[發明專利]一種便攜式高壓脈沖發生裝置、沖擊波破巖裝置及方法

在審

• 申請號: 202211055685.0
• 申請日: 2022-08-31
• 公開（公告）號: CN115492574A
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 石桓通;胡于家;胡津梁;陶站平;李團;李興文;吳堅
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: E21C37/18
• 分類號: E21C37/18;E21D9/10;F42D3/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李鵬威

本發明公開了一種便攜式高壓脈沖發生裝置、沖擊波破巖裝置及方法，采用的網狀金屬絲陣能夠顯著降低鈍感含能材料起爆所需的儲能(降低30％以上)，從而降低了高壓脈沖電容器的體積與質量，實現沖擊波破巖裝置的小型化與輕量化。內回流式結構使得負載爆炸向外傳播沖擊波時不會受到外回流柱的干擾，從而損失部分能量且降低致裂巖石的效率。負載結構的制作原料為同軸電纜、硅膠管(或其他管狀材料)和鎢金屬絲，成本低廉，制作工藝簡單。負載填充的含能材料不含有危險品條目中的爆炸物，安全性極高。內回流式網狀金屬絲陣含能材料負載在特定參數脈沖源的驅動下能夠產生固定幅值、沖量與能量的沖擊波，同時具有極好的可重復性，具有極大的工程應用前景。

技術領域

本發明屬于脈沖功率破巖技術領域，涉及一種內回流式網狀金屬絲陣含能材料負載及基于其的便攜式高壓脈沖發生裝置。

背景技術

隨著工業化水平不斷提升，資源開采深度和廣度不斷拓展，在油氣工程、采礦工程、隧道工程等領域中面臨越來越多硬巖和極硬巖的挑戰。傳統開鑿設備無法安全、高效得破碎硬度極高的巖石，因此亟待開發新的巖石破碎技術以解決存在的問題。近年來，脈沖功率技術在巖石破碎技術領域逐漸受到重視，該技術通過特定形式的負載，例如水間隙、金屬絲等，將脈沖電容器中的電能轉化為機械能(沖擊波)后致裂巖石。相比于傳統破巖技術，該技術具備可控、安全、重復性好等優點。但是脈沖功率破巖技術受到脈沖電容器的儲能以及負載能量轉化效率(＜20％)的限制，當裝置體積受制于復雜、狹小的工作環境時，脈沖功率破巖技術無法產生足夠能量的沖擊波致裂高硬度巖石。

基于這種背景，人們提出鈍感含能材料包覆于金屬絲外的負載構型，進一步利用金屬絲電爆炸點燃外層鈍感含能材料，將含能材料爆轟波和金屬絲電爆炸沖擊波耦合從而提升單次作業負載所能產生的沖擊波能量。但是出于安全性考慮，所采用的鈍感含能材料往往不含有危險品條目中的爆炸物，常見的配方為包含硝基甲烷、鋁粉、金屬氧化物的混合物。目前來說，點燃鈍感含能材料所需單次輸入能量仍較大，這導致其需要大體積的高壓脈沖電容器儲存能量，質量往往在百公斤以上，給移動、安裝、使用都造成了不便。因此，設計新負載結構以降低單次起爆所需的電容器儲能是亟待解決的關鍵問題，從而實現裝置小型化、輕量化以應對復雜、狹小的作業地形。此外還需要解決以下關鍵問題：負載構型目前使用外回流柱結構，這不僅使得沖擊波致裂巖石的效率降低，同時會在致裂過程中對外回流柱造成損傷，降低設備使用壽命；目前的整體裝置結構無法支持多負載同時爆炸，難以完成定向致裂巖石等工程目標。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中的問題，提供一種內回流式網狀金屬絲陣含能材料負載結構及基于其的便攜式高壓脈沖發生裝置。

第一方面，本發明提供一種便攜式高壓脈沖發生裝置，包括：

裝置外殼，所述裝置外殼內設置有裝置內部絕緣，所述裝置內部絕緣將裝置外殼的內部分隔為兩個獨立且絕緣的腔體；其中一個腔體內設置有高壓電源模塊，另一個腔體內設置有高壓脈沖源模塊；

高壓脈沖源模塊，所述高壓脈沖源模塊的高壓極與高壓電源模塊相連，地電極與裝置外殼均接地；

開關模塊，所述開關模塊與高壓脈沖模塊位于裝置外殼的同一側腔體內，且具有一密閉絕緣的內腔，所述內腔中設置有開關上電極和開關下電極，開關下電極與高壓極相連，開關上電極和開關下電極之間形成放電間隙；所述開關上電極上連接有若干電纜接口相連，用于連接外接電纜傳遞電能；

開關充放氣模塊，所述開關充放氣模塊與開關模塊的內腔相連通，用于向內腔中充氣或排氣，調整內腔氣壓以改變放電間隙的耐受電壓。

進一步的，所述高壓電源模塊包括高壓電源，所述高壓電源上連接有高壓電源控制面板和電源高壓輸出線，高壓電源通過電源高壓輸出線與高壓脈沖源模塊相連。

進一步的，所述高壓脈沖源模塊包括高壓脈沖電容器，高壓極和地電極設置在高壓脈沖電容器一側，所述地電極為2個，分別位于高壓極的兩側，高壓極與地電極之間通過電容絕緣隔離。