[發明專利]露天礦用瞬態靜態氣體壓裂共同作用的破巖裝置及方法

有效

• 申請號: 202110051525.8
• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN112762781B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 陳天宇;李福棟;孫子涵;鄭旭;付彥吉;郝巖嶼;王文芳;宋海國
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: F42D1/00
• 分類號: F42D1/00;F42D3/04;F42D1/18;E21C47/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

一種露天礦用瞬態靜態氣體壓裂共同作用的破巖裝置及方法，裝置包括氣體增壓系統、儲能器、致裂室、封隔器及注氣管；氣體增壓系統內及注氣管上設有壓力傳感器、流量傳感器和若干閥門，若干氣體增壓系統并聯設置；致裂室側壁上設有致裂孔，封隔器位于致裂孔上下兩側的致裂室與鉆孔內孔壁之間環向空間內。儲能器與氣體增壓系統并聯設置。方法為：布孔；鉆孔；將裝配有封隔器的致裂室送入鉆孔；向封隔器的環向封隔氣囊內充氣，由膨脹的環向封隔氣囊完成封隔；啟動氣體增壓系統，選擇合適的壓裂氣體注入鉆孔內，往復實施瞬態及靜態壓裂過程，使礦體產生疲勞作用并產生復雜裂隙網絡，實現礦體破壞；廢氣回收并卸壓；環向封隔氣囊排氣完成解封。

技術領域

本發明屬于露天礦開采技術領域，特別是涉及一種露天礦用瞬態靜態氣體壓裂共同作用的破巖裝置及方法。

背景技術

露天采礦是一個移走礦體上的覆蓋物以得到所需礦物的過程，一般包括剝離、爆破、采裝等作業流程，爆破過程是影響礦體開采的質量、安全及經濟效益的關鍵環節。傳統的爆破方式是利用炸藥在鉆孔中爆炸所產生的爆生氣體達到致裂巖石的目的，但傳統爆破方式存在諸多安全隱患，炸藥在存儲、運輸過程中易造成安全事故，炸藥在使用時會引起較大的空氣沖擊波，不僅會帶來噪聲、環境污染，而且較大的地震波還會影響邊坡穩定，進而帶來了嚴重的次生災害。另外，在露天煤礦開采的爆破過程中高溫爆生氣體極易損耗鉆孔內的煤體，造成了大量的資源浪費。

為此，二氧化碳爆破、高能氣體壓裂技術應運而生，盡管二氧化碳爆破及高能氣體壓裂技術的破巖效果較為明顯，但是，由于其需要采用雷管炸藥的起爆方式，存在整體性、單次作用于礦體的特點，若要提高單次和整體作用效果，需增大沖擊波力度，將會影響礦產資源品味。此外這兩種爆破方式都需要預先制備爆破筒，爆破筒內容積定量，無法在爆破過程中進行壓力控制和調節，且存在較大的安全隱患，由于爆破筒導致的安全事故頻發。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種露天礦用瞬態靜態氣體壓裂共同作用的破巖裝置及方法，將瞬態氣體壓裂技術和靜態氣體壓裂技術相結合應用于露天礦開采中，實現爆破過程中破巖能量的動態調控，解決了傳統炸藥爆破技術和傳統高能氣體壓裂技術存在的危險性大、壓力不可控、爆破效果差等技術問題。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種露天礦用瞬態靜態氣體壓裂共同作用的破巖裝置，包括氣體增壓系統、儲能器、致裂室、封隔器及注氣管；所述氣體增壓系統數量若干，若干氣體增壓系統并聯設置；所述氣體增壓系統及儲能器位于鉆孔外部；所述致裂室位于鉆孔內部；在所述致裂室的側壁上開設有致裂孔，致裂室內腔通過致裂孔與鉆孔相連通；所述封隔器設置在致裂孔上下兩側的致裂室與鉆孔內孔壁之間的環向空間內；所述氣體增壓系統分兩路輸出，第一路通過注氣管與致裂室內腔相連通，第二路通過注氣管與封隔器相連通；用于連通所述氣體增壓系統和致裂室的注氣管與儲能器并聯設置。

所述致裂室可采用單級結構或多級串聯結構；當所述致裂室采用單級結構時，致裂室的上下兩端筒口分別通過頂部堵頭和底部堵頭進行封堵；當所述致裂室采用多級串聯結構時，上數第一級致裂室的上端筒口通過頂部堵頭進行封堵，相鄰致裂室之間通過螺接方式進行串聯連接，下數第一級致裂室的下端筒口通過底部堵頭進行封堵。

并聯設置的所述氣體增壓系統交匯于第一三通，在第一三通與致裂室之間的注氣管上依次設置有第一壓力傳感器、第一流量傳感器、第一閥門、第二三通、第二閥門、第三三通、第一四通及第三閥門；所述儲能器的進氣端與第二三通相連通，在儲能器的進氣端與第二三通之間的管路上設置有第四閥門；所述儲能器的出氣端與第三三通相連通，在儲能器的出氣端與第三三通之間的管路上依次設置有第二壓力傳感器、第二流量傳感器及第五閥門；在所述鉆孔外部設置有廢氣儲罐，廢氣儲罐的進氣端與第一四通相連通，在廢氣儲罐的進氣端與第一四通之間的管路上依次設置有第三壓力傳感器及第六閥門。