[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

本發明公開了一種堅硬巖體強度弱化的掘進方法，在掘進工作面布置掘進機和以掘進為載體的一體式磨料射流鉆機、高壓水泵；掘進機截割巖體前，采用一體式磨料射流鉆機在巖體內形成鉆孔，在鉆孔基礎上通過割縫形成一系列的錐狀裂縫族；利用高壓封孔器將近掘進面的鉆孔密封一段距離，將高壓封孔器通過入水管與高壓水泵連通，利用巖體抗壓不抗拉特性，使巖體內的錐狀裂縫族擴張形成密集的錐狀裂縫網，從而弱化巖體強度。然后采用掘進機截割頭截割內部具有錐狀裂縫網的巖體，從而大大提高巷道掘進效率，同時可以延長掘進機的使用壽命，降低掘進費用。

技術領域

本發明涉及一種堅硬巖體強度弱化的掘進方法，適用于普氏硬度系數較高的巷道或隧道巖體掘進施工。

背景技術

目前，煤炭開采已經逐漸向深層和復雜地層發展，對深層、復雜地層煤炭資源安全高效開采技術和裝備提出了更高的要求和新的挑戰。由于地應力的增大，通常深層、復雜地層煤巖的彈性模量、硬度和破壞強度等隨之增大，單軸抗壓強度往往達到150MPa以上。雖然爆破掘進法具有靈活、方便、成本低、適應性強以及不受地質條件變化影響的特點，但其存在工序多、安全性低、掘進效率低等缺點。機械切削破巖時刀具磨損嚴重、消耗量大，主要用于切削破碎普氏硬度系數f≤8的煤巖；機械沖擊可以破碎大部分煤巖，但在堅硬煤巖(f>15)中工作存在球齒磨損嚴重和脫落、破巖效率低以及粉塵量大等問題，大大降低了機械沖擊破巖能力、效率以及設備使用壽命和可靠性，如何實現堅硬煤巖的安全高效破碎已經成為深層、復雜地層煤炭等礦體資源高效開發的關鍵問題和難點。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種堅硬巖體強度弱化的掘進方法，在掘進機對堅硬巖體進行機械化截割、裝載和輸送之前，增加在堅硬巖體中進行鉆孔與割縫、封孔與壓裂的工序，從而弱化巖體強度和抗截割能力，以提高巷道或隧道堅硬巖體的施工效率和安全性。

技術方案：為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

一種堅硬巖體強度弱化的掘進方法，該掘進方法中用到的設備主要有一體式磨料射流鉆機和掘進機，所述掘進機設置有截割頭、裝載機構和運輸機構，多自由度機械臂通過回轉油缸安裝在所述掘進機上，所述一體式磨料射流鉆機通過導軌與所述多自由度機械臂滑動連接，所述掘進機上還裝載著高壓水泵，所述一體式磨料射流鉆機由高壓水泵供給高壓水；所述掘進方法中用到的設備還包括高壓封孔器，所述高壓封孔器通過入水管與所述高壓水泵連通，所述高壓水的水壓為100MPa以上；

所述掘進機主要用于截割堅硬巖體和作為一體式磨料射流鉆機和高壓水泵的載體；多自由度機械臂用來實現一體式磨料射流鉆機的位置變換；所述一體式磨料射流鉆機主要用于在堅硬巖體內進行鉆孔和割縫；其優點為將一體式磨料射流鉆機和高壓水泵安裝在掘進機上，而不改變掘進機的現有基本結構，能夠使本發明的一種堅硬巖體的掘進方法能夠快速實施。

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的堅硬巖體時，首先利用所述回轉油缸驅動所述多自由度機械臂將所述掘進機后部裝載的所述一體式磨料射流鉆機轉動到所述掘進機的前方，對準要施工鉆孔的位置，利用所述一體式磨料射流鉆機在所述堅硬巖體中鉆進形成鉆孔，然后所述一體式磨料射流鉆機用高壓水射流在所述鉆孔的孔壁周圍進行割縫，使鉆孔的周圍巖體形成錐狀裂縫族，在所述鉆孔和割縫的過程中，所述一體式磨料射流鉆機在所述導軌上滑動來改變與堅硬巖體的距離；完成所述鉆孔與割縫工作后，所述回轉油缸驅動多自由度機械臂將一體式磨料射流鉆機移動至掘進機后部；

其優點為利用高壓磨料射流切割堅硬巖體能力強的特點，采用一體式磨料射流鉆機實現堅硬巖體的鉆孔和割縫，一體式磨料射流鉆機的鉆孔與割縫效率高、能力強、環節少、精度高。形成的錐狀裂縫族為進行下一步的封孔與壓裂提供了較高的條件，可以在封孔壓裂時提高弱化巖體的效果。

第二步、封孔與壓裂