CN108506040A - 一种基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法，属于深部矿山开采技术领域。该方法首先进行布设监测点，然后进行施工前期准备，包括致裂器的充装和性能检测，进而使用钻孔机在工作面上进行作业，钻致裂孔；将致裂器放入致裂孔中，安放完成后将各排导线分别串联连接，接在启动器上；启动致裂器进行CO2致裂爆破。爆破完毕后由技术人员核查致裂情况，对工作面进行通风。最后回收致裂器、清渣，并对监测结果进行分析。相比传统的巷道修护和加固措施，本发明方法施工技术先进、经济合理且效率高，大幅降低劳动工作量，减少材料和人员的投入，能够很好的控制高应力、变形严重的巷道。
Description
技术领域
本发明涉及深部矿山开采技术领域，特别是指一种基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法。
背景技术
随着采矿技术发展及开采深度增加，面临的地质条件也越来越复杂。在地下深部高应力的作用下，浅部表现为坚硬岩石发生显著变形，具有软岩特性。开挖巷道稳定性难以控制，仅仅从加强支护体本身强度入手不能解决高应力软岩巷道支护问题，必须从围岩应力及支护体两方面进行综合考虑，从根本上解决高应力软岩巷道稳定性问题。卸压法与支护加固法不同，其实质在于设法改变巷道和峒室附近围岩的应力场，使这部分围岩处于应力降低区，从而达到保持其稳定性的目的。我国CO2致裂施工技术已趋于成熟，在交通隧道施工等方面已经广泛使用，此工法作为一种新型破岩技术，是利用液态CO2吸热汽化膨胀，压力急速上升的原理，在达到目标压力后瞬间释放高压气体对岩体进行致裂。由于存放CO2的致裂器体积小、便于运送，使用过程安全可靠、威力可控，因此，在深部巷道卸压的过程中采用CO2致裂法卸压，具有无明火、易操作的特点，施工过程安全高效，可大幅降低或避免工程建设炸药用量，能够很好的控制高应力、变形严重的巷道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法，既能大幅降低劳动工作量，减少材料和人员的投入，又能够达到保持地下深部高应力巷道稳定性的目的。
该方法是在传统的炸药爆破卸压的方法上，新建立的一种以CO2致裂技术来实现巷道卸压的方法，具体包括步骤如下：
(1)布设监测点：对巷道变形观测采用顶底板和两帮及腮颊变形观测方法，在顶底板和两帮及腮颊布设监测点；
(2)施工前期准备：进行致裂器的充装和性能检测，试验致裂器的密封性、表面温度以及对致裂器内部的发热装置进行检查；
(3)钻致裂孔：使用钻孔机在工作面上进行作业钻致裂孔；
(4)安放致裂器：将致裂器放入步骤(3)中钻好的致裂孔中，致裂孔孔口用木楔塞紧，使用泡沫剂密封，安放完成后将致裂器各排导线分别串联连接，然后接在启动器上；
(5)启动和通风：启动致裂器进行CO2致裂爆破，爆破完毕后由技术人员核查致裂情况，确认致裂器全部反应完毕消除安全隐患后，对工作面进行通风；
(6)回收致裂器、清渣：回收致裂器以备于下一次致裂爆破的气体充装，回收致裂器的同时进行工作面的清渣；
(7)监测结果分析：对步骤(1)中监测点监测到的信息进行对比分析。
其中，步骤(1)中对巷道变形观测采用顶底板和两帮及腮颊变形观测方法，监测钻孔致裂卸压巷道与未进行钻孔致裂卸压巷道的变形数据。
步骤(2)中在致裂器充装准备的同时进行施工面的测量工作，并准备导线组装致裂器。
步骤(3)中使用60mm的风钻在工作面作业，布置巷道顶板致裂孔、六排帮部致裂孔和巷道基角处布置底板致裂孔，致裂孔深度为4500mm，致裂孔间夹角为30°。
步骤(4)中所用的CO2致裂器的长度为1-1.5m，直径为40-60mm，各致裂器内注入1-2kg的液态CO2。
步骤(4)中将致裂器放入致裂孔中，预留出8-12cm的空间以便连线。
步骤(7)中对钻孔致裂卸压巷道的表面变形数据与未进行钻孔卸压巷道的表面变形数据进行对比分析。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
该方法既能大幅降低劳动工作量，减少材料和人员的投入，又能调整围岩应力分布，使巷道围岩处于低应力状态，对控制巷道变形具有明显的作用。此工法将CO2致裂法和卸压机理结合起来，成为一种协调治理地下深部高应力围岩的有效方法，该方法对开挖巷道、洞室等岩体工程的稳定性控制有一定的参考价值。
附图说明
图1为本发明的基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法的监测点分布图；
图2为本发明的卸压钻孔布置及爆破区域示意图；
图3为本发明的致裂孔布置图；
图4为本发明的CO2致裂器示意图；
图5为本发明的具体实施流程图。
其中：1-顶板变形监测点，2-两帮腮颊变形监测点，3-底板变形监测点，4-巷道断面，5-致裂孔，6-致裂影响范围，7-岩帮岩柱，8-软化卸压带，9-巷道顶板致裂孔，10-巷道帮部致裂孔，11-巷道底板致裂孔，12-导线，13-充气头，14-发热管，15-压缩CO2，16-爆破片，17-泄气孔，18-围岩。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的深部高应力软岩巷道稳定性问题，提供一种基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法。
如图5所示，该方法具体步骤如下：
(1)布设监测点：对巷道变形监测采用顶板、底板和两帮及腮颊变形监测方法。在行进钻孔致裂卸压的200米巷道中选取中间和两端的3个断面进行监测，另外在没有进行钻孔致裂卸压的巷道选取2个断面进行表面变形监测。巷道断面布设顶板变形监测点1、两帮腮颊变形监测点2和底板变形监测点3，布置如图1所示。
(2)施工前期准备：包括致裂器的充装和性能检测，试验致裂器的密封性、表面温度以及对发热装置的检查。为提高工效节约施工时间，在致裂器充装准备的同时进行施工面的测量工作；在放线的同时准备导线组装致裂器。
(3)钻致裂孔：使用60mm的风钻在工作面作业，在巷道断面4布置致裂孔5，初步确定致裂影响范围6，致裂孔5外为岩帮岩柱7，岩帮岩柱7外围为软化卸压带8，卸压位置设计在巷道顶板、侧帮与基角处，即布置巷道顶板致裂孔9，六排巷道帮部致裂孔10和巷道基角处布置巷道底板致裂孔11，致裂孔5深度为4500mm，每致裂孔间夹角为30°角，如图2和图3所示。
(4)安放致裂器：致裂器如图4所示，致裂器内部充填压缩CO215，发热管14位于致裂器内部，发热管14与导线12相连，致裂器端部为充气头13，致裂器另一端设置爆破片16和泄气孔17。在围岩18上开有致裂孔5，将致裂器放入致裂孔5中，预留出10cm左右的空间以便连线。在炮孔口用木楔塞紧，使用泡沫剂密封。待致裂器安放完成后将各排导线分别串联连接，将每炮孔串联的两根导线分别接在启动器上。连接完毕后由专职技术人员检查安放情况及电路畅通情况。
(5)启动和通风：致裂器安置完毕后，撤离工作面爆破危险区内施工人员。确认安全后，启动致裂器进行CO2致裂爆破。爆破完毕后由技术人员核查致裂情况，确认致裂器全部反应完毕消除安全隐患后，对工作面进行通风。由于CO2致裂过程中不产生CO、NO2等有毒有害气体，通风过程相对于普通钻爆法较为简单和快速。
(6)回收致裂器、清渣：巷道内通风完成后，进入工作面回收致裂器以备于下一次致裂爆破的气体充装，回收致裂器的同时进行工作面的清渣。
(7)监测结果分析：在致裂卸压试验结束后，通过将钻孔致裂卸压巷道的表面变形数据与未进行钻孔卸压巷道的表面变形数据进行对比分析，结果表明试验巷道顶底板和两帮腮颊变形得到有效控制，变形量明显减少，从而说明了钻孔致裂卸压技术有效的降低了巷道围岩应力，使集中应力向围岩深部转移了，改善了巷道的受力状态。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)布设监测点：对巷道变形观测采用顶底板和两帮及腮颊变形观测方法，在顶底板和两帮及腮颊布设监测点；
(2)施工前期准备：进行致裂器的充装和性能检测，试验致裂器的密封性、表面温度以及对致裂器内的发热装置进行检查；
(3)钻致裂孔：使用钻孔机在工作面上进行作业钻致裂孔；
(4)安放致裂器：将致裂器放入步骤(3)中钻好的致裂孔中，致裂孔孔口用木楔塞紧，使用泡沫剂密封，安放完成后将致裂器各排导线分别串联连接，然后接在启动器上；
(5)启动和通风：启动致裂器进行CO2致裂爆破，爆破完毕后由技术人员核查致裂情况，确认致裂器全部反应完毕消除安全隐患后，对工作面进行通风；
(6)回收致裂器、清渣：回收致裂器以备于下一次致裂爆破的气体充装，回收致裂器的同时进行工作面的清渣；
(7)监测结果分析：对步骤(1)中监测点监测到的信息进行对比分析。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法，其特征在于：所述步骤(1)中对巷道变形观测采用顶底板和两帮及腮颊变形观测方法，监测钻孔致裂卸压巷道与未进行钻孔致裂卸压巷道的变形数据。
3.根据权利要求1所述的基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法，其特征在于：所述步骤(2)中在致裂器充装准备的同时进行施工面的测量工作，并准备导线组装致裂器。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法，其特征在于：所述步骤(3)中使用60mm的风钻在工作面作业，布置巷道顶板致裂孔、六排帮部致裂孔和巷道基角处布置底板致裂孔，致裂孔深度为4500mm，致裂孔间夹角为30°。
5.根据权利要求1所述的基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法，其特征在于：所述步骤(4)中所用的CO2致裂器的长度为1-1.5m，直径为40-60mm，各致裂器内注入1-2kg的液态CO2。
6.根据权利要求1所述的基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法，其特征在于：所述步骤(4)中将致裂器放入致裂孔中，预留出8-12cm的空间以便连线。
7.根据权利要求1所述的基于二氧化碳致裂的深部高应力巷道卸压方法，其特征在于：所述步骤(7)中对钻孔致裂卸压巷道的表面变形数据与未进行钻孔卸压巷道的表面变形数据进行对比分析。
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