一种采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置及其施工方法

1.本发明涉及打桩破岩技术领域，尤其涉及一种采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置及其施工方法。


背景技术：

2.打桩工作广泛存在于在桥梁、建筑等领域，主要是为使地面建筑物的基础能够深入地下，保证有足够的岩土强度来支撑建筑压力。然而，当在打桩过程中碰到坚硬岩石的时候，如果使用普通打桩机继续作业，可能会增加工作时长且易对机械造成严重损坏。同时，加大机械打桩力度的同时也极易对非目标破碎区的岩土造成松动破坏，影响工程质量和效率。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置及其施工方法，将高压电脉冲技术破碎能量大且可控的优点与打桩机半圆形设计相结合，形成了一种定向电脉冲爆破的基本装置。
4.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
5.本发明一种采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，包括装置壳体，所述装置壳体上设置有高压电脉冲组件、换丝组件、液态炸药注液组件和绝缘材料四大部分；所述绝缘材料填充于所述装置壳体的内腔中，装置壳体的中部靠外侧嵌装有密封橡胶圈，所述高压电脉冲组件、换丝组件、液态炸药注液组件上的部分零件偏置于所述装置壳体的内部；所述液态炸药注液组件将液态混合炸药注入待爆破孔内，且注入的所述液态混合炸药位于所述密封橡胶圈以下。
6.进一步的，所述高压电脉冲组件包括外置的高压电脉冲发生器、正电极针、负电极针和高压电源开关，所述高压电脉冲发生器位于所述装置壳体的外部，所述高压电源开关安装在所述高压电脉冲发生器上，所述高压电脉冲发生器通过绝缘导线与位于装置壳体内部的正电极针、负电极针连接，所述正电极针、负电极针的轴心位于同一条直线上且分别连接在所述装置壳体的上下端面的内侧。
7.进一步的，所述换丝组件包括换丝旋钮和金属丝匣，所述换丝旋钮位于所述装置壳体的外部端面上，所述换丝旋钮通过绝缘杆与位于装置壳体内部的所述金属丝匣连接；所述正电极针与所述金属丝匣的上端面接触，所述负电极针与所述金属丝匣的下端面接触，且工作时所述正电极针、负电极针与所述金属丝匣内的其中一对电极针头相接触；旋转所述换丝旋钮通过绝缘杆带动所述金属丝匣以绝缘杆的轴线为中心进行旋转，从而带动电极针头位置发生改变。
8.进一步的，所述液态炸药注液组件包括外置的注液泵，所述注液泵通过注液管与注液通道的外端口连通，所述注液管上设置有防爆注液阀门，所述注液通道设置在所述绝缘杆的中心且从上向下贯穿，所述绝缘杆的底端贯穿所述金属丝匣与所述装置壳体的底面
抵接，所述绝缘杆位于所述金属丝匣内的侧壁上开设有注液出口；所述注液泵内的液态混合炸药通过注液通道注入到待爆破孔内。
9.进一步的，所述金属丝匣呈圆柱状，包括金属丝匣壳体，所述金属丝匣壳体的上顶面和下底面对称布置有数对电极针头，上下两个对应的任意一对电极针头之间通过金属丝连接。
10.进一步的，所述绝缘杆贯穿连接在所述金属丝匣的中心，数对所述电极针头呈圆周均布在所述金属丝匣内，所述金属丝的数量与所述电极针头的对数相同且一一对应。
11.进一步的，所述绝缘杆和金属丝匣壳体均采用绝缘材料制作而成。
12.进一步的，所述装置壳体的外形包括圆形上部和扇形下部，所述扇形下部覆盖范围的角度为＞0
°
且＜360
°
；所述换丝旋钮、绝缘杆、金属丝匣偏置于所述装置壳体内。
13.一种采用如上所述的采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置的施工方法，具体包括以下步骤：
14.步骤一、待爆破孔的加工，采用常规手段通过钻机将待爆破孔钻出，待爆破孔的直径应大于所述装置壳体的外直径，打孔的数量和位置根据设计图纸确定；
15.步骤二、孔内定向碎石装置的安装，首先通过绝缘导线、注液管将高压电脉冲发生器、注液泵于装置壳体的对应位置连接在一起，再将组装好的多个装置推进到待爆破孔内，安装完成后所述密封橡胶圈的外周与待爆破孔的内壁紧密贴合密封完好；
