CN108625859B - 一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种定向CO2致裂器，与传统的CO2致裂器相比，其卸能头的两侧沿轴线方向分布两排卸能口，两排卸能口的相位角小于180°。在冻结法凿井过程中，将多个定向CO2致裂器布置在作业面的外周，将多个普通CO2致裂器布置在井筒内周。各定向CO2致裂器泄能头两侧的定向卸能口各自朝向与其相邻的定向CO2致裂器。先引爆外圈钻孔中的定向CO2致裂器再引爆内圈钻孔中的普通CO2致裂器，外圈钻孔中的定向CO2致裂器引导能量沿定向泄能口释放，爆破不会对井筒外侧的筒壁结构产生扰动。外圈钻孔爆破后，各外圈钻孔之间形成连通的弱面，整个外圈钻孔形成一个保护圈，在内侧钻孔进行爆破时，外圈钻孔形成的保护圈切断了爆破能量向井筒筒壁的传播，减少了其对井筒筒壁结构的扰动。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采中的冻结法凿井施工领域，具体涉及一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法及其装置。
背景技术
立井井筒一般要穿过表土与基岩两个部分，其施工技术由于围岩条件不同各有特点，表土施工方案选择主要考虑工程的安全，而基岩施工主要考虑施工进度。当立井井筒穿过表土时，由于表土松软，稳定性较差，经常含水，并直接承受井口结构物的荷载，所以，表土施工比较复杂，往往成为立井施工的关键工程。正确的选择表土施工方案和施工方法，确保立井井筒安全快速地通过表土层，并顺利转入基岩层施工具有重要的意义。为确保立井井筒安全穿过表土层，通常采用冻结法进行表土施工。在井筒掘进之前，在井筒周围钻冻结孔，用人工制冷的方法将井筒周围的不稳定表土层和风化层冻结成一个密闭的冻结圈以防止水和流沙涌入井筒并抵抗地压，然后在冻结圈的保护下掘砌井筒。待掘砌到预定深度后，停止冻结，进行拔管或充填工作。当冻结壁已形成且尚未冻结至井筒范围以内时开挖最为理想。此时即便于掘进，又不会造成涌水冒砂事故。但实际施工过程中很难保证处于理想状态，往往整个井筒被冻实。对于这种冻土挖掘，通常采用风镐或钻眼爆破法施工，但采用风镐或钻眼爆破法施工在井筒加强冷冻后，冻土段硬度大，利用风镐施工工人劳动强度大，井筒施工慢；由于井壁温度低，达到零下十几度，采用钻眼爆破法施工，炸药拒爆率高，存在安全隐患。
传统的CO2相变发生器为圆筒结构；包括：储液管、充气头和卸能头；储液管具有中空腔体，储液管的第一端与充气头的第一端连接；储液管的第一端内还设有发热模块，用于使储液管内的液态CO2受热转化为气态CO2；充气头上设有注液孔和充气阀；充气头的第一端与储液管中空腔体连通，以使液态CO2通过注液孔的充气通道进入储液管的中空腔体内；充气阀用于开启和闭合注液孔的充气通道；卸能头为管状，卸能头与储液管的第二端密封连接；卸能头的外壁上设有两个对称分布的卸能口，以使气态CO2通过卸能口充入钻孔内预裂钻孔。这种CO2相变发生器卸能口较大，泄能口相位角为180°在井筒掘进施工中使用不便。
发明内容
为了克服上述风镐或钻眼爆破法在冻结法凿井施工中的缺点及传统的CO2相变发生器在井筒掘进施工中的不便的问题，本发明提供了一种定向CO2致裂器，与传统的CO2致裂器相比，其卸能头的两侧沿轴线方向分布两排定向卸能口，两排定向卸能口的相位角为
进一步的，每排定向泄能口中的泄能口个数为10个，各排定向泄能口中各泄能口的间距为2mm。
进一步的，卸能口的孔径为3mm。
进一步的，两排泄能口之间分布有1排以上内侧卸能口。
进一步的，内侧卸能口为3排。
一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法，包括步骤：
S1：冻结法凿井过程中，待井筒冷冻后，在井筒掘进作业面的外周钻出外圈钻孔，在井筒掘进作业面的内周钻出内圈钻孔，在井筒掘进作业面的中央钻出中心钻孔。外圈钻孔为8个以上且等间距布置在与井筒横切面为同心圆的外圆上，内圈钻孔为6个以上且等间距布置在与井筒横切面为同心圆的内圆上，中心钻孔为1个以上；
S2：将定向CO2致裂器分别装入外圈钻孔，定向CO2致裂器泄能头两侧的定向卸能口的相位角为其中，n等于外圈钻孔的个数，各定向CO2致裂器泄能头两侧的定向卸能口各自朝向与其相邻的定向CO2致裂器；将普通CO2致裂器分别装入内圈钻孔。
S3：将外圈钻孔中的定向CO2致裂器串联，将内圈钻孔中的普通CO2致裂器串联。
S4：封泥后，先引爆外圈钻孔中的定向CO2致裂器，再引爆内圈钻孔中的普通CO2致裂器。CO2相变瞬间释放的能量冲破冻土，使其产生裂缝，之后大量气态CO2在有限的空间中通过气举作用掀起已破裂的冻土，使冻土充分破碎。外圈钻孔中的定向CO2致裂器引导能量沿定向泄能口释放，爆破不会对井筒外侧的筒壁结构产生扰动。爆破后，各外圈钻孔之间形成连通的弱面，整个外圈钻孔形成一个保护圈。在内侧钻孔进行爆破时，外圈钻孔形成的保护圈切断了爆破能量向井筒筒壁的传播，从而减少了对井筒筒壁的扰动。同时，中心钻孔作为卸能孔，引导爆破时的冲击波破裂冻土。
进一步的，外圈钻孔共12个，等间距布置在直径为2.9m的外圆上；内圈钻孔共8个，等间距布置在直径为1.9m的内圆上；中心钻孔为2个。
进一步的，外圈钻孔、内圈钻孔和中心钻孔的孔深均为1m。
进一步的，外圈钻孔的斜向中心与水平方向角度60°，内圈钻孔的斜向中心与水平方向角度45°。
与现有技术相比，本发明的有益效果：在冻结法凿井施工中，用CO2相变致裂技术代替传统的施工方法，克服了传统的炸药爆破在拒爆后排爆风险大的缺点，掘进速度快，工人劳动强度小；由于是先引爆外圈钻孔中的定向CO2致裂器再引爆内圈钻孔中的普通CO2致裂器，外圈钻孔中的定向CO2致裂器的定向泄能口引导相变致裂的能量沿定向泄能口释放，爆破不会对井筒外侧的筒壁结构产生扰动；外圈钻孔中的定向CO2致裂器引爆后，各外圈钻孔之间形成连通的弱面，整个外圈钻孔形成一个保护圈，在内侧钻孔中的CO2致裂器引爆时，外圈钻孔形成的保护圈切断了内圈钻孔相变致裂的能量向井筒筒壁的传播，减少了其对井筒筒壁结构的扰动。
附图说明
图1为本发明实施例1和2中所述的定向CO2致裂器的泄能头的结构示意图；
图2为本发明实施例1和2中所述的定向CO2致裂器的泄能头的横截面图；
图3为本发明实施例2中所述的一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法的钻孔布置平面图；
图4为本发明实施例2中所述的一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法的钻孔布置剖面图；
以上图1-4中，1，1’-定向泄能口；2-内侧泄能口；3-外圈钻孔；4-内圈钻孔；5-中心钻孔；6-外圆；7-内圆。
具体实施方式：
下面参照附图对本发明做进一步描述。
实施例1
如图1和图2所示，一种定向CO2致裂器，与传统的CO2致裂器相比，其卸能头的两侧沿轴线方向分布两排卸能口1，1’，两排卸能口1，1’的相位角为各排定向泄能口中泄能口的个数为10个，各排泄能口中各泄能口的间距为2mm，卸能口的孔径为3mm。
使用时，将n个定向CO2致裂器等间距布置在一个圆上，各定向CO2致裂器泄能头两侧的定向卸能口各自朝向与其相邻的定向CO2致裂器，这样n个定向CO2致裂器的连线组成一个正n边形。
在爆破时，定向CO2致裂器的两排卸能口1，1’引导相变致裂的能量沿卸能口1，1’的方向释放。爆破后，各定向CO2致裂器之间形成连通的弱面，各弱面组成一个圈。
如图2所示，还可在两排泄能口1，1’之间布置3排内侧卸能口2，使用时，布置内侧泄能口2朝向正n边形的中心。爆破时，内侧泄能口2也可引导相变致裂的能量向正n边形内侧定向释放。
