專利名稱:脈沖電能發(fā)射分裂物質的方法和設備的制作方法
本發(fā)明涉及藉發(fā)射脈沖電能透過物體來分裂物體的一種方法和一種設備。更確切地說，脈沖電能是經過設置在物體中的多個電極而發(fā)射穿過物體。
先有技術長期以來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，以及地下井的結構地層開掘方面，已認識到這種潛力。在這些范圍里，常常需要破裂一種硬的(比如巖石)固體物質，以推進礦井采掘面，或者藉分裂周圍的地下范圍，增加從地下井內開采量。
利用電能分裂巖石，最初的嘗試是包括將多個電阻電極放置在巖石中的孔內，接著，通過電極傳遞電流。藉電極加熱巖石，由于在巖石中引起熱應，最后導致它沿著電極的電路斷裂。用于在巖石中引起熱應力以推進礦井采掘面的設備也是眾所周知的。這些器件一般利用電極跳火來加熱巖石工作面及利用冷卻裝置在應用電弧后來冷卻工作面。這種循環(huán)的加熱和冷卻，在巖石工作面內引起熱應力，該應力接著將巖石分裂。更現代的器件利用這種加熱或加熱/冷卻步驟的基本技術，但采用電子束或高速等離子流來完成加熱。
施加電脈沖于諸如巖石的物質，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，膨脹產生的內部壓力導致巖石分裂。另一方面，巖石在應用電脈沖之前，可以用比如電解溶液的液體來處理，以幫助電極之間的電路的建立。若巖石未以液體溶液預處理，為了在電極間通過巖石建立電路，或需利用多點電極。
電脈沖也已用來作分裂巖石兩步驟工序的要素。電脈沖在巖石中引起無數的微裂痕，其后用聲能使巖石沿著這些裂痕分裂。
電能也可用于鉆進硬的物質，比如巖石。先有技術充滿著各種形式的電火花鉆，這些鉆是依靠一對電極之間、或一個電極與周圍形成物之間的電弧來使巖石分裂。電極可以應用電極本身，或配合一個標準滾動圓錐打孔鉆頭(roller cone drill bit)來應用。
從能量消耗的觀點來看，先有技術的設備都沒有經證明為有效的。在合理的時間內達到器件的目的，這些器件需要的輸入能量經證明是不合乎經濟原則，特別是鑒于能源價格經常上升的情況來說。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，或在相當長的時間內需要能量輸入。
本發(fā)明公布一種方法和設備，來克服先有技術的低效率和高能量輸入的要求，該方法和設備是通過發(fā)射一個或幾個電脈沖穿過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量脈沖，發(fā)射進入物體之中，以確定分裂脈沖的最佳寬度和測定物體的特性阻抗。然后將一個或多個分裂脈沖發(fā)射進入物體中間。各分裂脈沖是以預定的電壓幅度而在極短的時間內發(fā)射進入物體中。高速應用一個或多個電脈沖使物體在極短的時間內分裂。本發(fā)明的方法和設備提供一個較采用先有技術的方法和設備為大的每輸入單位的輸出量。
實施根據本發(fā)明的方法所應用的設備，可包括一個能量存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使用電容器、電感器或一個兩者的組合作為電能存儲器件;一個電源和電流調節(jié)器，將能量存儲器件充電至一預定電平;一個脈沖發(fā)生器用來正確地組成和使用測量脈沖;以及多個電極，通過開關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。電極可設置在物體中的孔內，而且是絕緣的，僅在它們的末端露出來。將能量存儲組合、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間寬度，也不改變其波形。
圖1是根據本發(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是根據本發(fā)明的測量脈沖列的電壓電平對時間的曲線圖。
圖5是說明分裂不同種類和重量的巖石所需能量的圖表。
圖6是說明達到不同碎裂程度所需能量的圖表。
圖7是說明使用三個電極的本發(fā)明另一個實施例的部分示意圖。
圖8是說明圖7中三電極在巖石上相對位置的頂視圖。
雖然可以相信在這里宣布的方法和設備能分裂許多固體物質，然而這里只介紹用來破裂巖石這方面。要明白，同樣的原理可以應用到其他固體物質。
本發(fā)明的設備大略地示于圖1中。設備包括有連接至電流調節(jié)器12的電源10，依次連接至能量存儲組合14。電源10可以有交流120伏和100瓦的輸出，而電流調節(jié)器12可有5毫安的容量。能量存儲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和大小。圖2中所示的電容器組，其中的電容器是并聯的充電和接著串聯的放電，電容器可以是四個各為30微法的。當順序地激發(fā)到導電開關G1、G2等時產生導電。在例子中的開關是火花隙式的。在所有的開關激發(fā)后，電容器成為串聯連接。手動充電開關S1是插在電流調節(jié)器12能量存儲組合14之間，當它閉合時，將組合連接到電源便于充電。
