一种岩石定向裂断装置发明专利

专利名称：一种岩石定向裂断装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210711544.3

专利申请（专利权）人：安阳工学院,嘉兴中科光电工程中心
权利人地址：河南省安阳市高新区黄河大道西段

专利发明（设计）人：发明人:陈上元,侯利,吕谦,闫春岭

专利摘要：本发明公开了一种岩石定向裂断装置及定向裂断方法，所述装置包括储液罐、液压控制系统、高压射流装置和至少一个定向裂断器，所述高压射流装置、定向裂断器、液压控制系统和储液罐之间通过液压管路相连，所述储液罐内储存有乳化液；所述定向裂断器包括两个金属半圆筒和一个气囊，两个金属半圆筒活动扣在一起组成一个圆柱形壳体，气囊设置在壳体内部，气囊与液压控制系统通过液压管路连通，液压控制系统可控制乳化液流入或流出气囊及气囊内乳化液的压力；在每个金属半圆筒的外壁中心沿轴向开设有卡槽，在卡槽内活动插入有切刀，切刀的方向垂直于金属半圆筒的外壁并指向外侧。所述定向断裂方法主要包括三步即用射流装置形成初始裂缝，利用切刀形成扩展裂缝，利用金属半圆筒形成贯通裂缝。本专利的岩石定向裂断装置及方法具有安全性高、噪声小、成本低的特点。

