专利名称：用于爆破坚硬岩石的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于爆破坚硬岩石的方法和装置，具体涉及一种用于采用由一在限定区域内迅速产生膨胀气体的适度高能放电点火的高度不灵敏燃料混合物爆破坚硬岩石的方法和装置。
背景技术：
坚硬岩石的开采典型地通过机械设备如钻头和其他复杂的机械、化学爆炸物如TNT、和/或采用高能放电跨过火花隙由一电弧产生一等离子区的电爆破法。化学和电爆破方法在一钻入岩石内的孔的端部的限定区域内产生迅速膨胀的气体并因此使岩石破裂。实践中一般倾向于采用电爆破方法，因为这种方法与化学爆炸物如TNT相比挥发性较少，通常也更为安全。然而化学爆炸物材料容易通过物理变化而被非故意引爆，电气装置则只是通过与电能连接而开始爆炸，否则无效。坚硬岩石开采技术中采用机械设备效率最低、最费时间，故往往与爆破技术组合使用。
电爆破方法例如引爆线和火花隙系统常用于产生一爆炸后排出燃料气体。引爆线推进系统见诸于1991年10月1日颁发给Lee的题为“用由铝燃料粉末/水反应产生的氢气发射弹头”的美国专利5052272。Lee揭示了一种通过将脉冲功率技术用到一引爆线或引爆片并最终用到一燃料粉末-氧化剂混合物以高能量效率产生氧气的方法。对于铝的较佳氧化剂是水。该装置包括一与一感应线圈连接的电容器组。一金属线与该感应线圈和一快速开关连接。当开关闭合时，电能从电容器组通过该感应器、开关和引爆线。放电总能量较佳为每克铝燃料0.50-15千焦耳。放电延续时间在10-1000微秒之间。
1991年6月8日颁发给小Padberg的题为“用于方便从海底提取矿物的装置”的美国专利号3583766揭示了另一种有关的引爆线爆破系统。该专利具体揭示了一种具有插入形成在一矿床层的孔内并延伸到一沉积海底的钻管的深海搜索车。一钻头位于钻管下部，钻头上方设有一等离子体放电部。一激励电路将电能从电源连接到一穿过等离子体放电部延伸的细镍线。当开关闭合时，一大电流突然通过该细镍线对它进行引爆并产生一伴随着尖锐压力波的很大的等离子体放电。该等离子体放电部的开口允许压力波出现并产生一快速膨胀和破坏的气泡，并伴随有模拟爆炸冲击波。气泡膨胀和破坏以尖锐压力脉冲形式传播声波。
颁发给Yutkin的苏联专利号SU357345A揭示了另一种有关的引爆线爆破系统，该专利示出一种具有用于插入岩石孔的一对电极和一导线条，该岩石孔填充有湿的电介质材料例如沙子，以在被激励时产生冲击波。导线与电极连接并围绕一电介质板拉紧。电介质板装在爆炸作业的岩石孔中。
火花隙或非引爆线系统见诸于1972年7月25日颁发给O’Hare的题为“冲击等离子体矿用钻头”的美国专利3679007，其中揭示了一种用于在矿中钻深孔以发现水或油的火花隙探头。该探头具有一与一外电极分开并围绕该外电极的中央电极，该两个电极均浸入水中。一具有6000至30000伏特充电潜力(取决于土壤条件)的电容器将电能供至该两个电极。电能在水的电阻两端迅速释放产生大量热量，从而产生一爆炸作用。水中产生的爆炸冲击波向下和向外移动，从而产生一矿用钻头反复落入的孔。
1988年5月3日颁发给Moeny等人的题为“采用多电极的聚焦冲击火花充电钻头”的美国专利号4741405揭示了一种用于地下采矿的火花隙放电钻头。该钻头将几千焦耳至100或100千焦耳以上范围的脉冲能量以每秒1至10脉冲或以上的速度传递给一岩石表面。一钻削流体如泥浆或水协助将火花能量传播到该岩石表面。
1992年4月21日颁发给Kitzinger等人的题为“等离子体爆破方法”的美国专利号5106164揭示了一种用于在坚硬岩石采矿实践中使岩石裂成碎片的等离子体爆破过程，并具体揭示了一种在电解液中采用在电极两端快速高能放电的方法。对从一电容器组来的电能加以切换以将500千安培供至一设置在岩石表面孔内的爆破电极，引起一较佳包含硫酸铜的电解液绝缘破坏。电解液可用膨润土或明胶形成胶体使其具有足够的黏性，以在爆破前不漏出限定区域之外。爆破装置具有最小的电感和电阻以便减少功率损失并保证将能量快速排放到岩石中。