設備也包括脈沖發(fā)生器16，能產生一系列不同寬度、恒定電壓的脈沖，另包括歐姆表18以及示波器20。這些元件的每一個的外形都是熟知的，本質上各元件的構造不成為本發(fā)明的一部分。由脈沖發(fā)生器16產生的測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，對于它的作用將在下文作詳細的敘述。脈沖發(fā)生器16的輸出導線22是連接至兩位開關S6的一位置，S6開關的第二位置端是連接至從能量存儲組合14發(fā)出的輸出導線24。
如圖所見，開關S6也連接至銅母線26。母線26這樣的構成，是為了減少任何失匹情形而可以呈現漸縮的傳輸線特性;失匹情形會惡化傳送到電極28的脈沖的波形。當開關S6放在第一位置，如圖1中虛線所示，而開關S4和S5閉合時，脈沖發(fā)生器提供一列測量脈沖到母線26。當開關S6移至第二位置時，電容器組14通過輸出導線24連接至母線26，以發(fā)送分裂脈沖。
母線26的相對末端是連接至電極28，電極的遠端是插進在巖石32的孔30里面。在此實施例中，是采用一對電極28，各連接至每一母線26。電極28可包含多股絞合銅線34，該線除了遠端部分以外全部包有絕緣材料36。銅線的遠端部分，大概有1/2吋長是裸露的，如圖3中所示?？?0的直徑并非是決定性的，當然，應當大到足以容納電極28。
存儲示波器38可以通過熟知的拾波線圈40的聯系手段，與母線26聯結。拾波線圈40可以在母線26的一條周圍擴展，拾波線圈可包括一個標準電流探頭。電壓表42也可藉熟知的連接裝置連接至母線26。
開關S2和旁路測量開關S3是連接至母線26，如圖1中所示。開關S2是將電容器組連接至電極的主開關，而應當能在極短的時間內傳導高電壓和大電流。已經找到通用號碼(General Electric number)GL7703水銀開關，能在需要分裂已知巖石的情形下，表現令人滿意。開關S3僅在測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關S2那樣經得住同樣的工作參數。
為了使用申請人的發(fā)明，電極28是插進孔30內，如圖所示。為了確定最佳分裂脈沖，不同寬度、恒定電壓的測量脈沖的系列在一開始就通過巖石32。將開關S6放置在圖1中所示的位置以及閉合開關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產生一列測量脈沖，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備的能力。雖然脈沖的數目和寬度可以改變，以適合特有的材料，已經發(fā)現采用上面提出的和圖4所示的三個寬度的脈沖，提供了滿意的結果。在應用測量脈沖列到巖石期間，進入負載的各脈沖的電流是由電流表46測量的。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間寬度。因為選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) )計算出來。特性阻抗值被用來調節(jié)母線26中可調電感器48和分布電容C的數值。這樣，利用到巖石的測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。
對于重量在40和1200磅之間的各種各樣的巖石所進行的試驗中，已發(fā)現導致巖石分裂只需要單脈沖。在極短的時間(在幾個微秒的數量級)內應用高電壓電能的單脈沖引起巖石分裂，而同時保持總的能量消耗在一非常低的水平。在迄今的試驗中，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。
幾個例子的試驗結果列于下面。
例1巖石種類 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 1.5仟焦結果巖石被分裂成2塊。
例2巖石種類 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 1.5仟焦結果巖石被分裂成9塊。
例3巖石種類 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 4仟焦結果巖石被分裂成32塊。
例4巖石種類 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 5仟焦結果巖石被分裂成5塊。
例5巖石種類 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 4仟焦結果巖石被分裂成5塊。
例6巖石種類 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 6仟焦結果巖石被分裂成6塊。
應該強調的是本發(fā)明并非依靠加熱巖石以引起其中的熱應力，也非依靠原生的液體轉化成蒸汽以提供分裂力。如果由這設備使用的全部能量，在持久的時間內被施加到巖石上，它僅夠提高巖石的溫度大概0.1℃。在許多次試驗中，已經發(fā)現巖石在分裂后即時是冷的，而在任何碎片中沒有觀察到明顯的加熱痕跡。雖然現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間內應用大量電能有關，因而維持全部能量要求在一相當低的水平。
