技术领域
[0001] 本
发明涉及破岩技术领域，特别是涉及一种气能管、致裂装置及致裂方法。
背景技术
[0002] 目前的气能管致裂硬岩的方法主要依靠气能管装置内部设置的气体发生剂通过外部的电触发器触发而使其引燃。引燃后的
气化剂生成大量气体，伴随气能管内部
温度快速升高的同时管中预先充入的
水或高压空气快速膨胀对
岩石产生压拉、气楔等
力学作用，进而实现对硬岩的致裂。
[0003] 气能管致裂硬岩方法具有安全高效、产生的工程振动作用小、噪声低、破岩作业简便等优势，是我国各类非炸药破岩方法的一大崭新方向，但
现有技术存在些许不足使得气能管在致裂硬岩上的效果大打折扣，致使其在硬岩工程中得不到广泛的推广。
[0004] 目前气能管管壁的形状呈均匀圆形，致使由气体发生剂引燃产生的气体膨胀作用力分散作用于气能管壁周围的硬岩，力学作用过于分散，以至于不能起到较为集中的破岩作用，使得最终的致裂硬岩效果不佳。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种气能管、致裂装置及致裂方法，以解决上述现有技术存在的问题，使气能管具有向外突出的空间，内管中的气体发生剂产生的气体能够集中作用在凸
角处，大大提高气能管的致裂硬岩的能力。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007] 本发明提供了一种气能管，包括内管和外管，所述内管设置在所述外管内，所述内管的两端均设置有圆环板，所述圆环板的外侧圆周边与所述外管的内壁固定，所述圆环板的内侧圆周边与所述内管的外壁固定，所述内管用于盛放气体发生剂，所述内管的内部设置有激发元件，所述外管的两端均设置有连接结构，所述连接结构设置有外
螺纹，所述激发元件的两根脚线分别从所述连接结构与所述外管之间伸出，所述外管的外壁向外突出形成若干气能管凸角，所述气能管凸角沿所述外管的周向均匀设置，且所述气能管凸角与所述外管等长设置，所述气能管凸角形成的空间与所述内管和所述外管之间的内部容腔相连通。
[0008] 优选的，所述内管内盛放的气体发生剂的各组分的
质量配比关系为：偶氮四唑二胍为24％-28％，
碱式
硝酸铜为66％-70％，二
氧化锰为3％-7％。
[0009] 优选的，所述气能管凸角沿所述外管的周向设置为偶数个，所述气能管凸角的顶角角度为30°，所述气能管凸角远离所述外管的自由端所在的圆的直径为55mm，所述气能管凸角与所述外管的连接端所在的圆的直径为45mm；所述气能管采用PE材料制成。
[0010] 本发明还提供了一种致裂装置，包括若干个所述的气能管、连接管和柱体，所述气能管的两端均设置有连接结构，所述连接结构设置有
外螺纹，相邻的所述气能管之间设置有所述连接管，所述连接管的两端的连接处的管壁外侧各套设一个可活动的卡套螺帽，所述连接管的两端的末端连接处各设置一个
法兰环，所述连接管与所述连接结构通过所述连接管两端设置的所述可活动的卡套螺帽连接，所述可活动的卡套螺帽套设在所述法兰环的外部，所述连接结构的外螺纹与所述可活动的卡套螺帽的
内螺纹匹配，通过所述可活动的卡套螺帽拧紧在所述连接结构的外螺纹上，将所述连接结构端头面与所述法兰环紧密相连，各所述连接管外侧包裹有一个所述柱体，所述致裂装置的最上端和最下端均为所述气能管，最上端的所述气能管的上端通过所述连接结构和充气管一端的所述可活动的卡套螺帽连接，所述充气管的一端设置有一个所述法兰环和一个所述可活动的卡套螺帽，所述可活动的卡套螺帽套设在所述充气管的所述法兰环外部，所述连接结构的外螺纹与所述可活动的卡套螺帽的内螺纹匹配，通过所述可活动的卡套螺帽拧紧在所述连接结构的外螺纹上，将所述连接结构端头面与所述充气管的所述法兰环紧密相连，所述充气管的另一端设置有外螺纹和内螺纹，所述充气装置与所述充气管的外螺纹端连接；最上端的所述气能管的上端、最下端的所述气能管的下端分别引出
