一种岩石炮孔内热燃相变膨胀裂岩的安全系统及工法的制作方法

1.本发明涉及工程裂岩技术领域，具体地，涉及一种岩石炮孔内热燃相变膨胀裂岩的安全系统及工法。


背景技术：

2.本实用型应用技术专利属于机械行业致裂器和爆破行业爆破裂岩装置技术领域，尤其涉及爆破环境保护、爆破有害效应、气体爆破装置与先进科学环保的应用技术工法。
3.随着中国经济的持续快速发展，城市进程和工业化进程的不断增加，建设工程首先涉及土石方开挖，土石方开挖需要使用炸药进行爆破。采用炸药爆破岩石是一种高度危险性的作业，且会给环境带来震动、冲击波、爆破飞石、炸药爆破后氮的氧化物等有害气体以及导致的周边建构筑物受爆破震动的损害。经过统计，爆破产生的损害案件、投诉案件，国内每年均有超过上千例类似炸药爆破应用后果案件。炸药爆炸爆破的破坏作用产生震荡地震作用；爆破冲击波作用，其爆炸能够在瞬间释放出巨大的能量，产生高温高压气体，使周围空气发生强烈震荡，在距爆炸中心一定范围内，建筑物受到冲击波的作用，将会受到破坏或造成伤害；爆破碎片、爆破飞石的飞溅冲击作用，在相当大的范围内造成环境的危害，其炸药爆破的碎片飞散范围，通常在100～150m左右；热作用火灾效应，爆炸温度约在2000～3000℃左右，周边环境涉及可燃气体或可爆气体，产生次生灾害效应。
4.研制一种裂岩装置、一种裂岩技术应用和减少环境污染、减少对环境的影响的技术工法，对于爆破作业单位来说，当今是非常重要的、也是非常必要的。二氧化碳相变膨胀裂岩技术相比于现在使用炸药和雷管爆破岩石的技术，其具有无高温、振动小、无爆炸冲击波、基本无污染、成本高、适用性广、无需爆破行政许可和爆破作业审批的特点，但现有的相关技术增加了裂岩爆破岩石成本，比使用炸药和雷管爆破的成本增加120％以上，且效果完全无法达到炸药爆破的效果。采用常规的二氧化碳相变膨胀裂岩技术裂岩爆破，需要高氯酸钾和高锰酸钾引爆器、“发热剂、发热管”激发结构，需预先具有能发生产热反应的氧化剂和还原剂。常用的氧化剂有硫磺、硝酸钾、高氯酸钾和高锰酸钾，常用的还原剂有铝粉、碳粉，其中硝酸钾、高氯酸钾和高锰酸钾属于“国家公安部易制爆管控物品”。二氧化碳相变膨胀裂岩技术应用中使用的发热管，有以下缺点：一是含有国家公安部易制爆管控物品；二是发热能量不足，无法满足完全激发相变液相二氧化碳；三是发热管具有电点火柴头内置装置，电点火柴头属于民用爆炸物管控品。为此，需要一种安全、可靠、能量足够、无需易制爆管控品和无需电点火柴头的发热装置，以安全、可靠方式产生膨胀的气态二氧化碳气体和能量，以最安全、稳定方式激发液相二氧化碳。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种岩石炮孔内热燃相变膨胀裂岩的安全系统及工法，通过热燃生成二氧化碳气体，并利用其能量相变液态二氧化碳，实现膨胀裂岩，达到使裂岩破岩施工减少环境污染、减少对环境破坏影响的效果，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种岩石炮孔内热燃相变膨胀裂岩的安全系统，包括液氧储送装置、炮孔内置装置、专用起爆器；
8.所述液氧储送装置包括液氧贮罐及与其联通的低温输液管；
9.所述炮孔内置装置包括充装有液相二氧化碳的密闭圆柱形致裂管、热燃组件、密封粘土，所述致裂管、热燃组件、密封粘土在炮孔内按由前至后的顺序依次填充；
10.所述致裂管为装填有液相二氧化碳的密封圆柱形钢管；
