一种基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置及其使用方法

本发明涉及岩体爆破，特别是涉及一种基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置及其使用方法。

背景技术：

1、我国煤炭资源储量丰富，在多年的开采过程中，坚硬顶板问题成为了阻碍矿井开采最为重要的因素之一，为了解决此问题，众多专家学者对其进行研究，目前主要的措施有爆破切顶卸压、水力切顶卸压、静力切顶卸压。爆破切顶卸压最为常见，其具有操作简便、施工简单的优点。炸药爆破后，爆生产物和爆轰能量向四周均匀扩散，爆炸压力也随之平均分配，导致有大部分能量耗散在破碎岩体上，因此同样的装药量往往出现破碎区范围广但深度浅的现象，导致炸药爆炸时的能量不能定向释放。并且，炸药爆破审批手续复杂、治安管理严格、噪声较大且会产生二氧化硫、一氧化碳等有毒气体，存在安全隐患。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置及其使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，采用聚能管进行爆破，通过设置聚能槽来重新分配能量，使炸药爆炸时释放的能量沿着设定方向释放，形成高能量流，集中作用在设定方向上产生初始导向裂隙，后续爆炸能量继续驱动该导向裂隙发展直到裂隙互相贯通，从而实现巷道的定向断裂控制爆破，减少采空区侧顶板悬顶长度，以此达到卸压的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置，包括：

3、组合圆盘，所述组合圆盘包括同轴设置的上圆盘和下圆盘，所述上圆盘的侧壁对称开设有两个螺栓槽，所述上圆盘和下圆盘之间贯通设置有液氮管通道、排气管通道和三个电阻管通道；所述上圆盘的顶部位于液氮管通道、排气管通道和电阻管通道的端口处分别安装有液氮管、排气管和电阻管；所述上圆盘的外周套设有环状塑料袋；

4、聚能管，所述环状塑料袋的外周设置有所述聚能管，所述聚能管为对称设置的两个半圆筒形式的聚能结构，所述聚能结构包括底盘和半圆筒侧壁，半圆筒侧壁装配在底盘的顶部，所述半圆筒侧壁的内壁与底盘的内壁在同一个圆柱面，所述半圆筒侧壁的外径小于底盘的外径；所述半圆筒侧壁的上部和下部分别开设有径向的内凹槽，内凹槽内布置有环状铁丝，通过环状铁丝将两个半圆筒部分结合；

5、固定盘，所述固定盘装配在所述聚能管的顶部，所述固定盘的底部开设有环状凹槽，两个所述聚能结构的顶部嵌套在所述环状凹槽内；

6、堵塞加充液氮系统，所述堵塞加充液氮系统包括风压输送桶、堵塞管、连接管、充液总管、液氮罐和电阻管导线，风压输送桶通过连接管与液氮罐相连，所述液氮罐的出口端连接充液总管，所述风压输送桶的另一侧还连接有所述堵塞管；将各电阻管的电阻管导线相互连接，液氮管也连至充液总管上，排气管末端安装氮气浓度分析仪。

7、优选地，所述下圆盘的底面直径为100mm，下圆盘的高度为15mm；所述上圆盘的底面直径为80mm，上圆盘的高度为15mm，上圆盘和下圆盘的中心在同一条垂线上。

8、优选地，所述上圆盘的侧壁中心有一对直径5mm，深度5mm的螺栓槽；所述环状塑料袋的侧壁设有一对关于底面圆心对称的螺栓通道，所述螺栓通道和螺纹槽的位置相对应；底盘的侧壁中央设有一个螺栓，螺栓用于顺次穿过螺栓通道和螺纹槽。

9、优选地，所述液氮管通道的直径为10mm；所述上圆盘的边缘处设有直径为10mm的排气管通道；三个所述电阻管通道呈正三角形分布在所述上圆盘上，且三个电阻管通道所在的正三角形的中心为上圆盘的顶面中心；所述电阻管通道分为两段，顶部段直径为20mm，高10mm；底部段直径为2mm并向下贯穿所述下圆盘。

10、优选地，所述底盘为外径100mm，内径80mm的半环形结构，所述底盘的高度为15mm；所述半圆筒侧壁的底面为外径90mm，内径80mm的半环形结构。

11、优选地，所述固定盘的直径为100mm，高度为15mm。

12、优选地，所述环状铁丝的直径为3mm，所述环状铁丝的轴向设置三处铁丝强化端。

13、本发明还提供一种基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置的使用方法，应用于上述的基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置，包括以下步骤：

14、首先在上圆盘安装电阻管、排气管和液氮管，环状塑料袋套入到上圆盘上，使得环状塑料袋的螺栓通孔和上圆盘的螺栓槽对齐，然后将聚能结构的螺栓对准上圆盘的螺栓槽，拧紧螺栓，使得聚能结构紧贴上圆盘且两个聚能结构之间形成两条竖向的切缝；

15、后将顶部凸出的环状塑料袋向四周掰到聚能管的侧壁上，将聚能结构顶部卡入固定盘的环状凹槽中；随后在聚能结构铁丝凹槽中放入铁丝，铁丝从凹槽中的任一点开始缠绕并且预留长度，环绕120°后向外凸出一段长度，形成双层铁丝结构，然后对此处进行旋转，然后继续环绕120°后向外凸出一段长度，形成双层铁丝结构，然后对此处进行旋转，最后回来原点时也预留长度，两段预留长度再进行旋转最后共形成三个强化端；