导线，最下端的所述气能管的下端的所述连接结构的下端设置有封头。
[0011] 优选的，所述连接结构和所述连接管的所述法兰环的接合处、所述连接结构和所述充气管的所述法兰环的接合处均设置有环形气密性
垫圈，所述连接结构、所述法兰环和所述环形气密性垫圈的内径均相同，所述连接结构和所述环形气密性垫圈的外径与所述可活动的卡套螺帽的内径均相同。
[0012] 优选的，所述柱体包括内壁、外壁、上顶面和下底面，所述内壁位于所述外壁内侧，所述内壁形成中空部，所述中空部用于套设所述连接管，所述中空部的直径比所述连接管的外径大5-8mm，所述内壁、所述外壁、所述上顶面和所述下底面形成用于盛放液体的腔体，所述柱体上设置有注液口；所述柱体的外壁上设置有柱体凸角，所述柱体凸角的形状、数量和尺寸均与所述气能管凸角的形状、数量和尺寸相同。
[0013] 优选的，所述柱体的外壁与所述气能管的所述外管的形状和尺寸均相同，所述柱体的长度与所述连接管的长度相同。
[0014] 优选的，所述充气装置为带有压力表的手动式高压打气筒；所述连接管、所述连接结构和所述充气管均为金属管；所述柱体内盛放有水；所述柱体采用PET材料制成。
[0015] 本发明还提供了一种采用所述的致裂装置的致裂方法，包括如下步骤：
[0016] 步骤一：致裂前利用自然纯净水源或
自来水管通过注液口向各所述柱体中注满水，注满水后通过
盖子将注液口密封；
[0017] 步骤二：将所述连接管插入注好水的所述柱体内，并将所述连接管的端部与相邻的所述气能管的所述连接结构通过所述连接管的所述可活动的卡套螺帽进行连接，所述可活动的卡套螺帽套设在所述连接管末端的所述法兰环与所述连接结构接合处的外侧并通过螺纹与所述连接结构可拆卸连接，重复此步骤，直到安装好最后一根所述气能管，最后一根所述气能管与所述充气管连接，在连接所述气能管和所述连接管的同时，将相邻的所述气能管依次通过连接导线连接，且将相邻的所述气能管之间的连接导线缠绕在所述连接管的外壁上，并从最下端的所述气能管下端的脚线引出一根导线，从最上端的所述气能管上端的脚线引出一根导线，使整个所述致裂装置形成连接的通路，将所述致裂装置首尾两端引出的导线引出至致裂孔孔口外，并将所述致裂装置首尾两端引出的导线临时连接形成
短路；
[0018] 步骤三，将步骤二中的所述致裂装置放入预先用凿岩机打好的致裂孔中，采用速凝早强
水泥或其他速凝快硬的堵孔材料将致裂孔与所述致裂装置之间的空隙以及自最上端的所述气能管的上端面以上的0.9～1.5m长的致裂孔空隙填满；
[0019] 步骤四，待堵孔材料达到一定强度，将所述充气管的一端与所述充气装置连接，所述充气管的另一端通过最上端的所述气能管的所述连接结构与所述气能管内部容腔连通，向所述气能管中充入1.0-3.0MPa的高压空气，高压空气通过所述连接管进入各所述气能管中，待所述气能管内充气压力达到预计值后，停止充气，封闭所述充气管的上端，除所述气能管破岩的触发人外，撤离现场其他人，将步骤二中所述致裂装置首尾两端引出的导线解开，并用2根长度超过150m的专用触发电线将所述致裂装置首尾两端引出的导线分别连接至放置在安全距离外的电触发器的正、负极，待确认破岩现场人员和设备均撤离至安全处后，发出触发警示
信号，启动电触发器
开关进行致裂破岩。
[0020] 本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0021] 本发明的气能管的外管设置有向外突出的气能管凸角，使得气能管的内管和外管形成的内部容腔具有向外突出的空间，在进行岩石致裂时，内管中的气体发生剂产生气体，由于气能管凸角的设置使得产生的气体能够集中作用在气能管凸角处，并且多个气能管凸角的设置使得产生的气体以多个集中方向充分对岩石产生力学作用，提高气能管的致裂硬岩的能力。
附图说明
