專(zhuān)利名稱(chēng):脈沖電能發(fā)射分裂物質(zhì)的方法和設(shè)備的制作方法
本發(fā)明涉及藉發(fā)射脈沖電能透過(guò)物體來(lái)分裂物體的一種方法和一種設(shè)備。更確切地說(shuō)，脈沖電能是經(jīng)過(guò)設(shè)置在物體中的多個(gè)電極而發(fā)射穿過(guò)物體。
先有技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)已考慮到電能破碎或分裂物體的潛力。特別是在地下采礦方面，以及地下井的結(jié)構(gòu)地層開(kāi)掘方面，已認(rèn)識(shí)到這種潛力。在這些范圍里，常常需要破裂一種硬的(比如巖石)固體物質(zhì)，以推進(jìn)礦井采掘面，或者藉分裂周?chē)牡叵路秶?，增加從地下井?nèi)開(kāi)采量。
利用電能分裂巖石，最初的嘗試是包括將多個(gè)電阻電極放置在巖石中的孔內(nèi)，接著，通過(guò)電極傳遞電流。藉電極加熱巖石，由于在巖石中引起熱應(yīng)，最后導(dǎo)致它沿著電極的電路斷裂。用于在巖石中引起熱應(yīng)力以推進(jìn)礦井采掘面的設(shè)備也是眾所周知的。這些器件一般利用電極跳火來(lái)加熱巖石工作面及利用冷卻裝置在應(yīng)用電弧后來(lái)冷卻工作面。這種循環(huán)的加熱和冷卻，在巖石工作面內(nèi)引起熱應(yīng)力，該應(yīng)力接著將巖石分裂。更現(xiàn)代的器件利用這種加熱或加熱/冷卻步驟的基本技術(shù)，但采用電子束或高速等離子流來(lái)完成加熱。
施加電脈沖于諸如巖石的物質(zhì)，而使其分裂的方法也是熟知的。電脈沖在施加巖石的電極之間通過(guò)自然地存在的較低電阻的路徑建立一電流電路。然后，電流引起巖石中的液體汽化和膨脹，膨脹產(chǎn)生的內(nèi)部壓力導(dǎo)致巖石分裂。另一方面，巖石在應(yīng)用電脈沖之前，可以用比如電解溶液的液體來(lái)處理，以幫助電極之間的電路的建立。若巖石未以液體溶液預(yù)處理，為了在電極間通過(guò)巖石建立電路，或需利用多點(diǎn)電極。
電脈沖也已用來(lái)作分裂巖石兩步驟工序的要素。電脈沖在巖石中引起無(wú)數(shù)的微裂痕，其后用聲能使巖石沿著這些裂痕分裂。
電能也可用于鉆進(jìn)硬的物質(zhì)，比如巖石。先有技術(shù)充滿(mǎn)著各種形式的電火花鉆，這些鉆是依靠一對(duì)電極之間、或一個(gè)電極與周?chē)纬晌镏g的電弧來(lái)使巖石分裂。電極可以應(yīng)用電極本身，或配合一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)圓錐打孔鉆頭(roller cone drill bit)來(lái)應(yīng)用。
從能量消耗的觀點(diǎn)來(lái)看，先有技術(shù)的設(shè)備都沒(méi)有經(jīng)證明為有效的。在合理的時(shí)間內(nèi)達(dá)到器件的目的，這些器件需要的輸入能量經(jīng)證明是不合乎經(jīng)濟(jì)原則，特別是鑒于能源價(jià)格經(jīng)常上升的情況來(lái)說(shuō)。任何依靠加熱巖石或巖石中的液體的器件，必須也必然具有高能量輸入，或在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)需要能量輸入。
本發(fā)明公布一種方法和設(shè)備，來(lái)克服先有技術(shù)的低效率和高能量輸入的要求，該方法和設(shè)備是通過(guò)發(fā)射一個(gè)或幾個(gè)電脈沖穿過(guò)諸如巖石的物體使物體分裂。一系列各具有一共有的控制電壓幅度但不等寬度的測(cè)量脈沖，發(fā)射進(jìn)入物體之中，以確定分裂脈沖的最佳寬度和測(cè)定物體的特性阻抗。然后將一個(gè)或多個(gè)分裂脈沖發(fā)射進(jìn)入物體中間。各分裂脈沖是以預(yù)定的電壓幅度而在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)射進(jìn)入物體中。高速應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)電脈沖使物體在極短的時(shí)間內(nèi)分裂。本發(fā)明的方法和設(shè)備提供一個(gè)較采用先有技術(shù)的方法和設(shè)備為大的每輸入單位的輸出量。
