的，或者说预留作空腔的钻孔的容量是有限的，于是体积膨胀了的介质对钻孔产生挤压，因而引起破裂或破碎，从而实现利用非火工品进行工程破裂或破碎。

本发明引起的膨胀由于是物理膨胀，其激活方式和破裂破碎方式都安全、高效，不会造成环境污染；能避免破裂过程造成飞石、震动和粉尘等负面效应，施工噪音小，破裂效率高，能根据不同的破裂环境采用更优化的破裂方式，不受孔径的限制，不受施工条件的限制。

作为上述方案的进一步优化，所述充装管的管径为10-20mm。

省去了钢管和固定架，节约了成本，且不会因为钢管的管径对钻孔大小产生限制影响，不受施工现场环境影响，可在爆破现场临时组装，施工更加方便。

作为上述方案的进一步优化，所述保护套为聚乙烯薄膜套。

保护套材料采用聚乙烯薄膜，其在零下40°左右也能保持良好的柔韧性，先用专用胶水把聚乙烯薄膜粘接成密封套，在粘接之前将充装管和激活装置放入其中，使粘接好后的保护套，不会漏气体也不漏液体，防止进灰尘和回潮。

作为上述方案的进一步优化，所述充装管为尼龙材质的充装管，具有耐低温耐高压的优点。

作为上述方案的更进一步优化，所述保护套的周长为钻孔孔径的1.20-1.30倍。

充分利用了力学原理进行密封，使保护套内部不会在充装介质的时候受力的作用，使其既起到密封作用，又不会承受拉力作用，增加了保护套的使用寿命，保证整个破裂、破碎流程能正常进行。

作为上述方案的更进一步优化，所述充装管的输出端与保护套底部之间的距80-120毫米。

确保带有压力从充装管进入的介质能够将保护套均匀地分布在孔的四周，且介质经充装管进入保护套时，有一个缓冲过程，不会因充入的介质过多而使保护套破损。

作为上述方案的更进一步优化，所述激活装置的材质为纸质管或pvc管。

其作用在于方便在发生激活反应的时候，将该反应传递到激活装置外部的介质中，使介质发生相变，由液相变成气相，实现物理膨胀，最终完成破裂工作。

由于纸质管和pvc管承受压力的极限值足够低，能快速的传递激活反应，实现引起介质相变产生膨胀。如果采用承受压力极限值高的材料，则会大大提高出现激活失败的概率，从而影响工人对破裂时间的判断，造成不必要的损失，具有安全隐患，甚至造成生命危险。

本发明还提供一种基于本发明所述充装装置的施工方法，其技术方案如下：

一种基于工程破裂、破碎用的充装装置的施工方法，采用介质的物理膨胀特性进行膨胀破裂，先对钻孔进行密闭封堵，再向钻孔内充入破裂用介质，包括以下步骤：

a、对待破裂、破碎的工作面进行定位、观察，并钻孔；

b、向钻孔内插入充装管，充装管的输入端暴露在钻孔外面，然后对钻孔的入口端进行密闭封堵，钻孔的底部留作空腔；

c、通过充装管向钻孔内充入破裂用介质；

d、激活介质，让介质产生物理膨胀，实现用介质对物体的物理膨胀破裂。

在本施工方法中，先进行堵孔再充入介质，并利用通电激活介质，实现膨胀破裂，其整个过程更安全，简化了破裂过程的准备阶段，提高了效率；如果采用先放入破裂物质再堵孔的方式，容易造成意外炸裂，存在安全隐患，且不容易控制介质的充入量，易导致出现误差，影响破裂效果。

作为上述方案的进一步优化，所述保护套的长度为用作空腔的钻孔长度的1.20-1.30倍。

之所以如此预留长度和周长，是因为不打算让保护套承受在充装时可能产生的压强，将压强或压力转移给孔壁，让孔壁承担；为介质的充入预留充足的空间，并且也具有良好的密封效果。

作为上述方案的更进一步优化，所述堵孔材料为早强速凝水泥混凝土。

本发明的有益效果是：

1、现有技术普遍采用钢管充装炸药，本发明省去了钢管，节约了成本，且不会因为钢管的管径对钻孔大小产生限制影响，不受施工现场环境影响，可在爆破现场临时组装，施工更加方便；施工方法更安全，提高了施工效率，简化了破裂过程的准备阶段。

2、本发明采用爆破极限理论，利用非火工品进行破裂，避免了破裂过程中造成飞石、震动和粉尘等负面效应。

3、在施工过程中产生的噪音小，破裂效率高，能根据不同的破裂环境采用更优化的破裂方式。

4、通过引线通电，使激活装置内部发生化学反应，起到激活的作用；其激活方式安全、高效，不会造成环境污染。

5、采用聚乙烯薄膜作为保护套，其在零下40°左右也能保持良好的柔韧性，且不会漏气体也不漏液体，防止进灰尘和回潮。

6、充分利用了力学原理进行密封，使保护套内部不会在充装介质的时候受力的作用，使其既起到密封作用，又不会承受拉力作用，增加了保护套的使用寿命，保证整个破裂、破碎流程能正常进行。

7、本发明在充装管外表面设置激活装置，不直接引爆充装管内介质，避免施工过程中的意外发生，提高了安全性；同时采用承受压力的极限值足够低的纸质管等材质作为激活装置，实现激活反应的快速传递，不会出现延时反应的情况。

8、在本发明的工艺或施工方法中，采用了先进行堵孔再充入介质(先堵孔，后装填)，并利用通电激活介质，实现物理膨胀引起破裂，整个过程更安全，简化了破裂过程，提高了效率和效果。

附图说明

图1是本发明实施例所述基于工程破裂、破碎用的充装装置的结构示意图；

图2是基于本发明所述充装装置的施工方法的流程图；

图3是本发明实施例所述堵孔定位器中伸缩爪收缩时的结构示意图；

图4是本发明实施例所述堵孔定位器中伸缩爪伸开时的结构示意图。

附图标记说明：

10-保护套；20-充装管；201-软管；202-单向阀；203-快速接头；30-激活装置；301-引线；401-伸缩爪；401a-第一伸缩爪；401b-第二伸缩爪；402-封堵筒；403-空心连杆；501-操作套筒；502-操作连杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于工程破裂、破碎用的充装装置，包括保护套10、充装管20和固定在充装管20外表面的激活装置30，所述充装管20的输出端伸入保护套10，且输入端位于保护套10外部；充装管20的输出端和激活装置30密封设置于保护套10内，所述激活装置30为用于装激活材料的密封管，所述激活装置30内部设置有引线301，引线301的一端暴露于保护套10外。

充装管20用于将介质输送进保护套10中，实现介质的快速通入，可根据需求控制通入介质的量，更加方便、快捷、安全；而保护套10具有密封效果，抗低温、高压，在实现破裂的过程中，通过引线301通电，传输到激活装置30，从而使激活装置30内部发生化学反应，引起介质膨胀，在变化的一瞬间体积会增加很多倍，而充装液态介质的物理空间是限制或固定的，于是体积膨胀了的介质对岩石产生膨胀，因而引起破裂或破碎，实现利用非火工品进行工程破裂或破碎。

本发明的激活方式安全、高效，不会造成环境污染；能避免破裂过程中造成飞石、震动和粉尘等负面效应，施工噪音小，破裂效率高，能根据不同的破裂环境采用更优化的破裂方式。

在其中一个实施例中，所述充装管20的管径为10mm。

在另一个实施例中，所述充装管20的管径为20mm。

在另一个实施例中，所述充装管20的管径为15mm。

在另一个实施例中，所述保护套10为聚乙烯薄膜套。

保护套10材料采用聚乙烯薄膜，其在零下40°左右也能保持良好的柔韧性，先用专用胶水把聚乙烯薄膜粘接成密封套，在粘接之前将充装管20和激活装置30放入其中，使粘接好后的保护套10，不会漏气体也不漏液体，防止进灰尘和回潮。

在另一个实施例中，所述充装管20为尼龙材质的充装管20。

在另一个实施例中，所述保护套10的周长为钻孔孔径的1.20倍。

在另一个实施例中，所述保护套10的周长为钻孔孔径的1.30倍。

在另一个实施例中，所述保护套10的周长为钻孔孔径的1.25倍。

充分利用了力学原理进行密封，使保护套10内部不会在充装介质的时候受力的作用，使其既起到密封作用，又不会承受拉力作用，增加了保护套10的使用寿命，保证整个破裂、破碎流程能正常进行。

在另一个实施例中，所述充装管20的输出端与保护套10底部之间的距离为80毫米。

在另一个实施例中，所述充装管20的输出端与保护套10底部之间的距离为120毫米。

在另一个实施例中，所述充装管20的输出端与保护套10底部之间的距离为100毫米。

确保带有压力从充装管20进入的介质能够将保护套10均匀地分布在孔的四周，且使介质经充装管20进入保护套10时，有一个缓冲过程，不会因充入的介质过多而使保护套10破损。

在另一个实施例中，所述激活装置30的材质为纸质管或pvc管。

方便在发生激活反应的时候，将该反应传递到激活装置30外部的介质中，使介质实现膨胀，最终完成破裂工作。由于纸质管承受压力的极限值足够低，能快速的传递激活反应，实现介质膨胀；如果采用承受压力极限值高的材料，则会大大提高出现激活失败的概率，从而影响工人对破裂时间的判断，造成不必要的损失，具有安全隐患，甚至造成生命危险。

在另一个实施例中，如图2所示，一种基于本发明所述充装装置的施工方法，采用介质的物理膨胀特性进行膨胀破裂，先对钻孔进行密闭封堵，再向钻孔内充入破裂用介质，包括以下步骤：

a、对待破裂、破碎的工作面进行定位、观察，并钻孔；

b、向钻孔内插入充装管20，充装管20的输入端暴露在钻孔外面，然后对钻孔的入口端进行密闭封堵，钻孔的底部留作空腔；

c、通过充装管20向钻孔内充入破裂用介质；

d、激活介质，让介质产生物理膨胀，实现用介质对物体的物理膨胀破裂。

在本施工方法中，先进行堵孔再充入介质，并利用通电激活介质，实现膨胀破裂，其整个过程更安全，简化了破裂过程的准备阶段，提高了效率；如果采用先放入破裂物质再堵孔的方式，容易造成意外炸裂，存在安全隐患，且不容易控制介质的充入量，易导致出现误差，影响破裂效果。

在另一个实施例中，所述保护套10的长度为用作空腔的钻孔长度的1.20倍。

在另一个实施例中，所述保护套10的长度为用作空腔的钻孔长度的1.30倍。

在另一个实施例中，所述保护套10的长度为用作空腔的钻孔长度的1.25倍。

为介质的充入预留充足的空间，并且也具有良好的密封效果。

在另一个实施例中，所述堵孔材料为早强速凝水泥混凝土。

破裂介质为一氧化碳和氧气或空气的气体组合物，先向钻孔内充入一氧化碳，再充入氧气或空气，当一氧化碳与氧气或空气的体积比例达到12.5:100至74.2:100之间；达到爆炸极限的条件，点火头点火引燃激活材料，该激活材料为可引燃的化学物质，在点火头的引发下发出热量，引爆破裂介质。

在另一个实施例中，所述破裂介质为柴油，激活材料为引爆柴油的氧气或空气，先在密闭封装的激活装置内事先充入氧气或空气，再向钻孔内充入柴油，当氧气或空气与柴油的质量比例达到0.6:100至7.5:100，达到爆炸极限的条件，点火头向氧气或空气点火，引爆柴油，实现膨胀破裂。

在另一个实施例中，所述破裂介质为液态二氧化碳；膨胀极限的条件为：在7.5兆帕下是液体，在液体状态的二氧化碳如果每公斤为其提供60焦耳的热量，则能瞬间气化，膨胀700倍，实现膨胀破裂。

先向钻孔内充入引爆介质的激活材料，该激活材料为提供二氧化碳破裂所需热量的氧化剂和还原剂，再向钻孔内充入液态二氧化碳，然后对液态二氧化碳加压，达到爆炸极限的所需压力时，通过点火头向激活材料点火，引爆二氧化碳，使得液态的二氧化碳发生相变，实现膨胀破裂。

本发明进行封堵钻孔的具体步骤如下：

b1、根据钻孔的孔径大小，安装堵孔定位器；

b2、将堵孔定位器放入到孔中破裂设计指定的堵孔位置；

b3、将堵孔定位器张开，固定在指定的位置；

b4、卸下堵孔定位器的操作连杆和操作套筒；

b5、向孔内注入堵孔材料；

b6、待堵孔材料凝固。

所述指定位置为将钻孔预留出来用作空腔的长度后需要堵塞的钻孔与空腔的分解线，由破裂介质的数量决定和破裂设计确定，或者由抵抗线的大小决定其堵孔的长度。

如图3和图4所示，所述的堵孔定位器，包括封堵器和连接套筒，所述封堵器包括伸缩爪401、封堵筒402和空心连杆403，所述封堵筒402上设置有空心连杆403的插入孔，空心连杆403通过该插入孔贯穿封堵筒402；所述伸缩爪401的一端与空心连杆403的伸出端固定连接，另一端滑动连接于封堵筒402的边缘处；所述连接套筒包括操作套筒501和贯穿操作套筒501设置的操作连杆502，所述操作连杆502为空心杆，且操作连杆502的一端与空心连杆403可拆卸连接。

封堵筒402为圆柱形的筒状物体，中间有空洞，用于供空心连杆403穿过，方便空心连杆403与连接套筒发生相对运动(左右或上下相对运动即可)，在连接套筒相对运动的时候，可以伸缩或收回伸缩爪401；当空心连杆403与封堵筒402发生相对运动时，伸缩爪401被推出，由以前的相对于空心连杆403的倾斜状态变成了垂直于杆的状态，起到了顶紧孔壁的作用。

本发明所述的堵孔定位器能够在指定的位置固定住，用于精准地定位堵孔的位置；不仅仅能精准地确定堵孔的位置，更能够承受足够的力量，将堵孔材料拦截在指定的位置之外，为堵孔预留足够的空腔，能够将堵孔材料固定在该位置，使堵孔材料不至于落入空腔中。

所述伸缩爪401包括第一伸缩爪401a和第二伸缩爪401b，所述第一伸缩爪401a和第二伸缩爪401b分别位于封堵筒402的两端，且第一伸缩爪401a的一端和第二伸缩爪401b的一端分别固定设置在空心连杆403的两端，第一伸缩爪401a的另一端和第二伸缩爪401b的另一端分别滑动连接在封堵筒402两端的边缘处。

在伸缩爪401未伸出之前，封堵筒402可以移动到任何位置，但是，在伸缩爪401伸出来以后，由于爪子顶住了孔壁，又分为上下两层的结构，紧紧地顶在孔壁上，因此起到了固定作用；采用两层伸缩爪401，使固定更稳定，承重效果更好。

所述第一伸缩爪401a和第二伸缩爪401b均在与封堵筒402的连接处设有锁钮。

当伸缩爪401到达伸缩位置的时候，用锁钮将其固定住，伸缩爪401保持伸出状态，顶住孔壁，起到固定作用。

所述操作连杆502与空心连杆403螺纹连接。

在伸缩爪401伸开，固定在孔中的指定位置之后，可以拧转操作套筒501将操作连杆502和空心连杆403分离，取下连接套筒。

所述封堵筒402的直径小于钻孔孔径2cm以内。防止堵塞材料掉下进入空腔中。

本发明还存在另一种封堵钻孔的方法，具体步骤如下：

b1、根据钻孔的孔径大小，制作吊袋；

b2、在吊袋内装入钻孔所产生的碎渣或砂砾，并用绳子吊放到钻孔中的指定位置；

b3、吊袋到达指定位置后，固定绳子，并再放泥土或砂砾进入孔中；

b4、将堵孔材料灌入钻孔中，即完成在指定位置堵孔。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。