CN110618045B - 一种计算岩石开挖参数的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于掘进技术领域，具体涉及一种计算岩石开挖参数的试验方法，该方法包括以下步骤：步骤一：爆破试验；步骤二：掘进机开挖试验；步骤三：确定爆破参数及掘进机开挖参数；步骤四：实施多断面爆破施工；步骤五：掘进机开挖；步骤六：岩石开挖参数优化。本发明利用爆破开挖进尺可控的优点，以及掘进机机械开挖围岩损伤范围小的优点，既能实现高效开挖，又能控制围岩损伤，同时避免掘进机在极硬岩石中开挖具有掘进速度慢、刀具磨损高等缺点，以及爆破开挖围岩损伤大的劣势，将“爆破‑掘进机”二者工法相结合进行施工，发挥各自工法的优点，同时避免自身工法的缺陷，从而达到良好的开挖效果。

Description

一种计算岩石开挖参数的试验方法
技术领域
本发明属于掘进技术领域，具体涉及一种计算岩石开挖参数的试验方法。
背景技术
开挖施工方法对软、硬岩石巷道等掘进工程具有重要的意义，直接决定了掘进作业的掘进效率与工程周期。特别是对于极硬岩体的工程开挖，不同的开挖方式更是起决定性作用，选择合理的开挖方式不仅有利于岩体的开挖效率，并且利于掌子面围岩的损伤控制，从而达到良好的掘进效果与开挖进尺。目前国内外工程的开挖方式可分为爆破开挖与机械开挖两类，其中爆破开挖是采用炸药、雷管等爆破耗材引爆岩土体的方式实施掘进，而机械开挖则是利用回转刀具破碎洞内围岩的方式而掘进。其中，机械开挖设备以盾构机和硬岩隧道掘进机为主，现有用于工程掘进的开挖方法，以爆破开挖和机械开挖为主。其中爆破开挖为传统开挖方式，其优点是开挖进尺可控，但是围岩损伤范围较大(达到数十厘米乃至更大范围)，不利于工程的长期稳定性，往往需采取锚喷、注浆等支护措施对围岩实施加固。机械开挖优点是开挖损伤区较小(仅为数十毫米)，且周边巷道成型良好，无需或仅需少量支护。但是在中、硬岩体中掘进时，刀具磨损量大，导致开挖进尺有限，严重制约工程进度。因此，如何计算出一种进尺高效且损伤可控的开挖方法进行破岩，特别是在极硬岩中，从而加快掘进速度，是岩体开挖工程施工中亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种计算岩石开挖参数的试验方法，通过实施不同工况下的爆破实验及掘进实验和掘进数值模拟工作，拟定最终的掘进方法，从而在极硬岩中实现高效掘进的施工方法。该开挖方法特别适宜于极硬岩等巷道工程。
本发明所采用的技术方案是：
一种计算岩石开挖参数的试验方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：爆破试验；
步骤二：掘进机开挖试验；
步骤三：确定爆破参数及掘进机开挖参数；
步骤四：实施多断面爆破施工；
步骤五：掘进机开挖；
步骤六：岩石开挖参数优化。
如上所述的步骤一，爆破试验，还包括：
步骤1.1，单孔爆破试：
首先在拟施工的岩体中，进行单孔爆破试验，单孔爆破时，根据炸药量、孔深、炮孔不耦合参数和最小抵抗线等爆破参数的不同，得出炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围。
步骤1.2，多孔爆破试：其次进行多孔爆破试验，多孔爆破时，根据炸药量、布孔空间分布、起爆顺序、雷管段别和炮孔堵塞方式参数的不同，得出炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围。
步骤1.3，汇总爆破效果及损伤范围：通过步骤1.1单孔爆破试验以及步骤1.2多孔爆破试验，汇总出对应不同爆破参数情况下炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围。
步骤1.4，获得初步爆破参数；根据步骤1.1和步骤1.2中单孔、多孔爆破试验不同爆破参数情况下炸药的爆破效果及围岩损伤范围得到初步爆破参数。
如上所述的步骤二：掘进机开挖试验，还包括：
