岩体定向致裂器及岩体定向爆破方法

权利要求

1.岩体定向致裂器，其特征在于，包括：主管、发热棒、充装头以及转接头；所述充装头连接在主管的第一端，所述转接头连接在主管的第二端，在所述转接头上设有第一接线柱；

在所述充装头上设置用于向主管内部充装二氧化碳的充装通道，在所述充装通道中设有开启和关闭充装通道的针阀；

所述发热棒包括底座及设置于所述底座上的纸管，所述纸管设于所述主管腔体内，所述充装头上、与所述充装通道并行还设有安装孔，所述发热棒的底座旋合在所述充装头的安装孔中，且所述底座尾部压靠于所述充装头端面上，所述底座上预留有孔道，在所述孔道中设有第二接线柱，所述第二接线柱延伸于所述纸管内，所述纸管远离所述底座的一端设有穿线孔，在所述第二接线柱、位于纸管内的一端上设有用于引燃的导线，所述导线轴向布设于所述纸管内，并从所述穿线孔中引出连接于所述转接头的第二接线柱上；

所述主管侧壁轴向还设有切槽。

2.根据权利要求1所述的致裂器，其特征在于，所述发热棒的底座尾部与所述充装头端面接触处设有密封垫圈。

3.根据权利要求2所述的致裂器，其特征在于，所述充装头包括端盖，所述端盖第一表面上具有凸台，所述充装通道与所述安装孔轴向并行设置，所述充装通道为阶梯孔结构，包括第一阶孔及第二阶孔，所述第一阶孔与第二阶孔同轴设置，所述第一阶孔贯穿所述端盖第一表面及第二表面设置，所述第二表面与所述第一表面背对；

所述第二阶孔轴向贯穿所述凸台与所述第一阶孔相连，所述第二阶孔的孔径大于所述第一阶孔的孔径，在所述第二阶孔的侧壁设有贯通凸台侧面的注入口，位于所述第二阶孔的孔口到所述注入口之间的第二阶孔内壁上具有第一螺纹；

所述安装孔贯穿所述凸台及端盖设置，位于所述安装孔的孔口到端盖第一表面之间的安装孔内壁上具有第二螺纹。

4.根据权利要求3所述的致裂器，其特征在于，所述充装头通过所述端盖的第二表面焊接于所述主管的第一端，所述转接头焊接于主管的第二端。

5.根据权利要求4所述的致裂器，其特征在于，所述底座包括端板、第一凸台及第二凸台，所述端板为倒圆头矩形，在所述端板的第一表面上叠设有所述第一凸台，在所述第一凸台的上表面叠设有所述第二凸台，且所述端板、第一凸台及第二凸台同轴设置；

所述第一凸台与第二凸台为圆柱体结构，所述第二凸台的外圆周面上具有第三螺纹，所述端板的中心到边缘的距离大于所述第一凸台的底面半径，所述第一凸台的底面半径大于所述第二凸台的底面半径；

所述孔道贯穿所述底座设置，包括第一阶孔道及第二阶孔道，所述第一阶孔道自所述第二凸台上表面延伸至第二凸台中，所述第二阶孔道与所述第一阶孔道末端相连，且贯穿至所述端板第二表面，所述第一阶孔道与第二阶孔道同轴设置，所述第二阶孔道孔径大于第一阶孔道孔径。

6.根据权利要求1所述的致裂器，其特征在于，所述转接头为具有开口的圆筒状结构，所述圆筒状结构的底部具有接线柱安装部。

7.岩体定向爆破方法，其特征在于，应用权利要求1至6任一所述的岩体定向致裂器实施，所述主管内充装有二氧化碳液体；

所述方法包括步骤：

将所述岩体定向致裂器插入所述钻孔预定深处；

将所述第二接线柱连接电激发点火装置，点火激发启动致裂器；

发热棒纸管内的导线引燃，释放大量热能使主管内的液态二氧化碳瞬间气化，管内压力随之升高；

当压力升高达到主管侧壁切槽处的强度极限时，切槽处预先破坏；

利用所述切槽使带压二氧化碳气体沿着切槽向外释放，形成线性的切割气流切割周围岩体，以实现岩体的定向预裂爆破。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：所述方法还包括：在将所述岩体定向致裂器插入所述钻孔预定深处之前，开启充装通道上的针阀，打开充装通道，通过所述充装通道向主管内充装二氧化碳液体，使其充满纸管与主管形成的空腔内。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述纸管内还充装有发热剂，在所述导线上连接有电点火头；

所述发热棒纸管内的导线引燃，释放大量热能使主管内的液态二氧化碳瞬间气化，管内压力随之升高包括：发热棒纸管内的电点火头引燃发热剂，利用燃烧的发热剂增加热量的释放，以加速主管内的气压升高。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山工程爆破领域，尤其涉及一种岩体定向致裂器及岩体定向爆破方法。

背景技术

致裂器是一种用于破碎岩石或落煤的爆破装置，其原理是利用液态二氧化碳气化膨胀，快速释放高压气体，体积可膨胀600倍以上，进而达到爆破的效果，由于其具有较高的安全性，在岩体爆破中得到了广泛的应用。

随着传统致裂器应用范围的的拓宽，逐渐应用于煤矿井下顶板的预裂爆破、但是，发明人在实现本发明创造的过程中发现：传统的致裂器是点爆破的方式，即能量为点释放，爆破的影响范围有限，大部分工况下不能按照预先设定的方向实现工程岩体的定向断裂，有时还会造成爆破点附近区域岩体破碎，其他区域岩体没有断裂的情况，影响爆破效果。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种岩体定向致裂器及岩体定向爆破方法，便于实现岩体的定向爆破，从而改善爆破效果。

第一方面，本发明实施例提供一种岩体定向致裂器，包括：主管、发热棒、充装头以及转接头；所述充装头连接在主管的第一端，所述转接头连接在主管的第二端，在所述转接头上设有第一接线柱；

在所述充装头上设置用于向主管内部充装二氧化碳的充装通道，在所述充装通道中设有开启和关闭充装通道的针阀；

所述发热棒包括底座及设置于所述底座上的纸管，所述纸管设于所述主管腔体内，所述充装头上、与所述充装通道并行还设有安装孔，所述发热棒的底座旋合在所述充装头的安装孔中，且所述底座尾部压靠于所述充装头端面上，所述底座上预留有孔道，在所述孔道中设有第二接线柱，所述第二接线柱延伸于所述纸管内，所述纸管远离所述底座的一端设有穿线孔，在所述第二接线柱、位于纸管内的一端上设有导线，所述导线轴向布设于所述纸管内，并从所述穿线孔中引出连接于所述转接头的第二接线柱上；

所述主管侧壁轴向还设有切槽。

可选地，所述发热棒的底座尾部与所述充装头端面接触处设有密封垫圈。

可选地，所述充装头包括端盖，所述端盖第一表面上具有凸台，所述充装通道与所述安装孔轴向并行设置，所述充装通道为阶梯孔结构，包括第一阶孔及第二阶孔，所述第一阶孔与第二阶孔同轴设置，所述第一阶孔贯穿所述端盖第一表面及第二表面设置，所述第二表面与所述第一表面背对；

所述第二阶孔轴向贯穿所述凸台与所述第一阶孔相连，所述第二阶孔的孔径大于所述第一阶孔的孔径，在所述第二阶孔的侧壁设有贯通凸台侧面的注入口，位于所述第二阶孔的孔口到所述注入口之间的第二阶孔内壁上具有第一螺纹；

所述安装孔贯穿所述凸台及端盖设置，位于所述安装孔的孔口到端盖第一表面之间的安装孔内壁上具有第二螺纹。

可选地，所述充装头通过所述端盖的第二表面焊接于所述主管第一端，所述转接头焊接于主管的第二端。

可选地，所述底座包括端板、第一凸台及第二凸台，所述端板为倒圆头矩形，在所述端板的第一表面上叠设有所述第一凸台，在所述第一凸台的上表面叠设有所述第二凸台，且所述端板、第一凸台及第二凸台同轴设置；

