[发明专利]一种便携式高压脉冲发生装置、冲击波破岩装置及方法

说明书

本发明公开了一种便携式高压脉冲发生装置、冲击波破岩装置及方法，采用的网状金属丝阵能够显著降低钝感含能材料起爆所需的储能(降低30％以上)，从而降低了高压脉冲电容器的体积与质量，实现冲击波破岩装置的小型化与轻量化。内回流式结构使得负载爆炸向外传播冲击波时不会受到外回流柱的干扰，从而损失部分能量且降低致裂岩石的效率。负载结构的制作原料为同轴电缆、硅胶管(或其他管状材料)和钨金属丝，成本低廉，制作工艺简单。负载填充的含能材料不含有危险品条目中的爆炸物，安全性极高。内回流式网状金属丝阵含能材料负载在特定参数脉冲源的驱动下能够产生固定幅值、冲量与能量的冲击波，同时具有极好的可重复性，具有极大的工程应用前景。

技术领域

本发明属于脉冲功率破岩技术领域，涉及一种内回流式网状金属丝阵含能材料负载及基于其的便携式高压脉冲发生装置。

背景技术

随着工业化水平不断提升，资源开采深度和广度不断拓展，在油气工程、采矿工程、隧道工程等领域中面临越来越多硬岩和极硬岩的挑战。传统开凿设备无法安全、高效得破碎硬度极高的岩石，因此亟待开发新的岩石破碎技术以解决存在的问题。近年来，脉冲功率技术在岩石破碎技术领域逐渐受到重视，该技术通过特定形式的负载，例如水间隙、金属丝等，将脉冲电容器中的电能转化为机械能(冲击波)后致裂岩石。相比于传统破岩技术，该技术具备可控、安全、重复性好等优点。但是脉冲功率破岩技术受到脉冲电容器的储能以及负载能量转化效率(＜20％)的限制，当装置体积受制于复杂、狭小的工作环境时，脉冲功率破岩技术无法产生足够能量的冲击波致裂高硬度岩石。

基于这种背景，人们提出钝感含能材料包覆于金属丝外的负载构型，进一步利用金属丝电爆炸点燃外层钝感含能材料，将含能材料爆轰波和金属丝电爆炸冲击波耦合从而提升单次作业负载所能产生的冲击波能量。但是出于安全性考虑，所采用的钝感含能材料往往不含有危险品条目中的爆炸物，常见的配方为包含硝基甲烷、铝粉、金属氧化物的混合物。目前来说，点燃钝感含能材料所需单次输入能量仍较大，这导致其需要大体积的高压脉冲电容器储存能量，质量往往在百公斤以上，给移动、安装、使用都造成了不便。因此，设计新负载结构以降低单次起爆所需的电容器储能是亟待解决的关键问题，从而实现装置小型化、轻量化以应对复杂、狭小的作业地形。此外还需要解决以下关键问题：负载构型目前使用外回流柱结构，这不仅使得冲击波致裂岩石的效率降低，同时会在致裂过程中对外回流柱造成损伤，降低设备使用寿命；目前的整体装置结构无法支持多负载同时爆炸，难以完成定向致裂岩石等工程目标。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种内回流式网状金属丝阵含能材料负载结构及基于其的便携式高压脉冲发生装置。

第一方面，本发明提供一种便携式高压脉冲发生装置，包括：

装置外壳，所述装置外壳内设置有装置内部绝缘，所述装置内部绝缘将装置外壳的内部分隔为两个独立且绝缘的腔体；其中一个腔体内设置有高压电源模块，另一个腔体内设置有高压脉冲源模块；

高压脉冲源模块，所述高压脉冲源模块的高压极与高压电源模块相连，地电极与装置外壳均接地；

开关模块，所述开关模块与高压脉冲模块位于装置外壳的同一侧腔体内，且具有一密闭绝缘的内腔，所述内腔中设置有开关上电极和开关下电极，开关下电极与高压极相连，开关上电极和开关下电极之间形成放电间隙；所述开关上电极上连接有若干电缆接口相连，用于连接外接电缆传递电能；

开关充放气模块，所述开关充放气模块与开关模块的内腔相连通，用于向内腔中充气或排气，调整内腔气压以改变放电间隙的耐受电压。

进一步的，所述高压电源模块包括高压电源，所述高压电源上连接有高压电源控制面板和电源高压输出线，高压电源通过电源高压输出线与高压脉冲源模块相连。

进一步的，所述高压脉冲源模块包括高压脉冲电容器，高压极和地电极设置在高压脉冲电容器一侧，所述地电极为2个，分别位于高压极的两侧，高压极与地电极之间通过电容绝缘隔离。