一种基于三相耦合介质的碎裂爆破装置及方法

本发明属于爆破，具体涉及一种基于三相耦合介质的碎裂爆破装置及方法。

背景技术：

1、碎裂爆破技术在矿山、国防、地铁等多种需要对岩石进行破碎的领域已经有了非常广泛的应用。目前在工程中常采用的爆破方法为炸药直接爆破与水压爆破两种。

2、采用炸药直接爆破是比较传统的爆破方式，此方法原理较为简单，但存在一些缺点，例如爆破产生的粉尘较大、爆炸过程中会产生有毒有害气体、威力衰减明显等，同时，这种爆破方式的施工环境通常较为恶劣，非常不利于工人的身体健康。而为了解决传统爆破的部分缺点提出了水压爆破的技术手段，通过添加水作为耦合剂，不仅使得爆破威力有所提升，同时，也可以有效解决爆破过程中产生的有害气体、噪音和粉尘等问题，但仍然存在爆破威力无法满足施工需求、岩石破裂后裂缝易再次闭合等问题。

3、因此，目前需要一种爆破威力更大，同时可以解决噪音、粉尘、有害气体、裂缝闭合等问题的新式爆破装置及方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于三相耦合介质的碎裂爆破装置，该装置结构简单、便于装配，爆破能量大，安全系数高，同时，其即能解决爆破过程中所易产生的有害气体、噪音和粉尘等问题，又能具有更大爆破威力，并可以有效克服产生的裂缝再次闭合的问题。该方法步骤简单，易于操作，爆破威力大，有利于降低施工人员的劳动强度，同时，有助于显著提高爆破的效果，并有利于防止爆炸后所形成的裂缝再次闭合。

2、为实现上目的，本发明提供了一种基于三相耦合介质的碎裂爆破装置，包括装药管体、连接卡榫、爆破组件、雷管和引线；

3、所述装药管体为内腔和外轮廓均为圆形的圆形管体，其在长度方向的两端相对应地开设有两对t型卡槽，每对t型卡槽相对地分布于装药管体的同一端，且每个t型卡槽由轴向延伸的条形槽道和沿径向延伸的弧形槽道组成，所述条形槽道的外端延伸到装药管体的端部，所述弧形槽道由条形槽道的里端径向地向相对两侧对称地延伸；在一对t型卡槽中的两个弧形槽道之间形成长度方向的两端沿为对称弧形结构、宽度方向的两端沿为平直结构的卡接定位槽道；所述装药管体外轮廓圆形直径比炮孔直径小6～8mm，装药管体的材质强度较低，柔度较高，具有阻燃抗静电的性能；

4、所述连接卡榫呈工字型，其由上下相对分布的两块横向卡接板和固定连接在两块横向卡接板之间的一块竖向连接板组成，所述横向卡接板为条形板状结构，其形状和尺寸与卡接定位槽的形状和尺寸相适配；所述竖向连接板的高度大于条形槽道的长度，其长度与横向卡接板中心部分的长度相一致，其厚度与条形槽道的尺寸相适配；连接卡榫中靠上一侧的横向卡接板由一侧的弧形槽道穿入装药管体内部的卡接定位槽道中，且其横向卡接板的两端沿定位嵌合于一对t型卡槽中的两个弧形槽道中，且其竖向连接板长度方向的两端部分别插装于一对t型卡槽中的两个条形槽道中；

5、所述爆破组件定位装填在装药管体内腔中，爆破组件由多节炸药和多个填充物组成，其中，多节炸药相邻接或相间隔地布置，在多节炸药相邻接设置时，多个填充物分为两组填充单元，两组填充单位分别装填在多节炸药的两端的外侧，在多节炸药相间隔地设置时，多个填充物与多节炸药相交错地布置，且位于两端的两个填充物分布于位于两端的两节炸药的外侧；每个填充物由一个或多个依次邻接的固-液介质承袋组成，所述固-液介质承袋的内部充填有固-液混合介质；所述固-液混合介质中固体介质和液体介质之间的质量比例为1/6～1/4，且固体介质的强度不低于70mpa；填充物中的液体介质、填充物中的固体介质和装药管体空隙内的空气共同形成固-液-气三相耦合介质；

