CN109162717B - 一种采矿、隧道工程水力掘进方法及其设备 - Google Patents

一种采矿、隧道工程水力掘进方法及其设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于采矿、隧道工程领域,具体涉及一种采矿、隧道工程水力掘进方法,包括如下步骤,S1、水射流破碎,通过水射流喷射待掘进的岩石层,在其表面形成沟槽;S2、高压水劈裂,使用钻头在沟槽的两侧对称钻出若干个沿着沟槽长度方向排列的孔,将膨胀管插入孔内,将预设压力值的高压水输入膨胀管,膨胀管膨胀后紧贴孔内壁,继续输入高压水至沟槽两侧岩石劈裂,然后朝向沟槽整体坍塌;S3、重复S1、S2,实现工程掘进。本发明的有益效果是:本发明的水力掘进是依靠水射流的打击力形成沟槽,然后通过高压水的膨胀力劈裂岩石。由于是湿式作业,无粉尘、烟气;水射流打击力大小、方向可控,因而很容易实现精准选择开采,也就不会引发次生坍塌。

Description

一种采矿、隧道工程水力掘进方法及其设备
技术领域
本发明属于采矿、隧道工程领域,具体涉及一种采矿、隧道工程水力掘进方法及其设备。
背景技术
传统的矿山、隧道作业一直主要沿用爆破开采,即在工作面上打出群孔安装炸药爆破坍塌矿石运出。这一传统工艺一直是导致矿山安全灾害的主要危险源。由于炸药的使用,本身对地面地下都是危险因素;巨大爆炸产生的冲击波容易引发次生灾害,造成塌方等隐患;爆炸浓烟久排不散(一般排烟需5h),严重威胁工人健康。爆炸采矿是没有选择性的硬性作业,导致大量无矿含量的岩石坍塌而必须运出,降低了生产效率;也正是因为爆炸的方法,必须要设置许多必要安全监测与控制,而且也影响智能化作业实施。隧道工程虽然有了盾构掘进,但其体量大,造价高,仅适用于大工程和岩土工程。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的是提供一种采矿、隧道水力工程掘进方法,安全高效,不会产生次生灾害,无烟无尘,不会无害工人健康。
本发明提供了如下的技术方案:
一种采矿、隧道工程水力掘进方法,包括如下步骤,
S1、水射流破碎,通过水射流喷射待掘进的岩石层,在其表面形成沟槽;
S2、高压水劈裂,使用钻头在沟槽的两侧对称钻出若干个沿着沟槽长度方向排列的孔,将膨胀管插入孔内,将预设压力值的高压水输入膨胀管,膨胀管膨胀后紧贴孔内壁,继续输入高压水至沟槽两侧岩石劈裂,然后朝向沟槽整体坍塌;
S3、重复S1、S2,实现工程掘进。
优选的,所述S1中,水射流为摆振式水射流,其喷射压力不小于150MPa、喷射流量不小于200L/min。
优选的,所述S1中,沟槽的宽度至少为500mm,深度至少为500mm。
优选的,所述S2中,孔的直径为50mm,深度为500mm;每一个孔与沟槽轴线的距离均相等。
优选的,所述S2中,预设压力值在40-55MPa之间。
本发明还提供一种实现上述采矿、隧道工程水力掘进方法的设备,
包括水射流破碎装置和高压水劈裂装置;
所述水射流破碎装置包括喷头和使喷头进行摆振动作的摆振装置,所述水射流破碎装置还包括将自来水加压到至少150MPa的高压泵机组以及按照设定路线在工程现场行走的作业机器人,所述喷头通过管道与高压泵机组相连,所述摆振装置固定在作业机器人夹持手上;
所述高压水劈裂装置包括钻头以及按照设定路线在工程现场行走的作业机器人,所述钻头固定在作业机器人夹持手上,所述高压水劈裂装置还包括多根膨胀管和将自来水加压至40-55MPa之间的高压泵机组,多根膨胀管通过一根管道与高压泵机组相连。
优选的,所述摆振装置包括液压马达、轴承座、曲柄连杆机构、喷头固定卡座、销轴和连接块,所述喷头固定在喷头固定卡座内,所述液压马达的轴穿过轴承座与曲柄连杆机构输入端相连,所述曲柄连杆机构输出端与喷头固定卡座顶部相连,所述喷头固定卡座底部通过销轴与连接块构成转动配合,所述连接块与作业机器人夹持手相连。