起始脈沖或者一個單脈沖的起始部分，相信是用來減低巖石的阻抗，讓下一個脈沖或一個單脈沖的剩余部分，用較少能量來分裂巖石。分裂脈沖的上升時間應該是這樣的在大概10毫微秒內，應用10%至90%的脈沖。
如圖5中所示，已發(fā)現能量要求是按照巖石的種類和重量而改變，雖然，在極端情形下，甚至對于像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體積的25%或以上;
中-分裂后的石塊平均在原來體積的10%至25%之間;
高-分裂后的石塊平均小于原來體積的10%。
本發(fā)明如試驗的結果證明，已經實際上用于所有種類的巖石。
另一個實施例顯示于圖7和圖8中，其中三個電極插在巖石中。在此實施例中，電極50、52和54分別插在巖石62中的孔56、58和60內。電極50連接至母線26之一，而電極52和54是并聯的連接到母線26的另一條，所有的接線是從開關S2和S3順流而下地設置。
如圖8中所示，電極50和52之間的距離d1應小于電極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，而開關S7接在電極52和小之間。開關S7是常開的，而當橫越電感器64的電壓達到一預定電平時自動地閉合。
如前所述，在正常方式中當閉合開關S2時能量存儲組合14將通過電感器64在電極50和52之間放電。當在或接近峰值電流時，通過巖石的發(fā)射路徑會打開。接著，一非常高的電位將跨越電感器64出現。開關S7因感應此電壓(V＝L (di)/(dt) )而自動閉合，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)，而進一步分裂在那些點之間的巖石。電感器64應有一低充電時間到功率(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之間巖石材料的復阻抗進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)到負載Z1(電極52和54之間巖石材料的復阻抗)的峰值功率是P1＝I2·Z1.。對于高能量放電 (P1)/(P) ＝ (Z1)/(R1+Za) 其中Z1＞＞(R1+Za)和對于高效率，電感器時間常數t(t＝ (L)/(R1+Za) )必須大于T。這將導致一極短的充電時間(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來達到。
以上的敘述僅為解說性的目的而提供，但不應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利要求
所界定。
權利要求
1.一種藉多個電極與物體接觸來分裂物體的方法，其特征是以下的步驟經過電極發(fā)射一系統(tǒng)測量脈沖進入物體，幾個測量脈沖具有共有的電壓幅度但不同的時間寬度；測量各測量脈沖的電流幅度；選擇具有最大電流幅度的測量脈沖作為特征脈沖寬度用作分裂物體；以及發(fā)射至少一個具有能級在0.5和100仟焦之間的分裂脈沖，經過電極進入物體中，分裂脈沖的寬度大約等于特性脈沖的寬度。
2.根據權利要求
1所述的分裂物體的方法，其特征是進一步的步驟從電壓和特性脈沖測得的電流計算物體的特性阻抗;以及調節(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.根據權利要求
2所述的分裂物體的方法，其特征在于一單分裂脈沖發(fā)射進入物體。
4.根據權利要求
2所述的分裂物體的方法，其特征在于一對分裂脈沖順序地發(fā)射進入物體。
5.根據權利要求
2所述的分裂物體的方法，其特征在于三個測量脈沖發(fā)射進入物體。
6.分裂物體的設備包括多個電極，適合于和物體接觸放置，其特征是產生第一下列測量脈沖的裝置，幾個測量脈沖具有一共有的電壓幅度但不同的時間寬度;測量幾個測量脈沖電流幅度的裝置;產生至少一個分裂脈沖的裝置，該分裂脈沖具有在0.5和100仟焦之間的能級，其時間寬度大約等于有最大電流幅度的測量脈沖的時間寬度;具有開關裝置在那里的電傳輸線，用作多個電極與產生測量脈沖的裝置或產生至少一個分裂脈沖的裝置的連接。
7.根據權利要求
6所述的設備，其進一步的特征是調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量脈沖電流兩者所確定的物體特性阻抗。
8.根據權利要求
6所述的設備，其特征在于產生測量脈沖的裝置，產生三個上述的測量脈沖。
9.根據權利要求
6所述的設備，其特征在于產生至少一個分裂脈沖的裝置，產生一個單分裂脈沖。
10.根據權利要求
6所述的設備，其特征在于至少一個分裂脈沖的裝置，產生二個分裂脈沖，該兩個分裂脈沖順序地通過電極施加到物體。
專利摘要
一種借通過物體發(fā)射脈沖電能分裂物體的方法和設備，其中電極是與物體接觸的放置，一系列測量脈沖發(fā)射進入物體以確定特性脈沖和物體的特性阻抗。根據系列測量脈沖至少一個分裂脈沖通過電極發(fā)射進入物體使物體分裂。
文檔編號E21C37/00GK86104470SQ86104470
公開日1988年1月6日 申請日期1986年6月27日
發(fā)明者喬治·科迪納 申請人:Ceee公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan