本發(fā)明涉及一種二氧化碳致裂器的致裂壓力測定裝置及方法，特別涉及一種用于直接測定液態(tài)二氧化碳瞬間氣化并從致裂器泄能孔中高速釋放過程中高壓氣體對周圍空間或物質(zhì)作用壓力大小的裝置及方法。

背景技術(shù)：

二氧化碳相變致裂技術(shù)最初是由英國在20世紀(jì)50年代開發(fā)研制，主要作為一種煤巖破碎方式用于高瓦斯井，以代替炸藥，提高塊煤率，避免瓦斯爆炸。后來，由于大規(guī)模綜采設(shè)備的問世實現(xiàn)了安全高效的非爆采煤作業(yè)，并逐漸取代了CO₂變相爆破技術(shù)；此后，該項技術(shù)逐漸發(fā)展用于巖石、混凝土破碎等領(lǐng)域。

該技術(shù)主要基于二氧化碳相變致裂器，實現(xiàn)二氧化碳液-氣轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到破碎巖石的目的，其中，相變致裂器是一種高強(qiáng)度的可以重復(fù)使用的金屬管狀構(gòu)件，由卸能頭1、發(fā)熱器2、儲液罐3、定壓剪切片4、充氣閥5、墊片6等組成，如圖1所示。

另外，相變致裂技術(shù)是一種新型的物理爆破技術(shù)，與傳統(tǒng)爆破技術(shù)相比具有無污染、價格低、噪音低、震動小、安全和可重復(fù)性利用等優(yōu)點(diǎn)，在城市拆除爆破、地鐵爆破、隧道掘進(jìn)爆破、礦山開采爆破等具有很大的發(fā)展空間，但是對二氧化碳致裂壓力的專門研究卻很少，一般都是根據(jù)常規(guī)的現(xiàn)場檢測方法獲得一些經(jīng)驗值，而常規(guī)的孔內(nèi)檢測法又是基于一種理想的環(huán)境，未考慮地質(zhì)構(gòu)造和巖石特性的影響，使得測量的數(shù)據(jù)模棱兩可，沒有一個確切的值，從而嚴(yán)重影響了二氧化碳相變致裂技術(shù)的破碎效果和能量的利用率。

而目前關(guān)于二氧化碳致裂器的致裂壓力檢測的裝置和方法更是少見報道，因此研發(fā)一種能直接測量二氧化碳致裂器的致裂壓力的裝置和方法，來測定二氧化碳的致裂壓力，改善其破碎效果和能量利用率，成為二氧化碳致裂技術(shù)研發(fā)和推廣亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有二氧化碳致裂技術(shù)中致裂壓力測定的空白，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、實驗方便、操作簡單易行的二氧化碳相變致裂器的致裂壓力測定裝置和方法。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種二氧化碳致裂器的致裂壓力測定裝置，包括泄能罩、壓力傳感器和信號采集單元，所述泄能罩為兩端開口的筒狀結(jié)構(gòu)，所述泄能罩通過其中一端開口罩裝在致裂器的泄能頭上，并與所述泄能頭之間相對固定設(shè)置，所述壓力傳感器貼設(shè)在泄能罩的內(nèi)壁，并與信號采集單元通過信號連接。

進(jìn)一步的，所述泄能罩上設(shè)有螺紋通孔，所述泄能頭上設(shè)有螺紋盲孔，所述泄能罩和泄能頭通過同時螺接在螺紋通孔和螺紋盲孔上的固定螺釘連接。

進(jìn)一步的，所述螺紋通孔為兩個，并沿同一徑向方向布置在泄能罩的中部，對應(yīng)的螺紋盲孔為沿泄能頭同一徑向上布置的兩組。

進(jìn)一步的，所述螺紋盲孔對稱布置在泄能頭上的泄能孔兩側(cè)，螺紋規(guī)格與泄能罩上的螺紋通孔和固定螺釘相同，螺紋盲孔的垂直深度5±1mm。

進(jìn)一步的，所述固定螺釘由鋼鐵材料制成的全螺紋螺釘，長度大于等于8cm，螺紋規(guī)格與泄能罩的螺紋通孔和泄能頭的螺紋盲孔相同。

進(jìn)一步的，所述泄能罩采用厚度為12±2mm、兩端開口的無縫鋼管件，泄能罩的直徑大于泄能頭和致裂器直徑3-5cm。

進(jìn)一步的，所述壓力傳感器沿泄能罩內(nèi)壁同一圓周布置，其中兩個壓力傳感器分別設(shè)置在正對泄能頭的泄能孔的位置上。

在本發(fā)明中，所述壓力傳感器采用PVDF壓電薄膜傳感器，該P(yáng)VDF壓電薄膜傳感器通過錫箔膠帶覆蓋粘貼于泄能罩的內(nèi)壁，并通過信號線與外部的信號采集單元連接。

進(jìn)一步的，所述信號采集單元為示波記錄儀。

本發(fā)明還公開了使用上述一種二氧化碳致裂器的致裂壓力測定裝置的致裂壓力測定方法，包括以下步驟：

步驟一，將PVDF壓電薄膜傳感器逐一粘貼于泄能罩內(nèi)壁的不同位置，并用絕緣膠帶將傳感器的接線端金屬與泄能罩內(nèi)壁之間絕緣隔離，防止雜散電流干擾信號采集，再用錫箔膠帶將PVDF壓電薄膜傳感器覆蓋粘貼于泄能罩內(nèi)壁上；

步驟二，將固定螺釘穿過泄能罩上的螺紋通孔，調(diào)節(jié)固定螺釘使泄能頭位于泄能罩內(nèi)的中心位置，再將泄能罩固定在泄能頭的螺紋盲孔上；

步驟三，連接PVDF壓電薄膜傳感器與信號采集單元，調(diào)節(jié)并檢查PVDF壓電薄膜傳感器與信號采集單元是否連通，設(shè)置信號采集單元的采集參數(shù)，使其處于待觸發(fā)狀態(tài)，然后引爆致裂器并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

其中，PVDF壓力傳感器的壓力計算公式如下：

式中，σ表示致裂器的致裂壓力，Q(t)表示傳感器釋放的電荷，K表示傳感器的靈敏度系數(shù)，U(t)表示檢測到的電壓信號，A表示受壓力的有效面積，R表示測試系統(tǒng)的內(nèi)阻值。

本發(fā)明公開的一種二氧化碳致裂器的致裂壓力測定裝置及方法，該裝置包括泄能罩、泄能頭、固定螺釘、壓力傳感器和信號采集單元，泄能罩通過固定螺釘固定罩裝在泄能頭上，壓力傳感器粘貼于泄能罩內(nèi)壁并通過信號線連接至信號采集單元上，當(dāng)高壓氣體從泄能頭的泄能孔高速釋放時會對泄能罩內(nèi)壁產(chǎn)生很高的沖擊壓力，即致裂壓力，該壓力作用于壓力傳感器會在PVDF壓電薄膜的上下表面產(chǎn)生電壓信號，并被信號采集單元采集，從而根據(jù)公式(1)、(2)計算出致裂器的致裂壓力。

本發(fā)明的裝置及方法具有如下有益效果：

1)泄能罩是由鋼鐵材料制成，強(qiáng)度遠(yuǎn)大于二氧化碳所能夠產(chǎn)生的致裂壓力，測到的直接壓力就是致裂壓力，避免了外界因素的影響，具有較高的精確度；

2)泄能罩在一定程度上還能防止能量的快速衰減，有效模擬了炮孔壓力的持續(xù)作用過程；

3)泄能罩是一個兩端開口的鋼管件，測試過程中高壓氣體垂直對稱地作用于泄能罩內(nèi)壁后從兩端逸出，泄能罩始終處于受力平衡狀態(tài)，有效防止了泄能罩發(fā)生飛管現(xiàn)象；

4)在泄能罩內(nèi)壁的不同方向粘貼壓力傳感器，可以獲得致裂壓力的在圓周方向的環(huán)向變化趨勢。

5)采用不同直徑的泄能罩，可以獲得致裂壓力在徑向的變化趨勢，從而研究分析致裂壓力隨距離的變化關(guān)系。

以下結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

附圖說明

圖1是液態(tài)二氧化碳致裂器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是實施例中的一種二氧化碳致裂器的致裂壓力測試裝置的外部示意圖。

圖3是實施例中的一種二氧化碳致裂器的致裂壓力測試裝置的內(nèi)部示意圖。

圖4是實施例中的一種二氧化碳致裂器的致裂壓力測試裝置的截面示意圖，主要表現(xiàn)PVDF壓電薄膜的周向布置方式。

圖中標(biāo)號：1-泄能頭，2-發(fā)熱器，3-儲液罐，4-定壓剪切片,5-充氣閥，6-墊片，7-泄能罩，8-固定螺釘，10-泄能孔，11-螺紋盲孔，12-螺紋通孔，13-PVDF壓電薄膜傳感器，14-錫箔膠帶，15-信號線，16-示波記錄儀。

具體實施方式

參見圖2和圖3，本實施例中的一種二氧化碳致裂器的致裂壓力測試裝置為本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，具體包括泄能罩7、固定螺釘8、泄能頭1、PVDF壓電薄膜傳感器13、錫箔膠帶14、信號線15和示波記錄儀16。

泄能罩7采用無縫鋼管件，固定罩裝在圖1中的致裂器的泄能頭1上，在泄能頭1的同一圓周上間隔180°設(shè)有兩個泄能孔10，致裂器內(nèi)部的高壓氣體從兩個泄能孔10中進(jìn)入到泄能罩7內(nèi)，對泄能罩7內(nèi)形成瞬時沖擊，然后壓力從泄能罩7兩端的開口釋放。

泄能罩7采用厚度為12±2mm的金屬材質(zhì)，足夠低檔住二氧化碳相變時的沖擊壓力，不會被沖擊壓力造成損壞。

同時，泄能罩7的直徑要大于泄能頭1的外徑3-5cm，保證泄能孔10與泄能罩7之間存在一定的壓力分布空間。

泄能罩7中間位置的同一徑向上設(shè)有兩個螺紋通孔12，對應(yīng)的在泄能頭1的外徑上設(shè)有兩組對應(yīng)的螺紋盲孔11，螺紋盲孔11深度為5±1mm，并且與螺紋通孔12的螺紋參數(shù)一致，在泄能罩7的螺紋通孔12和泄能頭1的螺紋盲孔11對齊后，通過固定螺釘8螺接穿過螺紋通孔12與螺紋盲孔11螺接，采用兩組間隔180°的固定螺釘8有效將泄能罩7支撐罩裝在泄能頭1上，保證泄能罩7和泄能頭1之間相對固定。

固定螺釘8的長度大于等于8cm，鋼鐵材質(zhì)的螺桿上設(shè)置全螺紋，保證能夠分別與螺紋通孔12和螺紋盲孔11螺接，將泄能罩7和泄能頭1之間有效連接固定。

通過配合調(diào)節(jié)兩個間隔180°的固定螺釘8，可調(diào)整泄能頭1在泄能罩7內(nèi)的空間位置，保證泄能頭1盡量與泄能罩7同軸設(shè)置，泄能孔10到泄能罩兩側(cè)壁的垂直距離相等。

本實施例采用PVDF壓電薄膜傳感器13作為壓力傳感器，檢測泄能罩內(nèi)承受二氧化碳致裂時的壓力，具有較高的靈敏度，能很好地輸出0-20GPa范圍內(nèi)的信號。PVDF壓電薄膜傳感器13為薄片，通過錫箔膠帶14覆蓋粘貼與泄能罩7的內(nèi)壁。

如圖4所示，PVDF壓電薄膜傳感器13沿泄能罩7的同一周向位置設(shè)置至少兩個，其中有兩個分別與泄能頭1的泄能孔10正對設(shè)置，用于檢測二氧化碳致裂時的直接沖擊壓力，其他的PVDF壓電薄膜傳感器13則檢測二氧化碳致裂壓力沿周向的變化趨勢。

本實施例通過調(diào)整泄能罩7的直徑，還可分批對二氧化碳致裂壓力沿徑向方向的變化趨勢，分析致裂壓力隨距離的變化關(guān)系。

本實施例采用型號為DL750的示波記錄儀16作為與PVDF壓電薄膜傳感器13連接的信號采集單元。

在使用本實施例進(jìn)行二氧化碳致裂器的致裂壓力進(jìn)行測定時，包括以下結(jié)構(gòu)步驟：

步驟一，將PVDF壓電薄膜傳感器13逐一粘貼于泄能罩7內(nèi)壁的不同位置，并用絕緣膠帶將傳感器的接線端金屬與泄能罩7內(nèi)壁之間絕緣隔離，防止雜散電流干擾信號采集，再用錫箔膠帶14將PVDF壓電薄膜傳感器13覆蓋粘貼于泄能罩7內(nèi)壁上；

步驟二，將固定螺釘8穿過泄能罩7上的螺紋通孔12，調(diào)節(jié)固定螺釘8使泄能頭1位于泄能罩7內(nèi)的中心位置，再將兩組固定螺釘8分別泄能罩7固定在泄能頭1的螺紋盲孔11上；

步驟三，通過信號線15連接PVDF壓電薄膜傳感器13與示波記錄儀16，調(diào)節(jié)并檢查PVDF壓電薄膜傳感器13與示波記錄儀16是否連通，設(shè)置示波記錄儀16的采集參數(shù)，使其PVDF壓電薄膜傳感器13處于待觸發(fā)狀態(tài)，然后引爆致裂器并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

當(dāng)高壓氣體在致裂器的儲液罐3內(nèi)瞬間氣化后從泄能頭1的泄能孔10高速釋放時，會對泄能罩7內(nèi)壁產(chǎn)生很高的壓力，即致裂壓力，該壓力作用于壓電薄膜傳感器13時會在壓電薄膜的上下表面產(chǎn)生電壓信號，并被信號采集單元顯示和采集。然后根據(jù)如下壓力計算公式計算出致裂器的致裂壓力。

式中，σ表示致裂器的致裂壓力，Q(t)表示傳感器釋放的電荷，K表示傳感器的靈敏度系數(shù)，U(t)表示檢測到的電壓信號，A表示受壓力的有效面積，R表示測試系統(tǒng)的內(nèi)阻值。

在一實際實施過程中測得2kg液態(tài)二氧化碳致裂器的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

有效作用面積A＝337.5mm2；

傳感器靈敏度系數(shù)K＝13.21；

檢測到的電壓信號U＝2.7V；

傳感器內(nèi)阻值R＝50Ω；

經(jīng)過計算得到：該致裂器的致裂壓力σ＝253.33MPa。

以上實施例是對本發(fā)明的說明，并非對本發(fā)明的限定，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的具體工作原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。