步骤2.1推力扭矩掘进试验，根据掘进机的掘进效果获得掘进初步开挖参数；所述推力扭矩掘进试验参数包括：推力和扭矩；所述推力参数范围为：15000KN～18000KN，扭矩：1000KNm～2500KNm；
步骤2.2大贯入度掘进试验，所述大贯入度掘进试验参数包括：贯入度、扭和刀具转速；所述贯入度参数范围为：1mm/r～4mm/r，刀具转速：5rpm～6rpm；
步骤2.3计算掘进效果及损伤范围，
步骤2.4获得机械开挖参数；根据步骤2.3获得的掘进效果及损伤范围，重点对掘进机的开挖效率、围岩损伤以及掘进机的推力、扭矩、刀具转速和贯入度进行数值分析；得到拟定机械开挖参数。
如上所述的步骤三：确定爆破参数及掘进机开挖参数，包括：采用数值模拟的方法，模拟待开挖岩体在实施步骤一爆破试验后，再进行掘进的数值分析，采用步骤一中的爆破参数以及掘进机掘进试验获得的初步掘进参数，输入数值模型中，优化分析确定爆破参数及掘进参数。
如上所述步骤四，实施多断面爆破施工，包括：根据步骤三优化后的爆破参数及掘进开挖参数，判断采用局部断面爆破施工联合掘进机开挖，还是采用全断面爆破施工联合掘进机开挖；进而，选定爆破断面尺寸及方式，确定该断面尺寸工况下的爆破参数和与之相对应的掘进机开挖参数，根据确定的断面尺进行爆破施工。
如上所述步骤五，掘进机开挖，包括：观察步骤四多断面爆破效果，是否达到预期，若达到预期，根据拟定出的掘进机开挖参数，进行掘进机开挖施工；若未达到预期，改进爆破参数，继续实施爆破作业，直至达到爆破效果；之后，根据拟定出的掘进机开挖参数，进行掘进机开挖施工。
如上所述步骤六：岩石开挖参数优化，包括：
步骤6.1施工工效统计：重点对施工效率、刀具磨损、围岩损伤、作业环境、工人健康、安全卫生进行评估；
步骤6.2爆破参数及机械开挖参数反馈：根据上述评估结果，对拟定的掘进机掘进参数进行反馈、分析；
步骤6.3岩石开挖参数优化：根据步骤6.2的反馈结果，优化拟定岩石开挖参数。
本发明的有益效果是：
使用本发明所述一种计算岩石开挖参数的试验方法，先设计爆破试验及爆破参数，确保开挖岩体爆破后不抛掷，再实施掘进机开挖试验，获得初步的掘进参数。继而通过数值分析，模拟掘进机爆破后的掘进效果，拟定出针对特定断面尺寸的爆破参数及掘进参数，实施一定范围内的爆破作业，松动预裂开挖岩体，最后由掘进机进场掘进，从而在极硬岩工程开挖中实现该施工方法。
本发明所述一种计算岩石开挖参数的试验方法，可根据特定的工况，拟定出掘进机在施工过程中的掘进参数，并结合了爆破参数，预先对待开挖岩体进行了爆破松动，其利用爆破开挖进尺可控的优点，以及掘进机机械开挖围岩损伤范围小的优点，既能实现高效开挖，又能控制围岩损伤，同时避免掘进机在极硬岩石中开挖具有掘进速度慢、刀具磨损高等缺点，以及爆破开挖围岩损伤大的劣势，将“爆破-掘进机”二者工法相结合进行施工，发挥各自工法的优点，同时避免自身工法的缺陷，从而达到良好的开挖效果。
附图说明
图1为本发明所提供的一种计算岩石开挖参数的试验方法的流程图。
图2为本发明所提供的一种计算岩石开挖参数的试验方法的步骤细化流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
本发明所述的一种计算岩石开挖参数的试验方法，首先确定并建立施工路线方法体系，可概况分为“四步走”的思想。第一步是探索岩石本质物理力学特性的爆破试验，第二步是寻求掘进机掘进参数的单纯掘进试验，第三步是岩体多种断面爆破与掘进机相结合的试验，第四步是岩体全断面爆破与掘进机相结合的试验。进而，通过上述“四步走”予以实施后获得的试验结果，拟定特定工况下的掘进方法，从而形成一系列的试验方法，最终建立完整、系统的施工试验方法。
第一步爆破试验，是为了探索岩石的爆破参数，及岩石与炸药的匹配性。第二步掘进机掘进试验，是为了寻求掘进机开挖巷道时的掘进参数。第三步是在掘进机的局部范围内预先实施爆破试验，先松动待开挖的岩体，再根据掘进机的掘进参数实施掘进。第四步是在掘进机的整个全断面范围内预先实施爆破试验，同样是先松动待开挖的岩体，再根据掘进机的掘进参数实施掘进。