尽管迄今为止揭示的采用简单的电火花隙和引爆线的电爆破方法产生从存储在传送数百千安培电流的电容器中大量放电并涉及到采用电解液，最好还是开发一种更为适当的能量等级的可操作的爆破方法。此外，大多数现有技术高电压方法都是将能量从电容器以一效率较低的方式传递到可引爆导体或火花隙。作为能量传递效率较低的一个结果，有关的现有技术系统需要较大的电容器组以驱动可引爆导体或火花隙以提供一定量的爆破能量。
或者，采用化学爆炸物的许多爆破系统由于普通爆炸材料的灵敏特性而存在很大的安全问题。许多引爆材料对由物理冲击、漏电荷以及严酷环境条件(例如高温)等非故意的引爆很灵敏。此外，许多采用化学爆炸物材料的爆破技术可产生有毒副产品并往往将周围的岩石变成粉末，这在一些应用中是不希望的。因此最好是开发一种采用非常不灵敏和非毒性的爆炸物使岩石断裂的方法，这种爆炸物当用于电爆破系统时只要求适当能量的电启动或点火。这样一种组合提供了一种安全、经济和有效的爆破技术，这种技术与高爆炸量相比是一种更为平缓的过程。
最好并将较安全的化学爆破方法和/或电爆破方法与机械钻孔结合，由此而加速钻孔/爆破过程并便于其自动化。许多坚硬岩石采矿作业典型地牵涉到钻孔和爆破作业，如果将该两种作业适当结合或组合在一起，则不必将机械设备从钻孔中退出并插入一分开的爆破探针或爆炸物。上述现有技术中有一些试图将钻孔与爆破过程结合在一单件设备中，例如授予O’Hare的美国专利号3679007，授予Moeney的美国专利号4741405，以及授予小Padberg的美国专利号3583766.主要由于许多化学爆破技术的破坏特性，这些现有技术系统中没有一种成功地将化学爆破技术与机械钻孔结合起来。
本发明概述本发明通过提供一种用于采用由一在限定区域内迅速产生膨胀气体而使坚硬岩石断裂破碎的适度高能放电点火的高度不灵敏燃料混合物爆破坚硬岩石的方法和装置有利地实现上述及其他需要。本发明采用一种全部包含在该燃料混合物内的点火装置将电能接到燃料混合物上。这种自我包含的点火装置同时起着将电能接到燃料混合物上的开关作用和其后的放热化学反应的点火源作用。而且，该爆破装置设计成两方面均可再次使用并易于与机械钻孔设备一体化。
按照本发明的一个方面，爆破装置包括一同轴电极组件形状的可重复使用的爆破探头，该组件包括一高压电极和一由一绝缘管分开的返地电极。同轴电极组件的两个电极通过一连续量的非常不灵敏但可燃烧的材料如金属粉末和氧化剂混合物保持电接触。该金属粉末和氧化剂混合物最好包含在一接近该同轴电极组件的环形空隙区域。该高压电极通过一高电流开关与一电容器组连接。
该爆破探头的构成为一个电极包括一配置在靠近该爆破探头背面的绝缘管的一外表面上的导电套。第二电极配置在该绝缘管内并在该绝缘管的末端露出以与该金属粉末和氧化剂混合物相连。该金属粉末和氧化剂混合物的金属颗粒当受到从电容器组来的一电流时即在该高压电极与返地电极之间形成了多个可熔金属通道。该金属通道的功能类似于一易熔件，它们提供一电阻，以使来自该电容器组的电能与该燃料混合器匹配而引起热量耗散增加，从而开始一产生使周围岩石断裂的高压气体的金属和氧化剂的放热反应。
按照本发明的另一方面，爆破装置与一传统的钻岩机如一转锤钻岩机一体。爆破装置包括一主要是一用一配置在一绝缘管或套筒的外表面部分的金属套形成的同轴电极组件的可重复使用爆破探头。该绝缘管的尺寸为可滑动地横跨在中空钻钢上，该中空钻钢的功能是作为一返地电极。该可重复使用爆破探头的结构特别适于在被插入钻孔内时产生一前述量的环形空隙区域。该环形空隙区域适于保持一前述量的适当的工作流体。较佳的工作流体是一配置在靠近孔的末端并在紧靠钻岩机钻头后面的环形空隙区域内的金属粉末和氧化剂燃料混合物。当该环形空隙区域填充了燃料混合物或其他工作流体并将金属套和中空钻钢设置为与其电接触时，爆破探头即为可工作状态。