實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法所應(yīng)用的設(shè)備，可包括一個(gè)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使用電容器、電感器或一個(gè)兩者的組合作為電能存儲(chǔ)器件;一個(gè)電源和電流調(diào)節(jié)器，將能量存儲(chǔ)器件充電至一預(yù)定電平;一個(gè)脈沖發(fā)生器用來(lái)正確地組成和使用測(cè)量脈沖;以及多個(gè)電極，通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置連接至電容器組或脈沖發(fā)生器，將電能直接施加到物體。電極可設(shè)置在物體中的孔內(nèi)，而且是絕緣的，僅在它們的末端露出來(lái)。將能量存儲(chǔ)組合、脈沖發(fā)生器和電極相互之間連接的輸電線必須不惡化電脈沖的時(shí)間寬度，也不改變其波形。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的脈沖電能器件的示意圖。
圖2是用于圖1中的器件的電容器組的示意圖。
圖3是圖1中所示器件的電極的放大視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量脈沖列的電壓電平對(duì)時(shí)間的曲線圖。
圖5是說(shuō)明分裂不同種類(lèi)和重量的巖石所需能量的圖表。
圖6是說(shuō)明達(dá)到不同碎裂程度所需能量的圖表。
圖7是說(shuō)明使用三個(gè)電極的本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的部分示意圖。
圖8是說(shuō)明圖7中三電極在巖石上相對(duì)位置的頂視圖。
雖然可以相信在這里宣布的方法和設(shè)備能分裂許多固體物質(zhì)，然而這里只介紹用來(lái)破裂巖石這方面。要明白，同樣的原理可以應(yīng)用到其他固體物質(zhì)。
本發(fā)明的設(shè)備大略地示于圖1中。設(shè)備包括有連接至電流調(diào)節(jié)器12的電源10，依次連接至能量存儲(chǔ)組合14。電源10可以有交流120伏和100瓦的輸出，而電流調(diào)節(jié)器12可有5毫安的容量。能量存儲(chǔ)組合的不同形式是眾所周知的，比如電容器、電感器等，可以用于本發(fā)明，它們的尺寸和輸出取決于被分裂巖石的種類(lèi)和大小。圖2中所示的電容器組，其中的電容器是并聯(lián)的充電和接著串聯(lián)的放電，電容器可以是四個(gè)各為30微法的。當(dāng)順序地激發(fā)到導(dǎo)電開(kāi)關(guān)G1、G2等時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)電。在例子中的開(kāi)關(guān)是火花隙式的。在所有的開(kāi)關(guān)激發(fā)后，電容器成為串聯(lián)連接。手動(dòng)充電開(kāi)關(guān)S1是插在電流調(diào)節(jié)器12能量存儲(chǔ)組合14之間，當(dāng)它閉合時(shí)，將組合連接到電源便于充電。
設(shè)備也包括脈沖發(fā)生器16，能產(chǎn)生一系列不同寬度、恒定電壓的脈沖，另包括歐姆表18以及示波器20。這些元件的每一個(gè)的外形都是熟知的，本質(zhì)上各元件的構(gòu)造不成為本發(fā)明的一部分。由脈沖發(fā)生器16產(chǎn)生的測(cè)量脈沖的列或系列的形狀和寬度，可以在示波器20上用肉眼觀察到，對(duì)于它的作用將在下文作詳細(xì)的敘述。脈沖發(fā)生器16的輸出導(dǎo)線22是連接至兩位開(kāi)關(guān)S6的一位置，S6開(kāi)關(guān)的第二位置端是連接至從能量存儲(chǔ)組合14發(fā)出的輸出導(dǎo)線24。
如圖所見(jiàn)，開(kāi)關(guān)S6也連接至銅母線26。母線26這樣的構(gòu)成，是為了減少任何失匹情形而可以呈現(xiàn)漸縮的傳輸線特性;失匹情形會(huì)惡化傳送到電極28的脈沖的波形。當(dāng)開(kāi)關(guān)S6放在第一位置，如圖1中虛線所示，而開(kāi)關(guān)S4和S5閉合時(shí)，脈沖發(fā)生器提供一列測(cè)量脈沖到母線26。當(dāng)開(kāi)關(guān)S6移至第二位置時(shí)，電容器組14通過(guò)輸出導(dǎo)線24連接至母線26，以發(fā)送分裂脈沖。