所述第一凸台与第二凸台为圆柱体结构，所述第二凸台的外圆周面上具有第三螺纹，所述端板的中心到边缘的距离大于所述第一凸台的底面半径，所述第一凸台的底面半径大于所述第二凸台的底面半径；

所述孔道贯穿所述底座设置，包括第一阶孔道及第二阶孔道，所述第一阶孔道自所述第二凸台上表面延伸至第二凸台中，所述第二阶孔道与所述第一阶孔道末端相连，且贯穿至所述端板第二表面，所述第一阶孔道与第二阶孔道同轴设置，所述第二阶孔道孔径大于第一阶孔道孔径。

可选地，所述转接头为具有开口的圆筒状结构，所述圆筒状结构的底部具有接线柱安装部。

第二方面，本发明实施提供一种岩体定向爆破方法，基于第一方面任一所述的岩体定向致裂器实施，所述主管内充装有二氧化碳液体；所述方法包括步骤：

将所述岩体定向致裂器插入所述钻孔预定深处；

在所述第二接线柱上设置电激发点火装置，点火激发启动致裂器；

发热棒纸管内的导线引燃，释放大量热能使主管内的液态二氧化碳瞬间气化，管内压力随之升高；

当压力升高达到主管侧壁切槽处的强度极限时，切槽处预先破坏；

利用所述切槽使带压二氧化碳气体沿着切槽向外释放，形成线性的切割气流切割周围岩体，以实现岩体的定向预裂爆破。

可选地，所述方法还包括：在将所述岩体定向致裂器插入所述钻孔预定深处之前，开启充装通道上的针阀，打开充装通道，通过所述充装通道向主管内充装二氧化碳液体，使其充满纸管与主管形成的空腔内。

可选地，所述纸管内还充装有发热剂，在所述导线上连接有电点火头；

所述发热棒纸管内的导线引燃，释放大量热能使主管内的液态二氧化碳瞬间气化，管内压力随之升高包括：发热棒纸管内的电点火头引燃发热剂，利用燃烧的发热剂增加热量的释放，以加速主管内的气压升高。

本发明实施例提供的岩体定向致裂器及岩体定向爆破方法，通过对致裂器本身结构进行改进，能够实现能量定向释放，将其安装在岩石巷道和井筒等钻孔中，便于实现岩体的定向爆破，进而减少围岩不必要的损伤，从而改善爆破效果。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述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它的附图。

图1为本发明一实施例岩体定向致裂器的结构示意图；

图2为本发明一实施例岩体定向致裂器的剖视图；

图3为图1或图2主管的一实施例主视图；

图4图3中主管A-A的剖视图；

图5为图4中B处放大图；

图6为图1或图2中充装头一实施例剖视图；

图7为图6中充装头一实施例俯视图；

图8为图6中充装头一实施例左视图；

图9为发热棒一实施例剖视图；

图10为发热棒底座一实施例剖视图；

图11为图10中发热棒底座一实施例右视图；

图12为图1或图2中转接头一实施例结构示意图；

图13为本发明另一实施例岩体定向致裂器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，为了更加清楚说明本发明，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本发明同样可以实施。另外，为了凸显本发明的主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本发明的实施。本文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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1至图12所示，本发明实施例提供的岩体定向致裂器，结构简单，适用于矿山工程岩体爆破中，尤其适用于具有控制岩石爆破成型要求的爆破场合中。

参看图1及图2所示，所述装置包括：主管100、发热棒200、充装头300及转接头400；所述充装头300连接在主管100的第一端，所述转接头400连接在主管100的第二端，在所述转接头400上设有第一接线柱401。

在所述充装头300上设置用于向主管100内部充装二氧化碳的充装通道310，在所述充装通道310中设有开启和关闭充装通道310的针阀302；其中，针阀302(Needle valve)为一种微调阀，其阀塞为针形，主要用作调节流量，所述针形阀塞一般用经过淬火的钢制长针制作，而阀座是用锡、铜等软质材料制成。阀针与阀座间的密封是依靠其锥面紧密配合达到的。阀针的锥度有1∶50和60°锥角两种，本实施例中所述阀针的锥度选择60°。