16.步骤三、注液作业，打开防爆注液阀门，由注液泵通过注液管、注液通道向密封橡胶圈以下部分注入液态混合炸药；
17.步骤四、通电爆破，启动高压电脉冲发生器进行充电，充电至预至电压后关闭高压电源开关，通过正电极针和负电极针导电至连接的电极针头引起金属丝电爆炸，从而促使液态混合炸药爆炸；
18.步骤五、换丝作业，放电结束后，旋转换丝拨钮将未使用的金属丝依次旋入正电极与负电极针之间；
19.然后，重复步骤三、四、五，持续爆破增强效果，直到破岩作业完成。
20.与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
21.本发明一种采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，主要配合打桩机使用，根据实际需要在打桩机打孔之前，对于特殊岩石区域进行预先爆破作业；
22.1)本发明将装置壳体的下半部设置为扇形下部，通过密封橡胶圈封闭扇形下部以限制爆炸能量，保护不属于目标爆破范围的岩土。同时，与扇形下部对应的开口侧将爆破能量集中于目标爆破范围的岩土，实现了定向爆破的同时最大程度地提高了能量的利用率，增强了爆破目的性和有效性。
23.2)本发明可在每次放电之后，通过旋转换丝旋钮将未使用的金属丝旋入正电极针与负电极针之间的爆破位。因此，只需安装一次该装置，便可重复多次爆破，且金属丝匣中可安装金属丝的数量也可根据实际情况设定，极大地简化了作业程序，减少了工作量，提升了破岩效果。同时，未旋入爆破位的金属丝因为无法导通电流，起到了安全锁位的作用。
24.3)本发明所使用的液态混合炸药的特点是将液态炸药与金属粉相混合，在高压电脉冲放电后，金属丝电爆破形成放电通道，金属粉迅速导电同时引爆液体炸药形成二次爆破，在这一过程中，金属粉被爆轰波驱入岩土缝隙中广泛分布，增强了后续放电爆破的导电
性，提高爆破效果。
25.总的来说，本发明将高压电脉冲技术破碎能量大且可控的优点与装置壳体造型相结合，形成了一种定向电脉冲爆破的基本装置；布局紧凑，使用方法简单、性能可靠、便于维护,采用扇形下部造型实现定向破岩，通过高压电脉冲爆破金属丝并引发液态混合炸药的二次爆炸提升破岩效果，且可以通过调节储存电能和注入炸药量，能够精确控制爆破能量，巧妙地加装金属丝匣，快捷实现一次安装，可连续多次实施放电爆破，十分有利于解决打桩过程中遇到的硬岩难破或无法破，损坏机器等难题，具有广泛的工程应用前景。
附图说明
26.下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
27.图1为本发明采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置示意图；
28.图2为本发明打桩机的正向截面示意图；
29.图3为本发明打桩机的侧向截面示意图；
30.图4为本发明金属丝匣的放大图；
31.图5为本发明打桩机的俯视图；
32.图6为本发明金属丝匣的俯视图；
33.图7为本发明使用状态示意图；
34.附图标记说明：1、换丝旋钮；2、绝缘杆；3、正电极针；4、金属丝匣；5、电极针头；6、负电极针；7、金属丝；8、密封橡胶圈；9、绝缘材料；10、注液通道；11、绝缘导线；12、高压电脉冲发生器；13、高压电源开关；14、液态混合炸药；15、防爆注液阀门；16、注液管；17、注液泵；18、装置壳体；
35.7-1、第一金属丝；7-2、第二金属丝；7-3、第三金属丝。
具体实施方式
36.如图1-7所示，一种采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，包括装置壳体18，所述装置壳体18上设置有高压电脉冲组件、换丝组件、液态炸药注液组件和绝缘材料9四大部分；所述绝缘材料9填充于所述装置壳体18的内腔中，装置壳体18的中部靠外侧嵌装有密封橡胶圈8，所述高压电脉冲组件、换丝组件、液态炸药注液组件上的部分零件偏置于所述装置壳体18的内部；所述液态炸药注液组件将液态混合炸药14注入待爆破孔内，且注入的所述液态混合炸药14位于所述密封橡胶圈8以下。