母線26的相對(duì)末端是連接至電極28，電極的遠(yuǎn)端是插進(jìn)在巖石32的孔30里面。在此實(shí)施例中，是采用一對(duì)電極28，各連接至每一母線26。電極28可包含多股絞合銅線34，該線除了遠(yuǎn)端部分以外全部包有絕緣材料36。銅線的遠(yuǎn)端部分，大概有1/2吋長(zhǎng)是裸露的，如圖3中所示?？?0的直徑并非是決定性的，當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)大到足以容納電極28。
存儲(chǔ)示波器38可以通過(guò)熟知的拾波線圈40的聯(lián)系手段，與母線26聯(lián)結(jié)。拾波線圈40可以在母線26的一條周?chē)鷶U(kuò)展，拾波線圈可包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流探頭。電壓表42也可藉熟知的連接裝置連接至母線26。
開(kāi)關(guān)S2和旁路測(cè)量開(kāi)關(guān)S3是連接至母線26，如圖1中所示。開(kāi)關(guān)S2是將電容器組連接至電極的主開(kāi)關(guān)，而應(yīng)當(dāng)能在極短的時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)高電壓和大電流。已經(jīng)找到通用號(hào)碼(General Electric number)GL7703水銀開(kāi)關(guān)，能在需要分裂已知巖石的情形下，表現(xiàn)令人滿(mǎn)意。開(kāi)關(guān)S3僅在測(cè)量施加到巖石上的脈沖列期間閉合，而這樣就不需要有如開(kāi)關(guān)S2那樣經(jīng)得住同樣的工作參數(shù)。
為了使用申請(qǐng)人的發(fā)明，電極28是插進(jìn)孔30內(nèi)，如圖所示。為了確定最佳分裂脈沖，不同寬度、恒定電壓的測(cè)量脈沖的系列在一開(kāi)始就通過(guò)巖石32。將開(kāi)關(guān)S6放置在圖1中所示的位置以及閉合開(kāi)關(guān)S3、S4和S5，使脈沖發(fā)生器16連接至電極28，就可完成。脈沖發(fā)生器16產(chǎn)生一列測(cè)量脈沖，各具有1仟伏的幅度而不等的寬度。一初始脈沖可以有1微秒的寬度，一第二脈沖可以有2微秒的寬度，而一第三脈沖的寬度可以是4微秒。脈沖之間的間隔不是決定性的，主要取決于使用的設(shè)備的能力。雖然脈沖的數(shù)目和寬度可以改變，以適合特有的材料，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)采用上面提出的和圖4所示的三個(gè)寬度的脈沖，提供了滿(mǎn)意的結(jié)果。在應(yīng)用測(cè)量脈沖列到巖石期間，進(jìn)入負(fù)載的各脈沖的電流是由電流表46測(cè)量的。具有最大電流值的脈沖寬度被選作施加到巖石的分裂脈沖的時(shí)間寬度。因?yàn)檫x擇的脈沖寬度的電流電壓是已知的。巖石的特性阻抗可由歐姆定律(Z＝ (E)/(I) )計(jì)算出來(lái)。特性阻抗值被用來(lái)調(diào)節(jié)母線26中可調(diào)電感器48和分布電容C的數(shù)值。這樣，利用到巖石的測(cè)量脈沖列能確定分裂脈沖的寬度，以及在使用分裂脈沖期間采用系統(tǒng)的特性阻抗。
對(duì)于重量在40和1200磅之間的各種各樣的巖石所進(jìn)行的試驗(yàn)中，已發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致巖石分裂只需要單脈沖。在極短的時(shí)間(在幾個(gè)微秒的數(shù)量級(jí))內(nèi)應(yīng)用高電壓電能的單脈沖引起巖石分裂，而同時(shí)保持總的能量消耗在一非常低的水平。在迄今的試驗(yàn)中，以單脈沖分裂巖石所需要的能量水平分布在從1.5到7仟焦的范圍內(nèi)。
幾個(gè)例子的試驗(yàn)結(jié)果列于下面。
例1巖石種類(lèi) 硅化砂巖重量 150磅電極直徑 1/4吋電極間隔 2吋電極深度 4吋能量消耗 1.5仟焦結(jié)果巖石被分裂成2塊。
例2巖石種類(lèi) 硅化砂巖重量 200磅電極直徑 5/8吋電極間隔 1吋電極深度 6吋能量消耗 1.5仟焦結(jié)果巖石被分裂成9塊。
