一种高效静态破岩装置及方法

本发明涉及静态破岩，特别涉及一种高效静态破岩装置及方法。

背景技术：

1、岩质边坡和城市基坑开挖、结构拆除等陆域工程施工过程中，受到场地和外部敏感环境限制，无法使用工业炸药进行钻孔爆破破碎时，采用静态破碎剂进行破岩或拆除作业是目前常用的静态破岩方式之一，虽然没有炸药爆破带来的噪音、冲击波和振动等不利影响，但实践证明其破岩效率受外部环境温度影响较大，一般情况下其膨胀破碎时间在8～48h，低温环境下甚至无法破碎介质。

2、为减弱静态破碎剂受环境温度的影响，建材行业标准jc 506-2008《无声破碎剂》根据使用温度条件分为sca-ⅰ(25℃～40℃)、sca-ⅱ(10℃～30℃)以及sca-ⅲ(-5℃～15℃)三型，分别适用于较高或较低的环境温度条件，但仍然无法完全避免“低温滞死、高温喷孔”常见问题。其次，由于静态破碎剂水化反应产生的膨胀压力有限，sca-ⅰ、sca-ⅱ型优等品静态破碎剂8h(24h)膨胀压对应规定为大于等于30(55)mpa与20(45)mpa，而sca-ⅲ型规定24h(48h)膨胀压大于等于25(35)mpa；而sca-ⅰ、sca-ⅱ型合格品静态破碎剂8h(24h)膨胀压对应规定为大于等于23(48)mpa与16(38)mpa，而sca-ⅲ型规定24h(48h)膨胀压大于等于15(25)mpa。若遇到抗压强度超过60mpa的中硬以上岩石时较难将待破碎介质破裂，低温时尤甚。虽然可以采取缩小孔距等的做法，但施工效率仍受到极大影响。

3、现有技术中，如专利号为：cn2090691296u的一种大孔径高效静态破岩辅助定向装置，由两个半圆管、导向隔板以及锥形堵头组成，其特征为利用静态破碎剂膨胀压力在半圆形钢管和带刃钢板产生的应力集中实现破岩导向作用，但其对解决喷孔作用有限且膨胀压力的释放只能依靠膨胀剂自身的化学反应进行；专利号为：cn209399862u和cn209399860u的专利报道了一种大孔径静态破岩防冲孔装置，包括连接管、底部挡板、侧壁注水孔、橡胶套、上挡板和下挡板等结构，其特征为可实现静态膨胀剂的随时加水冷却以防止静态膨胀剂膨胀引起的冲孔，但其结构复杂且无法实现膨胀压力的导向作用。

4、现有技术中，针对静态破碎技术的改进工作主要集中在：通过电热棒等辅助加热方式以加速静态破碎剂在较低温度时的水化反应速度、采取水介质物理降温与孔口封堵装置等措施以缓解大孔与(或)高温环境条件下静态破碎剂水化反应过程的喷孔问题以及采用三棱柱体、双瓣圆弧形钢模板配合劈裂角等装置引导膨胀压力定向释放等三个方面。现有技术的方法和装置使用效果都一般，并不能同时兼具以上三个功能。

技术实现思路

1、发明的目的在于提供一种高效静态破岩装置及方法，解决了现有技术的方法和装置使用效果都一般，并不能同时兼具以上三个功能的问题。

2、本发明是这样实现的，一种高效静态破岩装置，用于插入钻孔进行破岩，包括膨胀压力导向自锚杆件、堵孔排气保压管体、管体与钻孔孔口环向间隙密封件以及限压阀组件。膨胀压力导向自锚杆件置于钻孔内，所述膨胀压力导向自锚杆件在水平截面上包括长轴和短轴并设有用于与自蔓延加热体尺寸相适配的轴向沟槽；所述轴向沟槽用于放置自蔓延加热体且嗣后点火加热静态破碎剂的；所述膨胀压力导向自锚杆件与钻孔之间形成用于容纳静态破碎剂的容置空间，所述堵孔排气保压管体一端与膨胀压力导向自锚杆件连接，另一端设有限压阀组件；所述管体一端与钻孔连接，另一端设有限压阀组件；所述管体与钻孔通过密封件密封连接。

