绿色低碳等离子体破岩施工智能化装备研究与示范

建筑业

本课题已进行以下研究： 1.等离子体破岩放电参数优化研究，根据既有实验数据、国内外相关文献调研分析，通过改变岩石围压、岩性、放电参数进行数值仿真及室内实验，通过实验数据推演比选，确定针对不同地质环境下的等离子体破岩放电参数最优方案，完善施工工艺。 进一步对岩石致裂和破碎裂纹扩展机理进行仿真模拟研究，得到等离子破碎过程中的冲击波波形、裂纹数量深度与放电参数之间的关系。室内实验研究等离子体破岩技术针对不同岩性的破岩效果，在混凝土、砂岩、玄武岩、花岗岩、大理岩等岩样进行实验。研究岩性与放电参数的匹配规律及影响因素。优化放电参数范围，使岩体实现可靠致裂但不发生飞石。建立一套等离子体破岩施工技术放电参数的优选方案，为现场工程应用提供基础。 2.等离子体破岩施工电极结构优化设计，研究分析比较各种不同放电方式，在兼顾施工简易性的基础上提高放电效能，研发一次性套筒电极，提高放电效能、实现成本低廉、高现场适应性、用完即弃的特点，更好的满足工程现场实际使用需求。采用不同的结构设计和放电方式对放电电极进行破岩效果对比研究，确定最优的放电方式，研制并使用含能材料电介质、二氧化碳电介质等，进一步提高放电效能。研制一次性套筒电极采用可降解材料薄壁外壳设计，将电极、电介质、含能材料提前密封在套筒中，省去实际工程施工中的组装电极、加注电介质、密封等步骤。配合单独研制的电介质材料，最大程度的实现破岩效果，提高放电效率。 3.车载系统研制与远程控制，基于等离子体破岩室内试验装置，研发等离子体破岩车载施工系统，实现工程现场的可移动性。首先进行车载系统的结构布局及绝缘性能理论研究，确定车载系统的硬件参数及空间布局，确保放电的安全性；将整个放电系统集成在一个集装箱内，采用货车运输，实现放电系统的可移动性； 全部硬件整合到集装箱内，分为三个部分：发电机及电源控制单元；外部显示与 控制终端、高压发生器及高压输出终端。设计发电机拟采用5KW柴油发电机，与电源控制单元连接，电源控制单元设置 380V及220V电源接口。其次研制车载系统显示与控制终端系统，实现车载系统放电参数的在线调节与控制，研究放电参数与围岩特性匹配度，建立等离子体电脉冲破岩效果的评价方法，在破岩效果评价的基础上，完成放电参数在不同围岩特性下的匹配优化。设计外部显示和控制终端整合在车厢靠近司乘人员位置，在车厢设置活动门，使控制及显示终端易于操作使用。控制终端在设计上保证能够控制和显示一切等离子体破岩施工所能控制参数及施工环境参数，并能够对设备运行状态进行监控、诊断和修复，如出现任何不良参数能够及时反馈并自动暂停工作。再次，研究放电参数的在线智能化调节方法，控制终端设置数据记忆功能，能够显示与控制单元对每次的工作数据进行记录与分析，从而根据施工环境进行放电参数的评价与优选，根据围岩条件实时智能化调节放电参数，实现放电参数与围岩特性的最佳匹配。高压输出端设置多个同轴电极接口和数据接收接口，实现同时多次爆破功能和工作参数监 测。最后，完成绿色低碳等离子体破岩施工智能化装备的现场示范应用，研究其工艺流程，进一步优化放电参数及智能控制系统。 目前已形成等离子体破岩施工车载智能化装备1套，其中智能化控制放电参数5种，输入电压最大20kV，储能电容最大500uF，储能能量最大为100kJ；针对34 级围岩，耗材式电极单方破碎岩石较炸药爆破综合成本降低20%以上；含二氧化碳电介质实现绿色无污染，结合含能材料的电介质实现放电能效提升30%（和纯水电介质比较）；等离子体破岩施工车载装备与智能作业系统，针对34 级围岩较机械胀裂施工效率提升20%以上，无故障运行>24h；现场示范应用2次。

等离子脉冲碎岩技术作为一种高效、环保的破岩技术，具有广阔的应用前景。为实现该技术的成果转化，现提出以下对拟合作方在资金、场地、设备、人员等方面的具体要求： 一、技术成果转化背景与目标 等离子脉冲碎岩技术通过高压电脉冲在液体介质中放电形成等离子体通道，释放冲击波实现岩石破碎。该技术在矿山开采、隧道施工等领域具有显著优势，能够有效解决传统爆破方法存在的环境污染和安全隐患问题。成果转化的目标是通过与合作方的共同努力，推动该技术在实际工程中的应用，实现技术的产业化和市场化。 二、对合作方的资金要求 1.初期投入：合作方需具备一定的资金实力，能够提供设备购置、场地租赁或建设、人员培训等初期运营资金，预计金额为500万元至1000万元。 2.持续投入：在成果转化过程中，合作方需根据项目进度持续投入资金，用于技术研发优化、示范工程建设和市场推广等。 3.资金来源：合作方的资金来源可以是自有资金、产业基金、风险投资等，但需确保资金的合法性和稳定性。 三、对合作方的场地要求 1.研发与测试场地：合作方需提供专门的研发和测试场地，面积不少于1000平方米，用于设备安装、实验操作和性能测试。 2.示范工程场地：在矿山开采或隧道施工等实际应用场景中，合作方需协调提供示范工程场地，用于技术验证和推广。 3.场地设施：场地应具备良好的基础设施，包括电力供应、水源供应、排水系统等，以满足技术研发和设备运行的需求。 四、对合作方的设备要求 1.现有设备：合作方需具备一定的基础设备，如高压电源、放电电极、液体介质循环系统等，用于等离子脉冲碎岩技术的实验和测试。 2.设备购置与升级：合作方需根据技术转化的需求，购置或升级相关设备，确保设备的性能和精度符合技术要求。 3.设备维护与管理：合作方需配备专业的设备维护人员，负责设备的日常维护和管理，确保设备的正常运行。 五、对合作方的人员要求 1.技术研发团队：合作方需组建一支专业的技术研发团队，包括电气工程师、机械工程师、地质工程师等，负责技术的优化和改进。 2.工程实施团队：合作方需具备经验丰富的工程实施团队，能够承担示范工程建设和现场操作任务。 3.管理人员：合作方需配备专业的管理人员，负责项目的整体规划、协调和管理，确保成果转化的顺利进行。 4.人员培训：合作方需提供人员培训计划，对相关人员进行技术培训和安全教育，确保其具备操作和维护设备的能力。 六、合作模式与权益分配 1.合作模式：可采用共同实施转化、技术转让、技术许可、作价投资等多种合作模式。 2.权益分配：根据合作模式和各方的投入，明确各方在成果转化过程中的权益分配比例。具体分配方案需在合作协议中详细约定。 七、合作流程与审批 1.合作意向达成：合作方需与技术持有方达成合作意向，并签订合作意向书。 2.方案制定与审批：合作方需提交详细的成果转化方案，包括技术实施计划、资金投入计划、场地设备安排、人员配置等，经技术持有方审核通过后，签订正式合作协议。 3.合同签订与备案：合作协议需明确各方的权利义务、知识产权归属、风险分担等条款，并按照相关规定进行合同备案。 八、其他要求 1.知识产权保护：合作方需严格遵守知识产权保护法律法规，确保技术转化过程中不侵犯第三方的知识产权。 2.保密义务：合作方需对技术转化过程中的商业秘密和技术秘密承担保密义务，未经技术持有方同意，不得向第三方披露。 3.风险管理：合作方需制定风险管理制度，对成果转化过程中可能出现的技术风险、市场风险、法律风险等进行评估和应对。 等离子脉冲碎岩技术的成果转化需要合作方在资金、场地、设备、人员等方面具备一定的实力和条件。通过与合作方的紧密合作，有望实现该技术的产业化应用，推动相关行业的技术进步和可持续发展。

仅限国内转让

等离子脉冲碎岩技术作为一种高效、环保的新型破岩技术，具有广阔的市场应用前景和显著的经济社会效益。以下是该技术成果转化的预期效益分析： 一、经济效益 （一）提高生产效率 等离子脉冲碎岩技术利用高压脉冲放电产生的冲击波实现岩石破碎，具有高效、快速的特点。在矿山开采、隧道施工等领域，该技术能够显著缩短施工周期，提高作业效率。例如，在某矿业公司应用脉冲碎岩技术后，碎岩效率提高了30%。此外，该技术在深部岩石开采中表现出色，能够在高应力条件下实现高效破碎。 （二）降低生产成本 传统爆破技术存在炸药使用、设备磨损、安全风险等问题，导致生产成本较高。等离子脉冲碎岩技术无需使用化学炸药，减少了炸药采购、存储和使用过程中的成本和风险。同时，该技术设备磨损小，维护成本低，能够有效降低生产过程中的设备损耗。 （三）拓展市场应用 等离子脉冲碎岩技术在多个领域具有潜在应用价值，包括矿山开采、石油钻井、隧道施工、地热开发等。随着技术的成熟和推广，其市场应用范围将进一步扩大。例如，在煤层气田开发中，该技术已成功应用于煤层气井的增产改造，显著提高了采收率。此外，该技术在深部硬岩钻井中也展现出广阔的应用前景。 （四）推动产业升级 等离子脉冲碎岩技术的推广应用将推动相关行业的技术升级和创新发展。通过与智能设备、自动化技术的结合，该技术有望实现更高效、更精准的岩石破碎作业，提升行业的整体技术水平。 二、社会效益 （一）环保效益 传统爆破技术在作业过程中会产生大量有害气体、粉尘和噪音污染，对环境造成较大影响。等离子脉冲碎岩技术在破碎过程中无污染，不产生有害气体和飞石，对周边环境友好。这符合当前绿色矿山建设和可持续发展的要求，有助于减少对生态环境的破坏。 （二）安全效益 传统爆破技术存在较高的安全风险，如炸药运输、存储和使用过程中的安全隐患。等离子脉冲碎岩技术无需使用化学炸药，从根本上消除了这些风险。此外，该技术的自动化程度高，能够减少人员在危险环境中的作业时间，进一步提高作业安全性。 （三）资源利用效益 随着浅层资源的逐渐枯竭，深部资源的开发成为必然趋势。等离子脉冲碎岩技术能够在高应力条件下高效破碎岩石，为深部资源的开发提供了有力支持。这有助于提高资源回收率，促进资源的合理利用。 （四）政策支持效益 当前，国家和地方政府对绿色矿山建设和科技创新给予了高度重视和政策支持。等离子脉冲碎岩技术作为一种高效、环保的新型技术，符合相关政策导向，有望获得政策扶持和资金支持。这将为技术的推广应用和产业化发展提供有力保障。 三、行业应用与市场前景 （一）矿山开采 等离子脉冲碎岩技术在矿山开采中的应用前景广阔。其高效、环保的特点能够有效解决传统爆破技术在深部开采中的局限性。此外，该技术在矿山边坡治理、地下矿山开采等领域也具有显著优势。 （二）隧道施工 等离子脉冲碎岩技术在隧道施工中的应用将有效提高施工效率，减少对周边环境的影响。该技术能够实现精准破碎，降低施工过程中的安全风险。 （三）新能源开发 随着新能源开发的兴起，等离子脉冲碎岩技术在地热开发、页岩气开采等领域也具有广阔的应用前景。其高效、环保的特点能够为新能源开发提供有力支持。 四、结论 等离子脉冲碎岩技术的成果转化将带来显著的经济社会效益。其高效、环保、安全的特点使其在矿山开采、石油钻井、隧道施工等领域具有广泛的应用前景。通过技术的推广应用，不仅能够提高生产效率、降低生产成本，还将推动相关行业的技术升级和可持续发展。