37.具体的，所注入的液态混合炸药14指液态炸药(包括但不仅限于硝酸nfda4水合肼)与金属粉(包括但不仅限于铜粉、铝粉)的混合物。在高压电脉冲放电后，金属丝电爆破形成放电通道，金属粉迅速导电同时引爆液体炸药形成二次爆破，在这一过程中，金属粉被爆轰波驱入岩土缝隙中广泛分布，增强了后续放电爆破的导电性，提高爆破效果。
38.具体的，所述高压电脉冲组件包括外置的高压电脉冲发生器12、正电极针3、负电极针6和高压电源开关13，所述高压电脉冲发生器12位于所述装置壳体18的外部，所述高压电源开关13安装在所述高压电脉冲发生器12上，所述高压电脉冲发生器12通过绝缘导线11与位于装置壳体18内部的正电极针3、负电极针6连接，所述正电极针3、负电极针6的轴心位于同一条直线上且分别连接在所述装置壳体18的上下端面的内侧。
39.具体的，所述换丝组件包括换丝旋钮1和金属丝匣4，所述换丝旋钮1位于所述装置壳体18的外部端面上，所述换丝旋钮1通过绝缘杆2与位于装置壳体18内部的所述金属丝匣4连接，换丝旋钮1通过粘结或螺纹连接在绝缘杆2的顶部；所述正电极针3与所述金属丝匣4的上端面接触，所述负电极针6与所述金属丝匣4的下端面接触，且工作时所述正电极针3、负电极针6与所述金属丝匣4内的其中一对电极针头5相接触；换丝旋钮1、绝缘杆2和金属丝匣4连接为一体，旋转所述换丝旋钮1通过绝缘杆2带动所述金属丝匣4以绝缘杆2的轴线为中心进行旋转，从而带动电极针头5位置发生改变。
40.所述液态炸药注液组件包括外置的注液泵17，所述注液泵17通过注液管16与注液通道10的外端口连通，所述注液管16上设置有防爆注液阀门15，所述注液通道10设置在所述绝缘杆2的中心且从上向下贯穿，所述绝缘杆2的底端贯穿所述金属丝匣4与所述装置壳体18的底面抵接，所述绝缘杆2位于所述金属丝匣4内的侧壁上开设有注液出口；所述注液泵17内的液态混合炸药14通过注液通道10注入到待爆破孔内。
41.如图4-6所示，所述金属丝匣4呈圆柱状，包括金属丝匣壳体，所述金属丝匣壳体的上顶面和下底面对称布置有数对电极针头5，上下两个对应的任意一对电极针头5之间通过金属丝7连接；金属丝匣4制作时将电极针头5和金属丝7作为嵌件放置到模具中，采用注塑成型。具体的，所述绝缘杆2贯穿连接在所述金属丝匣4的中心，数对所述电极针头5呈圆周均布在所述金属丝匣4内，所述金属丝7的数量与所述电极针头5的对数相同且一一对应。所述绝缘杆2和金属丝匣壳体均采用绝缘材料制作而成。具体的，当设置有三对电极针头5时，金属丝7同样设置有三根，分别时第一金属丝7-1、第二金属丝7-2和第三金属丝7-3，第一次爆破时，将第一金属丝7-1对应的电极针头5与正电极针3、负电极针6对齐连接；通电爆破后，第一金属丝7-1爆炸破碎，再通过旋转换丝旋钮1将未使用的两根金属丝，依次旋入正电极针3与负电极针6之间，完成连续爆破。金属丝匣4上可安装金属丝7的数量视情况而定，在每次布置打桩机时，都可以重复爆破多个金属丝。
42.如图3、4所示，所述装置壳体18的外形包括圆形上部和扇形下部，所述扇形下部覆盖范围的角度为＞0
°
且＜360
°
；所述换丝旋钮1、绝缘杆2、金属丝匣4偏置于所述装置壳体18内，具体的，装置壳体18上扇形下部位于密封圈以下，该部分设计为一定角度的扇形保护壳，其余角度为开放结构，用于液态混合炸药14的填充。如图6所示，扇形下部设置的角度为180
°
，即左侧设置为具有保护功能的扇形下部，右侧设置设置为开口侧，实现液态混合炸药14的填充，且便于实现定向爆破。所述装置壳体18的分段设置，封闭的圆形上部可以限制爆炸能量，保护井筒壁面；开放的扇形下部将爆破能量集中于目标爆破范围的岩石。
43.如图7所示，一种采用如上所述的采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置的施工方法，具体包括以下步骤：首先，将该孔内定向碎石装置安装到打桩机的指定位置上，将本装置布置于预破碎岩石上，破碎范围中心点装置的开口设计可依据环绕其布置的其他装置的位置而定，应使两装置的爆炸能量相向传输。一个爆破范围内可安装多个装置，对装置的开口有所限定，以起到引导能量传递方向的作用；
44.步骤一、待爆破孔的加工，采用常规手段通过钻机将待爆破孔钻出，待爆破孔的直径应大于所述装置壳体18的外直径，打孔的数量和位置根据设计图纸确定；