11.所述热燃组件包括圆柱形的pvc管、热燃结构、激发组件；所述热燃结构设有注氧管及联结于其外侧的若干个碳质海绵体，所述碳质海绵体为采用海绵状的碳性物质制成的圆柱体，两个相邻的碳质海绵体之间设有均等的间隔，碳质海绵体串联于所述注氧管的管壁外侧，所述注氧管于所述碳质海绵体联结部分的管壁上设有若干个均匀分布的排泄液氧孔；所述激发组件设于所述pvc管内，位于碳质海绵体上；所述pvc管两端分别设有一体式密封的上端盖、下端盖，所述上端盖上设有输液孔、导电孔，其中，所述输液孔设于上端盖的中心，导电孔设置于输液孔的一侧；所述注氧管长度大于pvc管长度，其前端头延伸到所述pvc管下端盖位置，其后端头伸出碳质海绵体、从所述上端盖的输液孔中穿出、与所述低温输液管可拆卸式联接；
12.所述专用起爆器用于从外部控制热燃组件起爆，通过从导电孔穿过的导线，与所述激发组件电连接；
13.在作业时，液氧通过液氧储送装置即时通过低温输液管、注氧管，由排泄液氧孔浸入碳质海绵体内，使液氧部分气化，再控制专用起爆器使激发组件发生火花，pvc管内的碳质海绵体在高氧环境下激燃，其燃烧能量使密封储存有液相二氧化碳相的致裂管裂开、并使液相二氧化碳迅速气化。
14.这里，将氧气通过降温和压缩变成液氧，液氧具有助燃和迅速膨大的特性，1.0kg液氧在瞬间就可以膨胀气化成800升氧气。所述注氧管具有将若干个碳质海绵体串联固结的作用。碳质海绵体采用能够吸收液氧的炭黑、棉花、海绵或纸粕等碳类物质制成，能够吸取液氧，制作成圆柱形，用注氧管前端将碳质海绵体呈串葫芦的方式串联成热燃结构，相邻的碳质海绵体之间存在不耦合的间隔空隙，将热燃结构装入pvc管中，碳质海绵体的制作长度与pvc管长度匹配一致。通过利用液氧使碳类物质在瞬间氧化生成大量的二氧化碳、水蒸气气体，同时释放出大量的热能，生成气体达到高温，高温气体能量迅速被液相二氧化碳致裂管吸收，液相二氧化碳迅速相变成气态二氧化碳，液相二氧化碳相变成气态二氧化碳，其体积膨胀850倍以上，从而在炮孔内产生高压气态二氧化碳气体对炮孔壁的岩体产生气态动压力，从而实现气体膨胀裂岩的目的，从而达到裂岩的效果和工程目的。
15.优选的，所述激发组件位于pvc管内的中部，固定所述注氧管上；所述导线包括正、负极连接金属导线，一端穿入pvc管内连接激发组件，另一端从所述导电孔穿出连接专用起爆器；所述激发组件采用镍铬合金电阻发热丝，所述专用起爆器采用高能电容式充电瞬时激发放电器；导线的一端连接镍铬合金电阻发热丝、另一端伸出pvc管、至炮孔外1500mm，与高能电容式充电瞬时激发放电器电连接。这里，通过导线导电使镍铬合金电阻发热丝发生电火花，从而使碳质海绵体与氧气激燃产生热能量，孔内产生的热能和高温高压的热性二氧化碳气体将炮孔底部安置的液相二氧化碳致裂管发生相变效应，致裂管相变的气态二氧
化碳和热燃结构激发的高温高压的热性二氧化碳气体，二者的气体压力共同作用于炮孔孔壁岩石，使岩石产生涨裂作用，从而达到裂岩的效果和工程目的。
16.为防止氧气过多、压力过大，便于灌注液氧过程中气化的液氧或超大气压的液氧气体排出泄压，优选的，所述上端盖上设有排气孔，所述排气孔、导电孔分别设置于输液孔的两侧，所述炮孔内置装置还包括用于从pvc管中排气的卸压排气管，所述卸压排气管前端头延伸到所述pvc管下端盖位置、其后端头伸出碳质海绵体、从所述上端盖的排气孔伸出pvc管外部。