16、然后用铁棍将爆破切顶卸压装置捅至炮孔顶部，在上升过程中铁丝强化端向下弯曲，形成倒滑刺，爆破切顶卸压装置到达顶部后，铁丝强化端与炮孔侧壁之间的摩擦力使得装置不会下滑；然后将电阻管的导线相互连接，液氮管也连至充液总管上，排气管末端安装氮气浓度分析仪，起初关闭连接管阀门、堵塞管阀门，将堵塞管插入炮孔中，在风压输送桶中放入黄泥颗粒，然后进行加压，打开堵塞管阀门，依靠高压把黄泥颗粒打入炮孔中实现封堵的效果；堵塞完成后，对风压输送桶卸压，后关闭堵塞管阀门，对风压输送桶加压，打开连接管阀门、充液总管阀门和液氮管阀门，使得液氮罐中的推送盘在压力的作用下将液氮从液氮罐中挤出进入充液总管后进入炮孔中的爆破切顶卸压装置中，观察氮气浓度分析仪，待氮气浓度分析仪中的氮气体积分数保持在水平稳定后，充液完毕，依次关闭液氮管阀门、充液总管阀门、连接管阀门，对风压输送桶卸压；后在每根液氮管阀门和充液总管间剪断管子，将堵塞加充液氮系统搬离至安全范围，然后将电阻管导线引到安全区域后连接上电阻管启动装置；待工作人员都到达安全区域后，打开电阻管启动装置，使得电阻管的温度迅速升温，然后向周围的液氮传递热量，液氮吸收热量相变膨胀破岩实现切顶卸压的目的。

17、本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

18、本发明的基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置及其使用方法，装置部分包括组合圆盘、聚能管、固定盘和堵塞加充液氮系统，在上圆盘安装电阻管、排气管和液氮管，环状塑料袋套入到上圆盘上，两个聚能结构之间形成两条竖向的切缝；顶部凸出的环状塑料袋向四周掰到聚能管的侧壁上，聚能结构顶部卡入固定盘的环状凹槽中；内凹槽中缠绕有环状铁丝。用铁棍将爆破切顶卸压装置捅至炮孔顶部，先依靠高压把黄泥颗粒打入炮孔中实现封堵的效果；堵塞完成后，再对液氮管充液，充液完毕后将堵塞加充液氮系统搬离，然后将电阻管导线引到安全区域后连接上电阻管启动装置；打开电阻管启动装置，使得电阻管的温度迅速升温，然后向周围的液氮传递热量，液氮吸收热量相变膨胀破岩实现切顶卸压的目的。

技术特征：

1.一种基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置，其特征在于：所述下圆盘的底面直径为100mm，下圆盘的高度为15mm；所述上圆盘的底面直径为80mm，上圆盘的高度为15mm，上圆盘和下圆盘的中心在同一条垂线上。

3.根据权利要求1所述的基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置，其特征在于：所述上圆盘的侧壁中心有一对直径5mm，深度5mm的螺栓槽；所述环状塑料袋的侧壁设有一对关于底面圆心对称的螺栓通道，所述螺栓通道和螺纹槽的位置相对应；底盘的侧壁中央设有一个螺栓，螺栓用于顺次穿过螺栓通道和螺纹槽。

4.根据权利要求1所述的基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置，其特征在于：所述液氮管通道的直径为10mm；所述上圆盘的边缘处设有直径为10mm的排气管通道；三个所述电阻管通道呈正三角形分布在所述上圆盘上，且三个电阻管通道所在的正三角形的中心为上圆盘的顶面中心；所述电阻管通道分为两段，顶部段直径为20mm，高10mm；底部段直径为2mm并向下贯穿所述下圆盘。

5.根据权利要求1所述的基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置，其特征在于：所述底盘为外径100mm，内径80mm的半环形结构，所述底盘的高度为15mm；所述半圆筒侧壁的底面为外径90mm，内径80mm的半环形结构。

6.根据权利要求1所述的基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置，其特征在于：所述固定盘的直径为100mm，高度为15mm。

7.根据权利要求1所述的基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置，其特征在于：所述环状铁丝的直径为3mm，所述环状铁丝的轴向设置三处铁丝强化端。

8.一种基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置的使用方法，应用于权利要求1-7中任一项所述的基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开一种基于液氮相变膨胀的爆破切顶卸压装置及其使用方法，装置部分包括组合圆盘、聚能管、固定盘和堵塞加充液氮系统，在上圆盘安装电阻管、排气管和液氮管，环状塑料袋套入到上圆盘上，两个聚能结构之间形成两条竖向的切缝；聚能结构顶部卡入固定盘的环状凹槽中；内凹槽中缠绕有环状铁丝。用铁棍将爆破切顶卸压装置捅至炮孔顶部，先依靠高压把黄泥颗粒打入炮孔中实现封堵的效果；堵塞完成后，再对液氮管充液，充液完毕后将堵塞加充液氮系统搬离，然后将电阻管导线引到安全区域后连接上电阻管启动装置；打开电阻管启动装置，使得电阻管的温度迅速升温，然后向周围的液氮传递热量，液氮吸收热量相变膨胀破岩实现切顶卸压的目的。技术研发人员：王雁冰,王健龙,郝宪杰,朱现磊,杨柳,邹宝平,雷振受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）技术研发日：技术公布日：2024/6/20