一种多点水下微差电爆震潜钻爆破装置及方法

本发明属水下破岩清障，具体涉及一种多点水下微差电爆震潜钻爆破装置及方法。

背景技术：

1、随着经济的发展，深海资源的重要性凸显，基建领域与能源开采领域逐步向深海进军。我国已经开展水下破岩清障装备的研究，已成为推动海洋资源开发的关键环节。

2、在深海资源开发及水下基础设施建设的过程中，常常面临如何清理或破碎海底坚硬岩石的问题。现阶段，传统的水下破岩方式主要分为机械破碎法和炸药爆破法两大类。

3、机械破碎法主要通过水下机器人或人工采用大型切割等设备作业。该方法具有以下不足：1）设备复杂昂贵且重量巨大：现有装备大多直接切割岩石或采用液压破碎岩石，将设备运至海底难度较大；2）作业环境恶劣：水下作业能见度底，水深等环境严重限制工人或机器人的作业效率与质量；3）设备维护成本较大：水下作业面临坚硬岩石，会导致机械破碎效率底下，刀具磨损严重，维护成本提升，影响破岩清障效率。

4、炸药爆破法主要采用炸药（比如cn202210297543.9公开的近海岸水下斜坡基岩爆破开挖施工方法和爆破装药结构），通过爆炸产生的巨大能量，对水下岩石、混凝土等障碍进行破碎与清除。该方法有以下不足：1）炸药属于危险物品：炸药安全风险高，火药在运输、储存、使用都存在较大安全隐患；2）炸药爆破容易污染水体：炸药采用化学成分，爆炸后产生大量有害气体及污染物，对水域环境影响较大，需要对环境进行评估；3）炸药需要深水处理：炸药在水下放置，水深产生的压力与腐蚀性会增加炸药爆炸起爆失败的概率。对炸药进行深水处理进一步加大了施工难度与成本。

5、可知，现有的机械破碎法和炸药爆炸法，已难以满足深海能源开发与深海基础建设的需求。因此，迫切需要研制一种兼具绿色环保、无人作业、多点微差起爆功能的破岩清障装置，为实现高效、安全、环保的深海资源开发与基础设施建设提供技术支撑。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一方面是提供一种多点水下微差电爆震潜钻爆破装置，第二方面，基于相同的发明构思，本发明还提供一种基于前述多点水下微差电爆震潜钻爆破装置的爆破方法，通过结构集成、无人化集群控制、微差时序精准调控、量化能耗管控，实现水下安全、绿色、高效、可控的精准破岩作业。

2、本发明实施例中，一种多点水下微差电爆震潜钻爆破装置，包括潜钻母装置、若干潜钻子装置和控制系统，控制系统与潜钻母装置和各潜钻子装置电性连接；潜钻母装置集成动力巡航模块、三轴姿态控制模块和子装置收纳发射模块，用于入水巡航定位、集群释放与回收潜钻子装置，并为潜钻子装置供电；潜钻子装置可拆卸收纳于潜钻母装置的子装置收纳发射模块内，潜钻子装置均包括负压吸附式固定套壳和电爆震潜钻钻头，电爆震潜钻钻头安装在负压吸附式固定套壳内部，负压吸附式固定套壳集成独立的动力系统、三轴姿态控制模块及负压吸附固定模块，用于自主巡航至指定作业点位，并将潜钻子装置负压锚定海底作业点位，固定电爆震潜钻钻头的作业方向及姿态；电爆震潜钻钻头集成动力模块、三轴姿态控制模块、电爆震放电模块和电爆震电极，用于自主钻进海底岩石以钻孔成孔，并通过高压脉冲放电的液电效应产生冲击波，通过瞬间的挤压力开裂岩石，实现岩石体积致裂破碎；控制系统与各电爆震潜钻钻头电性连接，用于输出预设微差时序的高压脉冲信号，控制多个电爆震潜钻钻头内的电爆震电极按预设微差时序依次放电，实现多点微差协同破岩。