17.为防止在激发前因碰撞等原因导致发生火星，确保装置寿命和效果，优选的，所述pvc管采用耐冻型nd-pvc管；所述低温输液管采用不锈钢丝包裹的耐热软胶管；所述注氧管、卸压排气管分别采用铝管或铜管；所述液氧贮罐采用设有自动热加压装置的焊接绝热低温气瓶，即符合《特种设备安全法》和《气瓶安全技术监察规程》的标准安全的液氧贮罐。
18.优选的，所述安全系统还包括覆盖爆被，所述覆盖爆被采用轮胎皮编制，用于裂岩平面安全覆盖防护。覆盖爆被尺寸为长2.0m、宽1.2m，用于裂岩平面安全覆盖防护。
19.为实现较好的裂岩效果，优选的，在钻设炮孔后，所述pvc管的长度为炮孔长度的25％～30％，所述致裂管的长度为炮孔长度的25％～30％，填塞密封粘土的长度为炮孔长度的25％～30％。
20.致裂管、pvc管的直径匹配要根据钻出的炮孔直径来选择，致裂管、pvc管直径均略小于钻孔炮孔直径，优选的，所述致裂管为两端封闭的钢管，当炮孔直径为φ42～φ140mm时，pvc管的外径匹配配置为φ32～φ110mm、致裂管外径匹配配置为φ32～φ110mm且均略小于炮孔直径，述注氧管直径φ5～φ15mm，所述排泄液氧孔沿注氧管的轴向间隔100mm～250mm均匀布置。
21.为更好地说明本发明，这里还提供一种运用上述岩石炮孔内热燃相变膨胀裂岩安全系统的工法，具体包括如下步骤：
22.s1.制作适合于本安全系统的现场作业面平台、台阶工作面平台，即在对实施裂岩场地、周边环境项目勘察、安全评估、专家论证后，完成场地的工作平台修整准备工作。
23.s2.使用钻孔机设备在形成的台阶工作面平台上钻凿炮孔，钻凿炮孔直径参数选择为φ42～φ140mm；钻凿炮孔深度l为创造的岩石台阶工作面高度h与超出深度h之和，即钻孔深度l＝h+h；炮孔排数n≤2排，每排炮孔孔数m≤12个，钻孔的倾角与创造的台阶面边坡倾角相一致、相平行。
24.s3.将液氧存储输液装置安置于现场作业面平台。
25.s4.将液相二氧化碳的密闭圆柱形致裂管、炮孔内置装置按照从炮孔内由下至上放置和安置。注氧管、卸压排气管、导线导出到炮孔口外部。然后，用炮孔填塞密封粘土进行炮孔回填填塞炮孔，
26.s5.将热燃组件的注氧管与液氧储送装置的低温输液管联通，液氧从液氧贮罐通过低温输液管、注氧管向pvc管内采用孔内液氧内浸法灌注，当卸压排气管管口排出液氧时，即停止充装液氧。
27.s6.将导线通过起爆主线与专用起爆器电连接。
28.s7.清理裂岩平面现场并覆盖盖上防护安全爆被，对裂岩作业面进行安全覆盖防护；设置安全警戒半径为一定距离；将导线与起爆器进行通电激发起爆。
29.为避免人为的风险和误差，便于通过实验和测量、观察以及计算，准确匹配使液相二氧化碳相变成气态二氧化碳所需要的液氧燃烧能量，优选的，在s3步骤中，液氧储送装置在输液管上安装有汽蚀文氏管调节液氧流量器、配置有液氧泵、减压阀、泄压阀、调节液氧流量器，液氧泵出口工作压力、即输液压力为1.5mpa，贮氧罐减压阀和泄压阀的工作压力为2.5mpa，注入pvc管的液氧的体积流量按照pvc管体积的35～45％容量供应；液氧贮罐放置于钻孔平台工作平面位置并距离钻孔位置10m外；液氧贮罐的贮液氧量v≤499.0升，单次使用最大总量小于300升。