城市科技与精细化管理

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

绿色低碳等离子体破岩施工智能化装备研究与示范是由北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会支持，由北京市市政路桥股份有限公司、中国地质大学（北京）实施的课题，实施时间为2022.10到2025.3。 破碎岩石是人类改造和利用自然资源中最原始的活动之一，它也是现代资源开发、工程建设、钻井勘探中一项极为重要的技术。破碎岩石的方式经历了手工打磨、机械冲击、热胀冷缩、化学爆破等阶段。尤其是在工业革命之后，大功率机械碎岩设备和能量密集且巨大的炸药相继产生，这极大增加了碎岩的效率。然而，传统的机械式碎岩工具易磨损、围岩适用性差，化学爆破则存在着环境污染、噪声大等问题，因此亟需一种能量可控、对环境无污染且兼具高效率、低成本的碎岩新技术。 等离子体碎岩技术作为一种新型的岩体致裂技术，不易受原生裂隙影响，致裂效率更高且成本更低；能够在低功率下缓慢储存能量，并在极短的时间内迅速释放，放电过程均在电介质中进行，且不会产生有毒气体，更加安全经济；可以快速多次循环致裂，且单次释放能量大，致裂的区域更大，适用范围更广。凭借上述优点，等离子体碎岩技术在岩体致裂领域具有广阔的应用前景。 等离子破岩技术利用高压脉冲放电装置，在瞬间释放高密度电流，与电介质产生高温、高能量的等离子体放电通道，通道内压力急剧升高，高速地向外膨胀，形成冲击波击碎岩石，实现将电能转换为机械能，产生电爆破的效应。其主要由脉冲放电装置，电极结构以及电介质三大主要部分组成。 根据实现能量间转换的电介质不同，主要有真空介质放电、气体介质放电和液体介质放电三种主要方式，现象差异明显。与真空或气体介质相比，一方面，液相介质中电爆炸更加均匀、沉积能量更高，这对研究金属相变过程与物性带来了方便；另一方面，液相介质(例如水)的难压缩性，使得小的体积扰动带来大的压力变化，因而液相介质中电爆炸冲击波具有峰值压力高、衰减小的特点，是产生强冲击波的重要技术手段。 本研究根据既有实验数据、国内外相关文献调研分析，通过改变岩石围压、岩性、放电参数进行数值仿真及室内实验，通过实验数据推演比选，确定针对不同地质环境下的等离子体破岩放电参数最优方案，完善施工工艺；分析比较各种不同放电方式，在兼顾施工简易性的基础上提高放电效能，研发一次性套筒电极，提高放电效能、实现成本低廉、高现场适应性、用完即弃的特点，更好的满足工程现场实际使用需求，采用不同的结构设计和放电方式对放电电极进行破岩效果对比研究，确定最优的放电方式，研制并使用含能材料电介质、二氧化碳电介质等，进一步提高放电效能；基于等离子体破岩室内试验装置，研发等离子体破岩车载施工系统，实现工程现场的可移动性，其次研制车载系统显示与控制终端系统，实现车载系统放电参数的在线调节与控制，研究放电参数与围岩特性匹配度，建立等离子体电脉冲破岩效果的评价方法，在破岩效果评价的基础上，完成放电参数在不同围岩特性下的匹配优化，再次，研究放电参数的在线智能化调节方法，控制终端设置数据记忆功能，能够显示与控制单元对每次的工作数据进行记录与分析，从而根据施工环境进行放电参数的评价与优选，根据围岩条件实时智能化调节放电参数，实现放电参数与围岩特性的最佳匹配；基于前面设计制作的车载式破岩设备，通过远控机箱进行输入电压的设置以及储能电容数量的选取，在线调节放电参数，完成绿色低碳等离子体破岩施工智能化装备的现场示范应用，其次，对设备破岩效果进行记录，并对其破岩成本及效率进行核算，进行电脉冲破岩评价方法研究，再次，确定目前设备最大输出能量下的的破岩能力，进行放电参数与围岩特性匹配度分析，探究放电参数智能化调节方法，进一步提升设备破岩能力，最后，研究其工艺流程，进一步优化放电参数及智能控制系统，进行现场示范应用及工艺流程优化。 实现了以下考核指标，① 等离子体破岩施工车载智能化装备1套，其中智能化控制放电参数不少于4种， 电容不小于20kV500uF，储能能量不小于100kJ； ② 针对34 级围岩，一次性电极单方破碎岩石较炸药爆破综合成本降低20%以上； ③ 含二氧化碳电介质实现绿色无污染，结合含能材料的电介质实现放电能效提升30%（和纯水电介质比较）； ④ 等离子体破岩施工车载装备与智能作业系统，针对3~4 级围岩较机械胀裂施工效率提升20%以上，无故障运行>24h； ⑤ 现场示范应用不少于2次； ⑥ 申请发明或实用新型专利4项。 可实现以下场景的应用： 1）在建筑物破拆领域，该技术展现出良好的应用前景，可安全应用于城市建筑物破拆。 2）在隧道掘进领域，该技术可代替炸药进行碎岩作业。