本发明涉及岩体碎岩技术领域，特别是涉及一种使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩方法及系统。
背景技术：
岩石破碎是人类改造自然、利用自然资源的主要方法，安全高效的新型碎岩技术可应用于矿山开采、隧道掘进、钻井、压裂、建筑等诸多领域，具有广阔应用前景。传统的爆破技术由于采用化学炸药,在爆破后还需要等待碎岩沉降和尘烟的消散，炸药爆破之后产生的烟尘、及残留的化学物质会对环境造成很大的污染，而且炸药存放的安全问题还会带来非生产性的管理费用。与传统的爆破技术相比，等离子体碎岩技术是国内外新兴的一种高效碎岩方法，通过高压脉冲在电极处放电产生等离子体，电介质在高温高压作用下，在钻孔内对岩石进行破碎。电爆法产生的作用力是对岩石的纵向拉应力，破碎的效果更好，破岩过程无污染及飞石，能量消耗少，噪音、危险性低岩。
韩国、俄罗斯、美国等国家都对等离子体碎岩技术进行了研究工作，而且部分等离子体碎岩设备在工程上已经得到使用。美国奥本大学的太空研究中心,单次脉冲200kj,冲击电流达200ka，并且掌握自主研发的新型电极与特殊电介质技术，能够炸开体积比较大的岩石，而且岩石断裂过程无飞石、粉尘等；加拿大noranda公司设备的单次放电能量300kj,在连续放电250次后,处理矿石为3～4吨；俄罗斯科学院稀土元素研究所，将该技术用于粉碎碟灰岩-霞石矿；韩国、日本在等离子体碎岩岩石裂纹扩展断裂方面进行了研究；国内在研究等离子体工程应用方面，经过了将近二十多年的研究工作，西南交通大学，中国矿业大学(徐州)，中国科学院电工所等这些科研院校都在等离子体在工程上的应用进行了研究。
目前，在岩石破碎方面主要依靠击穿空气产生等离子体和在液体电介质根据液电效应产生等离子体两种方法。电极击穿空气产生等离子体作用能量释放比较低，对岩石的碎石效果较差，放电过程噪音比较大。利用电极击穿空气产生等离子体的能量释放率没有相对于使用液体作为电介质时能量更集中，因此目前在岩石破碎方面主要采用液电效应等离子体碎岩。而液电效应等离子体碎岩过程使用的电介质是液体，而液体存在比较大的问题是液体部分会沿着岩石内部的孔隙发生是漏失，这样就降低了使用的预期效果，降低了能量的利用率，增加了使用的成本。
文献：
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技术实现要素：
现有的岩石碎岩技术中，采用炸药碎岩易产生污染和噪声，对环境影响较大；采用的液电效应的等离子碎岩技术，其使用的电介质是液体，而液体存在比较大的问题是液体部分会沿着岩石内部的孔隙发生是漏失，这样就降低了使用的预期效果，降低了能量的利用率，增加了使用的成本。
本发明至少能够解决上述技术问题中的一部分，并能够作为以下的实施方式来实现。
第一方面，本发明提供了一种使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩方法，包括：
将泡沫注入至碎岩过程中所钻的钻孔内；以及
在所述钻孔内对泡沫进行电离，利用泡沫电离产生的冲击力破碎岩体。
可选地或优选地，在所述将泡沫注入至碎岩过程中所钻的钻孔内之前，所述方法还包括：
将泡沫溶液注入到起泡器中；以及
将压缩空气注入到起泡器中，启动搅拌。
可选地或优选地，所述起泡器的出口处设置有网格栅。
可选地或优选地，通过注入泵将所述泡沫注入至钻孔内。
可选地或优选地，所述起泡器与所述注入泵间设有计量泵，所述计量泵的一端与所述起泡器连接，所述计量泵的另一端与所述注入泵连接。
第二方面，本发明提供了一种使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩系统，包括：
泡沫生成装置，用于将泡沫溶液制成发泡良好的泡沫；
注入装置；用于将发泡良好的泡沫注入至碎岩过程中所钻的钻孔内，所述注入装置的一端与所述泡沫生成装置连接，所述注入装置的另一端位于所述钻孔处；
放电装置，用于对所述钻孔内泡沫进行放电电离。
可选地或优选地，所述泡沫生成装置包括：压缩空气泵，泡沫溶液室和起泡器，所述压缩空气泵和所述泡沫溶液室分别与所述起泡器连接，所述起泡器的出口与所述注入装置连接。
可选地或优选地，所述起泡器的出口处设置有网格栅。
可选地或优选地，所述注入装置包括：注入开关，用于控制注入钻孔内的泡沫流出量；
注入泵，所述注入泵的一端与所述泡沫生成装置连接，所述注入泵的另一端与所述注入开关连接。
可选地或优选地，所述放电装置包括高压脉冲电源和等离子体，所述等离子体与所述高压脉冲电源连接。
本发明提供的使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩方法及系统，具有如下有益效果：
1、本发明采用泡沫溶液作为电介质，生成的泡沫会对岩石内部产生的孔隙、裂缝达到一个封堵的效果，解决使用液体电介质容易发生沿岩石孔隙发生泄漏的问题；
2、本发明采用泡沫溶液作为电介质，生成的泡沫在放电过程中，泡沫会在电场力的作用下产生部分溃灭，一部分气泡的溃灭能够释放较大的空化冲击力，另一部分未发生的溃灭的气泡会产生脉动冲击力，这些效果都会增强设备对岩石的冲击力，进一步促进岩石发生断裂，在一定程度上提高能量的使用效率。
附图说明
图1为本发明实施例一使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩方法的流程图；
图2为本发明实施例一使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩系统的结构示意图。
图中：
1.第一单向阀；2.流量计；3.泄压阀；4.第二单向阀；5.开合阀；6.注入开关。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例一
参考图1，本实施例提供一种使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩方法，该方法包括如下步骤：
s3、将泡沫注入至碎岩过程中所钻的钻孔内
将制备好的泡沫注入至碎岩过程中所钻的钻孔内；具体泡沫的需求量可以根据钻孔的尺寸大小和深度等来确定。
s4、在钻孔内对泡沫进行电离，利用泡沫电离产生的冲击力破碎岩体
将制备好的泡沫注入碎岩过程中所钻的钻孔内后，就可以放入等离子体电极，进行放电操作。在等离子体电极上施加高压脉冲电源后等离子体电极放电处释放高压、高电流，进而击穿泡沫两相体内的液体与气体，激发内部空气和液体产生等离子体，高温高压高密度的等离子体对岩体作用巨大冲击力，泡沫在强大的电磁场力的作用下，一部分溃灭的泡沫产生溃灭冲击力增加了对岩石的冲击力，一部分未发生溃灭的泡沫气泡在内部产生一定的脉动冲击力，进一步增加等离子体电极放电过程中在相对封闭的岩石钻孔产生的冲击压力，其中产生的冲击力作用于岩石上相对于破碎的岩石来说属于拉应力，而岩石的拉应力正是强度相对较低，容易在较低的能量下对岩石进行破碎，降低破岩的施工难度和能耗成本。