主权利要求：
1.一种岩石定向裂断装置，其特征在于：包括储液罐、液压控制系统和至少一个定向裂断器，所述定向裂断器、液压控制系统和储液罐之间通过液压管路相连，所述储液罐内储存有乳化液；所述定向裂断器包括两个金属半圆筒和一个气囊，两个金属半圆筒活动扣在一起组成一个圆柱形壳体，气囊设置在壳体内部，气囊与液压控制系统通过液压管路连通，液压控制系统可控制乳化液流入或流出气囊及气囊内乳化液的压力；在每个金属半圆筒的外壁中心沿轴向开设有卡槽，在卡槽内活动插入有切刀，切刀的方向垂直于金属半圆筒的外壁并指向外侧；
在每个金属半圆筒的接口面上开设有滑轨槽，两个金属半圆筒的滑轨槽对接后组成了滑轨腔，沿着两个金属半圆筒对接后的外侧缝隙处还设置有开缝，滑轨腔与开缝连通；
所述岩石定向裂断装置还包括高压射流喷射装置，高压射流喷射装置通过液压管路与液压控制系统连接；所述高压射流喷射装置包括导杆，导杆的一端与液压管路连接，导杆的另一端设置有喷嘴，在导杆上每隔一定间距设置有滑轮，高压射流喷射装置可沿滑轨腔自由滑动。
2.根据权利要求1所述的一种岩石定向裂断装置，其特征在于：所述气囊由橡胶制成，可承受90MPa的高压；所述金属半圆筒由钢材制成，所述切刀由硬质合金制成。
3.根据权利要求1所述的一种岩石定向裂断装置，其特征在于：在所述两个金属半圆筒的接口处每间隔一定距离设置一对卡扣，卡扣位于滑轨腔的内侧，两个金属半圆筒可通过卡扣临时活动连接在一起。
4.根据权利要求1所述的一种岩石定向裂断装置，其特征在于：在每个金属半圆筒的内壁上开设有多个连接槽，在气囊的外壁上设置有多个连接帽，一个连接帽对应嵌入到一个连接槽中。 说明书 : 一种岩石定向裂断装置技术领域[0001] 本发明涉及岩石破碎技术领域，尤其涉及一种岩石定向裂断装置，可适用于巷道顶板定向裂断、隧道成型等方面。背景技术[0002] 岩石定向裂断技术在水利、土木、交通和矿山等行业均有大量应用，传统的岩石定向裂断常采用定向爆破技术实现，但炸药存在审批困难、运输风险高等问题，且炸药爆破会产生巨大噪声和大量的有害气体，不利于作业人员的身体健康。基于此，需要一种安全性高、噪声小、成本低的岩石定向裂断装置及方法，以期可弥补岩石定向爆破技术的不足之处。发明内容[0003] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种安全性高、噪声小、成本低的岩石定向裂断装置，从而可实现岩石在特定方向上的裂断效果。[0004] 本发明所采用的技术方案如下：[0005] 一种岩石定向裂断装置，包括储液罐、液压控制系统和至少一个定向裂断器，所述定向裂断器、液压控制系统和储液罐之间通过液压管路相连，所述储液罐内储存有乳化液；所述定向裂断器包括两个金属半圆筒和一个气囊，两个金属半圆筒活动扣在一起组成一个圆柱形壳体，气囊设置在壳体内部，气囊与液压控制系统通过液压管路连通，液压控制系统可控制乳化液流入或流出气囊及气囊内乳化液的压力；在每个金属半圆筒的外壁中心沿轴向开设有卡槽，在卡槽内活动插入有切刀，切刀的方向垂直于金属半圆筒的外壁并指向外侧。[0006] 进一步的，所述气囊由橡胶制成，可承受90MPa的高压；所述金属半圆筒由钢材制成，所述切刀均由硬质合金制成。[0007] 进一步的，在每个金属半圆筒的接口面上开设有滑轨槽，两个金属半圆筒的滑轨槽对接后组成了滑轨腔，沿着两个金属半圆筒对接后的外侧缝隙处还设置有开缝，滑轨腔与开缝连通。[0008] 进一步的，在所述两个金属半圆筒的接口处每间隔一定距离设置一对卡扣，卡扣位于滑轨腔的内侧，两个金属半圆筒可通过卡扣临时活动连接在一起。[0009] 进一步的，在每个金属半圆筒的内壁上开设有多个连接槽，在气囊的外壁上设置有多个连接帽，一个连接帽对应嵌入到一个连接槽中。[0010] 进一步的，所述岩石定向裂断装置还包括高压射流喷射装置，高压射流喷射装置通过液压管路与液压控制系统连接。[0011] 进一步的，所述高压射流喷射装置包括导杆，导杆的一端与液压管路连接，导杆的另一端设置有喷嘴，在导杆上每隔一定间距设置有滑轮，高压射流喷射装置可沿滑轨腔自由滑动。