一种环向平面射流聚能切割器及其使用方法 |
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| 申请号 | CN201710742230.9 | 申请日 | 2017-08-25 | 公开(公告)号 | CN107289829A | 公开(公告)日 | 2017-10-24 |
| 申请人 | 辽宁工程技术大学; | 发明人 | 费鸿禄; 杨智广; 蒋安俊; 谭文华; 苏强; 王振达; 邓政; | ||||
| 摘要 | 本 发明 一种环向平面射流聚能 切割器 及其使用方法，切割器包括环形体，环形体上端和下端分别设置有上端盖和下端盖，上端盖、下端盖和环形体之间形成空腔结构，在空腔中填充炸药，在上端盖和下端盖上插设有传爆管，环形体外壁沿 水 平方向设置有V型槽，V型槽的V型开口朝向环形体外侧。本设计结合 岩石 的爆破 破碎 机理和裂缝扩展 力 学 基础 ，以及聚能爆破原理，对设计进行数值模型和现场实验研究论证。结果表明：环向平面射流聚能切割器不仅可以有效解决露天台阶中深孔爆破大 块 率和根底问题，还可以减少炸药量，充分提高炸药 能量 利用率，降低生产成本，提高生产率。而且，该设计操作简单，使用方便，还可以根据不同岩石坚硬强度灵活 叠加 使用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种环向平面射流聚能切割器，其特征在于：包括：金属材质的环形体，所述环形体上端和下端分别设置有上端盖和下端盖，所述上端盖、下端盖和环形体之间形成空腔结构，在所述空腔中填充炸药，在所述上端盖和下端盖上插设有传爆管，所述环形体外壁沿水平方向设置有V型槽，所述V型槽的V型开口朝向所述环形体外侧。 |
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| 说明书全文 | 一种环向平面射流聚能切割器及其使用方法技术领域： [0001] 本发明涉及爆破设备技术领域，具体涉及一种环向平面射流聚能切割器及其使用方法。背景技术： [0002] 在露天台阶爆破过程中，根底的产生和大块率的多少是衡量爆破质量的两项重要指标，将直接影响采掘生产成本和作业效率。目前的岩石和采矿工作中，露天台阶爆破依然广泛地采用中深孔爆破方式。但由于破碎的岩石大大削弱了爆炸应力波的传播，台阶底部的岩石主要依靠爆生气体膨胀产生的剪切作用来克服底盘抵抗线。又由于台阶底部岩石的夹制作用强，往往爆炸能量不足而产生根底。 [0003] 在爆破过程中为了保证爆破高度，克服底盘抵抗线的阻力和炮孔底部岩石的夹制作用，目前在工程实践上主要采取以下措施来降低大块率和消除或减少根底的产生，使爆破达到相对较好的效果，具体措施如下： [0004] (1)加大孔底的爆破能量；如在炮孔底部用高能起爆药柱代替原来的装药或使用药壶爆破法。虽然这种方法对减少超深具有一定的作用，但效果不是十分明显，特别是药壶爆破法危险性较大，且不宜用于硬岩施工； [0005] (2)合理设计孔网参数，减少抵抗线；这种方法是常用的方法，跟据现场实际情况，考虑炸药的性能和根据岩石的岩性来确定孔网参数，如对于坚硬岩石，常采用大孔距小抵抗线。但矿山地质变化异常和矿岩赋存条件复杂的情况，难以确保爆破效果。同时此方法必然加大钻孔量且增加了炸药用量，大大增加了爆破成本； [0006] (3)改进装药结构：为了尽量提高炸药能量的利用率，使岩体充分破碎，一般采用炮孔底部空间间隔装药、分段装药和径向不耦合装药三种结构形式。虽然此方法能够取得较好的效果，但是并不能很好的解决根底问题，在爆破坚硬岩石时大块率现象仍然十分明显； [0007] (4)通常在爆破参数设计良好的情况下，采用超深的办法来降低柱状装药的中心位置，从而消除或减少底盘根底，改善爆破效果。但由于这种装药方式使炸药主要集中在炮孔底部和中部，导致上部的装药量小，爆破能量不足，岩石破碎不均匀，易产生大块。