优选的,所述曲柄连杆机构的曲柄中心与液压马达的中心相互偏心。
优选的,所述膨胀管为弹性钢丝缠绕软管,其表面套设保护套。
优选的,所述金属管一端沿着管壁长度方向上延伸出一条不完全贯穿的缝隙一、所述金属管另一端沿着管壁长度方向上延伸出另一条不完全贯穿的缝隙二,所述缝隙一、缝隙二的距离与金属管的直径相同。
本发明的有益效果是:
1、本发明的水力掘进是依靠水射流的打击力形成沟槽,然后通过高压水的膨胀力劈裂岩石。由于是湿式作业,无粉尘、烟气,水射流打击力大小、方向可控,因而很容易实现精准选择开采,也就不会引发次生坍塌。
2、水射流破碎与水力劈裂这两种形式的工艺可根据现场条件和生产效率混合、反复使用。水射流破碎效率低,但其破碎出的沟槽为确保形成岩石水力劈裂定向坍塌创造了条件,并且这一方法也可用于精准选择性作业;水力劈裂坍塌效率高,可在作业面两侧反复推进使用。
3、本发明液压马达的轴旋转时,带动曲柄连杆机构中的曲柄旋转,由于曲柄的中心相对于马达轴中心是偏心的,则带动曲柄连杆机构中的连杆进行摆动,从而带动喷头固定卡座及喷头一起绕销轴的中心进行摆动,喷头通过摆振装置的驱动进行上下摆动,即实现水射流上下摆动,同时作业机器人夹持手夹持喷头左右移动,最终在岩石表面形成沟槽。
4、本发明膨胀管为弹性钢丝缠绕软管,一端堵死,另一端通过管道与高压泵机组相连。膨胀管外设一层保护套,保护套为金属管,用以防护膨胀管磨损,提高膨胀管使用寿命。
金属管一端沿着管壁长度方向上延伸出一条不完全贯穿的缝隙一、金属管另一端沿着管壁长度方向上延伸出另一条不完全贯穿的缝隙二,所述缝隙一、缝隙二的距离与金属管的直径相同,本发明中,缝隙一从左边端部开始延伸到距离右边端部15mm的位置结束,缝隙二从右边端部开始延伸到距离左边端部15mm的位置结束;这样既便于安装,又不影响膨胀压力传递。同时,通过调整开缝的方向,还可以大致控制岩石的劈裂方向,本发明中,膨胀管安装时保护套开缝方向处于上下位置。膨胀管外径约45mm,保护套壁厚1-1.5mm,岩石钻孔直径约50mm。
附图说明
图1是采矿、隧道工程水射流破碎示意图;
图2是采矿、隧道工程高压水劈裂的正视图;
图3是采矿、隧道工程高压水劈裂的剖视图;
图4A是摆振装置摇摆时一个极限位置图;
图4B是摆振装置摇摆时另一个极限位置图;
图5是膨胀管与保护套的结构示意图;
图6是保护套的结构示意图。
附图中标记的含义如下:
10-喷头 20-摆振装置 21-液压马达 22-轴承座 23-曲柄连杆机构24-喷头固定卡座 25-销轴 26-连接块 30-高压泵机组 40-作业机器人50-膨胀管 60-沟槽 70-保护套71-缝隙一 72-缝隙二
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做具体说明。
本发明水力掘进方法由水射流破碎与高压水劈裂相结合的两步构成。
S1,水射流破碎,如图1所示,以智能化的作业机器人40操作喷头,即以作业机器人40夹持手夹持摆振装置20,形成摆振水射流,喷头10的摆动与作业机器人40的水平连续移动及垂直步进移动的复合运动,直接对岩石作业面实施破碎作业,其射流冲击所到之处的岩石被粉碎,最终破碎出深度至少为500mm、宽度至少为500mm的贯穿整个岩石作业面中部的沟槽60,为下一步坍塌式作业创造条件;在这一过程中,水射流喷射压力至少为150MPa、喷射流量至少为200L/min,额定工况运行,达到不低于1立方米/小时的破碎速度,以具备工程适用性。根据作业面地质状况可以一次性完成沟槽60整体作业,也可以逐层完成沟槽60作业,每层深度可在100mm左右,具体以提高作业速度为目标。最终沟槽60深度必须在500mm以上,越深越有利于下一步作业。