30.优选的，所述致裂管一端设有减压阀、泄压阀和带单向阀的充液管口，所述充液管口用来向致裂管提前充装液相二氧化碳充装压力为不大于7.0mpa；向致裂管提前充装的液相二氧化碳的工作压力为6.5mpa～7.0mpa，致裂管减压阀和泄压阀压力标准标定值为大于7.5mpa，减压阀和泄压阀的工作压力为7.5mpa。这里，所述减压阀和泄压阀用来确保致裂管内的气压不会过高，及时放出气体，保证安全。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述的岩石炮孔内热燃相变膨胀裂岩的安全系统及工法，利用液氧体积迅速膨胀和碳氧迅速燃烧，通过热燃生成的热性二氧化碳，使液相二氧化碳致裂管内的液态二氧化碳气化相变、膨胀，将液相二氧化碳致裂管膨胀爆裂，通过气体膨胀做功，使炮孔内的二氧化碳气体膨胀压力远大于岩石的抗拉强度，实现膨胀裂岩，不采用涉及炸药爆破所使用的雷管、电点火头、电柴火点火等，不涉及易制爆物品，具有无污染、无炸药、无有害物质、无爆炸冲击波、安全高效等特点。本实用型专利广泛应用在采矿业、地质勘探、水泥、钢铁、电力等行业、地铁与隧道及市政工程、水下工程、以及应急救援抢险中。
附图说明
32.图1为本发明实施例的岩石台阶工作面结构示意图；
33.图2本发明实施例的整体结构示意图；
34.图3本发明实施例的热燃组件结构示意图；
35.图4为本发明实施例的充氧流程图；
36.图5为本发明实施例的下端盖结构示意图；
37.其中：1.液氧储送装置，11.液氧贮罐，12.低温输液管，2.炮孔内置装置，21.致裂管，22.热燃组件，23.密封粘土，24.卸压排气管，3.专用起爆器，4.pvc管，41.上端盖，42.下端盖，43.输液孔，44.导电孔，45.排气孔，5.注氧管，51.排泄液氧孔，6.碳质海绵体，71.发热丝，72.导线，74.起爆主线，8.炮孔。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.参照图1－图5所示，一种岩石炮孔8内热燃相变膨胀裂岩的安全系统，包括液氧储送装置1、炮孔内置装置2、专用起爆器3；
40.所述液氧储送装置1包括液氧贮罐11及与其联通的低温输液管12；
41.所述炮孔内置装置2包括充装有液相二氧化碳的密闭圆柱形致裂管21、热燃组件22、密封粘土23，所述致裂管21、热燃组件22、密封粘土23在炮孔8内按由前至后的顺序依次填充；密封粘土23采用一般黄土加水湿润成为的粘土体；
42.所述致裂管21为装填有液相二氧化碳的密封圆柱形钢管；
43.所述热燃组件22包括圆柱形的pvc管4、热燃结构、激发组件；所述热燃结构设有注氧管5及联结于其外侧的若干个碳质海绵体6，所述碳质海绵体6为采用海绵状的碳性物质制成的圆柱体，两个相邻的碳质海绵体6之间设有均等的间隔，碳质海绵体6串联于所述注氧管5的管壁外侧，所述注氧管5于所述碳质海绵体6联结部分的管壁上设有若干个均匀分布的排泄液氧孔51；所述激发组件设于所述pvc管4内，位于碳质海绵体6上；所述pvc管4两端分别设有一体式密封的上端盖41、下端盖42，所述上端盖41上设有输液孔43、导电孔44，其中，所述输液孔43设于上端盖41的中心，导电孔44设置于输液孔43的一侧；所述注氧管5长度大于pvc管4长度，其前端头延伸到所述pvc管4下端盖42位置，其后端头伸出碳质海绵体6、从所述上端盖41的输液孔43中穿出、与所述低温输液管12可拆卸式联接；
44.所述专用起爆器3用于从外部控制热燃组件22起爆，通过从导电孔44穿过的导线72，与所述激发组件电连接；
45.在作业时，液氧通过液氧储送装置1即时通过低温输液管12、注氧管5，由排泄液氧孔51浸入碳质海绵体6内，使液氧部分气化，再控制专用起爆器3使激发组件发生火花，pvc管4内的碳质海绵体6在高氧环境下激燃，其燃烧能量使密封储存有液相二氧化碳相的致裂管21裂开、并使液相二氧化碳迅速气化。