6、所述雷管固定埋设在靠近前端的一节炸药的内部；

7、所述引线的上端与雷管连接，其下端沿多节炸药与装药管体之间的间隙、多个填充物与装药管体之间的间隙穿出到装药管体下端的外侧。

8、进一步，为了确保与炸药接触时的安全系数，所述装药管体采用阻燃、抗静电材料制成。

9、作为一种优选，所述固-液介质承袋在承装方式上分为固-液混合式和固-液分离式，固-液混合式即固-液介质承袋中的液体介质和固体介质混合地装配于同一袋体中，固-液分离式即固-液介质承袋中的液体介质和固体介质分别装配于同一袋体中的两个隔离空间中。

10、作为一种优选，所述固-液混合介质中的液体介质为水或者为加入无机盐的盐水。

11、作为一种优选，所述固-液混合介质中的固体介质为高强度颗粒状的固体材料。

12、本发明中，使装药管体的材质强度较低，柔度较高，可以保证实际使用过程中装药管体与钻孔的适配度，避免了在装入钻孔时因钻孔产生弯曲而被卡住的情况发生，同时尽量减少爆破过程中为使管体破碎而产生的能量消耗。在装药管体的端部相对地开设有一对t型卡槽，可以便于在装药管体的端部通过卡嵌的方式连接连接卡榫，这样，当在装药管体的下端连接有连接卡榫时，可以便于利用连接卡榫来调节装药管体的位置和角度，进而在放置时可以保证整体装置更加稳定，且不易产生滑动的情况，同时，也能便于在重复施工作业过程中便于将整体装置更加轻松地取出，例如，在发生哑炮的工况需要将爆破装置取出时，可以不需要接触装药管体便能将整体装置取出，提高了作业过程中的安全系数。由于连接卡榫为工字型结构，这样，一个连接卡榫可以分别连接上下两个装药管体，进而能便于实现多根装药管体的级联连接，这样，当朝向向下的钻孔中放置爆破装置时可以有效避免在调整过程中由于重力的作用而导致下方的装药管体与上方的装药管体发生脱离的情况。使连接卡榫中的横向卡接板的形状和尺寸与在一对t型卡槽中的两个弧形槽道之间形成的卡接定位槽道形状和尺寸相适配，同时，使竖向连接块的厚度与条形滑槽的尺寸相适配，可以便于连接卡榫中的横向卡接板和竖向连接板由装药管体外部的一侧的弧形槽道和条形槽道滑入装药管体的内部，并能确保在完全嵌入一对t型卡槽中后，连接卡榫的外轮廓与装药管体的外廓保持一致，进而不会因产生凸起而导致放入钻孔时存在干涉的情况。使爆破组件中设置有由固-液介质承袋所组成的填充物，一方面可以利用加入的液体介质来显著提高爆破能量的传递速率，同时，还可以更好吸收爆炸后产生的热量，以有效避免因产生的热量过大而产生明火，进而会导致其他隐患的情况发生，另外，通过液体介质还可以有效吸收爆破产生的粉尘以及有毒有害气体，并能有效减小震动冲击，从而有利于改善工作环境，并能有助于提高工作效率；另一方面可以利用固体介质从爆破过程中借助炸药的爆炸获得大量的能量，从而能对岩石产生高速冲击，进而能通过高速冲击岩石的方式使岩石产生更大的破坏，并获得深度更好的裂缝，同时，在岩石破坏产生裂缝后还可以利用高速迸出的固体介质、破坏后形成的小粒径岩体楔入到爆炸过程中产生的裂缝中，进而能利用固体介质和破坏形成的小粒径岩体作为支撑剂以有效维持裂缝的张开状态，使裂缝在围岩压力的作用下也不会闭合，进一步能有利于使不同钻孔之间生成的裂缝之间连通效果更好，并能有助于使形成的轮廓面更加光滑完整；最后，在爆破组件中加入了固体介质与液体介质后，固体介质与液体介质能与钻孔以及装置空隙内的空气共同作为耦合介质，从而形成固-液-气三相耦合介质，所形成的固-液-气三相耦合介质对爆破产生的能量具有显著增幅作用，同时，能使爆破生成的振动波的传递效率更高。使固-液混合介质中固体介质和液体介质之间的质量比例为1/6～1/4，可以获得最佳的爆破效果。使固体介质的强度不低于70mpa，可以在较低的成本基础上获得最理想的动态冲击力，进一步提高了爆破效果。在存在固-液-气三相耦合介质的条件下，爆炸时除了有爆炸产生的高压气体以及吸收了大量能量的高压液体会对岩体进行高速冲击外，还有高速迸发出的固体介质冲击致裂岩体，高压气流形成的“气楔”以及高压液体形成的“液楔”，与高速的颗粒状固体介质会共同破坏岩体，进而有利于获得更大的冲击力，并能助于形成深度更深的裂缝，因此，通过固-液-气三相耦合介质的存在，爆破装置对四周产生冲击相比聚能水压爆破威力大大增强。固-液-气三相耦合介质聚能爆破利用固-液-气三相耦合介质进行能量传递，特别是高强度固体粒子的加入可显著提高爆破威力，据现场试验可比传统爆破减少22％以上的炸药用量。与传统聚能爆破主要依靠爆轰波和高能气体破岩作用外相比，该技术增加了“高速粒子冲击(固体介质产生)+高压水射流(液体介质产生)”破岩作用，与传统聚能水压爆破相比，该技术增加了“高速粒子冲击(固体介质产生)”破岩作用，此外，高强固体粒子还可以维持裂缝破裂的状态。