3、本发明实施例的爆破方法，基于上述一种多点水下微差电爆震潜钻爆破装置来实现，包括以下步骤：

4、s1、获取母船及作业区域的绝对地理坐标；

5、s2、采用船载多波束测深系统对目标海域扫测，获取作业海域岩石地形，确定作业位置坐标，标定破岩目标作业点的相对坐标，破岩目标作业点为钻孔作业点；

6、s3、根据破岩目标点位分布、水深及破岩需求，确定集群释放点，确定并设置潜钻母装置发射速度，确定各潜钻子装置发射速度；

7、s4、根据破岩目标和破岩范围，调整潜钻母装置的发射方向至钻点中心点方向，将搭载潜钻子装置的潜钻母装置释放入水；

8、s5、启动潜钻母装置的三轴姿态控制模块和尾部的动力巡航模块，潜钻母装置以发射速度巡航至预设集群释放点；

9、s6、通过潜钻母装置的子装置收纳发射模块释放各潜钻子装置；

10、s7、启动潜钻子装置的负压吸附式固定套壳的三轴姿态控制模块和尾部的动力系统，调整潜钻子装置发射速度与方向，各潜钻子装置自主巡航至各自对应的作业点位；

11、s8、潜钻子装置抵达指定的作业点位后，采用负压吸附式固定套壳的三轴姿态控制模块调整姿态，启动负压吸附固定模块，通过排出负压吸附固定模块的吸盘与岩石表面之间的水体形成负压环境，将潜钻子装置稳固锚定于破岩位置；

12、s9、启动电爆震潜钻钻头，完成破岩任务；

13、s10、潜钻子装置破岩任务完成后，解除负压吸附式固定套壳的负压锚定，启动潜钻子装置的负压吸附式固定套壳的动力系统和三轴姿态控制模块，各潜钻子装置返回潜钻母装置的子装置收纳发射模块完成收纳补能；

14、s11、根据潜钻母装置剩余电量以及岩石的破碎程度，判断是否继续执行下一轮破岩任务。

15、与现有技术相比，本发明较优技术方案的有益效果包括：

16、1、本发明摒弃传统化学炸药爆破模式，依靠高压脉冲放电在水体中形成等离子通道，通过瞬间挤压水体产生高强度冲击波，将电能高效转化为岩石破碎所需的机械能，完成岩石体积致裂破碎。作业全过程不涉及任何化学炸药及化学药剂，无有毒有害气体、废渣等二次污染物产生，彻底规避炸药爆破的生态污染风险与高危作业隐患，实现绿色、安全、洁净的水下破岩施工。

17、2、本发明配备多组能够独立控制的电爆震潜钻钻头，通过预设的微差时序控制多个电爆震潜钻钻头依次放电，能够稳定实现多点微差协同爆破作业，利用冲击波叠加效应提升岩石破碎均匀度与破岩效率，可实现规模化、大面积、高精度水下破岩作业。

18、3、本发明将机械钻孔功能与电爆震体积致裂功能集成于同一电爆震潜钻钻头中，可根据海底岩石厚度、硬度差异，完成单孔多深度分层电爆震致裂作业，通过“液电效应”将电能转化为机械冲击波，实现孔内原位致裂，突破传统水下破岩方式作业深度固定、爆破时序不可控、施工灵活性差的缺陷，提升水下破岩施工的精细化程度与作业可控性，适配各类复杂海底破岩工况。

19、4、本发明搭载gps定位系统，配合动力巡航模块与三轴姿态控制模块，能够实时修正航行方向、巡航速度与作业姿态，实现了设备从母船释放、自主巡航到集群释放点的全流程无人化控制，采用负压吸附式固定套壳保证了钻孔与爆破作业的方向精度和姿态稳定，无需依赖大型水上作业平台或人工潜水干预，有效解决深海复杂水环境下设备定位偏差大、对位困难、作业稳定性差、人工操控难度高的问题，保障集群化水下破岩作业的精准度与施工稳定性。

20、5、本发明利用海底天然水环境作为液电效应的传力介质与放电介质，成本低廉，无需额外配置专用爆破耗材、破碎药剂、辅助传力材料，仅依靠高压电能即可完成岩石破碎作业，极大减少了工程耗材投入，简化施工准备流程，降低水下破岩工程的施工成本与运维成本，施工经济性优异，便于大规模工程推广应用。

21、6、本发明通过对潜钻子装置速度约束条件，使不同距离的多点作业潜钻子装置可同步抵达作业点位，保证集群作业时序统一性，避免各点位作业进度紊乱，提升集群化水下破岩作业的规整性、系统性与施工效率，适配规模化工程施工场景。