[發(fā)明專利]一種高地溫隧道巖爆防治裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010033999.5
• 申請(qǐng)日: 2020-01-13
• 公開（公告）號(hào): CN111188620B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 嚴(yán)健;何川;汪波;董唯杰;徐國(guó)文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南交通大學(xué)
• 主分類號(hào): E21D9/00
• 分類號(hào): E21D9/00
• 代理公司: 成都東恒知盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 51304
• 代理人: 何健雄;廖祥文

本發(fā)明公開了一種用于高地溫隧道巖爆防治裝置，包括可伸縮式液氮壓裂管柱、孔口封隔器、驅(qū)動(dòng)模塊、泵送加壓噴射模塊、液氮連接管路、集成控制模塊，綜合監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)，液氮車或液氮存儲(chǔ)系統(tǒng)；可伸縮式液氮壓裂管柱上套有孔口封隔器，孔口封隔器后面依次連接驅(qū)動(dòng)模塊、高壓噴射模塊，連接模塊與液氮車或液氮存儲(chǔ)系統(tǒng)。采用本裝置能有效降低高地溫隧道圍巖溫度和釋放高應(yīng)力，從而消除鏈?zhǔn)綗崃︸詈蠋r爆災(zāi)害；該系統(tǒng)具有安全有效、操作簡(jiǎn)單，耗時(shí)少，效率高，環(huán)境污染少，氣源豐富，價(jià)格低廉，可現(xiàn)場(chǎng)從空氣中獲取壓裂用液氮的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能節(jié)約水資源和電力資源、能有效保護(hù)高原生態(tài)環(huán)境。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高地溫及高地應(yīng)力隧道開挖施工、地下空間工程熱害和巖爆防災(zāi)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高地溫隧道巖爆防治裝置。

背景技術(shù)

水利水電、交通和礦山等深埋硬巖或高應(yīng)力隧道開挖過程中經(jīng)常會(huì)遇到極強(qiáng)或強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)巖體內(nèi)積聚的高應(yīng)變能突然釋放時(shí)，導(dǎo)致強(qiáng)烈的圍巖破壞將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員和設(shè)備造成極大的危害。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)巖爆的控制方式主要有兩種：第一種改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，降低巖體中積聚的應(yīng)力和能量，例如應(yīng)力解除爆破、噴灑高壓水軟化圍巖，鉆取一定長(zhǎng)度和數(shù)量的超前應(yīng)力釋放孔并在孔內(nèi)注射高壓水，洞壁切槽開挖中導(dǎo)洞等形成局部應(yīng)力釋放區(qū)；第二種是提高巖體的儲(chǔ)能能力或吸收圍巖釋放的能量，通過對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)來達(dá)到預(yù)防巖爆的目的，主要以吸能支護(hù)、柔性支護(hù)、剛性支護(hù)或二者結(jié)合的方式。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果和工程應(yīng)用效果可知，應(yīng)力釋放孔可以一定程度上降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)，但是要防治極強(qiáng)巖爆或強(qiáng)烈?guī)r爆，需要打很多應(yīng)力釋放孔，這不僅速度慢，而且有時(shí)因應(yīng)力釋放不足而不足以防治熱力耦合型巖爆。應(yīng)力解除爆破法對(duì)圍巖擾動(dòng)較大、產(chǎn)生的粉塵增加，對(duì)工期的影響也較大。而傳統(tǒng)的高壓注水或高壓水壓裂技術(shù)不僅需要大量的水資源，而且在壓裂液中添加許多化學(xué)物質(zhì)，這對(duì)于環(huán)境的污染非常嚴(yán)重。

針對(duì)高溫水工、交通和礦山等地下工程，特別針對(duì)穿越板塊活動(dòng)帶的川藏鐵路、滇藏鐵路等超高地溫、極高地應(yīng)力隧道，采用鉆爆施工或TBM掘進(jìn)施工時(shí)，考慮圍巖內(nèi)部降溫、圍巖應(yīng)力釋放以及對(duì)保護(hù)高原脆弱地質(zhì)生態(tài)環(huán)境的需要，研發(fā)一種新的降溫及應(yīng)力釋放技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高地應(yīng)力高巖溫巖體的降溫、應(yīng)力解除進(jìn)而防治熱力耦合型巖爆具有重要的意義。

液氮是一種非常穩(wěn)定的冷源，其性質(zhì)穩(wěn)定，不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),使用方便且環(huán)保，制備簡(jiǎn)單且原材料豐富。使用液氮壓裂可以減少水資源的浪費(fèi)，有效降低水化膨脹及濾失問題。液氮在巖石孔腔中的汽化可以對(duì)圍巖起到降溫作用，同時(shí)，液氮超低溫可以使巖石內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力進(jìn)而使巖石破裂。采用液氮進(jìn)行圍巖降溫和應(yīng)力釋放，不會(huì)污染環(huán)境，因此這使得液氮可以成為一種優(yōu)秀的無水壓裂液。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高地溫隧道巖爆防治裝置。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：設(shè)計(jì)一種高地溫隧道巖爆防治裝置，包括可伸縮式液氮壓裂管柱、孔口封隔器、驅(qū)動(dòng)模塊、泵送加壓噴射模塊、液氮連接管路、集成控制模塊，綜合監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)，液氮車或液氮存儲(chǔ)系統(tǒng)；應(yīng)力釋放孔孔口套有孔口封隔器，可伸縮式液氮壓裂管柱穿過孔口封隔器位于應(yīng)力釋放孔中，可伸縮式液氮壓裂管柱尾端上設(shè)有綜合監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)，可伸縮式液氮壓裂管柱尾端連接驅(qū)動(dòng)模塊和液氮連接管路，液氮連接管路連接泵送加壓噴射模塊和液氮車或液氮存儲(chǔ)系統(tǒng)，集成控制模塊連接驅(qū)動(dòng)模塊、泵送加壓噴射模塊、綜合監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)、液氮車或液氮存儲(chǔ)系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，所述可伸縮式液氮壓裂管柱由內(nèi)套管和外套管組成，外套管與內(nèi)套管為中空結(jié)構(gòu)，材料為陶瓷或金屬管材，內(nèi)套管和外套管上設(shè)有溢出孔，內(nèi)套管是可伸縮管，內(nèi)套管前端為噴嘴，內(nèi)套管尾端與驅(qū)動(dòng)模塊輸出端通過套筒連接,外套管與液氮連接管路連接，外套管與內(nèi)套管通過絲口連接。

進(jìn)一步的，所述可伸縮式液氮壓裂管柱位于外套管上，靠近孔口封隔器內(nèi)側(cè)部分設(shè)有綜合監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)力釋放孔內(nèi)的溫度和壓力，采集圍巖的聲發(fā)射特性。

進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)模塊為一種驅(qū)動(dòng)設(shè)備，驅(qū)動(dòng)設(shè)備是驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)液壓缸。