[0012] 一种岩石定向裂断方法，采用上述的装置，包括如下步骤：第一步，在岩体内钻多个孔，每个钻孔内放置一个所述定向裂断器，并使定向裂断器的开缝方向对准岩石裂断方向，使用所述高压射流喷射装置沿着滑轨腔移动，并使喷嘴对准开缝方向，在钻孔内开出两条初始裂缝；第二步，将定向裂断器在钻孔内旋转90度，使两个切刀分别对准两个初始裂缝，向气囊内通满乳化液，通过液压控制系统为乳化液提供高膨胀压力，两个金属半圆筒沿径向被撑开，同时带动切刀冲击初始裂缝，初始裂缝被进一步扩张形成扩张裂缝；第三步，卸载气囊内的压力及乳化液，拆除切刀，将定向裂断器在钻孔内再旋转90度，使开缝方向对准扩张裂缝，再次向气囊内通满乳化液，通过液压控制系统为乳化液提供高膨胀压力，两个金属半圆筒沿径向被撑开，利用金属半圆筒的聚力作用，在岩石的扩张裂缝处产生张拉应力，从而在相邻钻孔之间形成贯通裂纹。[0013] 有益效果：本发明所述的岩石定向裂断装置，对定向裂断器的结构进行了特殊设计，高压射流喷射装置可利用滑轨腔的导向在钻孔内壁开出初始裂缝，两个金属半圆筒可在气囊的高压冲击下分开，切刀可对初始裂缝进行扩张，两个金属半圆筒可对扩张裂缝进一步施加张拉应力，利用三步法即可在相邻钻孔之间形成贯通裂纹，实现岩石的定向裂断，相比传统的爆破法具有安全性高、噪声小、成本低、施工方便的特点。附图说明[0014] 图1为岩石定向裂断装置结构组成示意图。[0015] 图2为高压射流喷射装置示意图。[0016] 图3为图1中A‑A断面示意图。[0017] 图4为图3中B‑B断面示意图。[0018] 图5为定向裂断器俯视图。[0019] 图6为定向裂断器的外壳的断面示意图。[0020] 图7为图6中C‑C断面示意图。[0021] 图8为定向裂断器的外壳的立体示意图。[0022] 图9为图8中D区放大图。[0023] 图10为初始裂缝形成示意图。[0024] 图11为扩张裂缝形成示意图。[0025] 图12为贯通裂缝形成示意图。[0026] 图13为岩石最终定向断裂机理示意图图。[0027] 图中，1‑储液罐，2‑液压控制系统，21‑液压管路，3‑定向裂断器，4‑高压射流喷射装置，41‑导杆，42‑滑轮，43‑喷嘴，6‑金属半圆筒，61‑卡槽，62‑连接槽，63‑滑轨腔，64‑卡扣，65‑端头保护板，66‑开缝，7‑气囊，71‑连接帽，8‑切刀，9‑岩石，10‑钻孔，11‑初始裂缝，12‑扩张裂缝，13‑贯通裂缝。具体实施方式[0028] 下面结合附图，对本发明进行清楚完整的说明。[0029] 如图1所示，一种岩石定向裂断装置，主要由定向裂断器3、高压射流喷射装置4、液压控制系统2和储液罐1四部分组成，其中定向裂断器3和高压射流喷射装置4的数量可以为多个，图中每种类型仅示出了一个。定向裂断器3、高压射流喷射装置4、液压控制系统2和储液罐1通过液压管路21相连。所述储液罐作为乳化液储存容器使用，工作时为整个系统提供乳化液。所述液压控制系统可使输出的乳化液压力增大，可使定向裂断器和高压射流喷射装置的乳化液压力提高至几十至上百兆帕，根据需要，液压系统可连接多个定向断裂器和高压水射流喷射装置。如图2所示，所述高压射流喷射装置4包括导杆41，导杆41的一端与液压管路连接，导杆的另一端设置有喷嘴43，在导杆上每隔一定间距设置有滑轮42。[0030] 如图3‑5所示，所述定向裂断器3由两个高强度金属半圆筒6和一个高韧度气囊7组成，两个金属半圆筒活动扣在一起组成一个圆柱形壳体，壳体的两端设置有端头保护板65，气囊7设置在壳体内部，气囊与液压控制系统通过液压管路连通，液压控制系统可控制乳化液流入或流出气囊及气囊内乳化液的压力；所述气囊7由特殊橡胶制成，可承受90MPa的高压。定向裂断器长度可根据需要断裂岩石的深度决定。[0031] 所述壳体的结构如图6‑9所示，其中图8所示的壳体隐藏了端头保护板。金属半圆筒采用一定厚度的钢板材料制成，在每个金属半圆筒的外壁中心沿轴向开设有卡槽61，在卡槽61内活动插入有切刀8，切刀8的方向垂直于金属半圆筒的外壁并指向外侧。所述切刀由硬质合金制成，其头部刀刃为楔形，需要时切刀通过卡槽固定在金属半圆筒上，不需要时可将切刀从卡槽内抽出来。