[發明專利]一種工程巖體致裂用微波功率自適應調控系統及方法

有效

• 申請號: 201810446969.X
• 申請日: 2018-05-11
• 公開（公告）號: CN108661553B
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發明（設計）人: 馮夏庭;盧高明;李元輝;張希巍;溫建華;童天揚;龔彥華
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: E21B7/00
• 分類號: E21B7/00;E21C37/16;E21C37/18;H05B6/68
• 代理公司: 21109 沈陽東大知識產權代理有限公司
• 代理人: 梁焱

一種工程巖體致裂用微波功率自適應調控系統及方法，系統包括阻抗匹配調節器、微波功率控制器及溫度傳感器；方法為：通過微波發生器向阻抗匹配調節器內輸入微波，通過阻抗匹配調節器對微波功率進行初始匹配調節，再將微波傳輸至微波加熱器，通過微波加熱器對巖體進行微波致裂；微波能量一部分被巖體吸收，另一部分通過微波加熱器反射回阻抗匹配調節器中，通過阻抗匹配調節器記錄微波入射功率和反射功率；將溫度傳感器采集的巖體在微波致裂時的溫度數據反饋給微波功率控制器，微波功率控制器以入射功率和反射功率為依據，通過溫度和反射系數計算出滿足阻抗匹配的微波功率，再將微波功率數據反饋到阻抗匹配調節器中，并對微波功率進行阻抗實時匹配。

技術領域

本發明屬于巖體工程及采礦工程技術領域，特別是涉及一種工程巖體致裂用微波功率自適應調控系統及方法。

背景技術

微波輔助破巖技術是一種極具潛力的新興破巖技術，在機械刀具切削巖石前，通過微波預先輻射致裂巖石，降低巖石的單軸壓縮、抗拉和點荷載強度等力學特性，解決機械法破碎硬巖時刀具易磨損的問題，即可提高破巖效率，還可降低破巖成本。采用微波輔助致裂技術可對深部巖體進行有效的應力釋放，在應力釋放孔的基礎上增加巖體預裂，這樣在圍巖內部造成一個破裂帶，降低內部巖體應力和能量集中水平，從而有效降低極強巖爆的風險。

目前，利用微波致裂工程巖體的技術方案還主要停留在室內試驗階段，微波發生器輸出的微波功率以恒定狀態作用在巖石試樣上，但由于巖石試樣的溫度變化很大，會導致巖石試樣的微波特性(介電常數、介電損耗等)也會相應產生較大變化，最終導致巖石試樣的負載阻抗具有了動態特性，也就是說，巖石試樣的負載阻抗產生動態變化時，如果還以恒定微波功率作用巖石試樣，必然會導致阻抗不匹配，直接后果就是微波反射功率增大，這不但會導致微波設備的穩定性降低，同時使微波能的利用效率降低。因此，想要將微波輔助破巖技術成功的應用到實際工程中，必須實現微波功率的自適應調控，在巖石負載阻抗產生動態變化時，可以滿足阻抗的實時匹配。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種工程巖體致裂用微波功率自適應調控系統及方法，實現了微波功率的自適應調控，在巖石負載阻抗產生動態變化時，可以滿足阻抗的實時匹配，有效提高了微波設備的穩定性，最大程度的降低了微波反射功率，有效滿足了微波輔助破巖技術在實際工程中的應用。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種工程巖體致裂用微波功率自適應調控系統，包括阻抗匹配調節器、微波功率控制器及溫度傳感器；所述阻抗匹配調節器一端用于接入微波發生器輸出的微波，且微波的入射功率記錄在阻抗匹配調節器內；所述阻抗匹配調節器另一端用于輸出微波，阻抗匹配調節器輸出的微波傳輸至微波加熱器，再通過微波加熱器輻射出的微波對巖體進行致裂；當巖體反射的微波通過微波加熱器返回至阻抗匹配調節器后，通過阻抗匹配調節器記錄下微波的反射功率，所述微波功率控制器用于接收阻抗匹配調節器反饋的微波入射功率和反射功率；所述溫度傳感器用于采集巖體在微波致裂時的溫度數據，該溫度數據直接反饋給微波功率控制器，在微波功率控制器內預設有巖體的反射系數數據，微波功率控制器首先以阻抗匹配調節器反饋的微波入射功率和反射功率為依據，再通過溫度數據和反射系數數據計算出滿足阻抗匹配的微波功率數據，微波功率控制器最后將滿足阻抗匹配的微波功率數據反饋到阻抗匹配調節器中，最終通過阻抗匹配調節器將微波發生器輸出的微波功率進行阻抗實時匹配。

一種微波功率自適應調控方法，采用了所述的工程巖體致裂用微波功率自適應調控系統，包括如下步驟：

步驟一：啟動微波發生器，通過微波發生器向阻抗匹配調節器內輸入微波，通過阻抗匹配調節器對輸入的微波功率進行初始匹配調節；

步驟二：微波功率經過初始匹配調節后，阻抗匹配調節器輸出的微波再傳輸至微波加熱器，并通過微波加熱器輻射出的微波對巖體進行致裂；

步驟三：微波能量的一部分會被巖體吸收，而微波能量的另一部分則通過微波加熱器反射回阻抗匹配調節器中，并通過阻抗匹配調節器記錄下微波的入射功率和反射功率；