13、该装置结构简单、便于装配，且其现场安装调整过程便捷，爆破能量大，安全系数高，同时，其即能解决爆破过程中所易产生的有害气体、噪音和粉尘等问题，又能具有更大爆破威力，并可以有效克服产生的裂缝再次闭合的问题。

14、本发明还提供了一种基于三相耦合介质的碎裂爆破方法，采用一种基于三相耦合介质的碎裂爆破装置，包括以下步骤：

15、步骤一：根据预定设计方案在岩体预定位置开设钻孔；

16、步骤二：根据钻孔的位置及尺寸计算钻孔所需的装药数量；

17、步骤三：对于走向平直的钻孔采用直装的装药方式，执行s1；对于非平直走向的钻孔采用装药管预装的方式，执行s2；

18、s1：先将雷管预埋在炸药中，并将引线的一端与雷管连接；接着，在钻孔中按照所需要的顺序交错地装填多个炸药和多个固-液介质承袋，并将引线的另一端从钻孔中引出；然后，在钻孔中于靠外一侧装填一个或多个固-液介质承装袋；

19、s2：先将多个基于三相耦合介质的碎裂爆破装置进行级联形成加长的爆破装置，在级联时，利用上一个基于三相耦合介质的碎裂爆破装置端部所连接的连接卡榫连接下一个相邻的一个基于三相耦合介质的碎裂爆破装置的端部；接着，将级联后的多个基于三相耦合介质的碎裂爆破装置装入钻孔中，并将每个基于三相耦合介质的碎裂爆破装置中的引线从钻孔中引出；再在钻孔中于最外侧一个基于三相耦合介质的碎裂爆破装置的外侧装填一个或多个固-液介质承装袋；

20、步骤四:根据需要将引线与引爆装置进行连接；

21、步骤五：利用炮泥对钻孔进行封堵；

22、步骤六：确认爆破工作面的人员全部撤离至安全范围内后，通过引线进行引爆作业，在爆破过程中，利用加入的固体介质和液体介质，并结合钻孔空隙内的空气共同作为耦合介质，形成固-液-气三相耦合介质，并通过固-液-气三相耦合介质共同加强爆破产生的能量，一方面利用固体介质和液体介质吸收大量爆炸能量并直接冲击岩体，同时，利用爆炸产生的高压气体进一步对岩体进行冲击，另一方面利用爆炸过程中形成的高速粒子状态固体介质、爆炸过程中产生的高压气流所形成的气楔、爆炸过程中产生的高压液体形成的液楔共同冲击作用于岩体，并在岩体上形成复杂的爆生裂缝网络，该过程中，利用爆炸过程中所形成的高速粒子状态固体介质和高速小粒径岩体楔入爆破产生的裂缝网络中，作为支撑剂维持裂缝网络的张开状态，以使裂缝网络在围岩的压力作用下不会闭合，进一步确保不同钻孔之间的裂缝的连通效果更好。

23、本方法利用固-液-气三相耦合介质进行能量传递，特别是高强度固体粒子的加入可显著提高爆破威力，据现场试验可比传统爆破减少22％以上的炸药用量。与传统聚能爆破主要依靠爆轰波和高能气体破岩作用外相比，该技术增加了“高速粒子冲击(固体介质产生)+高压水射流(液体介质产生)”破岩作用，与传统聚能水压爆破相比，该技术增加了“高速粒子冲击(固体介质产生)”破岩作用，此外，高强固体粒子还可以维持裂缝破裂的状态。该方法步骤简单，易于操作，爆破威力大，有利于降低施工人员的劳动强度，同时，有助于显著提高碎裂爆破的效果，并有利于防止爆炸后所形成的裂缝再次闭合。