一种用于CO2相变射流定向致裂的旋转喷头装置及使用方法

本发明涉及co2相变射流致裂，具体为一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置及使用方法。

背景技术：

1、co2相变致裂技术是一种高压气体爆破技术，是利用液态co2吸热气化时体积急剧膨胀产生高压，使岩体破碎或开裂。其作为一种环境友好型的绿色爆破技术,具有振动小，无污染，爆破效率高等优点，近年来co2相变致裂技术不仅能应用于岩石破碎开挖领域，也能应用于其他领域进行清污和除垢处理。

2、目前实现定向破裂方法大致分为两种：(1)采用切槽钻头，在炮孔壁的轴线上按岩石开裂方向切出一条一定深度的槽，形成切槽炮孔后进行爆破；(2)改变装药结构，实现岩石裂缝扩展的定向控制。

3、而大多数现有co2相变射流致裂装置中释放管位置相对固定，难以形成定向裂缝，可实现co2相变射流定向致裂的装置却存在一般不能重复利用的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置及使用方法，以解决上述背景技术中提出的裂缝位置不易控制的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置，包括：

3、相变喷射组件，所述相变喷射组件包括从左至右依次连接的相变室、电控阀门、冲击室和释放管，所述相变室的外壁上套接有电加热网套，所述相变室的左侧壁开设有液态co2进口，所述释放管的外壁上设置有释放缝，所述释放管的内部设置有开合调控组件，所述开合调控组件用于控制释放缝开合；

4、原料供应组件，所述原料供应组件包括液态co2存储箱、水存储箱，所述液态co2存储箱、水存储箱上分别安装有输出管一、输出管二，所述输出管一、输出管二的管路上均设置有抽吸泵，所述输出管一、输出管二的一端分别延伸至液态co2存储箱、水存储箱内部下侧，所述输出管一、输出管二的另一端分别与液态co2进口、冲击室连接；

5、驱动结构，所述驱动结构包括周转驱动机构和摆动驱动机构，所述周转驱动机构连接在电控阀门、冲击室之间，所述摆动驱动机构连接在冲击室、释放管之间，所述周转驱动机构能驱动冲击室旋转，所述摆动驱动机构能驱动释放管摆动；

6、监测控制组件，所述监测控制组件包括上位控制器、运动传感器、图像采集端和检测端，所述检测端安装在相变室的左侧壁，所述检测端包括压力传感器和温度传感器，所述压力传感器和温度传感器延伸至相变室内，所述运动传感器、图像采集端安装在释放管、开合调控组件处，所述检测端、运动传感器、图像采集端的输出端与上位控制器建立连接，所述上位控制器的输出端与电加热网套、抽吸泵、电控阀门、周转驱动机构、摆动驱动机构连接。

7、优选的，所述释放缝设置为矩形、椭圆形或者圆形。

8、优选的，所述释放管为中空且两端开口状，所述开合调控组件包括设置在释放管内的内转管，所述内转管的外壁上开设有与释放缝位置对应的通槽，所述内转管与释放管的内壁贴合，所述内转管的右端连接有封闭板，所述封闭板与释放管的右端开口处贴合，封闭板的右侧转动有支撑板，所述支撑板的右侧安装有开合驱动电机，所述开合驱动电机的输出端与封闭板的右侧壁固定连接。

9、优选的，所述内转管的外壁设置有定位圈，所述定位圈与内转管同轴线安装，所述释放管的内壁设置有与定位圈配合的环形槽。

10、优选的，所述相变室的外壁左侧螺接有侧保护罩，所述输出管一贯穿侧保护罩，所述检测端位于侧保护罩内。

11、优选的，所述周转驱动机构包括中空且两端开口的球座一，所述球座一的左端与电控阀门的右端连接，所述球座一的内部转动连接有球头一，所述球头一的中部横向开设有流通通道一，所述球头一的右端与冲击室的左侧壁连接，且流通通道一与冲击室连通，所述球头一的外壁一周设置有滑条，所述球座一的内壁一周开设有与滑条相配合的滑槽，所述球座一的右端连接有限位挡圈一，所述限位挡圈一的内部直径小于球头一的外壁直径，所述球头一的外壁上设置有旋转驱动电机，所述旋转驱动电机的输出轴上连接有驱动齿轮，所述球头一的外壁上设置有与驱动齿轮相适配的齿圈。