在每个金属半圆筒的内壁上开设有多个连接槽62，在气囊7的外壁上设置有多个连接帽71，一个连接帽71对应嵌入到一个连接槽62中。这样可以把气囊7和金属半圆筒6软连接起来，防止气囊在由两个半圆筒组成的外壳内随意移动。[0032] 在每个金属半圆筒的接口面上开设有滑轨槽，两个金属半圆筒的滑轨槽对接后组成了滑轨腔63，沿着两个金属半圆筒对接后的外侧缝隙处还设置有开缝66，滑轨腔63与开缝66连通，高压射流喷射装置4的滑轮可沿滑轨腔自由滑动，从而带动导杆及喷头移动。[0033] 更具体的的，在所述两个金属半圆筒的接口处每间隔一定距离设置一对卡扣64，卡扣64的位置靠近半圆筒的内壁，位于滑轨腔的内侧，见图9，图9中还示出了卡扣的一种结构，卡扣包括卡舌和卡座，卡座的两侧壁具有一定的弹性，卡舌插入到卡座中，两个金属半圆筒可通过多个卡扣64临时活动连接在一起组成一个壳体以便于移动；同时卡扣的锁紧力远小于气囊的膨胀力，即当气囊内通入高压液体后，卡扣结构很容易因膨胀而脱开，进而气囊推动两个金属半圆筒相互分离。[0034] 本专利所述的岩石定向裂断装置的使用方法如下：[0035] 第一步，如图10所示，首先在岩体9内通过钻机施工钻孔，钻孔10的直径应比定向裂断器3外径大4～5mm，钻孔间距300～500mm；钻孔施工完毕后，一次预裂3～5个钻孔，所以将3～5个定向裂断器插入钻孔中（此时液压控制系统同时连接3～5个定向裂断器），安装前将两个金属半圆筒6通过卡扣64连接为一体，不安装切刀，向钻孔内装填时将两个金属半圆筒6的开缝66方向对准岩石裂断方向。接着向定向裂断器的滑轨腔63内安装插入一个高压射流喷射装置4，其滑轮42可在滑轨腔63内自由滑动，并使喷嘴对准开缝66，打开液压控制系统2的增压装置使系统内形成高压射流，喷嘴43喷射的高压射流切割岩石，从而形成初始切割裂缝11，导杆41可根据所需深度来接长。每个钻孔沿两道滑轨腔分别切割一条初始裂缝，即每个钻孔形成两条初始裂缝。[0036] 第二步：两条初始裂缝切割完成后，撤掉射流装置，如图11所示，将定向裂断器3旋转90°，使金属半圆筒6的卡槽61对准初始裂缝即岩石裂断方向，将两个切刀8分别插入安装到金属半圆筒6的卡槽61内，然后通过液压控制系统2缓缓将储液罐1中的乳化液通过液压管路21输送入高韧度气囊7，直至乳化液充满整个系统。通过液压控制系统2为高韧度气囊7提供瞬时的高膨胀压力，卡扣64遇到向外的膨胀力时可自行解开，高膨胀压力通过金属半圆筒6带动切刀8冲击初始切割裂缝，使初始切割裂缝进一步扩展、增宽为扩张裂缝12。[0037] 第三步：如图13所示，通过液压控制系统2卸载整个系统的压力，拆除所有切刀8，将定向裂断器3反向旋转90°，使金属半圆筒6的开缝对准扩张裂缝即岩石裂断方向，再次通过液压控制系统2为高韧度气囊7提供瞬时的高膨胀压力，由于高强度金属半圆筒6的聚力作用，使其在岩石断裂方向（金属半圆筒6的开缝所对应方向）产生张拉应力，在非断裂方向上产生压应力，由于岩石抗压怕拉的特性，再结合射流切割和切刀冲击形成的扩张裂缝，从而保证了岩石在设定方向上产生张拉裂纹扩张形成最终的贯通裂纹13，如一次张拉未实现裂纹完全贯通，可重复冲击，直至岩石在设定裂断方向产生贯通裂纹，从而达到了岩石定向裂断的目的，相邻钻孔的断裂效果如图13所示。[0038] 可选的，上述第一步中的初始裂缝也可以由其他工具来切割开凿完成，但是利用高压射流喷射装置比较方便，一来可以共用液压控制系统，二来可以用滑轨腔来做导向方便切割。同时对于硬度不是太高的岩石岩体，也可以不必先用高压射流喷射装置形成初始裂缝，而是直接用第二步中的切刀冲击形成初始裂缝。在实际使用中可以灵活调整。[0039] 总之，上述岩石定向裂断装置通过高压射流切割、切刀冲击和金属半圆筒张拉等复合作用，可实现岩石在设定方向上的有效断裂，并且具有安全性高、噪声小、成本低等优点，从而一定程度上弥补了岩石定向爆破技术的不足之处。

专利地区：河南

专利申请日期：2022-06-22

专利公开日期：2024-10-22

专利公告号：CN115182744B