一种煤粉-氧气爆破装置

1.本发明涉及能源开采领域，具体涉及一种煤粉-氧气爆破装置。


背景技术：

2.煤矿在开采时,因为矿内煤层所处地质条件的不同,使得煤层在开采过程中开采工具及开采工艺往往也不尽相同。深层的煤层中富含大量未扩散的瓦斯，一旦煤层结构被破坏，对井下作业的工人生命是巨大的威胁。现有的解决方法是沿煤层开凿深孔并将瓦斯抽出，同时利用深孔作为炮孔填充炸药实现爆破开采。但炸药和雷管的储存运输以及送往井下的安全问题一直是亟需解决的问题。
3.另一方面，根据实际情况钻孔深度一般在几十米到几百米不等，传统装药方法一般采用较长的锚索将长度约50cm的炸药药卷一节一节推入孔底。而锚索十分沉重，施工劳动强度巨大，且装药总长度长，送药次数多，工作效率十分低下。甚至有时由于钻孔的变形或者局部出现塌孔、堵孔等情况，装药难以进行，爆破效果不佳。目前也有人在开发自动装药设备，但工艺依旧不成熟，难以推广使用。因此对于深层煤矿开采爆破，需要新的思路以及工艺去解决这些问题。


技术实现要素：

4.为提高煤矿开采中的安全系数，并解决作业周期长，效率低下等问题，本发明提供了一种煤粉-氧气爆破装置。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种煤粉-氧气爆破装置，包括剩余在钻孔内的细煤粉、布置在钻孔内的气密性及韧性良好的薄膜、通过充气管与薄膜相连的氧气供给装置、以及安装在充气管上的截止阀和减压阀，薄膜尾段内布置点火头、点火头引线延伸至薄膜尾端的膨胀水泥外侧。
7.进一步地，氧气供给装置通过充气管向炮孔内充入高压氧气，利用深层煤层自身的致密性及膨胀水泥实现对整个炮孔内高压氧气的填充，并利用截止阀维持炮孔的密封。
8.进一步地，点火后，细煤粉与高压氧气充分混合，细煤粉比表面积大，在氧气充足且高压环境下会快速反应，形成爆燃乃至爆轰，瞬间放出大量热并生成大量气体，形成的冲击波和爆生气体作用于煤层实现爆破开采。
9.进一步地，基于完全反应的当量比配置细煤粉的质量及高压氧气的充压。
10.进一步地，气密性及韧性良好的薄膜为柔质薄袋；氧气供给装置为高压氧气瓶或制氧车；截止阀为单向阀或止回阀。
11.进一步地，对于多个爆破孔，采用串联方法实现同时充压，同时采用延期装置实现整个爆破网路的延期起爆。
12.本发明具有以下有益效果：
13.(1)大大提高了破岩作业过程中的安全性，避免了炸药的使用，同时对于煤粉来说在炮孔内常压下不会发生爆炸，是十分安全的，哪怕点火装置误触发，而充高压后达到危险
状态时人员已撤离至安全区域；
14.(2)相对于传统炸药爆破，该发明爆破后反应物无残留且产生的有毒有害物质很少；
15.(3)原材料现场取用，以煤炸煤，成本低廉，降低运输储存过程中的危险性与经济开销，同时煤的质量能量密度很高，同等质量下煤的总放热是tnt的4-5倍，同时生成大量气体，非常适宜于煤层的致裂开采；
16.(4)整个操作流程方便快捷，既降低人工劳动强度，又提高了煤炭开采效率。
附图说明
17.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
18.图1为本发明实施例一种煤粉-氧气爆破装置的结构示意图；
19.图中：1-煤层，2-钻孔剩余细煤粉，3-薄膜，4-高压氧气，5-点火头，6-膨胀水泥，7-截止阀，8-减压阀，9-氧气供给装置，10-充气管。
具体实施方式
20.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明；应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
21.如图1所示，本发明实施例的一种煤粉-氧气爆破装置，包括剩余在钻孔内的细煤粉2、布置在钻孔内的柔质薄袋、通过充气管10与柔质薄袋相连的高压氧气瓶或制氧车、以及安装在充气管10上的单向阀或止回阀和减压阀8，柔质薄袋尾段内布置点火头5、点火头5延伸至柔质薄袋尾端的膨胀水泥6外侧，高压氧气瓶或制氧车通过充气管10向柔质薄袋内充入高压氧气4，利用炮孔自身的强约束结合柔质薄袋的气密性以及柔韧性实现对整个炮孔内高压氧气的填充，并利用单向阀或止回阀维持柔质薄袋的密封。本发明具体实施布置时，首先，在煤矿钻孔抽气后在孔内预留一部分细煤粉，并沿钻孔布置一柔质薄袋，柔质薄袋前端密封，尾端布置点火头和充气管，并用膨胀水泥封填；然后在充气管上安装单向阀或止回阀和减压阀8，并将充气管10与氧气罐或制氧车相连；通过单向阀向软管内充入高压氧气；点火，完成爆破。
22.本实施例中，点火后，细煤粉2与高压氧气4充分混合，细煤粉2比表面积大，在氧气充足且高压环境下会快速反应，形成爆燃乃至爆轰，瞬间放出大量热并生成大量气体，形成的冲击波和爆生气体作用于煤层1实现爆破开采，且主要反应为c+o2＝co2。
23.为了提高原材料利用率和爆炸威力，本实施例中，基于完全反应的当量比配置细煤粉2的质量及高压氧气4的充压。
24.值得注意的是，根据现场施工条件，柔质薄袋可用其他气密性及韧性良好的薄膜替代。
25.对于多个爆破孔，可以采用串联方法实现同时充压，同时采用延期装置实现整个爆破网路的延期起爆。
26.本发明的原理在于：
27.1)点火后柔质薄袋破碎，高压氧气与煤粉在炮孔(钻孔)内充分混合，由于细煤粉的比表面积很大，同时高压会使煤粉快速燃烧，以至于在炮孔内形成爆轰，释放大量热并生成大量气体。形成的冲击波使炮孔壁近区煤层被压碎，压碎区以外造成径向裂隙；随后爆生气体产生“气楔作用”，使裂隙进一步延伸和张开，实现破岩。由下公式可确定对于小粒径固体颗粒反应速率与压力正相关。
[0028][0029]
式中，rc为固体的反应速率，k
c’为阿伦尼乌斯速率常数，m
r,mix
为颗粒周围混合气体的质量分数，p为环境压力，vi为气固反应的平衡参数，ru为理想气体常数，ts为固体颗粒温度，ω
o2,s
为固体颗粒表面氧气的摩尔浓度。各参数除压力p和固体颗粒温度ts外，其余各参数对于固体颗粒为可确定常数，所以高压有助于加快气固两相间反应速率。
[0030]
2)利用炮孔自身的强约束结合橡胶管的气密性以及柔韧性实现对整个炮孔内高压氧气的填充。
[0031]
本发明也可用于矿山岩石等的爆破开采，只需提供强约束容器代替孔壁的作用，维持体系内的高压即可。
[0032]
实施例1
[0033]
参考图1，采用1.5mm厚钢筒模拟煤层钻孔的约束条件，钢筒总体积1.6l，管为200mm、内径100mm。装置整体呈圆柱形，内填装180g煤粉，煤粉直径为微米级，填充密度约0.11g/cm3。通过螺纹连接和胶封的方式将点火头和充气管连接在钢筒上，从而形成密闭环境。通过单向阀和减压阀与高压氧气瓶连接。实验时向钢筒内充8mpa工业氧气，纯度为99.9％，单向阀的存在会阻止气体泄露，维持高压状态。通过点火头点火，筒壁被爆炸破碎成直径小于2cm的数十钢片及大量小颗粒铁屑。钢筒的破碎情况说明点火后形成爆炸破碎，而不是气体膨胀撕裂，说明该发明具备可行性。
[0034]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