在适当使用时，与钻岩机一体的爆破装置由于不必在插入爆破探头之前从孔中退出钻孔设备，故有利地加快了钻孔/爆破作业。特别是绝缘管在钻孔过程中缩到中空钻钢上面并与孔分开。钻孔过程一旦完成，即通过将爆破探头移动到中空钻钢下面而将其插入孔内。然后在爆破探头被定位或能在将爆破探头滑入孔内前由一分开的喷嘴导入之后通过中空钻钢中的一导管将金属粉末和氧化剂混合物导入新钻的孔内。一高压脉冲从该电容器组加到爆破探头上的金属套上。如上所述，金属粉末和氧化剂燃料混合物内的金属颗粒在受到由电容器组通过金属套或高压电极传递来的电流时，在金属套与中空钻钢之间形成多个可熔金属通道。该多个金属通道起着一个提供足够高的电阻的熔断器的作用，以使来自该电容器组的电能与该燃料混合器匹配而引起热量耗散增加，从而开始一在孔内产生使周围岩石断裂的高压气体的金属和氧化剂的放热反应。
本发明的一重要优点是通过在电容器组与高压电极之间连接一电感器实现的。通过从电容器组经电感传送电荷，可对通过高压电极传送到金属和氧化剂燃料混合物上的电流变化率加以控制。
本发明的另一优点是通过省去分开的易熔件如引爆线、可爆导体之类实现的。用于金属粉末和氧化剂燃料混合物的熔断装置是燃料混合物的金属颗粒，因而完全包含在燃料混合物内。本爆破装置有利地不需要如一些现有技术那样通过分开的熔断或易熔件使爆破材料开始反应或点火。
本发明的一个特点是在爆破装置中可任选地包括一中央燃料填充口，可用于将金属粉末和氧化剂燃料混合物现场填充到环形空隙区域。或者，也可采用一非导电保持套筒或用于将金属粉末和氧化剂燃料混合物保持在接近同轴电极组件的该环形空隙区域的其他合适装置，在这种场合，在将爆破探头装设在爆破处之前对金属粉末和氧化剂燃料混合物进预加载荷是有利的。
本发明的另一个特点是通过选择同轴电极组件的尺寸以使金属套的外径仅略小于爆破孔直径，从而对其后的爆破提供良好的限制。并通过采用受压时径向膨胀的可变形件或可膨胀件进一步改善爆破限制。该可变形件或可膨胀件可由一合成橡胶材料如聚氨酯或硅橡胶制成。由此，当将同轴电极组件或爆破装置向前推入一爆破孔内时，合成橡胶件即向外朝向岩石径向膨胀，由此基本上防止高压气体经钻孔逸出。
本发明的特点还在于提供一种采用以一适度高能放电点火的高度不灵敏燃料混合物用于爆破坚硬岩石的方法。该方法包括以下步骤(1)将规定量的金属粉末和氧化剂燃料混合物与接近岩石结构层的一对电极相连，燃料混合物具有足够高的金属量以在电极间形成多个易熔金属通道；(2)在燃料混合物上施加适当高脉冲的电流；(3)熔化多个易熔金属通道以在电极间和燃料混合物内形成一电阻弧沟，藉以产生一足够高的电阻；以及(4)将由电阻引起的足够量的热量耗散到燃料混合物以在一限定区域内开始产生使坚硬岩石断裂和破碎的快速膨胀气体的燃料混合物的一放热反应。
附图简单说明通过以下具体描述并结合以下附图，将进一步理解本发明的上述和其他方面、特点和优点，其中
图1为本发明的包括一电气驱动线路、导管装置和爆破探头的爆破装置的示意图；图2为图1所示电气爆破探头和导管装置的剖面图；图3为放置在钻孔中的图1和图2所示爆破探头的横剖面图；图4为放置在钻孔中的爆破探头的另一实施例的横剖面图；图5为与按照本发明的一钻岩机一体的爆破装置的示意图；图6为与一钻岩机一体的爆破装置在爆破探头退回情况下的局部视图；图7为与一钻岩机一体的爆破装置在爆破探头插入钻孔情况下的局部视图；图8为图5、6和7所示爆破探头的横剖面图。
在附图所示所有实施例中，相应的零件均采用同样的标号。本发明具体描述以下的描述是为实施本发明而提出的最佳方式。该说明并无限定意义，其目的不过对本发明的一般原理进行描述。本发明的范围应由权利要求书确定。
现参照附图特别是图1，其中示出本发明一实施例的用于爆破坚硬岩石的装置并总的用标号10表示。装置10包括一用于通过一包含在一导管装置13内的高压导体44将脉冲高电流高电压能量供应到一爆破探头14的驱动器线路12。爆破探头14适于被放置在一需加以爆破的岩石结构层或其他固体结构中。驱动器线路12包括一电荷存储装置或电容器组16、一高压源18、一开关装置20，以及一电感装置25。