但炮孔超深不论偏大还是偏小，都经常会出现“盘景”、“假山”等岩帮不齐、底盘不平的现象，不但使爆后底面平整度降低，而且还增加平场难度，同时还会对基岩造成较大损伤，导致底盘不完整，影响后续爆破工作。除此之外，超深过大不仅会增加炸药量，加速电护设备的磨损，同时还对临时开挖的梯段平面进一步增大钻孔难度，降低成孔率；大块率过多不仅增加二次爆破和机械破碎成本，还会大大影响工程进度和质量。 [0008] 因此，如何尽量的消除和减少根底的产生、降低爆破中的材料、经济浪费，以及降低爆破过程中的大块率对于矿石开采综合经济效益的提高和降低成本具有非常重要的实际意义，也是国内外爆破工程领域主要研究的课题之一。发明内容： [0009] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种能可靠的利用聚能射流克服炮孔底部岩石之间的夹制作用和底盘抵抗线的阻力，在炮孔底部形成初始裂缝带，从而解决露天台阶中深孔爆破大块率和根底现象，减少因炮孔超深所引起的一系列影响的环向平面射流聚能切割器及其使用方法。 [0010] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案： [0011] 本发明提供的一种环向平面射流聚能切割器，包括：金属材质的环形体，所述环形体上端和下端分别设置有上端盖和下端盖，所述上端盖、下端盖和环形体之间形成空腔结构，在所述空腔中填充炸药，在所述上端盖和下端盖上插设有传爆管，所述环形体外壁沿水平方向设置有V型槽，所述V型槽的V型开口朝向所述环形体外侧。 [0012] 所述V型槽的开口端的两端部连接于所述环形体的上下端。 [0013] 所述环形体外侧还套装有炸高控制套，所述炸高控制套为一个U型环状结构，其开口端朝向所述环形体外侧。 [0015] 所述环形体外壁套装有密封防水套。 [0016] 上述一种环向平面射流聚能切割器的使用方法，其具体步骤如下： [0017] 步骤一：在待爆破地区挖设深孔，在所述传爆管上端安装雷管，将填装完炸药的环向平面射流聚能切割器缓慢放于挖设深孔的孔底； [0018] 步骤二：在环向平面射流聚能切割器上方填装主炸药，并在主炸药中埋设雷管，在主炸药上方填充炮泥，直至将深孔填满。 [0019] 在所述步骤一中，在所述环形体外侧还套装有炸高控制套，所述炸高控制套为一个U型环状结构，其开口端朝向所述环形体外侧，且在所述环形体外壁套装有密封防水套。 [0020] 在所述步骤一中，环向平面射流聚能切割器可以为一个或者是多个，将所述传爆管延伸至所述上端盖的上方，且传爆管的下端设置有内螺纹，其上端设置有外螺纹，两个所述传爆管之间通过螺纹连接，使得多个环向平面射流聚能切割器通过传爆管连为一体。 [0021] 在所述步骤一中，环向平面射流聚能切割器可以为一个或者是多个，在所述深孔中埋设连接套，将多个环向平面射流聚能切割器沿竖向堆叠放置在所述连接套中，使得多个环向平面射流聚能切割器形成一个整体。 [0022] 本发明一种环向平面射流聚能切割器及其使用方法的有益效果： [0023] (1)环形体的装药结构简单，加工和使用方便，充分利用了外壳材料作为聚能材料，提高炸药和能量的利用率； [0024] (2)将该结构应用在露天台阶中深孔爆破中，装药起爆后，沿着爆炸传播方向，在轴线上形成高温、高压和能量密集的环向聚能射流圆盘刀，在岩石中可有效地产生初始诱导裂缝，并在爆生气体的作用下进一歩扩展为交错的裂纹网，对目标介质进行破坏，大大减弱深层岩石的夹制作用，提高若石的破碎率，同时使炸药在炮孔上部、中部和底部的装药量均匀分布，降低岩石大块率和提高的破碎均匀率，将便于清运； [0025] (3)通过在环形体中填装炸药，代替了原来炮孔中的超深部分的炸药，相对于传统露天台阶中深孔爆破装药，不仅大大节省了单次起爆药量，降低了成本，同时也大大的提高了爆破效果，减小振动效应； [0026] (4)若炮孔的孔网参数设计合理，在爆炸完成后，在炮化底部将形成较为平整的台阶面，不仅能够降低场平难度，减少钻孔超深和钻孔工作量，进而降低爆破成本；另一方面，台阶面平整将大大降低爆破难度，提高钻孔的成孔率； [0027] (5)本设计结构可以根据现场岩石的坚硬程度灵活叠加使用环向平面射流聚能切割器，沿着挖设深孔的中心轴线方向均匀布置多个环向聚能罩(它是环向聚能装药的一种形式)，分段式聚能效应在炮孔内起到一定的均匀分布作用，只要环向平面射流聚能切割器间距合适，整个孔内装药爆炸完成后，沿着爆炸传播方向，能有效形成交错的裂纹网络，克服底盘抵抗线的阻力和炮孔底部岩石的夹制作用，提高岩石的破碎率，减小大块率。