技术特征：
1.一种煤粉-氧气爆破装置，其特征在于：包括剩余在钻孔内的细煤粉(2)、布置在钻孔内的气密性及韧性良好的薄膜(3)、通过充气管(10)与薄膜(3)相连的氧气供给装置(9)、以及安装在充气管(10)上的截止阀(7)和减压阀(8)，薄膜(3)尾段内布置点火头(5)、点火头(5)引线延伸至薄膜(3)尾端的膨胀水泥(6)外侧。2.如权利要求1所述的一种煤粉-氧气爆破装置，其特征在于：氧气供给装置(9)通过充气管(10)向炮孔内充入高压氧气(4)，利用深层煤层自身的致密性及膨胀水泥(6)实现对整个炮孔内高压氧气的填充，并利用截止阀(7)维持炮孔的密封。3.如权利要求1所述的一种煤粉-氧气爆破装置，其特征在于：点火后，细煤粉(2)与高压氧气(4)充分混合，细煤粉(2)比表面积大，在氧气充足且高压环境下会快速反应，形成爆燃乃至爆轰，瞬间放出大量热并生成大量气体，形成的冲击波和爆生气体作用于煤层(1)实现爆破开采。4.如权利要求1所述的一种煤粉-氧气爆破装置，其特征在于：基于完全反应的当量比配置细煤粉(2)的质量及高压氧气(4)的充压。5.如权利要求1所述的一种煤粉-氧气爆破装置，其特征在于：气密性及韧性良好的薄膜(3)为柔质薄袋；氧气供给装置(9)为高压氧气瓶或制氧车；截止阀(7)为单向阀或止回阀。6.如权利要求1所述的一种煤粉-氧气爆破装置，其特征在于：对于多个爆破孔，采用串联方法实现同时充压，同时采用延期装置实现整个爆破网路的延期起爆。

技术总结
本发明涉及能源开采领域，具体涉及一种煤粉-氧气爆破装置，包括剩余在钻孔内的细煤粉、布置在钻孔内的气密性及韧性良好的薄膜、通过充气管与薄膜相连的氧气供给装置、以及安装在充气管上的截止阀和减压阀，薄膜尾段内布置点火头、点火头引线延伸至薄膜尾端的膨胀水泥外侧。本发明原材料现场取用，以煤炸煤，成本低廉，避免了炸药的使用，降低炸药运输储存过程中的危险性与经济开销，同时大大提高了破岩作业过程中的安全性；相对于传统炸药爆破，该发明爆破后反应物无残留且产生的有毒有害物质很少。很少。很少。


技术研发人员：王鲁庆 何泽 马宏昊 陈子俊 沈兆武
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/8/24