一种辅助开采矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置和方法

本发明属于坚硬矿岩辅助开采，具体涉及一种辅助开采矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置和方法。

背景技术：

1、岩层的开挖和破碎是岩土工程中的一个重要分支，而岩层中坚硬矿岩的存在是导致矿石的开采、岩层的破碎、巷道的掘进等采掘工程效率降低的关键因素。目前针对坚硬矿岩的开挖破碎主要采用爆破法和机械刀具法两种，他们都具有造价低、连续性好的特点，但同时也伴有不同程度的环境污染或噪音污染，如爆破法带来的安全问题和机械法的刀具损耗过大等问题。而随着科技的发展和安全要求的提高，也逐渐衍生出一些新兴致裂方法，如微波致裂、激光致裂、高压水射流致裂等。

2、微波作为一种近年来的新型工业技术，其独有的选择性加热特性，配合静态破碎的特点，在高介电特性物质的致裂和破碎方面越发突出，同时由于其具有绿色高效的优点，也使其逐渐应用在坚硬矿岩的辅助开采中。微波辅助开采坚硬矿岩是通过微波辐射岩体，快速加热矿岩层中的微波敏感矿物（高介电常数矿物），与周围微波不敏感矿物形成较大的温度梯度，进而使得岩层在热膨胀的作用下沿矿物晶体或晶体周围形成裂纹，并随着微波辐射时间的增加，裂纹相互贯通直至岩层破碎、剥离，而后配合其他机械工具完成采掘活动，同时坚硬矿岩的脆性特点也使得微波致裂效率得到了进一步提高。在微波辅助致裂的作用下，对于机械刀具法等开采方式来说，不仅开采效率大幅提高，而且解决了机械刀具损耗过大的问题，是促进岩土工程采掘活动的一种新思路。

3、微波辅助开采坚硬矿岩根据负载形式的不同主要分为面辐射和孔辐射两种，其中面辐射是微波输出端直接辐射岩层平面，岩层根据不同吸收能力仅吸收入射能量；孔辐射是配合钻孔，钻孔孔口位置放置微波发生器件或传输器件，使得微波能量在钻孔内自由反射，可吸收入射能量和反射能量。这两种方法都可达到提高开采效率的效果，但仍存在一些问题。当采用面辐射时，第一是微波能量反射后呈散射状，由于整体为开放式辐射，微波无法得到有效屏蔽，容易造成元器件和人体的损伤；第二是若辐射面过大时，输出端口尺寸无法匹配，需采用多点辐射，大大降低了致裂效率。当采用孔辐射时，第一是钻孔孔壁岩层并非光滑状态，大大降低了微波能量的传输效率，尤其在钻孔深度过大时，微波传输至钻孔深部的能量强度大幅降低；第二是钻孔较深时，深部岩层由于受到的微波辐射强度较低，达到目标破坏程度所需的微波辐射时间大幅增加，而微波能量分布的不均匀，不仅极易导致钻孔浅部岩层首先破坏发生塌孔，堵塞钻孔使得微波无法传输至钻孔深部，而且深部岩层若要达到目标破坏强度，必须加大功率或增加辐射时间，这会导致比能耗大幅增加，致裂效率和致裂效果降低；第三是由于微波能量对于深部岩层辐射强度较低，即浅部岩层吸波量高于深部岩层，则在一定的致裂参数下，容易出现浅部岩层破坏而深部岩层仍完好的情况，导致致裂效果和开采深度不到位，若单方面提高致裂时间使得深部岩层达到目标破坏效果，其浅部岩层则容易出现熔融现象，最终损坏微波元器件。因此，亟需一种微波辐射装置和方法，可针对钻孔深浅部岩层破坏程度不同、微波能量分布不均匀、传输效率低等问题，实现高效、低比能耗的坚硬矿岩辅助开采。

4、在公开文献中可以获得公开号为cn112212748a的“基于微波致裂岩石的井巷施工方法及其装置”专利。该发明是通过数值计算确定微波参数，布置多种不同作用破坏孔的形式，最终通过在钻孔内放置微波输出端，依次对钻孔不同位置进行微波辐射实现致裂的，该方法存在以下不足，其一是该方法微波输出端为伸缩式，仅能针对小范围、单点区域形成单次辐射，而岩层处于高围压状态下，若无其他方式提供弱面导向，辐射强度和时间均需大幅提高才可形成破坏，同时对于长钻孔而言，则需要针对不同位置多次移动；其二是该方法对于微波和负载岩层的阻抗匹配性无法调整，这就导致在岩层吸波特性变化较大或出现分层时，微波与岩层形成了阻抗不匹配，入射功率恒定，且反射功率提高容易破坏元器件，增加比能耗和功率消耗；其三是该方法在钻孔内无专用传输通道，仅依靠孔壁岩层会大大降低传输效率，造成微波辐射强度的不均匀性。

5、在公开文献中可以获得公开号为cn110805442a的“一种可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板的装置及方法”专利。该发明是通过在钻孔孔口布置微波馈入天线，配合封孔夹持器来弱化顶板岩层。该方法虽可在一定程度上破坏顶板岩层，但仍存在以下不足：其一是当钻孔长度较大时，由于孔壁岩层表面缺陷较多，不够光滑，并非微波的良好传输通道，传输至深部岩层的有效微波能量大大减少，大幅降低了深部岩层的致裂效率；其二是该方法会导致孔口岩层受到的微波辐射强度较大，使其最先发生破坏或破坏程度大，一旦发生塌孔、熔融等现象，该孔即无法达成有效致裂，降低了致裂效果；其三是该发明功率输出是恒定的，而不同岩层的吸波能力也不同，功率恒定会导致，微波与负载岩层阻抗不匹配，不仅比能耗增大，还降低了致裂效果。

6、在公开文献中可以获得公开号为cn108463020a的“一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置”专利，该发明主要是通过大功率同轴加热器实现微波在钻孔内的传输，配合多个微波辐射口实现岩体致裂的。该方法存在以下不足，其一是微波致裂岩体效率最主要由功率决定，该方法中的微波传输口径向长度为同轴外导体周长的2/3，轴向长度贯穿全段同轴加热器，微波输出方式为分散辐射，即在同一功率水平下，单点密度相对较低，致裂效率相对聚焦辐射也较低；其二是由于该装置微波能量为同轴线传输，微波辐射口的位置必须固定于波峰处才可达到预定功率值，这就限制了微波辐射口位置兼容性，导致无法调整输出口间距，或通过减少微波辐射口数量来提高单口输出能量，地质条件适用性差；其三是该发明中微波辐射口为被动输出形式，即微波输入时，各辐射口均为输出口，对于特殊地层条件，无法实现深浅部岩层的分层致裂；其四是该方法调谐实现阻抗匹配是针对全段岩层，若有分层现象（各层介电常数差距较大），则会导致微波吸收效果较差的岩层有效吸收能量进一步变少，微波吸收效果较好的岩层有效吸收能量进一步增加，无法达到预期致裂效果；其五是该方法需要将微波源形成的波导模式的微波能量经同轴耦合器转换为同轴线模式，其转换过程会产生较大的功率损耗，降低了终端有效功率的输出；其六是该发明以温度数据作为调谐阻抗匹配的依据，大幅降低了低吸波效率岩层的致裂效率，即若目标岩层吸收效率较低，则温度也相对较低，此时反射功率增大，入射功率减小，致裂效率也进一步降低，最终产生了“反作用”；其七是同轴线传输模式对于功率有所限制，在大埋深高围压且需要大范围致裂的情况时，同轴线传输与波导传输相比，支持传输功率和有效传输功率均较低，且传输稳定性也较差。

技术实现思路

1、在微波辅助开采坚硬矿岩时，由于岩层的非均质性导致不同深度的孔壁岩层受微波辐射后其破坏程度和破坏时机无法控制，本发明的目的在于提供一种适用于辅助开采坚硬矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置和方法，该装置以矩形波导为主传输通道，以圆波导为分级传输通道，配合同轴内芯实现聚焦辐射，最终通过短路匹配器达到微波能量分级以及微波与矿石阻抗匹配的目的，在微波辐射传输方面具有能量利用率高、传输效率高、能量分布均匀等特性，在微波辅助开采方面由于微波能量是分级加载，全段岩层所受微波能量为均匀的，配合各输出端口的聚焦辐射，具有致裂速度快、致裂位置可控的优点。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种辅助开采矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置，包括微波辐射系统、分级加载系统和中央控制系统；

4、所述微波辐射系统包括固态微波源和三端环形器，所述三端环形器的一端与固态微波源的输出口连接，一端连接有水负载，一端连接有三销钉调配器，所述水负载的端口连接有定向耦合器，三销钉调配器的一端连接有矩形波导一；

5、所述分级加载系统包括圆形壳体，所述圆形壳体伸入钻孔内，圆形壳体内设有矩形波导二，所述矩形波导一与矩形波导二通过直角弯头连接，矩形波导二的两侧垂直布置有若干圆波导，圆波导与矩形波导二的连接端设有密封网，圆波导的中心点沿轴向设有同轴内芯，所述同轴内芯与密封网的圆心位置连接，矩形波导二内设有短路匹配器，所述短路匹配器的两端设有驱动轮；