当施工时遇到较大块体积的岩石，可能要进行多次放电碎岩的过程，这个过程就会使岩石发生大面积的裂纹产生，同时促进其原有的裂纹，如果用水、强电解质等其他液体电介质，会使电介质发生大面积的流失，这样等离子体电极在岩石钻孔内只能够发生或者部分发生击穿空气产生等离子体进而达到碎岩的效果，但这样能量释放比较低，同时工程施工时面临需要破碎的岩石是各种形状的钻孔孔口处与等离子体钻头接触时会存在接触不严实，存在缝隙现象，这样会使孔内放电产生的等离子体、高温高压的气体从空隙中逃逸出来，使放电过程能量的迅速衰减，降低能量的释放率。使用泡沫两相体作为等离子体技术放电过程中的电介质的碎岩方法，在一定程度上能够封堵岩石内部存在的孔隙，一定程度上保持所需要质量、体积的电介质，不至于像液电电介质一样造成流失，降低能量的利用率，不易于实际控制，增加了使用成本。
在一些实施例中，在将泡沫注入至碎岩过程中所钻的钻孔内(即s1)之前还包括以下步骤：
s1，将泡沫溶液注入到起泡器中
考虑到在放电过程中溶液受到电子的影响，因此在本实施例中配比了两种带不同电性的泡沫电介质溶液。1)阴离子电介质溶液：0.4％十二烷基硫酸钠；0.4％羧甲基纤维素；1.5％聚丙烯酰胺；2)阳离子电介质溶液：0.4％十六烷基三甲基溴化铵；0.2％瓜尔胶；0.2％聚丙烯酸钠；上述两种电介质溶液组分简单，价格低廉，配比操作简单，具有较好的泡沫稳定性。
另外阳离子电解质溶液还可以是：1.2％十六烷基三甲基溴化铵，0.1％瓜尔胶，下面是此种阳离子电解质溶液制备的泡沫的泡沫稳定时间结果：
在实验三中，在制备泡沫时，在搅拌过程中再加入0.5g瓜尔胶，其发泡体积为500ml，但析出50ml液体所有的时间延长至85min。
根据实验测得时间可以得出加入一定量的瓜尔胶能够增加泡沫的稳定性，同时在一定范围内增加十六烷基溴化铵的浓度也可以增加泡沫的稳定性，另外在制备泡沫搅拌的过程中再加入一定量的瓜尔胶，也可以增加泡沫的稳定性。
等离子体碎岩技术中使用本实施例中的带阳离子的泡沫两相体在作用时间上满足放电要求，该技术对泡沫稳定的时间没有严格的要求，而且该阳离子泡沫配比简单，溶液可以在使用后被环境降解，没有污染，温度对该阳离子泡沫溶液影响较小，工作环境实用性强，使用成本比较低，稳定性能较高。
将上述泡沫电介质溶液中的一种加入到泡沫溶液室内，然后注入到起泡器中。
s2，将压缩空气注入到起泡器中，启动搅拌
通过与起泡器相连的空气压缩泵将压缩空气注入至起泡器内，这一过程中，通过起泡器与压缩空气泵之间的压力表和开合阀5进行控制，通过压力表可以观察到压缩空气注入时的压力，便于控制压缩空气的压力，开合阀5能够将控制注入压缩空气的量，控制泡沫的起泡程度，通过注入的压缩空气压力和时间，来获得需求的不同直径尺寸、泡沫数量的电介质泡沫。启动起泡器中的搅拌装置不断搅拌泡沫溶液，使泡沫溶液发泡比较的均匀稳定，在这一过程中起泡器内的压力可通过泄压出气口将压缩空气散发出去一部分。在起泡器的出口处可以设置网格栅，这可使泡沫从起泡器中输出时能够以一定的速度跟压力撞击网格栅上，从而使输出的泡沫更加的均匀。
本发明提出使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩方法，能够根据不同配比的泡沫，不同的泡沫气泡效果在放电过程中在达到促进碎岩的方法。常用的等离子体碎岩技术主要根据在放电电极间流入水或者强电解质作为液电效应的电介质，但是达不到泡沫两相体作为电介质、促进碎岩的效果。通过设计的一系列可控气泡装置能够满足工程实际需求的泡沫质量，结构简单，操作简单明了。
实施例二
