[发明专利]一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置

说明书

一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置，包括大功率微波发生器、大功率微波同轴加热器、大功率低损耗微波同轴传输线及微波功率自适应调控系统；大功率微波发生器包括连续波磁控管、永磁体、波导激励腔、同轴环形器、同轴匹配负载、同轴耦合转换器、波导同轴转换器及输出波导；大功率微波同轴加热器包括传输线内导体、传输线外导体、微波输入接头、微波短路封盖及导体支撑筒；大功率低损耗微波同轴传输线包括输入端同轴线、中间段同轴线及输出端同轴线，输入端同轴线通过若干串联的中间段同轴线与输出端同轴线相连；微波功率自适应调控系统包括阻抗匹配调节器、微波功率控制器及温度传感器，通过阻抗匹配调节器对微波功率进行阻抗实时匹配。

技术领域

本发明属于岩土工程及采矿工程技术领域，特别是涉及一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置。

背景技术

微波辅助破岩技术是一种极具潜力的新兴破岩技术，在机械刀具切削岩石前，通过微波预先辐射致裂岩石，降低岩石的单轴压缩、抗拉和点荷载强度等力学特性，解决机械法破碎硬岩时刀具易磨损的问题，即可提高破岩效率，还可降低破岩成本。采用微波辅助致裂技术可对深部岩体进行有效的应力释放，在应力释放孔的基础上增加岩体预裂，这样在围岩内部造成一个破裂带，降低内部岩体应力和能量集中水平，从而有效降低极强岩爆的风险。

想要将微波辅助破岩技术应用到工程岩体进行孔内致裂，就必须采用大功率微波进行致裂，因此就必须要用到大功率微波致裂装置，同时还要拥有适合的微波加热器和微波同轴传输线才行。

但是，目前传统的微波发生器多为采用单模或多模谐振腔的箱体式结构，微波通过在密闭的腔体内反射，从而使腔体内的岩石完成对微波的吸收，微波的频率为915MHz或2450MHz，微波输出的最高功率约为30kW，该类微波发生器仅适用于室内试验，可以用来研究微波辐射对岩石热物理特性及力学特性的影响，但却无法满足实际工程应用。虽然30kW的微波功率能够满足小尺寸岩块的致裂需要，但对于实际工程中的工程岩体来说，该微波功率还是过小，当该功率下的微波辐射到工程岩体后，工程岩体的升温速率较低，这将导致工程岩体发生局部熔化，而无法产生所需的致裂效果。那么能否采用多组小功率叠加方式呢，答案也是否定的，因为多个微波加热器进行叠加加热时，各个微波加热器所辐射出的微波能量还没有被工程岩体吸收时，就会相互耦合或抵消了，最终还是无法实现岩石致裂。另外，尽管还有一些能够满足大功率输出的微波发生器，但此类微波发生器均属于工业级，微波发生器体积庞大，且均通过电磁铁提供磁场，并采用Y结环形器进行反射功率的隔离，此类微波发生器无法移动到工程现场进行应用，也不具备与破岩机械进行结合的条件。

目前传统的微波加热器无法满足大功率孔内致裂要求，由于传统的微波加热器的功率容量偏低，而且微波辐射范围较小，如果强行输入大功率微波，则会导致空气电离并发生击穿打火现象，从而损坏大功率微波致裂装置。

目前传统结构的微波同轴传输线无法满足大功率孔内致裂要求，其功率容量偏低且远距离传输时微波能量损耗大，而且微波同轴传输线的外径尺寸无法有效满足岩体孔尺寸要求，并且现场安装和拆卸也不方便。

再有，由于目前利用微波致裂工程岩体的技术方案还主要停留在室内试验阶段，微波发生器输出的微波功率以恒定状态作用在岩石试样上，但由于岩石试样的温度变化很大，会导致岩石试样的微波特性(介电常数、介电损耗等)也会相应产生较大变化，最终导致岩石试样的负载阻抗具有了动态特性，也就是说，岩石试样的负载阻抗产生动态变化时，如果还以恒定微波功率作用岩石试样，必然会导致阻抗不匹配，直接后果就是微波反射功率增大，这不但会导致微波设备的稳定性降低，同时使微波能的利用效率降低。因此，想要将微波辅助破岩技术成功的应用到实际工程中，必须实现微波功率的自适应调控，在岩石负载阻抗产生动态变化时，可以满足阻抗的实时匹配。

发明内容