3、本发明中，在膨胀压力导向自锚杆件与钻孔间隙内注入静态破碎剂料浆，静态破碎剂在膨胀压力导向自锚杆件外周与钻孔之间膨胀，静态破碎剂水化反应产生的膨胀压力因膨胀压力导向自锚杆件的存在，使得其径向膨胀压力在长短轴上产生显著差异而在特定方向产生拉应力集中现象，从而达到定向致裂效果，这种定向致裂的方式相对现有的技术操作简单，而且结构也简单；膨胀压力导向自锚杆件与钻孔之间的静态破碎剂如果以现有的技术等待其发生自然水化反应，效率低而且受温度的影响可能存在无法反应的情况，从而影响破岩效果。本发明中通过压力导向自锚杆件中装填的自蔓延加热体对静态破碎剂料浆实行嗣后点火加热，从而避免静态破碎剂反应受环境温度限制的问题，可使得静态破碎剂膨胀压突变性增长进而实现高效静态破岩；堵孔排气保压管体与钻孔的孔口壁通过密封件使得钻孔处于密封状态，同时管体一端与伸入钻孔内的压力导向自锚杆件连接，管体另一端设有可活动拔插的限压阀，实现了高压锅式的保温保压工作模式，钻孔处于密闭封堵空间内，水的沸点可提高到100℃以上，有效地抑制了静态破碎剂料浆水化反应过程中游离水的汽化，从根源上控制了静态破碎剂料浆的冲孔问题。综上，本发明的装置可实现静态破碎剂加热进行高效静态破岩，还具有定向致裂与自锚锁紧防喷孔功能，适用于静态破岩领域。

4、本发明的进一步技术方案是：所述堵孔排气保压管体一端与限压阀组件连接，而另一端与膨胀压力导向自锚杆件连接，所述膨胀压力导向自锚杆件上设有用于放置自蔓延加热体的轴向沟槽。

5、堵孔排气保压管体与膨胀压力导向自锚杆件连接并露出孔口，在使用时方便定位。在管体与膨胀压力导向自锚杆件连接时，为了保证管体与钻孔连通且便于点火装置连接线引出，通过可放置自蔓延加热体的轴向沟槽实现连通。

6、本发明的进一步技术方案是：所述限压阀浮子可沿管体顶端的限压阀排气杆上下运动用于保压和泄压。

7、当钻孔内的蒸汽压力大于一定值时，限压阀浮子会上下运动进行泄压，当压力小于一定值时，限压阀浮子在重力的作用下进行保压，通过限压阀组件与管体的孔口密封实现高压锅保压工作原理，使得静态破碎剂料浆水化反应中游离水的沸点高于100℃，从根源上防止静态破碎剂水化反应过程中的喷孔问题。

8、本发明的进一步技术方案是：所述膨胀压力导向自锚杆件设有用于容纳所述自蔓延加热体的轴向沟槽，所述轴向沟槽内设有用于点燃所述自蔓延加热体的点燃装置。

9、将自蔓延加热体设置在膨胀压力导向自锚杆件的轴向沟槽内用于实现沿钻孔全长嗣后加热静态破碎剂料浆，方便自蔓延加热体安装与固定，且减少对静态破碎剂料浆的容置空间占用与膨胀压损失，整体结构更加完整美观。

10、本发明的进一步技术方案是：所述自蔓延加热体点燃装置可定时自动触发或者与控制器通讯连接触发。

11、可通过在自蔓延加热体点燃装置联接网络上设置定时器，使得加热体点燃装置到了设定时间自动点燃自蔓延加热体，方便快捷；或者通过控制器控制加热体点燃装置触发，操作性强，灵活度高。

12、本发明的进一步技术方案是：所述膨胀压力导向自锚杆件外周设有环向浅凹槽。膨胀压力导向自锚杆件外周的环向浅凹槽有利于增加膨胀压力导向自锚杆件与静态破碎剂固结体以及孔壁的摩擦力，实现膨胀压力导向自锚杆件的自锚功能，并减少喷孔的可能性。