在所示实施例中，电容器组16仅包括一个电容为830微法拉的50千焦耳的电容器30。但也可采用多个平行连接的电容器。一接地线32将电容器组16的一接地侧与一接地电位33连接。电容器组16提供一装置，用于存储通过导线34与爆破探头14可开关地连接的适当高的电荷。
驱动器线路12也包括一用于对电容器组16充电的传统电源18。该电源通过一接地线22和一导线24与电容器组16连接。电容器组16较佳为以10千伏工作，从而存储大约40千焦耳。电容器组16通过开关装置与爆破探头14连接，该开关装置最好包括一适用于适当高压工作的引爆真空隙开关20。尽管在本实施例中采用引爆真空隙开关，也可采用其他高库仑开关，包括一高库仑火花隙、一点火器、或一重型机械闭合开关。
驱动器线路12也包括一电感装置，该电感装置在本实施例中包括一大约5微亨利的分配电感，并在图1中通过一电感25表示。分配电感接受电流并使供给爆破探头14的电流的变动率变慢。除分配电感(表示为件25)外，驱动器线路12还具有一非常小的分配电感(表示为件27)和一能存储约40千焦耳并以10千伏工作的大约830微法拉的总电容量。
参见图2和图3，图中示出一带有导管装置13的可重复使用爆破探头14的一实施例。爆破探头14装在导管装置13最好是一传导导管50的端部并由此轴向延伸，以便可将爆破探头14和导管50插入钻入一岩石面内的孔内。爆破探头14包括一绝缘管40，在其末端43处该具有一高压钢电极42，通过一内部配置的高压导体44将该电极42与驱动器线路的电容器组连接，该高压导体44穿过绝缘管40和导管装置13的长度。高压导体44最好为直径0.25英寸的Kapton绝缘的铜杆。绝缘管40为一直径1.00英寸的G-10玻璃纤维管。一钢接头插头46与绝缘管40可通过螺纹加以连接且用作返地电极。在所示实施例中，钢接头插头46类似于一阴-阴螺纹接头，其中，钢接头插头46的一端48的尺寸为可螺纹接受绝缘管40的接近端47，钢接头插头46的另一端49的尺寸为可螺纹接受传导导管50。高压导体44轴向穿过钢接头插头46并与其绝缘。
导管50最好是一适于在一端51处与爆破探头14的接头插头46接合的而在另一端52处则与一返地电缆54连接的钢管。返地电缆54与一接地电位33连接。导管50最好是外径为1.25英寸、内径为0.375英寸的具有若干螺纹部55的淬硬铬钼钢。钢导管50的螺纹部55特别适于将钢管50与爆破探头14和/或驱动器线路连接和/或接合。高压导体44穿过钢管50的内部并与通到驱动器线路12内的电容器组的高压电缆56连接。
用于在导管/爆破探头装置与驱动器线路12之间便于连接的硬件包括电缆接管57、58，夹紧螺母61、62和一适当的绝缘保护器64。然而，本发明并不限于该电气连接的方式，而可采用任何合适的电气连接装置。而且，爆破探头14和导管50的尺寸可加以选择以适应它们所采用的具体爆破作业。通过选择爆破探头14的尺寸以使接头插头46的外径仅略小于爆破孔的直径，可实现对其后的爆破进行良好的限定。此外，爆破探头14的总长度最好根据其后的爆破中打算使用的燃料混合物的量来选择。
导管50也可与一用于限定其后的靠近爆破探头14的爆破的附加装置相结合，它采取一径向扩张插头66的形式。具体来说，是将一合成橡胶扩张插头66配置在导管50的外表面上。合成橡胶扩张插头66的外径最好略小于爆破孔的直径(即外径1.75英寸)。合成橡胶扩张插头66在径向受压缩时适于朝向钻孔的岩石表面作径向扩张。在本实施例中，当通过使用一六角推进器螺母68使一滑动的推进器套筒67轴向受力朝向扩张插头66而施加一压缩力时，扩张插头66牢固地顶靠在接头插头46上。扩张插头66最好由合成橡胶材料如聚氨酯或高丢洛(high-durometer)橡胶制成，并因而在六角推进器螺母68螺纹移动而使推进器套筒67向下移动时即径向朝岩石表面向外扩张。