12、优选的，所述摆动驱动机构包括中空且两端开口的球座二，所述球座二的左端与冲击室的右侧壁连接，所述球座二的内部转动连接有球头二，所述球头二上开设有流通通道二，所述球头二的右侧与释放管的左侧壁连接，所述流通通道二与释放管连通，所述球头二的外壁上设置有导向槽，所述球座二的内壁连接有导向杆，所述导向杆滑动插入在导向槽内，所述球座二的上表面安装有伸缩机构，所述伸缩机构的伸缩端连接有套圈，所述套圈的内部为腰型孔状，所述球头二的外壁上设置有立柱，所述立柱贯穿套圈内部的腰型孔并向上延伸，所述球座二的右侧壁连接有限位挡圈二，所述限位挡圈二的内部直径小于球座二的外壁直径。

13、优选的，所述球头二的外壁上设置有外凸条，所述导向槽开设在外凸条上。

14、优选的，所述伸缩机构为液压缸、气缸或者直线电机。

15、一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置的使用方法，该用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置的使用方法具体步骤如下：

16、步骤一：根据现场工况及用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置长度进行钻孔并将用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置放于相应钻孔处；

17、步骤二：使用上位控制器开启图像采集端，对钻孔内情况进行观测，确定致裂位置和方向后，使用上位控制器操作周转驱动机构和摆动驱动机构进行旋转、摆动定向，当上位控制器上观测到释放缝对准起裂方向时，停止旋转、摆动，使得冲击室和释放管定位；

18、步骤三：液态co2存储箱基于对应的抽吸泵向相变室内注入的液态co2，电加热网套通电，对相变室加热，液态co2气化，使用压力传感器和温度传感器对相变室内的温度和压力进行实时监测，水存储箱基于对应的抽吸泵向冲击室中注入水，并关闭电控阀门；

19、步骤四：当相变室中的压力达到100mpa时，上位控制器控制电控阀门打开，气态的co2到达冲击室，高速高压气体推动冲击室中的水瞬间进入释放管形成高压射流，高压射流沿着释放缝实现定向起裂或扩展；

20、步骤五：使用上位控制器开启运动传感器、图像采集端，对爆破情况进行观测并反馈到上位控制器，观测破裂效果进而决定是否需要进行二次试验。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、通过使用运动传感器、图像采集端观察裂缝需要起裂或扩展的方向，使用上位控制器进行标定并发布指令，操作周转驱动机构、摆动驱动机构带动冲击室和释放管发生旋转偏移，使释放缝在预期的破裂位置及方向固定，co2相变射流产生的巨大能量在特定的位置实现定向的释放，发生定向的爆炸致裂，从而达到预期的破裂效果。

23、当没有达到预期破裂效果时，本发明装置中的元件可实现不拆卸即可重复利用，安装操作简单，实用性强。

技术特征：

1.一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置，其特征在于：所述释放缝(25)设置为矩形、椭圆形或者圆形。

3.根据权利要求1所述的一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置，其特征在于：所述释放管(13)为中空且两端开口状，所述开合调控组件包括设置在释放管(13)内的内转管(16)，所述内转管(16)的外壁上开设有与释放缝(25)位置对应的通槽(17)，所述内转管(16)与释放管(13)的内壁贴合，所述内转管(16)的右端连接有封闭板(18)，所述封闭板(18)与释放管(13)的右端开口处贴合，封闭板(18)的右侧转动有支撑板(20)，所述支撑板(20)的右侧安装有开合驱动电机(21)，所述开合驱动电机(21)的输出端与封闭板(18)的右侧壁固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置，其特征在于：所述内转管(16)的外壁设置有定位圈(19)，所述定位圈(19)与内转管(16)同轴线安装，所述释放管(13)的内壁设置有与定位圈(19)配合的环形槽。