针对上述“四步走”的步骤，分别作如下细化的阐述：
如图1所示，一种计算岩石开挖参数的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：爆破试验：
步骤1.1，单孔爆破试：
首先在拟施工的岩体中，进行单孔爆破试验，单孔爆破时，根据炸药量、孔深、炮孔不耦合参数和最小抵抗线等爆破参数的不同，得出炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围。
所述炸药量范围为：200g～800g、孔深：1.8m～8m、炮孔不耦合参数为：1.0～2.5、最小抵抗线为：20cm～80cm；岩体单轴抗压强度范围：100～300兆帕；
根据上述单孔爆破参数通过公式(1)计算得出单孔爆破爆破试验炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围；公式(1)如下所示：
Figure BDA0001701391000000061
公式(1)中，Q1表示单孔爆破时的总炸药量；q表示线装药密度；L表示炮孔长度；
Figure BDA0001701391000000062
表示爆破时炸药造成的围岩损伤面积，该值为无量纲，
Figure BDA0001701391000000063
其中Si为某一单截炸药造成的围岩损伤面积，S0为炮孔横截面积；
Figure BDA0001701391000000064
表示炸药在单孔内不同装药布置情况下的分布权重值，该值为无量纲，
Figure BDA0001701391000000065
其中li为某一单截炸药的分布权重长度。
步骤1.2，多孔爆破试：其次进行多孔爆破试验，多孔爆破时，根据炸药量、布孔空间分布、起爆顺序、雷管段别和炮孔堵塞方式参数的不同，得出炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围。
所述炮孔堵塞方式包括：有堵塞和无堵塞；所述有堵塞情况下堵塞长度范围：20～100cm、堵塞材料为炮泥和高强粘结剂相结合；
根据上述多孔爆破参数，通过公式(2)计算多孔爆破试验炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围；公式(2)如下所示：
Figure BDA0001701391000000066
公式(2)中，Q2表示多孔爆破时的总炸药量；
Figure BDA0001701391000000067
表示编号为j的孔的炸药量；qj为编号为j的孔的线装药密度；L表示炮孔长度；
Figure BDA0001701391000000068
表示爆破时炸药造成的围岩损伤面积，该值为无量纲，
Figure BDA0001701391000000071
其中Si为某一单截炸药造成的围岩损伤面积，S0为炮孔横截面积；
Figure BDA0001701391000000072
表示炸药在单孔内不同装药布置情况下的分布权重值，该值为无量纲，
Figure BDA0001701391000000073
其中li为某一单截炸药的分布权重长度。
步骤1.3，汇总爆破效果及损伤范围：通过步骤1.1单孔爆破试验以及步骤1.2多孔爆破试验，汇总出对应不同爆破参数情况下炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围。
步骤1.4，获得初步爆破参数；根据步骤1.1和步骤1.2中单孔、多孔爆破试验不同爆破参数情况下炸药的爆破效果及围岩损伤范围得到初步爆破参数。
步骤二：掘进机开挖试验：
步骤2.1推力扭矩掘进试验，根据掘进机的掘进效果获得掘进初步开挖参数；所述推力扭矩掘进试验参数包括：推力和扭矩；所述推力参数范围为：15000KN～18000KN，扭矩：1000KNm～2500KNm；
步骤2.2大贯入度掘进试验，所述大贯入度掘进试验参数包括：贯入度、扭和刀具转速；所述贯入度参数范围为：1mm/r～4mm/r，刀具转速：5rpm～6rpm；
步骤2.3计算掘进效果及损伤范围，
步骤2.4获得机械开挖参数；根据步骤2.3获得的掘进效果及损伤范围，重点对掘进机的开挖效率、围岩损伤以及掘进机的推力、扭矩、刀具转速和贯入度进行数值分析；得到拟定机械开挖参数。
步骤三：确定爆破参数及掘进机开挖参数：确定爆破参数及掘进机开挖参数，包括：采用数值模拟的方法，模拟待开挖岩体在实施步骤一爆破试验后，再进行掘进的数值分析，采用步骤一中的爆破参数以及掘进机掘进试验获得的初步掘进参数，输入数值模型中，优化分析确定爆破参数及掘进参数。为后续工程的判断施工提供理论依据与施工参数。
步骤四：实施多断面爆破施工；包括：根据步骤三优化后的爆破参数及掘进开挖参数，判断采用局部断面爆破施工联合掘进机开挖，还是采用全断面爆破施工联合掘进机开挖；进而，选定爆破断面尺寸及方式，确定该断面尺寸工况下的爆破参数和与之相对应的掘进机开挖参数，根据确定的断面尺进行爆破施工。所述掘进机开挖断面为圆形，断面直径范围为2～10m。
步骤五：掘进机开挖，包括：观察步骤四多断面爆破效果，是否达到预期，若达到预期，根据拟定出的掘进机开挖参数，进行掘进机开挖施工；若未达到预期，改进爆破参数，继续实施爆破作业，直至达到爆破效果；之后，根据拟定出的掘进机开挖参数，进行掘进机开挖施工。
步骤六：岩石开挖参数优化，包括：
步骤6.1施工工效统计：重点对施工效率、刀具磨损、围岩损伤、作业环境、工人健康、安全卫生进行评估；
步骤6.2爆破参数及机械开挖参数反馈：根据上述评估结果，对拟定的掘进机掘进参数进行反馈、分析；
步骤6.3岩石开挖参数优化：根据步骤6.2的反馈结果，优化拟定岩石开挖参数。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，上述实施例是本发明的一个优选技术方案，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (5)

1.一种计算岩石开挖参数的试验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：爆破试验；
步骤二：掘进机开挖试验；
步骤三：确定爆破参数及掘进机开挖参数；
步骤四：实施多断面爆破施工；
步骤五：掘进机开挖；
步骤六：岩石开挖参数优化；
所述步骤六：岩石开挖参数优化，包括：
步骤6.1施工工效统计：重点对施工效率、刀具磨损、围岩损伤、作业环境、工人健康、安全卫生进行评估；
步骤6.2爆破参数及机械开挖参数反馈：根据上述评估结果，对拟定的掘进机掘进参数进行反馈、分析；
步骤6.3岩石开挖参数优化：根据步骤6.2的反馈结果，优化拟定岩石开挖参数；
所述的步骤一，爆破试验，还包括：
步骤1.1，单孔爆破试：
首先在拟施工的岩体中，进行单孔爆破试验，单孔爆破时，根据炸药量、孔深、炮孔不耦合参数和最小抵抗线等爆破参数的不同，得出炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围；
所述炸药量范围为：200g～800g、孔深：1.8m～8m、炮孔不耦合参数为：1.0～2.5、最小抵抗线为：20cm～80cm；岩体单轴抗压强度范围：100～300兆帕；
根据上述单孔爆破参数通过公式(1)计算得出单孔爆破爆破试验炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围；公式(1)如下所示：
Figure FDA0003814515920000021
公式(1)中，Q1表示单孔爆破时的总炸药量；q表示线装药密度；L表示炮孔长度；
Figure FDA0003814515920000022
表示爆破时炸药造成的围岩损伤面积，该值为无量纲，
Figure FDA0003814515920000023
其中Si为某一单截炸药造成的围岩损伤面积，S0为炮孔横截面积；
Figure FDA0003814515920000024
表示炸药在单孔内不同装药布置情况下的分布权重值，该值为无量纲，