[0022] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023] 图1为本发明的气能管示意图；
[0024] 图2为本发明的气能管的截面示意图；
[0025] 图3为本发明的致裂装置示意图；
[0026] 图4为图3中A处放大图；
[0027] 图5为本发明的连接管(或充气管)的法兰环与可活动的卡套螺帽关系示意图一；
[0028] 图6为本发明的连接管(或充气管)的法兰环与可活动的卡套螺帽关系示意图二；
[0029] 图7为本发明的气能管的连接结构与连接管连接示意图；
[0030] 其中：1-充气管，2-外管，3-内管，4-电触发器，5-连接管，6-柱体，7-可活动的卡套螺帽，8-气能管凸角，9-充气装置，10-连接结构，11-激发元件，12-脚线，13-导线，14-封头，15-法兰环。
具体实施方式
[0031] 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付出创造性劳动的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。
[0032] 本发明的目的是提供一种气能管、致裂装置及致裂方法，以解决上述现有技术存在的问题，使气能管具有向外突出的空间，内管中的气体发生剂产生的气体能够集中作用在凸角处，提高气能管的致裂硬岩的能力。
[0033] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0034] 实施例一
[0035] 如图1-图2所示：本实施例提供了一种气能管，包括内管3和外管2，内管3设置在外管2内，内管3的两端均设置有圆环板，圆环板的外侧圆周边与外管2的内壁固定，圆环板的内侧圆周边与内管3的外壁固定，圆环板用于将内管3固定外管2上，内管3用于盛放气体发生剂，内管3的内部设置有激发元件11，外管2的两端均设置有连接结构10，连接结构10设置有外螺纹，激发元件11的两根脚线12分别从连接结构10与外管2之间伸出，脚线12的作用与普通导线相同，外管2的外壁向外突出形成若干气能管凸角8，圆环板与气能管凸角8处的空隙可用于气体通过，气能管凸角8沿外管2的周向均匀设置，且气能管凸角8与外管2等长设置，气能管凸角8形成的空间与内管3和外管2之间的内部容腔相连通。本实施例的气能管的外管2设置有向外突出的气能管凸角8，使得气能管的内管3和外管2形成的内部容腔具有向外突出的空间，在进行岩石致裂时，内管3中的气体发生剂产生气体，由于气能管凸角8的设置使得产生的气体能够集中作用在气能管凸角8处，并且多个气能管凸角8的设置使得产生的气体以多个集中方向充分对岩石产生力学作用，提高气能管的致裂硬岩的能力。
[0036] 本实施例中，内管3和外管2均为圆柱形，气能管凸角8沿外管2径向的剖面呈三角形，气能管凸角8沿外管2的周向设置为偶数个，本实施例中优选为4个，气能管凸角8的顶角角度为30°，气能管凸角8远离外管2的自由端所在的圆的直径为55mm，气能管凸角8与外管2的连接端所在的圆的直径为45mm；气能管采用PE材料制成。
[0037] 本实施例中，内管3内盛放的气体发生剂的各组分的质量配比关系为：偶氮四唑二胍(C4H12N16)为24％-28％，碱式硝酸铜(Cu(NO3)2·3Cu(OH)2)为66％-70％，二氧化锰(MnO2)为3％-7％。
[0038] 本实施例的气体发生剂燃烧具体方程式为：9C4H12N16(s)+14[Cu(NO3)2·3Cu(OH)2](s)＝36C02(g)+96H20(g)+86N2(g)+56Cu(s)
[0039] 其中，偶氮四唑二胍(GZT)相对分子质量为284，碱式硝酸铜(BCN)相对分子质量为482，由此可知当GZT/BCN为(9×284)/(14×482)＝0.38时，该反应处于零