6、所述圆形壳体的外壁设有若干输出口，圆波导的一端与输出口固定连接，圆形壳体外壁每两个输出口的连线中点位置设有超声波传感器。

7、所述中央控制系统包括位于固态微波源上的显示面板和单通道功率计，定向耦合器的输出端与单通道功率计的输入端连接，单通道功率计的输出端与显示面板连接，超声波传感器及驱动轮分别与中央控制系统电连接。

8、一种辅助开采矿岩的分级加载微波聚焦辐射装置的使用方法，包括如下步骤：

9、第一步，确定坚硬矿岩的单次开采范围和开采深度，提前打好微波辅助开采钻孔，清理钻孔内淤泥和剥落岩层，保证钻孔最小直径大于壳体直径，避免塌孔、卡孔；

10、第二步，将分级加载系统放入钻孔内，超声波传感器、驱动轮线路经矩形波导和圆形壳体的夹层由孔口引出；

11、第三步，将固态微波源置于平整处，依次安装微波辐射系统，微波辐射系统的矩形波导一输出端与分级加载系统的矩形波导二以法兰式固定连接；

12、第四步，将超声波传感器、驱动轮经矩形波导与圆形壳体之间引出孔口，电连接至中央控制系统，通过中央控制系统采集岩层破坏信息、入射、反射功率、控制短路匹配器位置；

13、第五步，打开中央控制系统，将短路匹配器调整至第一组圆波导和第二组圆波导之间，开启固态微波源，进行第一级辐射，根据入射功率和反射功率信息，调整驱动轮位置，直至实现阻抗匹配，即反射功率达到最小值；

14、第六步，通过超声波传感器实时测试两组辐射口中点处岩层破坏情况，当波速出现波动时，即代表孔壁岩层出现裂缝，此时通过中央控制系统调整短路匹配器至第二组和第三组圆波导之间，重复第五步，即可开启第二级辐射，目标破碎区域为距离钻孔孔口1.5~2.5m范围内的岩层，并且在第二级微波辐射时，0.5~1.5m范围岩层主裂缝逐渐扩展，并产生新生裂隙，破碎程度逐渐加大；

15、第七步，重复第五步至第六步，依次开启其余圆波导辐射口，实现微波能量的分级加载，最终实现钻孔孔壁岩层的分级破坏。

16、本发明的有益效果如下：

17、1. 本发明通过在矩形波导两侧对称布置多组内置同轴内芯的圆波导，可使得圆波导内微波能量由同轴内芯传输并实现聚焦辐射，提高单点能量密度。

18、2. 本发明通过在矩形波导内配备短路匹配器，可调整短路匹配器沿矩形波导轴向由钻孔浅部向深部移动，逐渐开放圆波导输出口，达到微波输入能量的分级加载，实现由浅部向深部岩层逐级破坏，且破坏程度也逐级增加。避免了微波致裂时，由岩层非均质性引起的孔壁破坏区域和破坏程度随机分布现象（如深部岩层吸波效率大于浅部岩层），进而导致浅部岩层因完整性较好无法开采，而深部暂不可采岩层破坏程度较高，需增加微波辐射时间来达到致裂效果，降低了致裂效率和微波能量利用率的同时大幅增加了能耗的问题。

19、3. 本发明所述分级加载系统中，圆波导输出口沿矩形波导两侧对称分布，且每组输出口呈直线布置，当微波能量为多级输出时，上一组输出口所形成主裂缝的扩展方向会向下一组输出口弱面延伸扩展，多孔输出则会沿钻孔轴向对称形成两条断裂线，岩层沿断裂线破坏，可达到定向致裂的效果。

20、4. 本发明通过中央控制系统可集中收集微波辐射下的孔壁岩层破坏情况，微波入射，反射功率信息，可根据孔壁岩层吸波效率实时变化，通过设定最小反射功率范围，实时自动调整短路匹配器的位置，实现微波致裂期间，微波能量与负载岩层之间的阻抗匹配，大幅提高能量利用效率和减小致裂时间。

21、5. 本发明可根据地层条件和设备功率，自由调整圆波导输出口的间距、长度、数量，以达到高效低能耗的目的。

22、6. 本装置设置矩形波导为主传输通道，圆波导为分级传输通道，通过多个圆波导口均匀对称分布，配合微波专用标准传输波导形式的传输通道，传输效率高的同时，可实现微波能量在钻孔内的均匀输出，不存在深浅部岩层所受微波辐射强度不一致的问题。