[發明專利]一種堅硬巖體強度弱化的掘進方法

有效

• 申請號: 201810438485.0
• 申請日: 2018-05-09
• 公開（公告）號: CN108691508B
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發明（設計）人: 江紅祥;杜長龍;張農;劉送永;孟德光;崔玉明;李洪盛
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21B7/18
• 分類號: E21B7/18;E21C35/20;E21D9/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 梁天彥

1.一種堅硬巖體強度弱化的掘進方法，其特征在于：所述掘進方法中用到的設備主要包括一體式磨料射流鉆機(1)和掘進機(2)，所述掘進機(2)設置有截割頭(2-1)、裝載機構(2-2)和運輸機構(2-3)，多自由度機械臂(3)通過回轉油缸(4)安裝在所述掘進機(2)上，所述一體式磨料射流鉆機(1)通過導軌(5)與所述多自由度機械臂(3)滑動連接，所述掘進機(2)上還裝載有高壓水泵(6)，所述一體式磨料射流鉆機(1)由高壓水泵(6)供給高壓水；所述掘進方法中用到的設備還包括高壓封孔器(7)，所述高壓封孔器(7)通過入水管(8)與所述高壓水泵(6)連通，所述高壓水的水壓為100MPa以上；

所述掘進方法具體包括如下步驟：

第一步、鉆孔與割縫

在掘進普氏硬度系數f>15的堅硬巖體(9)時，首先利用所述回轉油缸(4)驅動所述多自由度機械臂(3)將所述掘進機(2)后部裝載的一體式磨料射流鉆機(1)轉動到所述掘進機(2)的前方，對準要施工鉆孔的位置，利用所述一體式磨料射流鉆機(1)在所述堅硬巖體(9)中鉆進形成鉆孔(10)，然后所述一體式磨料射流鉆機(1)用高壓磨料水射流在所述鉆孔(10)的孔壁周圍進行割縫，使鉆孔(10)的周圍巖體形成錐狀裂縫族(11)，在鉆孔與割縫的過程中，所述一體式磨料射流鉆機(1)在所述導軌(5)上滑動來改變與堅硬巖體(9)的距離；完成所述鉆孔與割縫工作后，所述回轉油缸(4)驅動多自由度機械臂(3)將一體式磨料射流鉆機(1)從掘進機(2)的前方移動至掘進機(2)后部；

第二步、封孔與壓裂

用所述高壓封孔器(7)將所述鉆孔(10)進行密封，通過所述高壓封孔器(7)將高壓水注入所述鉆孔(10)中，所述堅硬巖體(9)中原先形成的所述錐狀裂縫族(11)被高壓水壓裂，堅硬巖體中的所述錐狀裂縫族(11)擴展成錐狀裂縫網(12)，從而降低所述堅硬巖體(9)的整體強度和抗截割能力，當錐狀裂縫網(12)擴展范圍達到規定要求后，即完成壓裂工作，隨后拆除高壓封孔器(7)；

第三步、截割與裝運

利用所述掘進機(2)的所述截割頭(2-1)截割已具有所述錐狀裂縫網(12)的所述堅硬巖體(9)，然后通過所述掘進機(2)的裝載機構(2-2)裝載截落的巖體碎片，通過所述掘進機(2)的運輸機構(2-3)運輸截落的巖體碎片；

施工所述鉆孔(10)的參數，鉆孔的深度L_孔、鉆孔與巖層的層理的夾角α、鉆孔的間距n的設置方式如下：

a.鉆孔的深度，L_孔≥5L_截，其中L_截為截割頭的截割深度；

b.根據巖體的主要層理設置夾角α，使高壓水射流平行于巖體的層理；

c.鉆孔的間距n滿足0.1D_網≤n≤0.3D_網，鉆孔的間距n越小，其對堅硬巖體的弱化效果越明顯，其中錐狀裂縫網的擴散直徑D_網通過現場試驗得到。

2.根據權利要求1所述的一種堅硬巖體強度弱化的掘進方法，其特征在于：所述第三步中對于不同斷面大小的巷道或隧道堅硬巖體(9)，掘進機(2)工作前可重復以上第一步和第二步，在堅硬巖體(9)上再進行一次或多次鉆孔-割縫和封孔與壓裂，實現巷道或隧道掘進范圍內堅硬巖體(9)完整弱化。