实施例2
如图1-4所示，在冻结法凿井过程中，待井筒冷冻后，在井筒掘进作业面的外周钻出外圈钻孔3，在井筒掘进作业面的内周钻出内圈钻孔4，在井筒掘进作业面的中央钻出中心钻孔5。外圈钻孔3为12个且等间距布置在与井筒横切面为同心圆的直径为2.9m外圆6上，12个定向CO2致裂器的连线组成一个正十二边形。内圈钻孔4为8个且等间距布置在与井筒横切面为同心圆的直径为1.9m内圆7上，中心钻孔5为2个。外圈钻孔3的斜向中心与水平方向角度60°，内圈钻孔4的斜向中心与水平方向角度45°。外圈钻孔3、内圈钻孔4和中心钻孔5的孔深均为1m。
将实施例1中的定向CO2致裂器分别装入12个外圈钻孔3，定向CO2致裂器泄能头两侧的定向卸能口1，1’的相位角为150°。各定向CO2致裂器泄能头两侧的定向卸能口1，1’各自朝向与其相邻的定向CO2致裂器，此后再将普通CO2致裂器分别装入内圈钻孔。
将外圈钻孔3中的定向CO2致裂器串联，将内圈钻孔4中的普通CO2致裂器串联。封泥后，先引爆外圈钻孔3中的定向CO2致裂器，再引爆内圈钻孔4中的普通CO2致裂器。在20ms内，CO2相变瞬间压力超过270MPa，冲破冻土使其产生裂缝。CO2相变瞬间体积膨胀约600倍，在有限的空间中通过气举作用掀起已破裂的冻土，使冻土充分破碎。外圈钻孔3中的定向CO2致裂器引导能量沿定向泄能口1，1’释放，爆破不会对井筒外侧的筒壁结构产生扰动，同时，内侧泄能口2引导相变致裂的能量向井筒内侧定向释放，破碎外圆6和内圆7之间的冻土。爆破后，各外圈钻孔3之间形成连通的弱面，各弱面连通在一起形成一个保护圈。
在内侧钻孔4中的普通CO2致裂器引爆时，外圈钻孔5形成的保护圈切断了爆破能量向井筒筒壁的传播，从而减少了期对井筒筒壁的扰动。同时，中心钻孔5作为卸能孔，引导爆破时的冲击波破裂冻土。
Claims (4)
1.一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法，其特征在于，包括步骤：
S1：冻结法凿井过程中，待井筒冷冻后，在井筒掘进作业面的外周钻出外圈钻孔，在井筒掘进作业面的内周钻出内圈钻孔，在井筒掘进作业面的中央钻出中心钻孔，所述外圈钻孔为8个以上且等间距布置在与井筒横切面为同心圆的外圆上，所述内圈钻孔为6个以上且等间距布置在与井筒横切面为同心圆的内圆上，所述中心钻孔为1个以上；
S2：将定向CO2致裂器分别装入外圈钻孔，定向CO2致裂器泄能头两侧的定向卸能口的相位角为其中，n等于所述外圈钻孔的个数，各定向CO2致裂器泄能头两侧的定向卸能口各自朝向与其相邻的定向CO2致裂器；将普通CO2致裂器分别装入内圈钻孔；
S3：将所述外圈钻孔中的定向CO2致裂器串联，将所述内圈钻孔中的普通CO2致裂器串联；
S4：封泥后，先引爆外圈钻孔中的定向CO2致裂器，再引爆内圈钻孔中普通CO2致裂器。
2.根据权利要求1所述的一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法，其特征在于，所述外圈钻孔共12个，等间距布置在直径为2.9m的外圆上；所述内圈钻孔共8个，等间距布置在直径为1.9m的内圆上；所述中心钻孔为2个。
3.根据权利要求2所述的一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法，其特征在于，所述外圈钻孔、内圈钻孔和中心钻孔的孔深均为1m。
4.根据权利要求3所述的一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法，其特征在于，所述外圈钻孔的斜向中心与水平方向角度60°，所述内圈钻孔的斜向中心与水平方向角度45°。
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