如图3所示，爆破探头14的后端59具有一可通过螺旋与绝缘管40的外表面固定的接头插头46，并具有一略小于孔径的外径。爆破探头14的前部60具有一与绝缘管40外径相等的外径。由于爆破探头14的直径不均匀，在接近爆破探头14的前部60形成一环形空隙区域70。该空隙区域70是为较佳为金属粉末和氧化剂燃料混合物72的爆破流体保留的。当金属粉末和氧化剂燃料混合物72出现在环形空隙区域70中时，爆破探头14的两个电极(末端处的高压电极42和后端处的接头插头46)即与连续量的导电燃料混合物72电气接触。金属粉末和氧化剂燃料混合物内的金属颗粒当受到一由大电容器组发出的电流时即在高压电极42与返地电极46之间形成多个易熔金属通道。该多个金属通道起着一个提供高电阻的熔断器的作用，以使来自该电容器组的电能与该金属粉末和氧化剂燃料混合物匹配而引起热量耗散增加，从而开始一在孔内产生使周围岩石断裂的高压气体的金属和氧化剂燃料混合物的放热反应。
较佳的燃料混合器72包括与一氧化剂结合的金属或金属氢化物。具体来说，该燃料为以颗粒状悬浮在水中，该水包含有胶合剂以防止铝倒出。例如具有平均颗粒直径约5微米，少量(例如1％)胶合剂例如Knox胶的50％水和50％铝的混合物就是适于本发明爆破装置使用的燃料混合物。此外，包括，但不限于钛、锆、或镁，单独或与铝结合的与水一起提供快速膨胀气体的其他金属粉末也是本发明可接受的燃料混合物。
较佳的铝粉末和氧化剂燃料混合物在大约700℃至1200℃的范围内点火，这是通过在燃料混合物内产生一足够高的电阻实现的。如果有足够量的金属颗粒，则可在燃料混合物内产生高电阻而不需要外熔断器，故燃料混合物的接受颗粒在高压电极与一返地电极之间形成多个金属链或通道。一随后传送到燃料混合物的适当高的电流脉冲使形成一电阻弧沟的该链或通道熔断，而这反过来又使热量耗散增加到足以使金属和氧化剂的放热反应开始。
本粉末爆破装置有利地只需要适当量的电能使爆破开始，其间只需几毫秒时间。因此，通过金属粉末和氧化剂燃料混合物的化学反应产生一爆破，这种爆破比高能炸药爆破更类似于燃料的受控燃烧过程。开始上述过程所需电能的量较佳为由其后的金属和氧化剂化学反应释放产生的能量的约5％-15％，最佳为5％-10％。例如，当采用铝粉末和氧化剂燃料混合物时，本发明爆破装置只需要每克铝粉末约0.7-2.1千焦耳的电能。对于一个包含有约40立方厘米铝粉末和水燃料混合物的长10厘米的环形空隙区域来说，通过一以约10千伏工作的仅40千焦耳的电容器能量即完成成功的燃料点火和岩石破碎。
图4示出爆破探头14的又一实施例。该可重复使用的爆破探头14基本上是作为一个同轴电极并包括一被配置在一绝缘管40内的中央配置高压电极42。绝缘管40包括一打开的接近端47和一靠近爆破探头14的前部60的打开的末端43。中央配置高压电极42延伸到绝缘管40的末端43外面并具有一法兰端74，该法兰端提供一绝缘管40顶靠在其上的凸缘或凸肩75。中央配置高压电极42的法兰端74的外径小于插入爆破探头14的孔的直径。
返地电极采取金属套46配置在靠近爆破探头14的后部59的绝缘管外表面的形式。爆破探头14的后部59的尺寸为使金属套46的外表面与孔内的岩石表面之间只保持很小的间隙。爆破探头的前部60的直径小于后部59，因此形成一适于保持适当的燃料混合物72以实施爆破的环形空隙区域。爆破探头14的前部60最好具有孔径和中央配置高压电极42的外径的中间值。爆破探头14的前部60还具有一规定长度，可在爆破探头14插入钻孔中时产生一规定量的环形空隙区域70。