氧平衡。因此，本实施例的气体发生剂成分的配方中，GZT含量为24％-28％，BCN含量为66％-70％，此时能够保证GZT/BCN＝0.34～0.42，能极大地控制有毒有害气体如CO、NO、NO2的生成。
[0040] 采用本实施例的气体发生剂成分，提高了气体发生剂的燃烧速率。且该气体发生剂成分能生成足够多的发生气体，满足致裂硬岩的需要，同时极大地控制有毒有害气体的产生。
[0041] 实施例二
[0042] 如图3-图7所示：本实施例还提供了一种致裂装置，包括若干个实施例一中的气能管、连接管5和柱体6，气能管的长度和个数可以根据需要致裂的硬岩而确定，气能管的两端均设置有连接结构10，相邻的气能管之间设置有连接管5。连接结构10设置有外螺纹，连接管5的两端的连接处的管壁外侧各套设一个可活动的卡套螺帽7，连接管5的两端的末端连接处各设置一个法兰环15，连接管5与连接结构1通过连接管5两端设置的可活动的卡套螺帽7连接，可活动的卡套螺帽7套设在法兰环15的外部，连接结构10的外螺纹与可活动的卡套螺帽7的内螺纹匹配，通过可活动的卡套螺帽7拧紧在连接结构10的外螺纹上，将连接结构10端头面与法兰环15紧密相连，各连接管5外侧包裹有一个柱体6，致裂装置的最上端和最下端均为气能管，激发元件11的脚线12与可活动的卡套螺帽7连接，相邻的激发元件11的脚线12通过连接导线连接，连接导线缠绕在连接管5的外壁上，最上端的气能管的上端通过连接结构10和充气管1一端的可活动的卡套螺帽7连接，本实施例还包括充气管1，充气管1的一端设置有一个法兰环15和一个可活动的卡套螺帽7，本实施例中，法兰环15与充气管1和连接管5均可拆卸连接，可活动的卡套螺帽7套设在充气管1的法兰环15外部，连接结构10的外螺纹与可活动的卡套螺帽7的内螺纹匹配，通过可活动的卡套螺帽7拧紧在连接结构10的外螺纹上，将连接结构10端头面与充气管1的法兰环15紧密相连，充气管1的另一端设置有外螺纹和内螺纹，充气时，充气装置与充气管1的外螺纹端连接，充气管1设置内螺纹的作用是充好气后，在充气管1管口内螺纹处拧上一个带
垫片的螺钉，堵塞充气管1，充气装置9为带有压力表的手动式高压打气筒，采用带有压力表的折叠手动式高压打气筒充气，便于携带、无需施工现场电源，提高了充气作业的便捷性和安全性。气体通过充气管1进入最上端的气能管，然后通过连接结构10和连接管5依次进入各气能管，最上端的气能管的上端、最下端的气能管的下端分别通过导线13与电触发器4连接，使整个致裂装置形成连接的通路，最下端的气能管的下端的连接结构10的下端设置有封头14，封头14防止气能管内的气体外逸。本实施例中，连接结构10、充气管1和连接管5均为金属管。
[0043] 本实施例中，可活动的卡套螺帽7包括相互连接的卡套段和螺纹段，卡套段不设置内螺纹，螺纹段设置有内螺纹，卡套段的内径小于螺纹段的内径，卡套段的内径比连接管5的外径大1mm，卡套段的内径比法兰环15的外径小6mm，螺纹段的内径比法兰环15的外径大1mm，法兰环15的内径、连接管5的内径以及连接结构10的内径尺寸相同。
[0044] 本实施例中，连接结构10和连接管5的法兰环15的接合处、连接结构10和充气管1的法兰环15的接合处均设置有环形气密性垫圈，环形气密性垫圈的材质为
橡胶或其它气密性材料，厚度为0.5-0.8mm，连接结构10、法兰环15和环形气密性垫圈的内径均相同，连接结构10和环形气密性垫圈的外径与可活动的卡套螺帽7的内径均相同。
[0045] 安装时，可活动的卡套螺帽7套设在法兰环15上，当法兰环15位于连接管5下端时，可活动的卡套螺帽7的螺纹段位于卡套段的下方，螺纹段用于与连接结构10
螺纹连接，卡套段用于限制法兰环15相对于可活动的卡套螺帽7无法向上运动，将环形气密性垫圈放于法兰环15与连接结构10之间，旋紧可活动的卡套螺帽7，使连接结构10的端面与法兰环15在环形气密性垫圈的作用下紧密连接、密封不漏气。