在后续辅助炮孔延迟爆炸能量作用下，使槽腔内的岩体充分破碎，并被抛出槽腔，保证爆破效果； [0028] (6)显然，若环向平面射流聚能切割器能够在露天台阶爆破得到实现，将会有效的降低大块率和减小超深甚至不需要超深，而且由于环向平面射流聚能切割器先于炸药在炮孔中爆炸，产生强烈的切割作用，从而使周围介质形成环向破坏面。在孔壁环向产生初始诱导裂缝形，为岩石的破坏在聚能装药爆炸后产生的冲击波，以及高温、高压爆炸气体作用下继续延伸。现场也可以很方便的往炮孔中装填聚能切割器。送种方式不仅可以减少炸药量，充分提高炸药能量利用率，降低生产成本，而且能够很好的解决大块率和根底问题，提高生产率。附图说明： [0029] 图1为本发明一种环向平面射流聚能切割器的结构示意图； [0030] 图2为增设有炸高控制器和密封防水套的环向平面射流聚能切割器的结构示意图； [0031] 图3为图2的俯视图； [0032] 图4为爆炸时聚能射流作用的原理图； [0033] 图5为单个环向平面射流聚能切割器爆炸致裂时示意图； [0034] 图6为图5中A-A面岩石裂缝走向趋势示意图； [0035] 图7为多个环向平面射流聚能切割器叠加使用的结构示意图； [0036] 图8为多个环向平面射流聚能切割器叠加使用爆炸致裂时示意图； [0037] 1-环形体，2-上端盖，3-下端盖，4-炸药，5-传爆管，6-V型槽，7-炸高控制套，8-密封防水套，9-雷管，10-主炸药，11-炮泥，12-炮孔，13-连接套。具体实施方式： [0038] 下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。 [0039] 根据图1所示，本发明提供的一种环向平面射流聚能切割器，包括：金属材质的环形体1，所述环形体1上端和下端分别设置有上端盖2和下端盖3，所述上端盖2、下端盖3和环形体1之间形成空腔结构，在所述空腔中填充炸药4，在所述上端盖2和下端盖3上插设有传爆管5，所述环形体1外壁沿水平方向设置有V型槽6，所述V型槽6的V型开口朝向所述环形体外侧，V型槽6作为环形体上的环形聚能罩，所述V型槽6的开口端的两端部连接于所述环形体1的上下端，是利用环向平面射流聚能切割器内填充的炸药起爆后产生的聚能射流对炮孔底部岩石介质产生环向辅助裂隙带，同时使爆破过程中，在环向平面射流聚能切割器上方填充的主装药生成的冲击波和爆生气体能够进一步对炮孔底部的裂隙带进行扩展、延伸，加强炮孔底部岩石的破碎，在聚能爆破中，由于爆轰射流不能无限制地集中，在距离聚能药包端部某一距离处焦距达到最大的集中，随后则又迅速地飞散开。 [0040] 进一步地，对环向平面射流聚能切割器各项设计参数进行确定：(下面以环形体高度为50mm举例) [0041] [0042] 其中，α为环形聚能罩的V形边与竖直方向的夹角，Φ为安装有炸高控制套后环向平面射流聚能切割器的直径。 [0043] 又由于炸高对侵彻威力的影响较大，因此不能忽略，所以在环向平面射流聚能切割器制作的同时，如图2和图3所示，可以在所述环形体1外侧套装有炸高控制套7，所述炸高控制套7为一个U型环状结构，其开口端朝向所述环形体1外侧，来控制炸高(有利的炸高可从0.8～1.05倍药型罩直径范围内取值)，这样也适应炮孔直径的复杂多样性，方便环形体的装药(在考虑炸高的同时，必须满足环形体的直径需要大于炸药的临界直径)，同时炸高控制套7还能对环形体外壁沿水平方向设置的V型槽形成的聚能穴做防护，以免其他介质进入聚能穴影响效果，如图2所示。 [0045] 所述传爆管5延伸至所述上端盖2的上方，且传爆管5的下端设置有内螺纹，其上端设置有外螺纹，两个所述传爆管5之间通过螺纹连接，两个所述环形体1通过传爆管连为一体，进而使得多个环向平面射流聚能切割器组合为一体，即在使用本发明的环向平面射流聚能切割器时，可以将其单个使用也可以多个组合为一体使用。 [0046] 上述一种环向平面射流聚能切割器的使用方法，其具体步骤如下： [0047] 步骤一：在待爆破地区挖设深孔，在所述传爆管5上端安装雷管9，将填装完炸药的环向平面射流聚能切割器缓慢放于挖设深孔的孔底，炸药4可选用爆速高、密度大的炸药如TNT，RDX或TNT-RDX，然后可以在所述环形体1外侧还套装有炸高控制套7来控制炸高，所述炸高控制套7为一个U型环状结构，其开口端朝向所述环形体外侧，且在所述环形体1外壁套装有密封防水套8进行防水处理，完成环向平面射流聚能切割器的制作； [0048] 在本步骤中，可以是将单个环向平面射流聚能切割器直接使用，如图5和图6所示，或者是根据现场岩石的坚硬程度，将多个环向平面射流聚能切割器灵活叠加组合使用，在一种实施例中，如图7所示，是将所述传爆管5延伸至所述上端盖2的上方，且传爆管5的下端设置有内螺纹，其上端设置有外螺纹，两个所述传爆管5之间通过螺纹连接，进而使得多个环向平面射流聚能切割器通过传爆管连为一体；在另一实施例中，如图8所示，则是是在所述深孔中埋设连接套13，将多个环向平面射流聚能切割器沿竖向堆叠放置在所述连接套13中，进而使得多个环向平面射流聚能切割器形成一个整体，使得环向平面射流聚能切割器能够沿着挖设深孔的中心轴线方向均匀布置，让分段式聚能效应在炮孔12内起到一定的均匀分布作用； [0049] 步骤二：在环向平面射流聚能切割器上方填装主炸药10，并在主炸药10中埋设雷管9，在主炸药10上方填充炮泥11，直至将深孔填满，起爆时，环向平面射流聚能切割器先于普通炸药10ms左右起爆。环向平面射流聚能切割器起爆后，沿着爆炸传播方向，在与填装的炸药的轴线垂直的底面上能够形成环向射流圆盘刀，产生强烈的切割作用，从而对炮孔周围岩石介质形成环向裂缝破坏带。 [0050] 本发明的原理是：如图4所示，炸药起爆后，爆轰波由起爆点向前传播，当爆轰波阵面到达环向聚能罩时，在高温高压的爆轰产物作用下，环形聚能罩的罩壁被爆轰波极高的速度压缩。在此过程中，炸药爆炸后大部分能量转化为环形聚能罩材料的动能。随着爆轰波的连续地向环形聚能罩的罩底传播，被压缩的环形聚能罩材料质点以很高的速度向内运动，并使环形聚能罩内壁附近的金属从罩内表面连续地挤出，在对称平面上形成形成金属射流，汇聚于对称面上，并向着环形聚能罩开口方向运动。当环形聚能罩全部被压向对称面以后，在轴线上形成一股高速、高温、高压、高能量密集且具有很强穿透和切割能力的环向聚能圆盘射流刀，以及一个伴随金属流低速运动的柞体。环向平面射流聚能切割器射流刀头部速度最高可达7000m/s-8000m/s，温度升高至4000℃-5000℃。当这种射流作用到周围目标介质上发生相互作用，迫使周围目标介质表面压力突然达到几百万个大气压。在高压作用下，目标表面介质被排开，从而在岩石孔壁环向产生横向初始诱导裂缝破坏。 [0051] 又由于炮孔堵塞作用，后爆炸所产生的高温、高压气体被密封在炮孔内。在爆生气体的准静态载荷作用下，根据岩石断裂力学的原理，爆炸产生的高温、高压爆炸气体一部分在炮孔孔壁与炸药间的空气中形成冲击波，冲击波立即作用在炮孔孔壁上压缩岩石，造成岩石质点位移，爆孔空腔扩大，此后以超音速在岩体内传播，一部分沿着环向平面射流聚能切割器装药起爆后产生的金属射流产生的初始诱导裂缝带处继续撞击孔壁产生初始裂纹，裂纹在气模和应力集中共同作用下向前扩展，从而加大岩石裂缝区域，对孔底的岩石进行横向破碎，可以达到平底的效果，消除台阶爆破根底和降低大块率。如图4将环向平面射流聚能切割器用于露天台阶爆破中减弱岩石的夹制作用和提高岩石的破碎率。 |
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