46.这里，将氧气通过降温和压缩变成液氧，液氧具有助燃和迅速膨大的特性，1.0kg液氧在瞬间就可以膨胀气化成800升氧气。所述注氧管5具有将若干个碳质海绵体6串联固结的作用。碳质海绵体6采用能够吸收液氧的炭黑、棉花、海绵或纸粕等碳类物质制成，能够吸取液氧，制作成圆柱形，用注氧管5前端将碳质海绵体6呈串葫芦的方式串联成热燃结构，相邻的碳质海绵体6之间存在不耦合的间隔空隙，将热燃结构装入pvc管4中，碳质海绵体6的制作长度与pvc管4长度匹配一致。通过利用液氧使碳类物质在瞬间氧化生成大量的二氧化碳、水蒸气气体，同时释放出大量的热能，生成气体达到高温，高温气体能量迅速被液相二氧化碳致裂管21吸收，液相二氧化碳迅速相变成气态二氧化碳，液相二氧化碳相变成气态二氧化碳，其体积膨胀850倍以上，从而在炮孔8内产生高压气态二氧化碳气体对炮孔8壁的岩体产生气态动压力，从而实现气体膨胀裂岩的目的，从而达到裂岩的效果和工程目的。
47.所述激发组件位于pvc管4内的中部，固定所述注氧管5上；所述导线72包括正、负极连接金属导线，一端穿入pvc管4内连接激发组件，另一端从所述导电孔44穿出连接专用起爆器3；所述激发组件采用镍铬合金电阻发热丝71；所述专用起爆器3采用高能电容式充电瞬时激发放电器，为2000伏高能脉冲放电器材，属于符合国家标准生产的起爆器材；导线72的一端连接镍铬合金电阻发热丝71、另一端伸出pvc管4、至炮孔8外1500mm，与高能电容式充电瞬时激发放电器电连接。这里，通过导线72导电使镍铬合金电阻发热丝71发生电火花，从而使碳质海绵体6与氧气激燃产生热能量，孔内产生的热能和高温高压的热性二氧化碳气体将炮孔8底部安置的液相二氧化碳致裂管21发生相变效应，致裂管21相变的气态二氧化碳和热燃结构激发的高温高压的热性二氧化碳气体，二者的气体压力共同作用于炮孔
8孔壁岩石，使岩石产生涨裂作用，从而达到裂岩的效果和工程目的。
48.为防止氧气过多、压力过大，便于灌注液氧过程中气化的液氧或超大气压的液氧气体排出泄压，所述上端盖41上设有排气孔45，所述排气孔45、导电孔44分别设置于输液孔43的两侧，所述炮孔内置装置2还包括用于从pvc管4中排气的卸压排气管24，所述卸压排气管24前端头延伸到所述pvc管4下端盖42位置、其后端头伸出碳质海绵体6、从所述上端盖41的排气孔45伸出pvc管4外部。
49.为防止在激发前因碰撞等原因导致发生火星，确保装置寿命和效果，所述pvc管4采用耐冻型nd-pvc管；所述低温输液管12采用不锈钢丝包裹的耐热软胶管；所述注氧管5、卸压排气管24分别采用铝管或铜管；所述液氧贮罐11采用设有自动热加压装置的焊接绝热低温气瓶，即符合《特种设备安全法》和《气瓶安全技术监察规程》的标准安全的液氧贮罐11。
50.所述安全系统还包括覆盖爆被，所述覆盖爆被采用轮胎皮编制，用于裂岩平面安全覆盖防护。覆盖爆被尺寸为长2.0m、宽1.2m，用于裂岩平面安全覆盖防护。
51.在裂岩建设工程作业现场，裂岩工作范围为长105m、宽为35m的施工裂岩建设场地，工程为地铁编组站基坑开挖建设工程。运用上述岩石炮孔8内热燃相变膨胀裂岩安全系统的工法，具体包括如下步骤：
52.s1.对实施裂岩的本工程建设项目场地、周边环境进行勘察、安全评估、专家论证，完成场地的工作平台修整准备工作，采用机械凿除平整，创造出岩石层台阶工作面和钻孔平台平面，台阶工作面和钻孔平台平面长105m、宽为35m，与建设施工裂岩场地面积相一致。岩石层台阶工作高度为9.0m。形成的台阶工作面坡角为85