13、本发明的进一步技术方案是：所述孔口密封件为中心设有通孔的圆台状橡胶结构。

14、孔口密封件为中空圆台，具有一定的弹性和耐热性，套在堵孔排气保压管体上，用于居中固定管体并与钻孔内壁形成孔口密封保压锁紧防喷孔结构，堵孔排气保压管体与限压阀组件用于实现孔内水蒸气的保压。

15、本发明的进一步技术方案是：所述高效静态破岩装置还包括用于膨胀压力导向自锚杆件孔底居中定位的圆盘。

16、膨胀压力导向自锚杆件在底部的中间位置设置一个带有内螺纹的孔，用于加装大直径钻孔静态破碎时的孔底居中定位圆盘。

17、本发明还提供一种静态破岩方法，所述静态破岩方法基于所述的高效静态破岩装置，所述方法为：将膨胀压力导向自锚杆件放入钻孔内，在膨胀压力导向自锚杆件与钻孔之间灌入静态破碎剂并振动捣实，静态破碎剂反应一定时间并达到设定的初期固结体强度后，点燃自蔓延加热体，静态破碎剂产生的膨胀压力在膨胀压力导向自锚杆件的作用下出现重分布而导致拉应力向特定方向集中，进而实现定向增效破岩；同时钻孔上部空间内的水蒸汽使得限压阀浮子沿限压阀排气杆上下运动用于保压和泄压，有效抑制喷孔问题。

18、本发明的进一步技术方案是：所述静态破碎剂料浆为普通静态破碎剂原料与水混合，当静态破碎剂初期固结体的单轴抗压强度达到设定值时，开始通过点火装置引燃自蔓延加热体。

19、孔内静态破碎剂料浆硬化后的初期固结体达到600kpa单轴抗压强度时，即可使用点火装置引燃膨胀压力导向自锚杆件轴向沟槽内的自蔓延加热体引燃段以实现孔内全长加热。其实质就是为了避免孔内静态破碎剂料浆硬化强度不够而导致自蔓延加热体高温加热时可能出现的严重喷孔问题。

20、本发明的有益效果：本发明中，在膨胀压力导向自锚杆件与钻孔内注入静态破碎剂，静态破碎剂在膨胀压力导向自锚杆件外周与钻孔之间膨胀，静态破碎剂水化反应产生的膨胀压力因膨胀压力导向自锚杆件的存在使得径向膨胀压力在长短轴上产生显著差异而在特定方向产生拉应力集中现象，从而达到定向致裂效果，这种定向致裂的方式相对现有的操作简单，而且结构也简单；膨胀压力导向自锚杆件与钻孔之间的静态破碎剂如果以现有的技术等着其进行自然水化反应，效率低而且受温度的影响可能存在无法反应的情况，从而影响破岩效果。本发明中通过自蔓延加热体对静态破碎剂料浆进行加热，避免了静态破碎剂反应受环境温度影响的问题，可顺利并高效地进行静态破岩；堵孔排气保压管体与钻孔孔口通过密封件使得钻孔上部空间处于密闭状态，同时管体一端伸入钻孔内使得管体与钻孔上部空间连通，管体另一端设有可活动插拔的限压阀组件，实现了高压锅式的保温保压工作模式，钻孔处于密闭封堵空间内，水的沸点将提高到100℃以上，有效控制了静态破碎剂料浆水化反应过程中游离水的汽化，从根源上控制了静态破碎剂料浆的冲孔问题。综上，本发明的装置可实现静态破碎剂嗣后点火加热进行高效静态破岩，还具有定向致裂与自锚锁紧防喷孔功能，适用于静态破岩领域。

21、本发明可通过嗣后(亦即静态破碎剂初期固结体达到设定强度后)点燃固相自蔓延加热体系实现孔内全长加热以加速静态破碎剂的水化反应速度、瞬时提高膨胀压力进而实现高效破岩；通过限压阀组件与堵孔排气保压管体的配合实现高压锅保压工作原理，使得静态破碎剂料浆水化反应中游离水的沸点高于100℃，从根源上防止静态破碎剂水化反应过程中的喷孔问题。与此同时，通过兼具容纳自蔓燃发热体的孔内膨胀压力导向自锚杆件可实现膨胀压力的定向释放。本发明可在点燃自蔓延发热体后的短时间内瞬时提高静态破碎剂水化反应所产生的膨胀压力量值，进一步通过解决喷孔问题极大地缩短施工等待时间，同时通过膨胀压力的定向释放增大了钻孔孔距，提高静态破岩施工工效。