参看图2、图9至图11所示，所述发热棒200包括底座210及设置于所述底座210上的纸管220，所述纸管220设于所述主管100腔体内，且所述纸管220的外壁与所述主管100的内壁之间具有空腔150，所述空腔150用于充装二氧化碳；所述充装头300上、与所述充装通道310并行还设有安装孔303，所述发热棒200的底座210旋合在所述充装头300的安装孔303中，且所述底座210尾部压靠于所述充装头300端面上，所述底座210上预留有孔道203，在所述孔道203中设有第二接线柱204，所述第二接线柱204延伸于所述纸管220内，所述纸管220远离所述底座210的一端设有穿线孔(图中未明确示意出，图2的导线穿设方式隐含示意该特征)，在所述第二接线柱204、位于纸管220内的一端上设有用于引燃的导线205，所述导线205轴向布设于所述纸管220内，并从所述穿线孔中引出连接于所述转接头400的第二接线柱204上。

参看图13所示，可以理解的是，为了适应一些较深的钻孔，需要使用较长的致裂器，当一个致裂器较短时，通过所述转接头400可以方便地将多个致裂器连接成合适长度的整体，以适应不同深度的钻孔。

进一步地，通过在所述转接头400上设置第二接线柱204，用于连接前一个致裂器的导线205；这样，在第一接线柱401上连接一个点火器，就可以方便地将各个致裂器引燃激发。

另外，由于传统的二氧化碳致裂器是点爆破的方式，即能量为点释放，爆破的影响范围有限，大部分工况下不能按照预先设定的方向实现工程岩体的定向断裂，有时还会造成爆破点附近区域岩体破碎，其他区域岩体没有断裂的情况，影响爆破效果。

在本实施例中，所述主管100侧壁轴向还设有切槽150。所述切槽150为盲槽。

这样，可以在发热棒200中的电点火头500引燃发热剂之后，主管100内二氧化碳气化压力升高，当压力达到切槽150处的强度极限时，切槽150处被破坏，高能高压的二氧化碳气体沿着切槽150释放，形成线性的切割气流，定向切割岩体，实现定向岩体预裂爆破。

所述切槽形状可以为长条形，也可以为其它几何形状，在此不作限定。

在一些实施例中，所述切槽为在主管内壁上设置的阶梯状切槽，其中，位于主管内壁开口处的第一阶切槽截面积最大，沿主管侧壁径向纵深设置的第二阶切槽、第三阶切槽等的截面积依次递减。这样，可以使高能高压的二氧化碳气体先冲破径向纵深最小截面积的切槽，形成的线性切割气流先对周边岩体进行中心线性切割，随着主管内气压的升高，再依次破坏各阶切槽，直至全部破坏，通过采用阶梯状切槽分阶段、持续对不同压力的切割气流按时序利用、引导控制，相对于“一字型”切槽，可避免高能高压气体一次性冲击对主管的破坏，释放的气流向切槽轮廓外的岩体分散，可能造成预定爆破岩体周边岩体损伤，施加给预定爆破岩体的切割气流由于被分散，影响定向预裂爆破效果。

其中，在一些实施例中，所述主管100长度1000mm，外径79mm，壁厚4mm。另外，根据本申请的发明人进行实验验证，切槽150宽度对定向爆破效果会产生影响；根据反复试验确定一些实施例中的切槽150的布置方式及参数为：所述主管100侧壁轴向切两条切槽150，两条切槽150对称分布，切槽150长度900mm、切槽150深度1mm、切槽150宽度3mm；在主管100两端各预留50mm不切槽150，确保管体两端连接处的强度。

基于本实施例提供的致裂器，还提供了一种岩体定向爆破方法，包括步骤：

S1、将所述岩体定向致裂器插入所述钻孔预定深处。

本实施例中，根据钻孔的深度确定致裂器的长度，若单个致裂器不够长，通过所述转接头400，将多个致裂器轴向连接，连接时需要使相邻致裂器主管100上的切槽150在轴向共线对齐，多个切缝致裂器相互连接后推入待预裂岩体的钻孔内。