°
。
53.s2.使用钻孔机设备在创造形成的岩石工作面长105m、宽为35m的平台上钻凿炮孔8，钻凿炮孔8直径参数为φ90mm；钻凿炮孔8深度l＝9.5m；炮孔8排数n＝2排；每排炮孔8孔数m＝8个，钻凿钻孔的倾角与台阶工作面坡角85
°
角相一致、相平行；钻凿炮孔8的孔间距离为2.0m，钻凿炮孔8的孔排距离为1.8m；炮孔8总数为16个。
54.s3.液氧储送装置1安置于现场工作面长105m、宽为35m的平台面上，液氧贮罐11放置于钻孔平台工作平面位置并距离钻孔位置10m，液氧贮罐11的贮液氧量v＝499.0升。制作炮孔内置装置2：采购的液相二氧化碳的密闭圆柱形致裂管21直径和制作的圆柱形pvc管4直径均为φ80mm；采购的液相二氧化碳的密闭圆柱形致裂管21长度为2.8m；制作的炮孔内置装置2中的圆柱形pvc管4长度为4.0m，圆柱形pvc管4内置的热燃结构中的注氧管5布设有等距100mm的泄液孔组10组、每个泄液孔组包括2个泄液孔，每个泄液孔直径φ为2mm，即设置有20个泄液孔；圆柱形pvc管4内置的热燃结构中的碳质海绵体6直径φ75mm、长为4.0m，共设计5节碳质海绵体6，每节碳质海绵体6长度为0.6m，每节碳质海绵体6相互之间的间隔空隙为25mm。
55.s4.将液相二氧化碳的密闭圆柱形致裂管21、炮孔内置装置2按照从炮孔8内由下至上放置和安置。注氧管5、卸压排气管24、导线72导出到炮孔8口外部1.5m。然后，用炮孔8填塞密封粘土23进行炮孔8回填填塞炮孔8，炮孔8填塞密封粘土23填塞长度2.7m。采用的注氧管5、卸压排气管24的直径分别为φ8mm、φ5mm。上述工作完成后，将注氧管5联通连接到液氧储送装置1，低温输液管12向炮孔内置装置2充装液氧。观察卸压排气管24管口排出液氧后，即停止充装液氧工作。本次使用液氧量249.5升。
56.s6.上述工作完成后，导线72连接起爆主线74到专用起爆器3。
57.s7.清理裂岩平面现场并覆盖盖上防护安全爆被，覆盖爆被每块尺寸为长2.0m、宽1.2m，对裂岩作业面进行安全覆盖防护；设置安全警戒半径为100m；将导线72与起爆器进行通电激发起爆。
58.s8.起爆后，在炮孔8内突兀和瞬间产生高温热能和热性高压的二氧化碳，实现二氧化碳气体膨胀裂岩的效果。
59.以实验的沙砾岩为例，实验测量的岩石比重2.91g/cm3，测量岩石的抗压强度为160mpa，测量岩石的抗拉强度为4.5mpa，静弹性模量86.0gpa，实验测量炮孔8内的液相二氧化碳相变成气态二氧化碳的动态峰值压力为86.7mpa，气态二氧化碳的动态峰值压力远大于岩石的抗拉强度，小于岩石的抗压强度，因而，孔内产生的高压气态二氧化碳可以膨胀胀裂岩石，达到裂岩的效果，同时不会造成炸药爆破粉碎岩石的不良效果。
60.由于炸药爆破产生强大的爆炸冲击波和爆炸应力波以及超3000℃高温、超1000mpa爆炸高压，所以炸药爆破可以粉碎岩石以及产生可能的爆破危害效应，本装置使用液氧热燃能量使液相二氧化碳相变成气态二氧化碳产生的压力小于岩石的抗压强度，而且没有爆炸冲击波的效应，只有“轮胎爆裂气体冲击波和声响效应”，因此其对周边环境的危害性比炸药爆破小很多。本装置裂岩不会像炸药爆破产生强大的冲击波、震动波、有害有毒气体等。
61.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。