返地电极46和高压电极42与环形空隙区域70保持相连，故当环形空隙区域70充满导电燃料混合物72时，线路即告完成。在该实施例中，中央配置高压电极42的法兰端74与出现在环形空隙区域70中的导电燃料混合物72保持相连。所示实施例的另一特点是爆破装置10中的中央燃料加注口80，可在现场将金属粉末和氧化剂燃料混合物72加注到环形空隙区域70。无论容置中央燃料加注口80，中央配置高压电极42必须具有足够的直径以实现将燃料混合物72输送到爆破处和提供高电流脉冲以开始爆破作业的双重作用。
在环形空隙区域不能进行现场加注的情况下，则在插入本发明爆破装置之前就适当量的燃料混合物插入孔中。熟悉本领域的人员可设计一非导电的保持套筒或其他适当装置，用于将金属粉末和氧化剂燃料混合物保持在靠近爆破探头的环形空隙区域中，在这种情况下可有利地在将爆破探头放置在爆破处之前对金属粉末和氧化剂燃料混合物预加载荷。
图5至8示出本发明的又一实施例，其中爆破装置与一传统钻岩机为一体。如图5所示，爆破装置10包括一驱动器线路12和一与转锤钻岩机15相连的可重复使用爆破探头14。该可重复使用爆破探头14基本上为一用一配置在绝缘管40或套筒的外表面部的金属套46形成的同轴电极组件。金属套46通过一高电流开关20与一驱动器线路12中的电容器组16电气连接。绝缘管40的尺寸为可在一钻孔位置(见图6)和爆破位置(见图7)之间在钻钢上滑动，钻钢42的作用是作为一返地电极。
在前述实施例中，驱动器线路12包括一用于电容器组16充电的传统电源18，该电容器组包括一通过开关装置与爆破探头14连接的50千焦耳单个电容器30，该开关装置最好包括一用于控制从电容器组16到爆破探头14的电流量的引爆真空隙开关20。该驱动器线路12还包括一电感装置，该电感装置由一分配电感组成，在图5中用电感25表示。分配电感装置接受电流并使供给爆破探头14的电流变动率变慢。驱动器线路的其他元件如上所述，这里不再重复。
如图6所示，爆破探头14在钻孔过程中退回钻钢42并离开孔。钻孔过程一旦完成，即通过将爆破探头14滑动到钻钢42的轴下面而将爆破探头插入孔内，如图7所示。可采用一液压或气动油缸19将爆破探头14驱动到位。在爆破探头14就位后通过一导管80将金属粉末和氧化剂燃料混合物导入新钻的孔中，或可在将爆破探头滑入孔内前由一分开的喷嘴导入。
参照图8，可重复使用爆破探头14的尺寸和布局在插入钻孔内时特别适于产生一规定量的环形空隙区域70。爆破探头14的后部59具有一设置在绝缘管40的外表面的金属套46，因此具有一较佳为略为小于孔径的外径。爆破探头14的前部60具有小于后部的外径，藉以产生一靠近爆破探头14的前部60的环形空隙区域70。该环形空隙区域70适于保持规定量的适当的工作流体，较佳为一金属粉末和氧化剂燃料混合物72，最好为一铝粉末和带有胶合剂的水，以防止铝颗粒散失。燃料混合物72被配置在该靠近孔底的环形空隙区域70内，并且就在钻岩机的钻头背后。当该环形空隙区域70被燃料混合物72基本填充且金属套46和钻钢42设置为与其接触后，爆破探头14即处于工作状态。
当向前推足时，爆破探头14即开始支承岩石钻头的后部。为了为其后的爆破提供良好的限定，绝缘管40或者至少其后部81最好由合成橡胶材料例如聚氨酯或硅橡胶制成，以使其在被压入孔内或被以上时在所钻孔内朝向岩石面径向可密封地变形和/或膨胀。此外，在爆破探头14的后端59处的金属套46可包括一条或多条纵向切槽以供径向膨胀。
当从驱动器线路将一电流脉冲施加到爆破探头的金属套上时，金属粉末和氧化剂燃料混合物内的金属颗粒一起熔化而在金属套与钻钢之间形成一导电弧沟。当传送到电极上的电压升高时，该导电弧沟即提供一增加的电阻，从而引起热量耗散增加，从而最终开始在孔内产生高压气体的金属和氧化剂并使周围岩石破碎的放热反应。然后爆破探头退回钻钢，并可重新开始钻孔过程。
因此，显然本发明提供一种用于采用一以一适度高能放电点火的高度不敏感金属粉末和氧化剂燃料混合物爆破坚硬岩石的安全和不昂贵的方法和装置。而且，爆破技术和相关的硬件可方便地与传统的钻岩机一体化。
