一种利用高频电脉冲辅助冲击的破岩装置及其施工工艺的制作方法

本发明涉及一种利用高频电脉冲辅助冲击的破岩装置及其施工工艺，该破岩装置采用高频电脉冲射流辅助钻头产生巨大冲击力，将超高频电脉冲射流融入机械冲击破岩过程中，广泛适用于隧洞工程、库岸边坡工程、水利工程、采煤矿井坑道及基坑工程中。

背景技术：

目前，岩石破碎是采掘作业中使部分岩体脱离母体并破碎成岩块的工艺，现有技术中主要有爆炸破碎、机械破碎、水射流破碎和热力破碎等四种方法。其中，爆炸破碎是利用炸药或其他爆炸物瞬间释放的巨大能量破碎岩石，目前应用最广也最有效，但爆破能源不集中造成能源浪费且粉尘量大、危险系数高、不易精细操作。水射流破碎机械构造较复杂，多作为掘进机和露天牙轮钻机破碎岩石的辅助手段。热力破碎除火焰喷射法（火钻）外，其他均处于试验阶段。机械破碎分切削、冲凿、碾压、研磨四种方式，因具有安全性高、破碎效果好等优点而被广泛使用。缺点为钻头必须与岩石接触，钻头工具易磨损、冲击性大、污染大、危险系数大，除此之外，还存在着较低的经济性，相比而言，电脉冲碎岩属于静力爆破，工作时粉尘量小，且采用聚能方式使得钻头尖端应力集中，使其破岩效率大幅提升，避免了能源的消散和浪费，具有工具磨损小、节能、环保、安全、效率高等特点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用高频电脉冲辅助冲击的破岩装置及其施工工艺。采用此技术可显著解决普通破岩电钻头易磨损、冲击性大、污染大、危险系数高、不易精细操作等问题，大幅提高钻孔率，延长钻头使用寿命且结构简单，材料易得，易操作，施工快捷、大幅节约试验成本及周期。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种利用高频电脉冲辅助冲击的破岩装置，它包括发电机，所述发电机安装在发电机外壳的内部，所述发电机外壳的外部设置有反力架，所述发电机外壳的底部中心位置连接有立柱，所述立柱的底部连接有钻头底板；所述钻头底板上加工有第一小孔，所述第一小孔内部穿过有第一线圈，所述第一线圈缠绕在第一可伸长金属杆的外部，所述钻头底板的底部固定安装有第一复位弹簧，所述第一复位弹簧的底端固定连接楔形钻头部件或螺旋形钻头部件，所述立柱的底部连接有中心稳定轴，所述中心稳定轴上焊接固定有多根第二可伸长金属杆和第二复位弹簧；所述第二复位弹簧的另一端焊接固定有圆弧形电磁铁钻头部件；所述破岩装置与手持终端控制设备相连，并控制其工作。

所述反力架通过焊接固定在发电机外壳的顶部。

所述立柱采用空心金属杆，所述立柱的内部穿过有导线；所述立柱的顶端与钻头底板之间通过螺纹固定相连。

所述钻头底板采用一定厚度的金属板制成，在钻头底板的中心位置加工有用于和立柱端头相配合的螺纹孔。

所述第一可伸长金属杆采用电磁铁材料制成，且采用两根对称布置；所述第一线圈穿过第一小孔并与发电机相连。

所述楔形模板和螺旋形钻头部件都采用永磁铁材料制成。

所述中心稳定轴采用空心金属杆，其上端密封，下端内部加工有与支柱相配合的螺纹孔。

所述第二可伸长金属杆采用杆状电磁铁制成，在第二可伸长金属杆的外部缠绕有第二线圈，所述第二线圈从中心稳定轴上的第二小孔穿过并与发电机相连。

所述圆弧形电磁铁钻头部件为具有一定厚度的弧形柱状，劈裂角部件为直立的三棱柱状，圆弧形电磁铁钻头部件和劈裂角部件为永磁铁。

任一项所述利用高频电脉冲辅助冲击的破岩装置的纵向打碎施工工艺，它包括以下步骤：

step1：材料准备：反力架、支柱、空心金属杆、发电机、楔形钻头部件、螺旋形钻头部件、弹簧和线圈；

step2：固定装置：手持终端控制设备焊接在反力架的外侧；

step3：发电装置：发电机装在发电机外壳且恰好不会出现相对晃动的现象，发电机外壳焊接在反力架的内侧；

step4：后端固定装置和钻头的连接：支柱后端与发电机外壳底部中心焊接相连，前端通过螺纹与钻头的金属外壳顶部中心扭接相连；

step5：电脉冲分离式钻头时线圈的分布：线圈缠绕在电脉冲分离式钻头的可伸长金属杆上，透过钻头金属外壳与发电机相连接；

step6：电脉冲分离式钻头的安装：两根可伸长金属杆和两根复位弹簧后端焊接在钻头金属外壳上，当需要打碎片岩等岩性较好的石头时，前端焊接楔形钻头部件；当需要打碎较坚硬的物体时，前端焊接螺旋形钻头部件；电脉冲分离式钻头，利用电磁效应使电脉冲分离式钻头伸长至一定深度，反复如此，且可通过控制电脉冲的大小来使地面、岩石等精确地产生一定深度的破碎；

step7：沿裂缝和岩石片理方向注入石墨或水等导电介质以辅助破岩，同时接通电源开始工作；

step8：工作机理：可伸长金属杆是电磁铁，线圈通电时可伸长金属杆具有磁性，通过改变电脉冲大小可以控制可伸长金属杆的磁性，且通过改变电流的方向来改变可伸长金属杆的磁极，从而使可伸长金属杆的磁极和永磁铁钻头的磁性相反，进而产生斥力，该斥力可使楔形模板或螺旋形钻头部件向前伸长，反复如此，可使地面、坡面、岩石等精确地产生一定深度的破碎；

step9：该装置工作时通过反力架固定在岩石、坡面等需破裂物体的表面；再通过电磁效应从而使永磁铁可伸长金属杆与永磁铁构件产生斥力进而促使永磁铁构件伸长对岩石等需破碎的物体产生撞击力，复位弹簧使伸长的永磁铁构件复位，岩石受理后裂缝，反复撞击进而使岩石产生一定深度的破碎。

本发明有如下有益效果：

1、首次将高频电脉冲射流技术与工程中破岩设备相结合，本装置创新性的提出了一种新型的破岩装置，打破了高频电脉冲射流技术应用于医学的常规，使其简单高效的应用于常规工程中。

2、首次提出了在岩石裂缝或片理方向布置线圈，并且沿裂缝和岩石片理方向注入石墨或水等导电介质，大幅提高电脉冲射流覆盖区域，接通电源时给互斥式电脉冲线圈按一定频率加载脉冲电流，电脉冲线圈会瞬时产生强大的电磁场，通电的电脉冲线圈在此电磁场的作用下迅速产生电磁力，向外膨胀。电脉冲线圈内侧由于结构的束缚而固定不动，迫使其向外侧膨胀冲击岩层使岩层产生强烈振动，利用高频电脉冲瞬时变压产生的冲击力，达到撑宽裂缝劈裂岩石的效果。

3、本装置在破岩过程中劈裂角方向可控，使其破岩路径明确且精准，且该装置利用高频变压电脉冲作用在电磁铁上而产生的巨大排斥力，在楔形模板或劈裂角的尖端产生较大的应力集中，使其破岩效率大幅提升。

4、本装置在工程中主要应用于片岩或岩石片理较为明显的岩体，解决了传统破岩设备中钻孔后在工程施工时易导致喷浆，钻孔较小就需要减小孔间距的缺点，同时也增强了裂石效果。

5、本装置大体可分为两种破岩方式。其一主要是能针对性找寻最易破岩的位置进行深度上的破岩，由于本装置钻头为楔形可点式破岩因此可找寻岩石已经开裂处或有片理构造的片理处等位置进行破岩；其二主要是能选择延展性将装置放在需要位置进行破岩并通过向所需方向移动装置使其向延展方向进行破岩。其一与其二两种工作方式可通过更换两种不同组合方式的钻头实现。

6、本装置电脉冲分离式钻头的钻头部件形状可为楔形、螺旋形或子弹头形，可视具体实际情况而定。其目的在于当深度破岩时若想扩宽破岩面可选择螺旋形钻头部件，其特点为表面粗糙凸凹不平破岩工作时与岩体裂隙之间的摩擦力更大使裂隙更发育；当只想相对小面积地深度破岩时可选择子弹头形钻头部件其特点在于体积小表面更加圆滑与螺旋形钻头部件地作用恰好相反。由此增加了装置的可选择性。

7、本装置圆弧形电磁铁聚能环钻头，可通过逐步破岩逐步移动的方式进行破岩，其目的在于使装置沿着提前划定的破岩线进行破岩，在方向上可控。

8、本装置的可伸长金属杆，能进一步固定钻头底板与钻头的相对位置的同时不阻碍两者做相对运动，并用于通电线圈的缠绕。

9、本装置的复位弹簧能固定轴刚度足够支撑和回收弹出的圆弧形电磁铁模板，且复位弹簧刚度大小适宜，防止因刚度过小无法完成装置回收工作或刚度过大阻挠钻头弹出影响破岩效果。收回弹出的钻头或圆弧形电磁铁钻头部件，推进钻头深度到合适位置，方便进行下一步岩石劈裂工作。

10、本装置的高频电脉冲射流融入机械冲击破岩过程中，避免机械切削破岩时刀具磨损严重、消耗量大、粉尘量大等问题，大幅提高钻孔率，延长钻头使用寿命，同时节约时间，改善机械冲击破岩工作条件。

11、该装置电脉冲线圈布置灵活，钻头形式丰富多变，安全性高结构简单，体积小，质量轻，材料易得，可操作性强；劈裂路径针对性强，可广泛用于隧洞工程、库岸边坡工程、水利工程、采煤矿井坑道及基坑工程中。所述设备，结构简单，体积小，质量轻，材料易得，可操作性强，利用远程操作控制电脉冲高压变频达到安全快速劈裂岩石的效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的楔形钻头部件结构示意图。

图3为本发明的螺旋形钻头部件结构示意图。

图4为本发明的横向水平式电脉冲破岩装置的示意图。

图5为本发明的横向水平式电脉冲破岩装置的聚能环破岩钻头示意图。

图中：反力架1、手持终端控制设备2、支柱3、发电机4、发电机外壳5、包括钻头底板7、第一可伸长金属杆8、第一线圈9、第一复位弹簧10、楔形钻头部件11、螺旋形钻头部件12、第一小孔13、圆弧形电磁铁钻头部件15、劈裂角部件16、第二复位弹簧17、第二可伸长金属杆18、第二线圈19、第二小孔20、中心稳定轴21、导电介质22。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

参见图1-5，一种利用高频电脉冲辅助冲击的破岩装置，它包括发电机4，所述发电机4安装在发电机外壳5的内部，所述发电机外壳5的外部设置有反力架1，所述发电机外壳5的底部中心位置连接有立柱3，所述立柱3的底部连接有钻头底板7；所述钻头底板7上加工有第一小孔13，所述第一小孔13内部穿过有第一线圈9，所述第一线圈9缠绕在第一可伸长金属杆8的外部，所述钻头底板7的底部固定安装有第一复位弹簧10，所述第一复位弹簧10的底端固定连接楔形钻头部件11或螺旋形钻头部件12，所述立柱3的底部连接有中心稳定轴21，所述中心稳定轴21上焊接固定有多根第二可伸长金属杆18和第二复位弹簧17；所述第二复位弹簧17的另一端焊接固定有圆弧形电磁铁钻头部件15；所述破岩装置与手持终端控制设备2相连，并控制其工作。才装置，首次将高频电脉冲射流技术与工程中破岩设备相结合，打破了高频电脉冲射流技术应用于医学的常规，使其简单高效的应用于常规工程中。

进一步的，所述反力架1通过焊接固定在发电机外壳5的顶部。通过上述结构的反力架1能够产生反作用力，进而保证了钻孔力。

进一步的，所述立柱3采用空心金属杆，所述立柱3的内部穿过有导线；所述立柱3的顶端与钻头底板7之间通过螺纹固定相连。

进一步的，所述钻头底板7采用一定厚度的金属板制成，在钻头底板7的中心位置加工有用于和立柱3端头相配合的螺纹孔。

进一步的，所述第一可伸长金属杆8采用电磁铁材料制成，且采用两根对称布置；所述第一线圈9穿过第一小孔13并与发电机4相连。

进一步的，所述楔形模板11和螺旋形钻头部件12都采用永磁铁材料制成。

进一步的，所述中心稳定轴21采用空心金属杆，其上端密封，下端内部加工有与支柱3相配合的螺纹孔。

进一步的，所述第二可伸长金属杆18采用杆状电磁铁制成，在第二可伸长金属杆18的外部缠绕有第二线圈19，所述第二线圈19从中心稳定轴21上的第二小孔20穿过并与发电机4相连。

进一步的，所述圆弧形电磁铁钻头部件15为具有一定厚度的弧形柱状，劈裂角部件16为直立的三棱柱状，圆弧形电磁铁钻头部件15和劈裂角部件16为永磁铁。

实施例2：

任一项所述利用高频电脉冲辅助冲击的破岩装置的纵向打碎施工工艺，它包括以下步骤：

step1：材料准备：反力架1、支柱3、空心金属杆、发电机4、楔形钻头部件11、螺旋形钻头部件12、弹簧和线圈；

step2：固定装置：手持终端控制设备2焊接在反力架1的外侧；

step3：发电装置：发电机4装在发电机外壳5且恰好不会出现相对晃动的现象，发电机外壳5焊接在反力架1的内侧；

step4：后端固定装置和钻头的连接：支柱3后端与发电机外壳5底部中心焊接相连，前端通过螺纹与钻头的金属外壳顶部中心扭接相连；

step5：电脉冲分离式钻头时线圈的分布：线圈缠绕在电脉冲分离式钻头的可伸长金属杆上，透过钻头金属外壳与发电机相连接；

step6：电脉冲分离式钻头的安装：两根可伸长金属杆和两根复位弹簧后端焊接在钻头金属外壳上，当需要打碎片岩等岩性较好的石头时，前端焊接楔形钻头部件；当需要打碎较坚硬的物体时，前端焊接螺旋形钻头部件；电脉冲分离式钻头，利用电磁效应使电脉冲分离式钻头伸长至一定深度，反复如此，且可通过控制电脉冲的大小来使地面、岩石等精确地产生一定深度的破碎；

step7：沿裂缝和岩石片理方向注入石墨或水等导电介质以辅助破岩，同时接通电源开始工作；

step8：工作机理：可伸长金属杆是电磁铁，线圈通电时可伸长金属杆具有磁性，通过改变电脉冲大小可以控制可伸长金属杆的磁性，且通过改变电流的方向来改变可伸长金属杆的磁极，从而使可伸长金属杆的磁极和永磁铁钻头的磁性相反，进而产生斥力，该斥力可使楔形模板或螺旋形钻头部件向前伸长，反复如此，可使地面、坡面、岩石等精确地产生一定深度的破碎；

step9：该装置工作时通过反力架固定在岩石、坡面等需破裂物体的表面；再通过电磁效应从而使永磁铁可伸长金属杆与永磁铁构件产生斥力进而促使永磁铁构件伸长对岩石等需破碎的物体产生撞击力，复位弹簧使伸长的永磁铁构件复位，岩石受理后裂缝，反复撞击进而使岩石产生一定深度的破碎。