S2、高压水劈裂,如图2、3所示,类似爆破法,先在岩石工作面上沟槽60的两侧钻出若干个沿着沟槽长度方向排列的孔,优选的,孔的直径均为50mm,深度均为500mm,每一个孔与沟槽60轴线的距离均相等,然后将膨胀管50插入孔内,将预设压力值的高压水输入膨胀管50,膨胀管50膨胀后紧贴孔内壁,将水的压力传递作用到岩石,由于岩石的抗拉强度很低,基本上仅为其抗压强度的1/10,所以,岩石在水压膨胀力作用下快速沿岩石纹理破裂,最终使得水射流破碎沟槽60两侧的岩石朝向沟槽60整体坍塌。
水射流破碎与高压水劈裂这两种形式的工艺可根据现场条件和生产效率混合、反复使用。水射流破碎效率低,但其破碎出的沟槽为确保形成岩石水力劈裂定向坍塌创造了条件,并且这一方法也可用于精准选择性作业;高压水劈裂裂坍塌效率高,可在作业面两侧反复推进使用。
本发明通过如下设备实现水力掘进,包括水射流破碎装置和高压水劈裂装置;
如1所示,水射流破碎装置包括喷头10和使喷头10进行摆振动作的摆振装置20,水射流破碎装置还包括将自来水加压到至少150MPa的高压泵机组30以及按照设定路线在工程现场行走的作业机器人40,喷头10通过管道与高压泵机组30相连,摆振装置20固定在作业机器人40夹持手上;
高压泵机组30将普通自来水加压,调节控制在150MPa,高压水输送到喷头10,再经喷嘴喷出形成高压水射流。作业机器人40夹持摆振装置20,喷头10在摆振装置20的驱动下绕轴线上下摆动,即实现高压水射流上下摆动,形成摆振高压水射流,摆振高压水射流冲击岩石,致使岩石破碎。
如图4、5所示,摆振装置20包括液压马达21、轴承座22、曲柄连杆机构23、喷头固定卡座24、销轴25和连接块26,喷头10固定在喷头固定卡座24内,液压马达21的轴穿过轴承座22与曲柄连杆机构23输入端相连,曲柄连杆机构23输出端与喷头固定卡座24顶部相连,喷头固定卡座24底部通过销轴25与连接块26构成转动配合,连接块26与作业机器人40夹持手相连。
液压马达21的轴旋转时,带动曲柄连杆机构23中的曲柄旋转,由于曲柄的中心相对于马达轴中心是偏心的,则带动曲柄连杆机构23中的连杆进行摆动,从而带动喷头固定卡座24及喷头10一起绕销轴25的中心进行摆动,喷头10通过摆振装置20的驱动进行上下摆动,即实现水射流上下摆动,同时作业机器人40夹持手夹持喷头左右移动,最终在岩石表面形成沟槽。
如图2所示,高压水劈裂装置包括钻头以及按照设定路线在工程现场行走的作业机器人40,钻头固定在作业机器人40夹持手上,高压水劈裂装置还包括多根膨胀管50和将自来水加压至40-55MPa之间的高压泵机组30,多根膨胀管50通过一根管道与高压泵机组30相连。
将作业机器人40夹持手上的摆振装置卸下,换装风钻(或液压钻等)钻头,根据作业面尺寸设计安排膨胀管50数量,在岩石工作面已破碎沟槽俩侧钻出相应数量的孔,插入膨胀管,再将所有膨胀管50用管路并联成连为一体的两列,并与高压泵机组30相连。
根据不同的岩石或岩土,高压水劈裂的工作压力多在50MPa以下(常见岩石抗拉强度不大于36MPa),作业时,将高压泵机组30的工作压力缓慢提高,直至岩石劈裂坍塌。
本发明膨胀管50为弹性钢丝缠绕软管,一端堵死,另一端通过管道与高压泵机组相连。膨胀管外设一层保护套70,保护套70为金属管,用以防护膨胀管磨损,提高膨胀管使用寿命。
金属管一端沿着管壁长度方向上延伸出一条不完全贯穿的缝隙一71、即缝隙一71的长度小于金属管的长度,金属管另一端沿着管壁长度方向上延伸出另一条不完全贯穿的缝隙二72,所述缝隙一71、缝隙二72的距离与金属管的直径相同。本发明中,缝隙一从左边端部开始延伸到距离右边端部15mm的位置结束,缝隙二从右边端部开始延伸到距离左边端部15mm的位置结束;这种结构既便于安装,又不影响膨胀压力传递。同时,通过调整开缝的方向,还可以大致控制岩石的劈裂方向。本发明中,膨胀管50安装时保护套开缝方向处于上下位置,即缝隙一71、缝隙二72分别处于上下方向。膨胀管外径约45mm,保护套壁厚1-1.5mm,岩石钻孔直径约50mm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采矿、隧道工程水力掘进方法,其特征在于,包括如下步骤,