参考图2，本实施例提供了一种使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩系统，包括：泡沫生成装置，用于将泡沫溶液制成发泡良好的泡沫；注入装置；用于将发泡良好的泡沫注入至碎岩过程中所钻的钻孔内，注入装置的一端与泡沫生成装置连接，注入装置的另一端位于钻孔处；放电装置，用于对钻孔内泡沫进行放电电离。
泡沫生成装置包括：压缩空气泵，泡沫溶液室、起泡器、第一单向阀1和流量计2。压缩空气泵和泡沫溶液室分别与起泡器连接，起泡器的出口与注入装置连接；第一单向阀1用于防止压缩空气逆向流动，其一端与压缩空气泵连接，另一端与起泡器连接；通过流量计2可以观察由泡沫溶液室注入到起泡器内地泡沫溶液流量。在起泡器的出口处可以设置网格栅，这可使泡沫从泡沫生成器中输出时能够以一定的速度跟压力撞击网格栅上，从而使输出的泡沫更加的均匀。
注入装置包括：注入开关6，用于控制注入钻孔内的泡沫流出量；注入泵，注入泵的一端与泡沫生成装置连接，注入泵的另一端与注入开关6连接。在注入泵与泡沫生成装置间设有第二单向阀4，该单向阀一端与泡沫生成装置连接，另一端与注入泵连接。
放电装置包括高压脉冲电源和等离子体，等离子体与高压脉冲电源连接。
本发明提供的使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩系统，在使用过程中，在泡沫溶液室中添加一定配比的泡沫溶液，通过流量计2和开关控制泡沫溶液注入到起泡器内的量；将压缩空气注入到起泡器内，起泡器与压缩空气泵之间通过压力表和开合阀5进行控制，通过第一单向阀1可防止压缩空气的逆流，通过压力表可以观察到压缩空气注入时的压力，便于控制压缩空气的压力，开合阀5能够将控制注入压缩空气的量，控制泡沫的起泡程度，通过注入的压缩空气压力和时间，来获得需求的不同直径尺寸、泡沫数量的电介质泡沫。起泡器中有搅拌装置，在通入压缩空气促使泡沫溶液产生泡沫过程中，启动起泡器中的搅拌装置，不断搅拌泡沫溶液，使泡沫溶液发泡比较的均匀稳定。起泡器中的压力可以通过其上的泄压阀3将压缩空气散发出去。通过注入泵将发泡良好的泡沫从起泡器中抽出，泡沫依次流经第二单向阀4、计量泵、注入泵和注入开关6，进入到钻孔内，在这一过程中，可以根据钻孔的尺寸大小、深度，确定泡沫的需求量，并通过注入开关6控制泡沫注入岩石钻孔内的流出量。
本发明各个装置或部件间可根据实际情况添加开关、压力表或其他本系统所需要的部件。
本发明所提供的使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩方法及系统可以应用到很多方面，以下列出一部分应用以及在这部分应用中的有益效果：
1.隧道开挖
当隧道开挖时遇到比较敏感的地层时可以通过泡沫等离子体碎岩方法及系统，该方法及系统在岩石破碎时可以有效的降低飞石的产生，无粉尘。在封闭狭小的空间内不会给人体造成伤害。放电过程中，由于泡沫电介质等离子体碎岩技术可以对松软地层可以封堵地层的孔隙，不至于电介质在放电前有漏失；在放电碎岩过程由于该技术能量比较集中，随着远离放电点，放电能量的损失比较快，有利于减小对地层的应力作用，对支护等有良好的效果。
2.地基桩基建设
用于地基桩基建设时可以通过泡沫对地层进行封堵达到更好的放电效果，相对于传统的机械式开挖能耗更低，有效节约成本。在城市中施工可以有效的降低噪音的影响，使用后的泡沫对环境无污染。
3.地质勘探
该发明方法及系统中的泡沫溶液组分简单、配比容易，针对各种野外作业能够满足施工要求，不受温度，湿度等条件的影响。
以上对本发明所提供的使用泡沫溶液作为电介质的等离子碎岩方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。