技术特征：

1.一种高效静态破岩装置，用于插入钻孔内进行破岩，其特征在于，包括膨胀压力导向自锚杆件(6)、堵孔排气保压管体(3)、管体与钻孔孔口间隙密封件(4)以及限压阀组件，膨胀压力导向自锚杆件(6)通过孔底端对中定位环片(9)居中置于钻孔内，所述膨胀压力导向自锚杆件(6)在水平截面上包括长轴和短轴并设有用于与自蔓延加热体尺寸相适配的轴向沟槽(5’)；所述膨胀压力导向自锚杆件(6)与钻孔之间形成用于容纳静态破碎剂(7)的容置空间，所述轴向沟槽(5’)用于放置嗣后点火加热静态破碎剂(7)的自蔓延加热体(5)；所述自蔓延加热体(5)采用点火装置(8)嗣后点燃；所述管体(3)一端与膨胀压力导向自锚杆件(6)连接，另一端设有限压阀浮子(1)与限压阀排气杆(2)，管体(3)与钻孔通过密封件(4)密封连接。

2.根据权利要求1所述的一种静态破岩装置，其特征在于，所述管体(3)一端与限压阀组件连接，另一端与膨胀压力导向自锚杆件(6)连接，所述膨胀压力导向自锚杆件(6)上设有用于放置嗣后点火加热静态破碎剂(7)的自蔓延加热体(5)的轴向沟槽(5’)。

3.根据权利要求1或2所述的一种静态破岩装置，其特征在于，所述限压阀浮子(1)可沿固定于管体(3)顶端的限压阀排气杆(2)上下运动用于保压和泄压。

4.根据权利要求1或2所述的一种静态破岩装置，其特征在于，所述膨胀压力导向自锚杆件(6)设有用于容纳所述自蔓延加热体(5)的轴向沟槽(5’)，所述轴向沟槽(5’)内的自蔓延加热体(5)端部设有用于点燃所述自蔓延加热体(5)的点火装置(8)。

5.根据权利要求4所述的一种静态破岩装置，其特征在于，所述点火装置(8)，可定时自动启动或者与点火控制器通讯连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种静态破岩装置，其特征在于，所述膨胀压力导向自锚杆件(6)设有轴向沟槽(5’)内嵌自蔓延加热体(5)、底端部对中定位圆盘(9)用于膨胀压力导向自锚杆件(6)的居中及提高其锚固力。

7.根据权利要求1或2所述的一种静态破岩装置，其特征在于，所述密封件(4)为中心设有通孔的圆台状橡胶结构。

8.一种静态破岩方法，其特征在于，所述静态破岩方法基于权利要求1-7中任意一项所述的静态破岩装置，

9.根据权利要求8所述的一种静态破岩方法，其特征在于，所述静态破碎剂为静态破碎剂原料与水混合，当静态破碎剂初凝至单轴抗压强度达到设定值时，开始点燃自蔓延加热体进行嗣后加热。

技术总结
本发明公开了一种高效静态破岩装置及方法，装置包括膨胀压力导向自锚杆件、堵孔排气保压管体、管体与钻孔孔口环向间隙密封件以及限压阀组件。膨胀压力导向自锚杆件置于钻孔内，膨胀压力导向自锚杆件在水平截面上包括长轴和短轴并设有与自蔓延加热体尺寸相适配的轴向沟槽；膨胀压力导向自锚杆件与钻孔之间形成用于容纳静态破碎剂的容置空间；轴向沟槽用于放置嗣后点火加热静态破碎剂的自蔓延加热体；堵孔排气保压管体一端与膨胀压力导向自锚杆件焊接，另一端设有限压阀组件；管体与钻孔之间通过密封件密封连接；本发明装置及方法可实现普通静态破碎剂通过嗣后点火加热进行高效静态破岩，并具有定向致裂与自锚锁紧防喷孔功能。

技术研发人员：张庆彬,徐鸿,陈璐,桂羽彤,蒋志明,戴传毅,陈炎波,张梦园,荆珮琦
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5