S1、水射流破碎,通过水射流喷射待掘进的岩石层,在其表面形成沟槽(60);
S2、高压水劈裂,使用钻头在沟槽(60)的两侧对称钻出若干个沿着沟槽(60)长度方向排列的孔,将膨胀管(50)插入孔内,将预设压力值的高压水输入膨胀管(50),膨胀管(50)膨胀后紧贴孔内壁,继续输入高压水至沟槽(60)两侧岩石劈裂,然后朝向沟槽(60)整体坍塌;
S3、重复S1、S2,实现工程掘进;
所述膨胀管(50)为弹性钢丝缠绕软管,其表面套设保护套(70);
所述保护套(70)为金属管,所述金属管一端沿着管壁长度方向上延伸出一条不完全贯穿的缝隙一(71)、所述金属管另一端沿着管壁长度方向上延伸出另一条不完全贯穿的缝隙二(72),所述缝隙一(71)、缝隙二(72)的距离与金属管的直径相同;
所述S1中,水射流为摆振式水射流,其喷射压力不小于150MPa、喷射流量不小于200L/min;
该采矿、隧道工程水力掘进方法使用的设备包括水射流破碎装置和高压水劈裂装置;
所述水射流破碎装置包括喷头(10)和使喷头(10)进行摆振动作的摆振装置(20),所述水射流破碎装置还包括将自来水加压到至少150MPa的高压泵机组(30)以及按照设定路线在工程现场行走的作业机器人(40),所述喷头(10)通过管道与高压泵机组(30)相连,所述摆振装置(20)固定在作业机器人(40)夹持手上;
所述高压水劈裂装置包括钻头以及按照设定路线在工程现场行走的作业机器人(40),所述钻头固定在作业机器人(40)夹持手上,所述高压水劈裂装置还包括多根膨胀管(50)和将自来水加压至40-55MPa之间的高压泵机组(30),多根膨胀管(50)通过一根管道与高压泵机组(30)相连;
所述摆振装置(20)包括液压马达(21)、轴承座(22)、曲柄连杆机构(23)、喷头固定卡座(24)、销轴(25)和连接块(26),所述喷头(10)固定在喷头固定卡座(24)内,所述液压马达(21)的轴穿过轴承座(22)与曲柄连杆机构(23)输入端相连,所述曲柄连杆机构(23)输出端与喷头固定卡座(24)顶部相连,所述喷头固定卡座(24)底部通过销轴(25)与连接块(26)构成转动配合,所述连接块(26)与作业机器人(40)夹持手相连。
2.根据权利要求1所述的一种采矿、隧道工程水力掘进方法,其特征在于,所述S1中,沟槽(60)的宽度至少为500mm,深度至少为500mm。
3.根据权利要求1所述的一种采矿、隧道工程水力掘进方法,其特征在于,所述S2中,孔的直径为50mm,深度为500mm;每一个孔与沟槽轴线的距离均相等。
4.根据权利要求1所述的一种采矿、隧道工程水力掘进方法,其特征在于,所述S2中,预设压力值在40-55MPa之间。
5.根据权利要求1所述的一种采矿、隧道工程水力掘进方法,其特征在于,所述曲柄连杆机构(23)的曲柄中心与液压马达(21)的中心相互偏心。
6.根据权利要求1所述的一种采矿、隧道工程水力掘进方法,其特征在于,所述膨胀管(50)为弹性钢丝缠绕软管,其表面套设保护套(70)。
7.根据权利要求6所述的一种采矿、隧道工程水力掘进方法,其特征在于,所述保护套(70)为金属管,所述金属管一端沿着管壁长度方向上延伸出一条不完全贯穿的缝隙一(71)、所述金属管另一端沿着管壁长度方向上延伸出另一条不完全贯穿的缝隙二(72),所述缝隙一(71)、缝隙二(72)的距离与金属管的直径相同。
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