在推入钻孔的过程中，在钻孔口的致裂器上连接支撑杆，利用所述支撑杆顶住致裂器，以确保致裂器组不滑出钻孔。

在本步骤S1之前，所述方法还包括：开启充装通道310上的针阀302，打开充装通道310，利用二氧化碳液体专用充装设备通过所述充装通道310向主管100内充装二氧化碳液体，使其充满纸管220与主管100形成的空腔150内；关闭所述专用充装设备，再关闭针阀302完成二氧化碳的充装。

S2、将所述第二接线柱204连接致裂器外部的电激发点火装置，点火激发启动致裂器；

所述电激发点火装置为爆破技术中常用的点火器材，例如可以为矿用隔爆型发爆器，在此就不赘述。

S3、发热棒200纸管220内的导线205引燃，释放大量热能使主管100内的液态二氧化碳瞬间气化，管内压力随之升高。

S4、当压力升高达到主管100侧壁切槽150处的强度极限时，切槽150处预先破坏。

可以理解的是，切槽150位置的抗剪强度相对较低，主管100内压力在达到切槽150处的强度极限，切槽150处首先被破坏，气流从破坏的切槽150向外冲击。

S5、利用所述切槽150使带压二氧化碳气体沿着切槽150向外释放，形成线性的切割气流切割周围岩体，以实现岩体的定向预裂爆破。

其中，主管100内的二氧化碳约2.5kg，致裂器爆破压力约230Mpa。

本发明实施例提供的岩体定向致裂器，通过对致裂器本身结构进行改进，能够实现能量定向释放，将其安装在岩石巷道和井筒等钻孔中时，便于实现岩体的定向爆破，进而减少围岩不必要的损伤，从而改善爆破效果。

具体地，所述发热棒200的底座210尾部与所述充装头300端面接触处设有第一密封垫圈260，用于保证发热棒200点火启动后，主管100内形成密闭空间，以利于气压升高后将切槽150破坏。

参看图9所示，所述第二接线柱204是用螺母206固定连接于所述孔道203中的，为了进一步提高密封性，在所述螺母206与第二接线柱204连接处设有第二密封垫圈207。

为了提高发热棒200点火启动后释放的热能，在一些实施例中，所述纸管220内还充装有发热剂；所述发热剂为在某种温度条件下，发生化学反应时能放出热量的混合料，其成分可以采用在售的发热剂成品；优选地，本实施例中的发热剂主要由高氯酸铜或高氯酸镁等组成；当电点火装置点火后，引燃发热剂，发热剂高速燃烧，给液态二氧化碳气化提供热量，可以使管内压力急剧升高，以快速得到爆破切槽150所需的高压气体。

在所述导线上连接有电点火头；在本实施例中，所述定向爆破方法还包括：发热棒200纸管220内的导线205释放大量热能使主管内的液态二氧化碳瞬间气化，管内压力随之升高包括：

，发热棒纸管内的电点火头引燃发热剂，利用燃烧的所述发热剂增加热量的释放，以加速主管100内的气压升高。

参看图6至图8所示，所述充装头300包括端盖320，所述端盖第一表面上具有凸台330，为了便于加工，所述端盖320与凸台330可以设置成一体结构；在一些实施例中，所述端盖的外径为79mm，所述凸台的外径为72mm，在凸台330的外周上具有螺纹，凸台的高度为30mm；所述充装通道310与所述安装孔303轴向并行设置，所述充装通道310为阶梯孔结构，包括第一阶孔311及第二阶孔312，所述第一阶孔311与第二阶孔312同轴设置，所述第一阶孔311贯穿所述端盖320第一表面及第二表面设置，所述第二表面与所述第一表面背对；

所述第二阶孔312轴向贯穿所述凸台330与所述第一阶孔311相连，所述第二阶孔312的孔径大于所述第一阶孔311的孔径，在所述第二阶孔312的侧壁设有贯通凸台320侧面的注入口313，用于向主管100内注入二氧化碳液体，位于所述第二阶孔312的孔口到所述注入口313之间的第二阶孔312内壁上具有第一螺纹，当将针阀302设于所述安装孔303中时，通过所述第一螺纹用于固定连接针阀302。