45.步骤二、孔内定向碎石装置的安装，首先通过绝缘导线11、注液管16将高压电脉冲发生器12、注液泵17于装置壳体的对应位置连接在一起，再将组装好的多个装置推进到待
爆破孔内，安装完成后所述密封橡胶圈8的外周与待爆破孔的内壁紧密贴合密封完好；
46.步骤三、注液作业，打开防爆注液阀门15，由注液泵17通过注液管16、注液通道10向密封橡胶圈8以下部分注入液态混合炸药14；
47.步骤四、通电爆破，启动高压电脉冲发生器12进行充电，充电至预定电压后关闭高压电源开关13，通过正电极针3和负电极针6导电至连接的电极针头5引起金属丝7电爆炸，从而促使液态混合炸药14爆炸；
48.步骤五、换丝作业，放电结束后，旋转换丝拨钮1将未使用的金属丝7依次旋入正电极3与负电极针6之间；然后，重复步骤三、四、五，持续爆破增强效果，直到破岩作业完成。
49.使用时，高压电脉冲发生器12产生高压电通过绝缘导线11传输到正电极针3和负电极针6，由于外加电场的作用，金属丝7产生电爆炸形成等离子通道。强大的冲击电流在极短时间内注入到离子通道内，通道内能量密度、压力和温度瞬间上升，与周围液态混合炸药14之间形成巨大的压力梯度和温度梯度，在这种膨胀势能和热辐射压力能的共同作用下，等离子通道以102～103m/s的速度向外膨胀，进而形成冲击波。同时金属粉末快速大范围导电导热引起液态炸药爆炸，作用于岩体，达到破碎岩体的目标。
50.具体的，实施爆破作业时，向装置内注液刻度线以下部分注入700l液态混合炸药14；该液态混合炸药14指液态炸药(包括但不仅限于硝酸nfda4水合肼)与金属粉(包括但不仅限于铜粉、铝粉)的混合物；所述高压电脉冲充电预定电压为300-500kv；金属丝7材料为铝丝。具体的用量，根据爆破岩石的特点进行设置。
51.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，其特征在于：包括装置壳体(18)，所述装置壳体(18)上设置有高压电脉冲组件、换丝组件、液态炸药注液组件和绝缘材料(9)四大部分；所述绝缘材料(9)填充于所述装置壳体(18)的内腔中，装置壳体(18)的中部靠外侧嵌装有密封橡胶圈(8)，所述高压电脉冲组件、换丝组件、液态炸药注液组件上的部分零件偏置于所述装置壳体(18)的内部；所述液态炸药注液组件将液态混合炸药(14)注入待爆破孔内，且注入的所述液态混合炸药(14)位于所述密封橡胶圈(8)以下。2.根据权利要求1所述的采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，其特征在于：所述高压电脉冲组件包括外置的高压电脉冲发生器(12)、正电极针(3)、负电极针(6)和高压电源开关(13)，所述高压电脉冲发生器(12)位于所述装置壳体(18)的外部，所述高压电源开关(13)安装在所述高压电脉冲发生器(12)上，所述高压电脉冲发生器(12)通过绝缘导线(11)与位于装置壳体(18)内部的正电极针(3)、负电极针(6)连接，所述正电极针(3)、负电极针(6)的轴心位于同一条直线上且分别连接在所述装置壳体(18)的上下端面的内侧。3.根据权利要求2所述的采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，其特征在于：所述换丝组件包括换丝旋钮(1)和金属丝匣(4)，所述换丝旋钮(1)位于所述装置壳体(18)的外部端面上，所述换丝旋钮(1)通过绝缘杆(2)与位于装置壳体(18)内部的所述金属丝匣(4)连接；所述正电极针(3)与所述金属丝匣(4)的上端面接触，所述负电极针(6)与所述金属丝匣(4)的下端面接触，且工作时所述正电极针(3)、负电极针(6)与所述金属丝匣(4)内的其中一对电极针头(5)相接触；旋转所述换丝旋钮(1)通过绝缘杆(2)带动所述金属丝匣(4)以绝缘杆(2)的轴线为中心进行旋转，从而带动电极针头(5)位置发生改变。4.