Figure FDA0003814515920000025
其中li为某一单截炸药的分布权重长度；
步骤1.2，多孔爆破试：其次进行多孔爆破试验，多孔爆破时，根据炸药量、布孔空间分布、起爆顺序、雷管段别和炮孔堵塞方式参数的不同，得出炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围；
所述炮孔堵塞方式包括：有堵塞和无堵塞；所述有堵塞情况下堵塞长度范围：20～100cm、堵塞材料为炮泥和高强粘结剂相结合；
根据上述多孔爆破参数，通过公式(2)计算多孔爆破试验炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围；公式(2)如下所示：
Figure FDA0003814515920000026
公式(2)中，Q2表示多孔爆破时的总炸药量；
Figure FDA0003814515920000027
表示编号为j的孔的炸药量；qj为编号为j的孔的线装药密度；L表示炮孔长度；
Figure FDA0003814515920000028
表示爆破时炸药造成的围岩损伤面积，该值为无量纲，
Figure FDA0003814515920000029
其中Si为某一单截炸药造成的围岩损伤面积，S0为炮孔横截面积；
Figure FDA00038145159200000210
表示炸药在单孔内不同装药布置情况下的分布权重值，该值为无量纲，
Figure FDA0003814515920000031
其中li为某一单截炸药的分布权重长度；
步骤1.3，汇总爆破效果及损伤范围：通过步骤1.1单孔爆破试验以及步骤1.2多孔爆破试验，汇总出对应不同爆破参数情况下炸药的爆破效果及围岩损伤影响范围；
步骤1.4，获得初步爆破参数；根据步骤1.1和步骤1.2中单孔、多孔爆破试验不同爆破参数情况下炸药的爆破效果及围岩损伤范围得到初步爆破参数。
2.根据权利要求1所述的一种计算岩石开挖参数的试验方法，其特征在于：所述的步骤二：掘进机开挖试验，还包括：
步骤2.1推力扭矩掘进试验，根据掘进机的掘进效果获得掘进初步开挖参数；所述推力扭矩掘进试验参数包括：推力和扭矩；所述推力参数范围为：15000KN～18000KN，扭矩：1000KNm～2500KNm；
步骤2.2大贯入度掘进试验，所述大贯入度掘进试验参数包括：贯入度、扭和刀具转速；所述贯入度参数范围为：1mm/r～4mm/r，刀具转速：5rpm～6rpm；
步骤2.3计算掘进效果及损伤范围；
步骤2.4获得机械开挖参数；根据步骤2.3计算掘进效果及损伤范围，重点对掘进机的开挖效率、围岩损伤以及掘进机的推力、扭矩、刀具转速和贯入度进行数值分析；得到拟定机械开挖参数。
3.根据权利要求2所述的一种计算岩石开挖参数的试验方法，其特征在于：
所述的步骤三：确定爆破参数及掘进机开挖参数，包括：采用数值模拟的方法，模拟待开挖岩体在实施步骤一爆破试验后，再进行掘进的数值分析，采用步骤一中的爆破参数以及掘进机掘进试验获得的初步掘进参数，输入数值模型中，优化分析确定爆破参数及掘进参数。
4.根据权利要求3所述的一种计算岩石开挖参数的试验方法，其特征在于：所述步骤四，实施多断面爆破施工，包括：根据步骤三优化后的爆破参数及掘进开挖参数，判断采用局部断面爆破施工联合掘进机开挖，还是采用全断面爆破施工联合掘进机开挖；进而，选定爆破断面尺寸及方式，确定该断面尺寸工况下的爆破参数和与之相对应的掘进机开挖参数，根据确定的断面尺进行爆破施工。
5.根据权利要求4所述的一种计算岩石开挖参数的试验方法，其特征在于：所述步骤五，掘进机开挖，包括：观察步骤四多断面爆破效果，是否达到预期，若达到预期，根据拟定出的掘进机开挖参数，进行掘进机开挖施工；若未达到预期，改进爆破参数，继续实施爆破作业，直至达到爆破效果；之后，根据拟定出的掘进机开挖参数，进行掘进机开挖施工。
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