5.根据权利要求1所述的一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置，其特征在于：所述相变室(1)的外壁左侧螺接有侧保护罩(5)，所述输出管一(6)贯穿侧保护罩(5)，所述检测端(4)位于侧保护罩(5)内。

6.根据权利要求1所述的一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置，其特征在于：所述周转驱动机构(10)包括中空且两端开口的球座一(101)，所述球座一(101)的左端与电控阀门(9)的右端连接，所述球座一(101)的内部转动连接有球头一(102)，所述球头一(102)的中部横向开设有流通通道一(104)，所述球头一(102)的右端与冲击室(11)的左侧壁连接，且流通通道一(104)与冲击室(11)连通，所述球头一(102)的外壁一周设置有滑条(103)，所述球座一(101)的内壁一周开设有与滑条(103)相配合的滑槽，所述球座一(101)的右端连接有限位挡圈一(108)，所述限位挡圈一(108)的内部直径小于球头一(102)的外壁直径，所述球头一(102)的外壁上设置有旋转驱动电机(105)，所述旋转驱动电机(105)的输出轴上连接有驱动齿轮(106)，所述球头一(102)的外壁上设置有与驱动齿轮(106)相适配的齿圈(107)。

7.根据权利要求1所述的一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置，其特征在于：所述摆动驱动机构(12)包括中空且两端开口的球座二(121)，所述球座二(121)的左端与冲击室(11)的右侧壁连接，所述球座二(121)的内部转动连接有球头二(122)，所述球头二(122)上开设有流通通道二(123)，所述球头二(122)的右侧与释放管(13)的左侧壁连接，所述流通通道二(123)与释放管(13)连通，所述球头二(122)的外壁上设置有导向槽(125)，所述球座二(121)的内壁连接有导向杆(126)，所述导向杆(126)滑动插入在导向槽(125)内，所述球座二(121)的上表面安装有伸缩机构(127)，所述伸缩机构(127)的伸缩端连接有套圈(128)，所述套圈(128)的内部为腰型孔状，所述球头二(122)的外壁上设置有立柱(129)，所述立柱(129)贯穿套圈(128)内部的腰型孔并向上延伸，所述球座二(121)的右侧壁连接有限位挡圈二，所述限位挡圈二的内部直径小于球座二(121)的外壁直径。

8.根据权利要求7所述的一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置，其特征在于：所述球头二(122)的外壁上设置有外凸条(124)，所述导向槽(125)开设在外凸条(124)上。

9.根据权利要求7所述的一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置，其特征在于：所述伸缩机构(127)为液压缸、气缸或者直线电机。

10.一种用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置的使用方法，其特征在于：基于权利要求1-9任意一项所述的用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置，该用于co2相变射流定向致裂的旋转喷头装置的使用方法具体步骤如下：

技术总结
本发明属于CO<subgt;2</subgt;相变射流致裂技术领域，具体为一种用于CO<subgt;2</subgt;相变射流定向致裂的旋转喷头装置及使用方法，使用上位控制器开启图像采集端，对钻孔内情况进行观测，确定致裂位置和方向后，使用上位控制器操作周转驱动机构和摆动驱动机构进行旋转、摆动定向，当上位控制器上观测到释放缝对准起裂方向时，停止旋转、摆动，使得冲击室和释放管定位，使用上位控制器开启运动传感器、图像采集端，对爆破情况进行观测并反馈到上位控制器。CO<subgt;2</subgt;相变射流产生的巨大能力在特定的位置实现定向的释放，发生定向的爆破致裂，从而达到预期的破裂效果，不拆卸即可重复利用，安装操作简单，实用性强。

技术研发人员：赵瑜,李燕,张永发,王超林,毕靖,龙安发,吴胜锋,黄华森
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19