[發明專利]一種基于氣泡引導水下放電的聚束沖擊波碎巖裝置及方法

在審

• 申請號: 202211465785.0
• 申請日: 2022-11-22
• 公開（公告）號: CN115930690A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 孫瀅;潘騰;張遠濤;王曉龍;趙彤;鄒亮;劉亞迪;劉晨蕾
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: F42B1/00
• 分類號: F42B1/00;F42B3/04
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 祖之強

本公開提供了一種基于氣泡引導水下放電的聚束沖擊波碎巖裝置及方法，該裝置包括：脈沖電源裝置、儲氣罐和裝置主體，在工作時，需要首先在巖體上打孔，然后將裝置主體放入孔內并通過接地電極固定，在孔內注滿水，打開氣閥，在高壓電極與接地電極之間通入氣泡，形成脈沖電源——高壓電極——氣泡引導——接地電極的放電通路，放電過程中產生極強的沖擊波，并通過橢圓球面聚束罩反射沖擊波來進一步加強沖擊波的威力，達到粉碎巖石的效果。該設備結構簡單，可拆卸，成本低廉，碎巖效果好，可重復利用。

技術領域

涉及巖土工程爆破領域，特別涉及一種基于氣泡引導水下放電的聚束沖擊波碎巖裝置及方法。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關的背景技術，并不必然構成現有技術。

傳統的巖土工程爆破領域主要利用化學炸藥等方法進行碎巖，雖然經過長期研究與探索，炸藥爆破的精準性以及安全性已經得到了顯著提升，但在進行實際操作時仍存在著很大的安全隱患。傳統的炸藥爆破作業有著突出的危險性、不可預見性和技術性等特點，且伴隨著爆破沖擊波、噪音和塵煙等危害，炸藥有效利用率低，碎巖大塊率高。

目前，新興的碎巖方法利用水下放電產生的高能沖擊波進行碎巖。例如采用水下自由擊穿放電結構或水下金屬絲引導擊穿放電結構，但水下自由擊穿放電時間較短，火花放電不穩定；金屬絲引導擊穿放電結構是將金屬絲或箔片至于水中，并通入電流脈沖，金屬絲迅速氣化、電離，呈現爆炸與沖擊波現象。沖擊波的產生依賴于金屬絲的汽化，需要在確保負載完全汽化的前提下，使金屬絲的質量盡可能大，然而，金屬絲尺寸選取需考慮集膚效應、系統絕緣水平、磁流體不穩定性等因素，質量不可能無限制增加。因此，在不改變負載結構的前提下，水中金屬絲電爆炸沖擊波強度存在上限，沖擊波參數調節范圍有限；并且每次在放電完成后都需更換金屬絲，嚴重影響放電效率。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本公開提供了一種基于氣泡引導水下放電的聚束沖擊波碎巖裝置及方法，采用氣泡引導水下火花擊穿放電，由于水和空氣的介電常數不匹配造成氣泡內部場強的再分布與增強，氣泡內部先發生氣體擊穿，進而觸發液體中流注擊穿的發生并在電極之間形成等離子體通道，最后形成完整的水下火花放電；在整個放電過程中，能夠高效地產生高能沖擊波，此時利用橢圓球形聚束罩對沖擊波進行反射，進一步增大沖擊波的幅值與強度，達到良好的碎巖效果。本公開與水下自由擊穿放電結構相比，能夠在更長放電間隙下工作，實現穩定的火花放電；與金屬絲引導擊穿放電的結構相比，不必每次在放電完成后更換金屬絲，沒有金屬污染物產生，可以提高放電頻率。

為了實現上述目的，本公開采用如下技術方案：

本公開第一方面提供了一種基于氣泡引導水下放電的聚束沖擊波碎巖裝置。

一種基于氣泡引導水下放電的聚束沖擊波碎巖裝置，包括：脈沖電源裝置，沖擊波產生裝置，儲氣罐和氣體流量閥；

所述沖擊波產生裝置包括：高壓電極、接地電極和橢圓球形聚束罩；

所述脈沖電源裝置為水下放電提供脈沖電壓，所述沖擊波產生裝置用于產生并釋放高能沖擊波，所述儲氣罐為水下放電提供引導氣泡；

其中，高壓電極和接地電極固定設置在橢圓球形聚束罩上，脈沖電源的輸出端與高壓電極相連，接地電極中央設有進氣孔，通過氣體流量閥與儲氣罐連接，工作時打開氣體流量閥通入氣泡。

作為可選的實施方式，所述引導氣泡通入高壓電極和接地電極之間，形成脈沖電源—高壓電極—引導氣泡—接地電極的放電通路，氣泡被擊穿后觸發液體中流注擊穿，并在電極之間形成等離子體通道，完成水下火花放電，釋放出高能沖擊波。

作為可選的實施方式，所述碎巖裝置采用可拆卸式結構，高壓電極和接地電極設計為同軸結構，使用時將接地電極插入巖體中，固定整個碎巖裝置。