所述安装孔303贯穿所述凸台330及端盖320设置，位于所述安装孔303的孔口到端盖320第一表面之间的安装孔303内壁上具有第二螺纹，用于固定连接发热棒200的底座210；

在一些实施例中，第一阶孔311孔径为3mm，所述注入孔的孔径为5mm，所述第一螺纹规格为M12*1.5，螺纹长度为15mm，第二螺纹规格为M30*1.5，。

具体地，所述充装头300通过所述端盖320的第二表面焊接于所述主管100第一端，所述转接头400焊接于主管100的第二端。其中，焊接要求保证致裂器的强度和密封性。

参看图9至图12所示，所述底座210包括端板211、第一凸台212及第二凸台213，所述端板211为倒圆头矩形，也可以为倒圆头正方形；在一些实施例中，所述端板211的两直线边间距为36mm，圆弧半径为20mm，端板211的第一表面的边缘具有半径为0.5mm的倒圆角；所述端板211的第一表面上叠设有所述第一凸台212，在所述第一凸台212的上表面叠设有所述第二凸台213，所述端板211、第一凸台212及第二凸台213可以设置成一体结构，且所述端板211、第一凸台212及第二凸台213同轴设置；

所述第一凸台212与第二凸台213为圆柱体结构，所述第二凸台213的外圆周面上具有第三螺纹，所述端板211的中心到边缘的距离大于所述第一凸台212的底面半径，所述第一凸台212的底面半径大于所述第二凸台213的底面半径；

所述孔道203贯穿所述底座210设置，包括第一阶孔道2031及第二阶孔道2032，所述第一阶孔道2031自所述第二凸台213上表面延伸至第二凸台213中，所述第二阶孔道2032与所述第一阶孔311道203末端相连，且贯穿至所述端板211第二表面，所述第一阶孔道2031与第二阶孔道2032同轴设置，所述第二阶孔道2032孔径大于第一阶孔道2031孔径。

在一些实施例中，第一阶孔道2031的孔径为3mm，第二阶孔道2032的孔径为10mm。

参看图13所示，在一些实施例中，所述转接头400为具有开口的圆筒状结构，所述圆筒状结构的底部具有接线柱安装部。

所述安装部可以为光孔，在一些实施例中，所述光孔孔径为4.5mm，所述第一节接线柱两端用螺母连接，在螺母的挤压面设有第三密封垫410.

具体地，在所述圆筒状结构内壁上设有内螺纹，用于与下一个致裂器对接。

参看图2所示，在一些实施例中，所述电激发点火装置包括电点火头500(在目前的烟花燃放过程中常用的点火方式)，所述电点火头500位于发热棒200的纸管220内，在所述电点火头两端设有两根导线，其中一根导线连接到充装头300的第二接线柱204上，另一根导线连接到转接头400的第一接线柱401上，使相邻致裂器上的导线205导通；当将多个致裂器轴向对接之后，位于钻孔底部的致裂器转接头400上的第一接线柱401与致裂器管体导通；钻孔口致裂器充装头300上的第二接线柱204与发热棒200内部的电点火头导通，第一接线柱401与管体导通。这样，致裂器在钻孔内部以管体作为一极，管体内部走线成为一极，形成串联回路，即可实现电激发点火，以引燃发热棒200内的发热剂。

本发明实施例提供的切缝二氧化碳致裂器，相比传统的二氧化碳致裂器，结构更加简单、生产制造工艺简化、可靠性得到了大幅提高。

另外，本发明实施中的主管100使用中等强度(满足爆破压力即可)、轻质、价格低廉的Q235钢材制造，材料的轻质化，使用时更加轻便。另外，在使用致裂器定向爆破之后不再回收，简化了产品在井下顶板等位置定向预裂爆破的施工工艺。从而在一定程度可以降低生产成本和使用成本。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。