例3巖石種類(lèi) 硅化砂巖重量 400磅電極直徑 11/16吋電極間隔 2吋電極深度 6吋能量消耗 4仟焦結(jié)果巖石被分裂成32塊。
例4巖石種類(lèi) 硅化砂巖重量 288磅電極直徑 11/16吋電極間隔 3.5吋電極深度 6.5吋能量消耗 5仟焦結(jié)果巖石被分裂成5塊。
例5巖石種類(lèi) 砂巖重量 274磅電極直徑 1吋電極間隔 17/8吋電極深度 8吋能量消耗 4仟焦結(jié)果巖石被分裂成5塊。
例6巖石種類(lèi) 花崗巖重量 275.5磅電極直徑 1吋電極間隔 2吋電極深度 9吋能量消耗 6仟焦結(jié)果巖石被分裂成6塊。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是本發(fā)明并非依靠加熱巖石以引起其中的熱應(yīng)力，也非依靠原生的液體轉(zhuǎn)化成蒸汽以提供分裂力。如果由這設(shè)備使用的全部能量，在持久的時(shí)間內(nèi)被施加到巖石上，它僅夠提高巖石的溫度大概0.1℃。在許多次試驗(yàn)中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)巖石在分裂后即時(shí)是冷的，而在任何碎片中沒(méi)有觀察到明顯的加熱痕跡。雖然現(xiàn)在還未知道引起巖石分裂的正確原理，可以相信與在極短的時(shí)間內(nèi)應(yīng)用大量電能有關(guān)，因而維持全部能量要求在一相當(dāng)?shù)偷乃健?br>起始脈沖或者一個(gè)單脈沖的起始部分，相信是用來(lái)減低巖石的阻抗，讓下一個(gè)脈沖或一個(gè)單脈沖的剩余部分，用較少能量來(lái)分裂巖石。分裂脈沖的上升時(shí)間應(yīng)該是這樣的在大概10毫微秒內(nèi)，應(yīng)用10%至90%的脈沖。
如圖5中所示，已發(fā)現(xiàn)能量要求是按照巖石的種類(lèi)和重量而改變，雖然，在極端情形下，甚至對(duì)于像800磅那樣重的巖石也少于7仟焦。
能量輸入的多少也控制巖石分裂的大小，如圖6中所示。用于該圖中的分裂程度，界定如下低-分裂后的石塊尺寸平均是原來(lái)體積的25%或以上;
中-分裂后的石塊平均在原來(lái)體積的10%至25%之間;
高-分裂后的石塊平均小于原來(lái)體積的10%。
本發(fā)明如試驗(yàn)的結(jié)果證明，已經(jīng)實(shí)際上用于所有種類(lèi)的巖石。
另一個(gè)實(shí)施例顯示于圖7和圖8中，其中三個(gè)電極插在巖石中。在此實(shí)施例中，電極50、52和54分別插在巖石62中的孔56、58和60內(nèi)。電極50連接至母線26之一，而電極52和54是并聯(lián)的連接到母線26的另一條，所有的接線是從開(kāi)關(guān)S2和S3順流而下地設(shè)置。
如圖8中所示，電極50和52之間的距離d1應(yīng)小于電極52和54之間的距離d2。
電感器64是在電極52和54的上游與母線26連接，而開(kāi)關(guān)S7接在電極52和小之間。開(kāi)關(guān)S7是常開(kāi)的，而當(dāng)橫越電感器64的電壓達(dá)到一預(yù)定電平時(shí)自動(dòng)地閉合。
如前所述，在正常方式中當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)S2時(shí)能量存儲(chǔ)組合14將通過(guò)電感器64在電極50和52之間放電。當(dāng)在或接近峰值電流時(shí)，通過(guò)巖石的發(fā)射路徑會(huì)打開(kāi)。接著，一非常高的電位將跨越電感器64出現(xiàn)。開(kāi)關(guān)S7因感應(yīng)此電壓(V＝L (di)/(dt) )而自動(dòng)閉合，在電極52和54之間釋放在電感器64中積聚的能量(W＝ 1/2 LI2)，而進(jìn)一步分裂在那些點(diǎn)之間的巖石。電感器64應(yīng)有一低充電時(shí)間到功率(P)，在恒定電流I下供給電感器64的功率是由下式確定P＝I2(R1+Za)其中R1＝電感器的歐姆律電阻Za＝在電極50和52之間巖石材料的復(fù)阻抗進(jìn)入電感器的能量是由W＝ 1/2 LI2代表，所以解出I2后代上述方程式P＝2W (R1+Za)/(L)到負(fù)載Z1(電極52和54之間巖石材料的復(fù)阻抗)的峰值功率是P1＝I2·Z1.。對(duì)于高能量放電 (P1)/(P) ＝ (Z1)/(R1+Za) 其中Z1＞＞(R1+Za)和對(duì)于高效率，電感器時(shí)間常數(shù)t(t＝ (L)/(R1+Za) )必須大于T。這將導(dǎo)致一極短的充電時(shí)間(電容器充電)和一L的極低歐姆律電阻。這可由在深冷環(huán)境中極低溫度下操作電感器64來(lái)達(dá)到。