根据权利要求3所述的采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，其特征在于：所述液态炸药注液组件包括外置的注液泵(17)，所述注液泵(17)通过注液管(16)与注液通道(10)的外端口连通，所述注液管(16)上设置有防爆注液阀门(15)，所述注液通道(10)设置在所述绝缘杆(2)的中心且从上向下贯穿，所述绝缘杆(2)的底端贯穿所述金属丝匣(4)与所述装置壳体(18)的底面抵接，所述绝缘杆(2)位于所述金属丝匣(4)内的侧壁上开设有注液出口；所述注液泵(17)内的液态混合炸药(14)通过注液通道(10)注入到待爆破孔内。5.根据权利要求4所述的采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，其特征在于：所述金属丝匣(4)呈圆柱状，包括金属丝匣壳体，所述金属丝匣壳体的上顶面和下底面对称布置有数对电极针头(5)，上下两个对应的任意一对电极针头(5)之间通过金属丝(7)连接。6.根据权利要求5所述的采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，其特征在于：所述绝缘杆(2)贯穿连接在所述金属丝匣(4)的中心，数对所述电极针头(5)呈圆周均布在所述金属丝匣(4)内，所述金属丝(7)的数量与所述电极针头(5)的对数相同且一一对应。7.根据权利要求6所述的采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，其特征在于：所述绝缘杆(2)和金属丝匣壳体均采用绝缘材料制作而成。8.根据权利要求6所述的采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，其特征在于：所述装置壳体(18)的外形包括圆形上部和扇形下部，所述扇形下部覆盖范围的角度为＞0
°
且＜360
°
；所述换丝旋钮(1)、绝缘杆(2)、金属丝匣(4)偏置于所述装置壳体(18)内。9.一种采用如权利要求1-8任一项所述的采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置的施工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤一、待爆破孔的加工，采用常规手段通过钻机将待爆破孔钻出，待爆破孔的直径应
大于所述装置壳体(18)的外直径，打孔的数量和位置根据设计图纸确定；步骤二、孔内定向碎石装置的安装，首先通过绝缘导线(11)、注液管(16)将高压电脉冲发生器(12)、注液泵(17)于装置壳体的对应位置连接在一起，再将组装好的多个装置推进到待爆破孔内，安装完成后所述密封橡胶圈(8)的外周与待爆破孔的内壁紧密贴合密封完好；步骤三、注液作业，打开防爆注液阀门(15)，由注液泵(17)通过注液管(16)、注液通道(10)向密封橡胶圈(8)以下部分注入液态混合炸药(14)；步骤四、通电爆破，启动高压电脉冲发生器(12)进行充电，充电至预至电压后关闭高压电源开关(13)，通过正电极针(3)和负电极针(6)导电至连接的电极针头(5)引起金属丝(7)电爆炸，从而促使液态混合炸药(14)爆炸；步骤五、换丝作业，放电结束后，旋转换丝拨钮(1)将未使用的金属丝(7)依次旋入正电极(3)与负电极针(6)之间；然后，重复步骤三、四、五，持续爆破增强效果，直到破岩作业完成。

技术总结
本发明公开了一种采用高压电脉冲的孔内定向碎石装置，包括装置壳体，装置壳体上设置有高压电脉冲组件、换丝组件、液态炸药注液组件和绝缘材料，绝缘材料填充于装置壳体的内腔中，装置壳体的中部靠外侧嵌装有密封橡胶圈，高压电脉冲组件、换丝组件、液态炸药注液组件上的部分零件偏置于装置壳体的内部；液态炸药注液组件将液态混合炸药注入待爆破孔内，且注入的液态混合炸药位于密封橡胶圈以下。本发明布局紧凑，使用方法简单、性能可靠、便于维护,采用扇形下部造型实现定向破岩，通过高压电脉冲爆破金属丝并引发液态混合炸药的二次爆炸提升破岩效果，且可以通过调节储存电能和注入炸药量，能够精确控制爆破能量，可连续多次实施放电爆破。施放电爆破。施放电爆破。


技术研发人员：张祥良 倪祯 林柏泉 申建
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2021.12.16
技术公布日：2022/3/8