由以上描述将理解本发明及其优点，显而易见，可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围或牺牲其所有根本优点，前面描述的实施形式不过是本发明的示意性实施例。例如，虽然上述与传统钻岩机一体的爆破装置最好采用同轴电极组件与技术和氧化剂燃料混合物来实施爆破，但如上所述，也可采用其他惰性或挥发性的工作流体与基本上可滑动的同轴电极组件。
最后，本发明的范围并不由所表示和描述的具体实施例限定。本发明的范围系由所附权利要求及其相当文件确定。
权利要求
1.一种用于爆破固体的爆破装置，所述爆破装置包括用于存储电能的电容装置；一包括有一高压电极和一由绝缘管分开的返地电极的爆破探头，所述高压电极可开关地与所述电容装置连接；具有足够量金属颗粒的金属粉末和氧化剂燃料混合物，所述金属粉末和氧化剂燃料混合物与所述高压电极和返地电极相连；由此，所述金属粉末和氧化剂燃料混合物内的金属颗粒当通过所述高压电极受到一由所述电容装置传送来的电流时，即在所述高压电极和返地电极之间形成一个或多个易熔金属通道，所述易熔金属通道提供一足够大的电阻，使来自电容装置的电能与所述金属粉末和氧化剂燃料混合物相匹配，从而使耗散热量足够增大到在实施爆破的规定区域内使产生高压气体的所述金属粉末和氧化剂燃料混合物开始放热反应。
2.如权利要求1所述的爆破装置，其特征在于，还包括一电感装置，所述电感装置与所述电容装置相匹配，以接受由所述电容装置传送的电荷并控制经至所述金属粉末和氧化剂燃料混合物的所述电极传送的电流变动率。
3.如权利要求1所述的爆破装置，其特征在于，所述爆破探头还包括一配置在靠近所述爆破探头后端的绝缘管的外表面上的金属套，所述金属套形成一个电极；以及配置在所述绝缘管内并延伸到打算与所述金属粉末和氧化剂燃料混合物相连的所述绝缘管的一末端外面的另一电极。
4.如权利要求3所述的爆破装置，其特征在于，所述绝缘管还在所述绝缘管的外表面处限定一环形空隙区域，所述环形空隙区域适于接受所述金属粉末和氧化剂燃料混合物。
5.如权利要求4所述的爆破装置，其特征在于，还包括一用于以金属粉末和氧化剂燃料混合物填充所述环形空隙区域的装置。
6.如权利要求4所述的爆破装置，其特征在于，还包括一用于将所述金属粉末和氧化剂燃料混合物保持在所述环形空隙区域内非导电套筒。
7.如权利要求1所述的爆破装置，其特征在于，所述金属粉末和氧化剂燃料混合物包括通过胶合剂悬浮在水中的铝颗粒。
8.如权利要求7所述的爆破装置，其特征在于，所述金属粉末和氧化剂燃料混合物包括一50％水、50％铝粉末和少量胶合剂的混合物。
9.如权利要求1所述的爆破装置，其特征在于，还包括一用于将所述爆破限定在所述规定区域中的装置。
10.如权利要求1所述的爆破装置，其特征在于，所述将所述爆破限定在所述规定区域中的装置包括一适于可密封地隔离所述爆破探头、从而基本上防止所述高压气体经一爆破孔逸出的合成橡胶可膨胀件。
11.一种用于爆破坚硬岩石的方法，包括以下步骤(a)将规定量的燃料混合物与接近岩石结构层的一对电极相连，所述燃料混合物具有足够高的金属量以在电极间形成多个易熔金属通道；(b)在所述燃料混合物上施加适当高的电能放电；(c)在燃料混合物内熔化多个易熔金属通道以在电极间形成一电阻弧沟，藉以产生一足够高的电阻；以及(d)将由电阻引起的足够量的热量耗散到所述燃料混合物，以开始一产生使所述坚硬岩石断裂和破碎的快速膨胀气体的燃料混合物的放热反应。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述在所述燃料混合物上施加适当高的电能放电的步骤还包括使规定量的电能与所述燃料混合物相匹配，所述规定量的电能为通过其后的放热反应释放能量的约5％-15％之间。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述在所述燃料混合物上施加适当高的电能放电的步骤还包括使定量的电能与所述燃料混合物相匹配，所述规定量的电能为通过其后的放热反应释放能量的约10％。