[0046] 本实施例中，柱体6采用PET材料制成，柱体6包括内壁、外壁、上顶面和下底面，内壁位于外壁内侧，内壁形成中空部，中空部用于套设连接管5，中空部的直径比连接管5的外径大5-8mm，内壁、外壁、上顶面和下底面形成用于盛放液体的腔体，柱体6上设置有注液口。本实施例中，通过注液口向柱体6内通入水。柱体6的外壁与气能管的外管2的形状和尺寸均相同，柱体6的长度与连接管5的长度相同，柱体6的长度通常为1m。本实施例中，柱体6的外壁与气能管的外管2的形状和尺寸均相同，柱体6的长度与连接管5的长度相同。
[0047] 本实施例采用充有水的柱体6与气能管间隔设置的方式，解决了传统爆破致裂硬岩时振动大、粉尘多等问题。气能管内的气体发生剂触发后产生的高温高压气体将柱体6破坏，柱体6内的水部分被高温
汽化，产生大量气体，增加膨胀破岩气体量及膨胀致裂破岩的压力，延长高压气体破岩作用时间，在高压气体作用下进入岩石的裂隙，促进岩石裂隙扩展发育，提高破岩效果。柱体6内的水可在破岩时较好地吸收气体发生剂生成的烟和破岩产生灰尘，起到降低
烟尘排放量的作用，保护环境。柱体6的外壁上设置有柱体凸角，柱体凸角的形状、数量和尺寸均与气能管凸角8的形状、数量和尺寸相同。本实施例的柱体凸角，使得在致裂孔堵孔材料
凝固的胶结体中也形成多个凹槽，造成致裂孔孔壁多处形成
应力集中，气能管触发后产生的高温高压气体致使柱体6内的
水体形成高压汽水混合物，向外形成气水楔作用时，原有致裂孔堵孔材料凝固的胶结体与孔壁结合处因带柱体凸角的柱体6形成的凹槽所造成的应力集中，更有利于致使岩体形成新裂纹及新裂纹的发展，可大大提高致裂装置破岩能力。
[0048] 本实施例还提供了一种采用致裂装置的致裂方法，包括如下步骤：
[0049] 步骤一：致裂前利用自然纯净水源或自来水管通过注液口向各柱体6中注满水，注满水后通过盖子将注液口密封；
[0050] 步骤二：将连接管5插入注好水的柱体6内，并将连接管5的端部与相邻的气能管的连接结构10通过连接管5的可活动的卡套螺帽7进行连接，可活动的卡套螺帽7套设在连接管5端头的法兰环15与连接结构10接合处的外侧并通过螺纹与连接结构10可拆卸连接，重复此步骤，直到安装好最后一根气能管，最后一根气能管与充气管1连接，在连接气能管和连接管5的同时，将相邻的气能管依次通过连接导线连接，且将相邻的气能管之间的连接导线缠绕在连接管5的外壁上，并从最下端的气能管下端的脚线12引出一根导线13，从最上端的气能管上端的脚线12引出一根导线13，使整个致裂装置形成连接的通路，将致裂装置首尾两端引出的导线13引出至致裂孔孔口外，并将致裂装置首尾两端引出的导线13临时连接形成短路；
[0051] 步骤三，将步骤二中的致裂装置放入预先用凿岩机打好的致裂孔中，采用速凝早强水泥或其他速凝快硬的堵孔材料将致裂孔与致裂装置之间的空隙以及自最上端的所述气能管的上端面以上的0.9～1.5m长的致裂孔空隙填满；
[0052] 步骤四，待堵孔材料达到一定强度，将充气管1的一端与充气装置9连接，充气管1的另一端通过最上端的气能管的连接结构10与气能管内部容腔连通，向气能管中充入1.0-3.0MPa的高压空气，高压空气通过连接管5进入各气能管中，待气能管内充气压力达到预计值后，停止充气，封闭充气管1的上端，除气能管破岩的触发人外，撤离现场其他人，将步骤二中致裂装置首尾两端引出的导线13解开，并用2根长度超过150m的专用触发电线将致裂装置首尾两端引出的导线13分别连接至放置在安全距离外的电触发器4的正、负极，待确认破岩现场人员和设备均撤离至安全处后，发出触发警示信号，启动电触发器4开关进行致裂破岩。
[0053] 本
说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