以上的敘述僅為解說(shuō)性的目的而提供，但不應(yīng)以任何方式解釋而限制本發(fā)明，它的范圍完全由所附的權(quán)利要求
所界定。
權(quán)利要求
1.一種藉多個(gè)電極與物體接觸來(lái)分裂物體的方法，其特征是以下的步驟經(jīng)過(guò)電極發(fā)射一系統(tǒng)測(cè)量脈沖進(jìn)入物體，幾個(gè)測(cè)量脈沖具有共有的電壓幅度但不同的時(shí)間寬度；測(cè)量各測(cè)量脈沖的電流幅度；選擇具有最大電流幅度的測(cè)量脈沖作為特征脈沖寬度用作分裂物體；以及發(fā)射至少一個(gè)具有能級(jí)在0.5和100仟焦之間的分裂脈沖，經(jīng)過(guò)電極進(jìn)入物體中，分裂脈沖的寬度大約等于特性脈沖的寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的分裂物體的方法，其特征是進(jìn)一步的步驟從電壓和特性脈沖測(cè)得的電流計(jì)算物體的特性阻抗;以及調(diào)節(jié)連接電極至脈沖源的傳輸線的阻抗以配合物體的特性阻抗。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的分裂物體的方法，其特征在于一單分裂脈沖發(fā)射進(jìn)入物體。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的分裂物體的方法，其特征在于一對(duì)分裂脈沖順序地發(fā)射進(jìn)入物體。
5.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的分裂物體的方法，其特征在于三個(gè)測(cè)量脈沖發(fā)射進(jìn)入物體。
6.分裂物體的設(shè)備包括多個(gè)電極，適合于和物體接觸放置，其特征是產(chǎn)生第一下列測(cè)量脈沖的裝置，幾個(gè)測(cè)量脈沖具有一共有的電壓幅度但不同的時(shí)間寬度;測(cè)量幾個(gè)測(cè)量脈沖電流幅度的裝置;產(chǎn)生至少一個(gè)分裂脈沖的裝置，該分裂脈沖具有在0.5和100仟焦之間的能級(jí)，其時(shí)間寬度大約等于有最大電流幅度的測(cè)量脈沖的時(shí)間寬度;具有開(kāi)關(guān)裝置在那里的電傳輸線，用作多個(gè)電極與產(chǎn)生測(cè)量脈沖的裝置或產(chǎn)生至少一個(gè)分裂脈沖的裝置的連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的設(shè)備，其進(jìn)一步的特征是調(diào)整電傳輸線的阻抗的裝置，以配合從電壓和具有最大電流幅度的測(cè)量脈沖電流兩者所確定的物體特性阻抗。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的設(shè)備，其特征在于產(chǎn)生測(cè)量脈沖的裝置，產(chǎn)生三個(gè)上述的測(cè)量脈沖。
9.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的設(shè)備，其特征在于產(chǎn)生至少一個(gè)分裂脈沖的裝置，產(chǎn)生一個(gè)單分裂脈沖。
10.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)分裂脈沖的裝置，產(chǎn)生二個(gè)分裂脈沖，該兩個(gè)分裂脈沖順序地通過(guò)電極施加到物體。
專(zhuān)利摘要
一種借通過(guò)物體發(fā)射脈沖電能分裂物體的方法和設(shè)備，其中電極是與物體接觸的放置，一系列測(cè)量脈沖發(fā)射進(jìn)入物體以確定特性脈沖和物體的特性阻抗。根據(jù)系列測(cè)量脈沖至少一個(gè)分裂脈沖通過(guò)電極發(fā)射進(jìn)入物體使物體分裂。
文檔編號(hào)E21C37/00GK86104470SQ86104470
公開(kāi)日1988年1月6日 申請(qǐng)日期1986年6月27日
發(fā)明者喬治·科迪納 申請(qǐng)人:Ceee公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan