本发明属于爆破，具体涉及一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置及方法。
背景技术：
1、聚能爆破在矿山、国防、地铁等多种需要对岩石进行定向破裂的工程中有着广泛的应用，现阶段，在工程中主要采用双向聚能拉伸爆破与聚能水压爆破的技术。
2、双向聚能爆破通过将能量聚集于两个方向来实现岩石的定向破裂，存在一些爆破所带有的缺点，例如爆破产生的粉尘量较大、爆炸过程中会产生有毒有害气体、威力衰减明显等，同时，这种爆破方式的施工环境恶劣，非常不利于工人的身体健康。聚能水压爆破则通过添加水作为耦合剂，爆破威力相较于常规爆破方式有所提升，也可以解决爆破过程中所易产生的有害气体、噪音和粉尘等问题，但仍然存在爆破威力不足、岩石破裂后裂缝易再次闭合等问题。
3、因此，亟需提供一种即能解决爆破过程中所易产生的有害气体、噪音和粉尘等问题，又能具有更大爆破威力、更好的聚能效果，并可以有效克服裂缝再次闭合问题的爆破装置及方法。
技术实现思路
1、针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置及方法，该装置结构简单、便于装配，且其现场安装调整过程便捷，聚能定向效果好，爆破能量大，安全系数高，同时，其既能解决爆破过程中所易产生的有害气体、噪音和粉尘等问题，又能具有更大爆破威力、更好的聚能效果，并可以有效克服产生的裂缝再次闭合的问题。该方法步骤简单，易于操作，爆破威力大，定向能力强，有利于降低施工人员的劳动强度，同时，有助于显著提高定向爆破的效果，并可实现爆破能量释放方向的精确控制。
2、为实现上目的，本发明提供了一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置，包括爆破管体、连接卡榫、爆破组件、雷管和引线；
3、所述爆破管体的外轮廓断面为圆形，其内腔断面为椭圆形；爆破管体的管壁厚度从椭圆形内腔的长轴向其短轴方向逐渐增大，且在短轴方向上管壁厚度最大；爆破管体的内表面在内腔长轴方向相对两侧沿轴向开设有两条内刻线，爆破管体的外表面在对应两条内刻线的位置相对地开设有两条外刻线，同一侧的一条内刻线和一条外刻线形成一组聚能定位条带；爆破管体在每组聚能定位条带上均均匀地设置有多个聚能孔或多个聚能槽或多个聚能槽孔组合单元，其中，每个聚能槽孔组合单元由相间隔分布的一个聚能槽和一个聚能孔组成；爆破管体在长度方向的两端均开设有一对t型卡槽，每对t型卡槽相对地分布于两组聚能定位条带的同一端，且每个t型卡槽由沿聚能定位条带长度方向延伸的条形槽道和沿径向延伸的弧形槽道组成，所述条形槽道的外端延伸到爆破管体的端部，所述弧形槽道由条形槽道的里端径向地向相对两侧对称地延伸；在一对t型卡槽中的两个弧形槽道之间形成长度方向的两端沿为对称弧形结构、宽度方向的两端沿为平直结构的卡接定位槽道；
4、所述连接卡榫呈工字型，其由上下相对分布的两块横向卡接板和固定连接在两块横向卡接板之间的一块竖向连接板组成，所述横向卡接板为条形板状结构，其形状和尺寸与卡接定位槽的形状和尺寸相适配；所述竖向连接板的高度大于条形槽道的长度，其长度与横向卡接板中心部分的长度相一致，其厚度与条形槽道的尺寸相适配；连接卡榫中靠上一侧的横向卡接板由一侧的弧形槽道穿入爆破管体内部的卡接定位槽道中，且其横向卡接板的两端沿定位嵌合于一对t型卡槽中的两个弧形槽道中，且其竖向连接板长度方向的两端部分别插装于一对t型卡槽中的两个条形槽道中；
5、所述爆破组件定位装填在爆破管体内腔中，爆破组件由多节炸药和多个填充物组成，其中，多节炸药相邻接或相间隔地布置，在多节炸药相邻接设置时，多个填充物分为两组填充单元，两组填充单位分别装填在多节炸药的两端的外侧，在多节炸药相间隔地设置时，多个填充物与多节炸药相交错地布置，且位于两端的两个填充物分布于位于两端的两节炸药的外侧；每个填充物由一个或多个依次邻接的固-液介质承袋组成，所述固-液介质承袋的内部充填有固-液混合介质；所述固-液混合介质中固体介质和液体介质之间的质量比例为1/6-1/4，且固体介质的强度不低于70mpa；
6、所述雷管固定埋设在靠近前端的一节炸药的内部；
7、所述引线的上端与雷管连接，其下端沿多节炸药与爆破管体之间的间隙、多个填充物与爆破管体之间的间隙穿出到爆破管体下端的外侧。
8、进一步，为了确保与炸药接触时的安全系数，所述爆破管体外表面圆形直径比炮孔直径小6～8mm，爆破管体采用阻燃、抗静电材料制成，具有阻燃抗静电的性能。
9、进一步，为了能在爆破过程中，使聚能孔能更好的辅助爆破管体沿刻线方向线性释放能量，以充分提高定向聚能爆破效果，所述聚能孔为轴对称形状，其为圆形孔或椭圆形孔或菱形孔或正六边形孔，且聚能孔的最长对称轴方向与内刻线及外刻线的长度方向一致，聚能孔的最长对称轴为爆破管体外轮廓直径的1/7～1/11，相邻聚能孔之间的距离为聚能孔最长对称轴的3～5倍；爆破管体内腔的长轴与短轴的比例在16：9至4：3之间。
10、作为一种优选，所述爆破管体的长度为0.5～2m。
11、作为一种优选，所述固-液介质承袋在承装方式上分为固-液混合式和固-液分离式，固-液混合式即固-液介质承袋中的液体介质和固体介质混合地装配于同一袋体中，固-液分离式即固-液介质承袋中的液体介质和固体介质分别装配于同一袋体中的两个隔离空间中。
12、作为一种优选，所述固-液混合介质中的液体介质为水或者为加入无机盐的盐水。
13、作为一种优选，所述固-液混合介质中的固体介质为高强度颗粒状的固体材料。
14、本发明中，使外轮廓为圆形的爆破管体的内腔为椭圆形，可以确保短轴方向上的相对两侧的壁厚显著大于长轴方向上相对两侧的壁厚，进而有利于利用长轴方向上的相对两侧侧壁作为后续爆破的聚能方向。圆形轮廓对于调整聚能管方向更加方便。由于聚能管在使用的过程中需要对方向进行调整，圆形轮廓在调整的过程中更加流畅，避免椭圆型轮廓在旋转时可能产生的卡位，并且在调整完毕后可以避免聚能管倾斜放置时由于自身力矩不平衡导致的自旋，使调整过的均能管方向更加准确。与此同时，在长轴方向上于内表面形成一对内刻线，同时于外表面形成一对外刻线，并使同一侧的内刻线和外刻线形成一组聚能定位条带，并在每一组聚能定位条带的长度方向均匀开设有多个聚能孔，加之爆破管体的管壁壁厚为渐变式、不等厚设计，这样，一方面能使爆炸时产生的能量更加集中，使聚能方向释放的能量分布更加线性，最终保证聚能管的定向爆破效果，从而可借助椭圆型内腔将爆炸产生的爆生波以及爆生气体导向需要聚能的长轴方向，对岩石造成的冲击更强，形成的裂隙深度也大幅提升；另外这种结构提供的拉张破坏能量更多，椭圆型内腔使得垂直于聚能方向(即短轴方向)的能量分布更加均匀，并且将原本并不会作用于拉张破坏的能量调整至短轴方向，减少了由于向四周发散而互相抵消的能量并使其参与到定向破岩的过程；另一方面能在爆破过程中仅在长轴方向上的相对两侧发生断裂而不会整体发生破碎的情况，从而能在实现定向聚能爆破的同时，对聚能方向之外的围岩进行有效的保护，有利于确保外围岩体完整的同时，为定向裂缝的张拉提供更充分的能量。同时，有利于促使高速射出的固体耦合介质以及破坏后形成的小粒径岩体能够楔入爆破产生的裂隙网络中，进而能对裂隙网络进行有效的支撑，以维持其张开状态。在爆破管体的端部于两组聚能定位条带的同一端相对地开设有一对t型卡槽，可以便于在爆破管体的端部通过卡嵌的方式连接连接卡榫，这样，当在爆破管体的下端连接有连接卡榫时，可以便于利用连接卡榫来调节爆破管体的位置和角度，进而在放置时可以保证整体装置更加稳定，且不易产生滑动的情况，同时，也能便于在重复施工作业过程中便于将整体装置更加轻松地取出，例如，在发生哑炮的工况需要将爆破装置取出时，可以不需要接触爆破管体便能将整体装置取出，提高了作业过程中的安全系数。由于连接卡榫为工字型结构，这样，一个连接卡榫可以分别连接上下两个爆破管体，进而能便于实现多根爆破管体的级联连接，这样，当朝向向下的钻孔中放置爆破装置时可以有效避免在调整过程中由于重力的作用而导致下方的爆破管体与上方的爆破管体发生脱离的情况。使连接卡榫中的横向卡接板的形状和尺寸与在一对t型卡槽中的两个弧形槽道之间形成的卡接定位槽道形状和尺寸相适配，同时，使竖向连接块的厚度与条形滑槽的尺寸相适配，可以便于连接卡榫中的横向卡接板和竖向连接板由爆破管体外部的一侧的弧形槽道和条形槽道滑入爆破管体的内部，并能确保在完全嵌入一对t型卡槽中后，连接卡榫的外轮廓与爆破管体的外廓保持一致，进而不会因产生凸起而导致放入钻孔时存在干涉的情况。使爆破组件中设置有由固-液介质承袋所组成的填充物，一方面可以利用加入的液体介质来显著提高爆破能量的传递速率，同时，还可以更好吸收爆炸后产生的热量，以有效避免因产生的热量过大而产生明火，进而会导致其他隐患的情况发生，另外，通过液体介质还可以有效吸收爆破产生的粉尘以及有毒有害气体，并能有效减小震动冲击，从而有利于改善工作环境，并能有助于提高工作效率；另一方面可以利用固体介质从爆破过程中借助炸药的爆炸获得大量的能量，从而能对岩石产生高速冲击，进而能通过高速冲击岩石的方式使岩石产生更大的破坏，并获得深度更好的裂缝，同时，在岩石破坏产生裂缝后还可以利用高速迸出的固体介质楔入到爆炸过程中产生的裂缝中，进而能利用固体介质作为支撑剂以有效维持裂缝的张开状态，使裂缝在围岩压力的作用下也不会闭合，进一步能有利于使不同钻孔之间生成的定向裂缝之间连通效果更好，并能有助于使形成的轮廓面更加光滑完整；最后，在爆破组件中加入了固体介质与液体介质后，固体介质与液体介质能与钻孔以及装置空隙内的空气共同作为耦合介质，从而形成固-液-气三相耦合介质，所形成的固-液-气三相耦合介质对爆破产生的能量具有显著增幅作用，同时，能使爆破生成的振动波的传递效率更高。使固-液混合介质中固体介质和液体介质之间的质量比例为1/6～1/4，可以获得最佳的爆破效果。使固体介质的强度不低于70mpa，可以在较低的成本基础上获得最理想的动态冲击力和维护裂缝不闭合能力，考虑到成本，进一步提高了爆破效果。在存在固-液-气三相耦合介质的条件下，爆炸时除了有爆炸产生的高压气体以及吸收了大量能量的高压液体会对岩体进行高速冲击外，还有高速迸发出的固体介质冲击致裂岩体，高压气流形成的“气楔”以及高压液体形成的“液楔”，与高速的颗粒状固体介质会共同破坏岩体，进而有利于获得更大的冲击力，并能助于形成深度更深的定向裂缝，因此，通过固-液-气三相耦合介质的存在，爆破装置对四周产生冲击相比聚能水压爆破威力大大增强。同时，在固-液-气三相耦合介质的基础上，配合爆破管体上爆破聚能槽和聚能孔的聚能定向作用，能将更好地无序的能量转化为有序的能量，进而能使增幅后的能量被导向聚能方向，并沿聚能方向以更高的速率射出，可以使爆破的能量更加集中，利用率更高。固-液-气三相耦合介质聚能爆破利用固-液-气三相耦合介质进行能量传递，特别是高强度固体粒子的加入可显著提高爆破威力，据现场试验可比传统爆破减少22％以上的炸药用量。与传统聚能爆破主要依靠爆轰波和高能气体破岩作用外相比，该技术增加了“高速粒子冲击(固体介质产生)+高压水射流(液体介质产生)”破岩作用，与传统聚能水压爆破相比，该技术增加了“高速粒子冲击(固体介质产生)”破岩作用，此外，高强固体粒子还可以维持裂缝破裂的状态。
15、该装置结构简单、便于装配，且其现场安装调整过程便捷，聚能定向效果好，爆破能量大，安全系数高，同时，其即能解决爆破过程中所易产生的有害气体、噪音和粉尘等问题，又能具有更大爆破威力、更好的聚能效果，并可以有效克服产生的裂缝再次闭合的问题。
16、本发明还提供了一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破方法，采用一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置，包括以下步骤：
17、步骤一：根据预定设计方案在岩体预定位置开设钻孔；
18、步骤二：根据钻孔的位置及尺寸计算所需装入固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置的数量；
19、步骤三：在钻孔中装入一个固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置或多个固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置，且在装入多个固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置时，利用上一个固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置下端的连接卡榫连接下一个相邻的一个固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置的上端，并将每个固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置中的引线从钻孔中引出，进而形成加长的爆破装置；
20、步骤四:根据需要将引线与引爆装置进行连接；
21、步骤五：转动位于最下端的连接卡榫以调整固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置上两排聚能定位条带的朝向，使其对准需要聚能爆破的方向；
22、步骤六：在固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置的外侧利用炮泥对钻孔进行封堵；
23、步骤七：确认爆破工作面的人员全部撤离至安全范围内后，通过引线引爆爆破装置，在爆破过程中，利用加入的固体介质和液体介质，并结合钻孔空隙内的空气共同作为耦合介质，形成固-液-气三相耦合介质，并通过固-液-气三相耦合介质共同加强爆破产生的能量，其中，利用固体介质和液体介质吸收大量爆炸能量并直接冲击岩体，同时，利用爆炸产生的高压气体进一步对岩体进行冲击，进一步利用爆炸过程中形成的高速粒子状态固体介质、爆炸过程中产生的高压气流所形成的气楔、爆炸过程中产生的高压液体形成的液楔共同冲击作用于岩体，同步地，利用聚能定位条带及聚能孔或聚能槽或聚能槽孔组合单元的聚能作用，将爆破过程中无序的能量转化整合为有序的能量并集中作用于聚能方向，促使加强后的爆破能量沿聚能方向射出，并对岩石产生定向冲击，形成深度更深的定向裂缝，该过程中，利用爆破管体仅在聚能方向发生断裂而不破碎的特点，对聚能方向之外的围岩进行保护，进而在确保外围岩体完整的同时，为定向裂缝的拉张提供更充分的能量，并促使破坏后形成的高速小粒径岩体和高速粒子状态固体介质楔入爆破产生的裂缝网络中，作为支撑剂维持裂缝网络的张开状态，以使裂缝网络在围岩的压力作用下不会闭合，进一步确保不同钻孔之间的定向裂缝的连通效果更好。
24、进一步，为了更好地吸收爆炸过程中所产生的有害气体、噪音和粉尘，同时，为了更好的减缓冲击波，在步骤四中，在钻孔中于最外侧一个固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置的外侧装填一个或多个固-液介质承装袋。
25、本方法利用固-液-气三相耦合介质进行能量传递，特别是高强度固体粒子的加入可显著提高爆破威力，据现场试验可比传统爆破减少22％以上的炸药用量。与传统聚能爆破主要依靠爆轰波和高能气体破岩作用外相比，该技术增加了“高速粒子冲击(固体介质产生)+高压水射流(液体介质产生)”破岩作用，与传统聚能水压爆破相比，该技术增加了“高速粒子冲击(固体介质产生)”破岩作用，此外，高强固体粒子还可以维持裂缝破裂的状态。该方法步骤简单，易于操作，爆破威力大，定向能力强，有利于降低施工人员的劳动强度，同时，有助于显著提高定向爆破的效果，并可实现爆破能量释放方向的精确控制。
1.一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置，包括爆破管体(3)，其特征在于，还包括连接卡榫(9)、爆破组件、雷管(4)和引线(6)；
2.根据权利要求1所述的一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置，其特征在于，所述爆破管体(3)外表面圆形直径比炮孔直径小6～8mm，爆破管体(3)采用阻燃、抗静电材料制成，具有阻燃抗静电的性能。
3.根据权利要求1或2所述的一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置，其特征在于，所述聚能孔(7)为轴对称形状，其为圆形孔或椭圆形孔或菱形孔或正六边形孔，且聚能孔(7)的最长对称轴方向与内刻线(17)及外刻线(18)的长度方向一致，聚能孔(7)的最长对称轴为爆破管体(3)外轮廓直径的1/7～1/11，相邻聚能孔(7)之间的距离为聚能孔(7)最长对称轴的3～5倍；爆破管体(3)内腔的长轴与短轴的比例在16：9至4：3之间。
4.根据权利要求3所述的一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置，其特征在于，所述爆破管体(3)的长度为0.5～2m。
5.根据权利要求4所述的一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置，其特征在于，所述固-液介质承袋(1)在承装方式上分为固-液混合式和固-液分离式，固-液混合式即固-液介质承袋(1)中的液体介质(16)和固体介质(15)混合地装配于同一袋体中，固-液分离式即固-液介质承袋(1)中的液体介质(16)和固体介质(15)分别装配于同一袋体中的两个隔离空间中。
6.根据权利要求5所述的一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置，其特征在于，所述固-液混合介质(2)中的液体介质为水或者为加入无机盐的盐水。
7.根据权利要求6所述的一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置，其特征在于，所述固-液混合介质(2)中的固体介质为高强度颗粒状的固体材料。
8.一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破方法，采用如权利要求1至8任一项所述的一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置，其特征在于，包括以下步骤：
9.一种固-液-气三相耦合介质聚能爆破方法，其特征在于，在步骤四中，在钻孔中于最外侧一个固-液-气三相耦合介质聚能爆破装置的外侧装填一个或多个固-液介质承装袋(1)。