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述燃料混合物包括一在规定温度处放热反应以产生所述快速膨胀气体的金属粉末和氧化剂燃料混合物。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述燃料混合物包括通过胶合剂悬浮在水中的金属颗粒，其中，所述金属颗粒与水放热反应提供所述快速膨胀气体。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述金属颗粒和氧化剂燃料包括一水和铝粉末以及少量胶合剂的混合物。
17.一种与一钻岩机一体的爆破装置，所述爆破装置包括用于存储电能的电容装置；一适于在一单一位置与第二位置之间可滑动地移动一伸长的钻岩机钻钢，所述第一位置为一允许钻孔作业进行而不与绝缘管干涉的钻孔位置，所述第二位置为一爆破位置；一配置在所述绝缘管的外表面上的金属套，所述金属套可开关地与所述电容装置相匹配；其特征在于，所述钻钢还与一接地电位连接，所述绝缘管、金属套和钻钢形成一适于使来自电容装置的电能与所述金属套和钻钢相连的规定工作流体相匹配的同轴电极组件。
18.如权利要求17所述的爆破装置，其特征在于，还包括一用于在所述钻孔位置与爆破位置之间选择性地移动所述绝缘管的装置。
19.如权利要求17所述的爆破装置，其特征在于，所述绝缘管当被配置在所述爆破位置时还在所述绝缘管的外表面处限定一环形空隙区域，所述环形空隙区域适于接受所述工作流体。
20.如权利要求19所述的爆破装置，其特征在于，还包括一用于以所述工作流体填充所述环形空隙区域的装置。
21.如权利要求20所述的爆破装置，其特征在于，所述工作流体为一具有足够高的金属颗粒量的金属粉末和氧化剂燃料混合物，所述金属粉末和氧化剂燃料被设置为与所述金属套和所述钻钢相连；由此，所述金属粉末和氧化剂燃料混合物内的金属颗粒当通过所述高压电极受到一由所述电容装置传送来的电流时，即在所述金属套与钻钢之间形成一个或多个易熔金属通道，所述易熔金属通道提供一足够大的电阻，可将来自所述电容装置的电能与所述金属粉末和氧化剂燃料混合物相匹配，从而使耗散热量足够增大到在实施爆破的规定区域内产生高压气体的所述金属粉末和氧化剂燃料混合物开始一放热反应。
22.如权利要求21所述的爆破装置，其特征在于，所述金属粉末和氧化剂燃料混合物包括通过胶合剂悬浮在水中的铝颗粒。
23.如权利要求22所述的爆破装置，其特征在于，所述金属粉末和氧化剂燃料混合物包括一50％水、50％铝粉末和少量胶合剂的混合物。
24.如权利要求21所述的爆破装置，其特征在于，还包括一与所述电容装置相连以接受从所述电容装置传送来的电荷并控制传送到所述金属粉末和氧化剂燃料混合物上的电流的变动率的电感装置。
25.如权利要求21所述的爆破装置，其特征在于，还包括一用于将其后的爆破限定在所述规定区域中的装置。
26.如权利要求25所述的爆破装置，其特征在于，所述将其后的爆破限定在所述规定区域中的装置包括一装在所述绝缘管上并适于在所述爆破位置可密封地隔离所述绝缘管、从而基本上防止所述高压气体经所述爆破孔逸出的合成橡胶可膨胀件。
全文摘要
提供一种用于采用以一使坚硬岩石断裂和破碎的适度高能放电点火的高度不灵敏能量材料爆破坚硬岩石的方法和装置。爆破装置由一包括一高压电极和一由一绝缘管分开的返地电极的可重复使用爆破探头组成。该两个电极与金属粉末和氧化剂混合物电气接触而在高压电极与返地电极之间形成多个高电阻易熔金属通道,引起热量耗散增加,从而开始产生使周围岩石断裂的高压气体的放热反应。
文档编号E21B7/15GK1191587SQ96194466
公开日1998年8月26日 申请日期1996年6月4日 优先权日1995年6月6日
发明者G·马克·威尔金森, 史蒂文G·E普龙科 申请人:麦斯韦尔技术股份有限公司