CN111188620B - 一种高地温隧道岩爆防治装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高地温隧道岩爆防治装置，包括可伸缩式液氮压裂管柱、孔口封隔器、驱动模块、泵送加压喷射模块、液氮连接管路、集成控制模块，综合监测传输系统，液氮车或液氮存储系统；可伸缩式液氮压裂管柱上套有孔口封隔器，孔口封隔器后面依次连接驱动模块、高压喷射模块，连接模块与液氮车或液氮存储系统。采用本装置能有效降低高地温隧道围岩温度和释放高应力，从而消除链式热力耦合岩爆灾害；该系统具有安全有效、操作简单，耗时少，效率高，环境污染少，气源丰富，价格低廉，可现场从空气中获取压裂用液氮的优点，同时能节约水资源和电力资源、能有效保护高原生态环境。
Description
技术领域
本发明属于高地温及高地应力隧道开挖施工、地下空间工程热害和岩爆防灾技术领域，尤其涉及一种高地温隧道岩爆防治装置。
背景技术
水利水电、交通和矿山等深埋硬岩或高应力隧道开挖过程中经常会遇到极强或强岩爆风险。当岩体内积聚的高应变能突然释放时，导致强烈的围岩破坏将对现场施工人员和设备造成极大的危害。目前国内外对岩爆的控制方式主要有两种：第一种改善围岩应力状态，降低岩体中积聚的应力和能量，例如应力解除爆破、喷洒高压水软化围岩，钻取一定长度和数量的超前应力释放孔并在孔内注射高压水，洞壁切槽开挖中导洞等形成局部应力释放区；第二种是提高岩体的储能能力或吸收围岩释放的能量，通过对围岩进行支护来达到预防岩爆的目的，主要以吸能支护、柔性支护、刚性支护或二者结合的方式。根据国内外的研究成果和工程应用效果可知，应力释放孔可以一定程度上降低岩爆风险，但是要防治极强岩爆或强烈岩爆，需要打很多应力释放孔，这不仅速度慢，而且有时因应力释放不足而不足以防治热力耦合型岩爆。应力解除爆破法对围岩扰动较大、产生的粉尘增加，对工期的影响也较大。而传统的高压注水或高压水压裂技术不仅需要大量的水资源，而且在压裂液中添加许多化学物质，这对于环境的污染非常严重。
针对高温水工、交通和矿山等地下工程，特别针对穿越板块活动带的川藏铁路、滇藏铁路等超高地温、极高地应力隧道，采用钻爆施工或TBM掘进施工时，考虑围岩内部降温、围岩应力释放以及对保护高原脆弱地质生态环境的需要，研发一种新的降温及应力释放技术，实现高地应力高岩温岩体的降温、应力解除进而防治热力耦合型岩爆具有重要的意义。
液氮是一种非常稳定的冷源，其性质稳定，不与其他物质发生反应,使用方便且环保，制备简单且原材料丰富。使用液氮压裂可以减少水资源的浪费，有效降低水化膨胀及滤失问题。液氮在岩石孔腔中的汽化可以对围岩起到降温作用，同时，液氮超低温可以使岩石内部产生应力进而使岩石破裂。采用液氮进行围岩降温和应力释放，不会污染环境，因此这使得液氮可以成为一种优秀的无水压裂液。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高地温隧道岩爆防治装置。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：设计一种高地温隧道岩爆防治装置，包括可伸缩式液氮压裂管柱、孔口封隔器、驱动模块、泵送加压喷射模块、液氮连接管路、集成控制模块，综合监测传输系统，液氮车或液氮存储系统；应力释放孔孔口套有孔口封隔器，可伸缩式液氮压裂管柱穿过孔口封隔器位于应力释放孔中，可伸缩式液氮压裂管柱尾端上设有综合监测传输系统，可伸缩式液氮压裂管柱尾端连接驱动模块和液氮连接管路，液氮连接管路连接泵送加压喷射模块和液氮车或液氮存储系统，集成控制模块连接驱动模块、泵送加压喷射模块、综合监测传输系统、液氮车或液氮存储系统。
进一步的，所述可伸缩式液氮压裂管柱由内套管和外套管组成，外套管与内套管为中空结构，材料为陶瓷或金属管材，内套管和外套管上设有溢出孔，内套管是可伸缩管，内套管前端为喷嘴，内套管尾端与驱动模块输出端通过套筒连接,外套管与液氮连接管路连接，外套管与内套管通过丝口连接。
进一步的，所述可伸缩式液氮压裂管柱位于外套管上，靠近孔口封隔器内侧部分设有综合监测传输系统，用于实时监测应力释放孔内的温度和压力，采集围岩的声发射特性。
进一步的，所述驱动模块为一种驱动设备，驱动设备是驱动电机、驱动液压缸。
进一步的，所述集成控制模块包括驱动模块电控开关、泵送加压喷射模块控制开关、数据采集控制器和数据分析显示屏。
进一步的，一种高地温隧道岩爆防治装置的应用方法，所述应用方法步骤如下：
(1)在具有潜在岩爆风险洞段前，采用地质超前钻机或三臂凿岩台车在施工前方掌子面打应力释放孔，钻孔为水平孔或具有倾角的斜孔；孔径大小使孔口封隔器能够卡入钻孔内；当采用TBM施工掘进时，可伸缩式液氮压裂管柱应从TBM刀盘上的圆孔中伸出，进入其中的一个应力释放孔中；
(2)通过综合监测传输系统采集岩石温度、地应力、裂隙发育情况、围岩声发射特性；
(3)根据综合监测传输系统所采集的参数结合岩石材料性质，通过集成控制模块调控液氮量、压裂管柱长度、压力参数；
(4)将可伸缩式液氮压裂管柱通过液氮连接管路与液氮车或液氮存储系统连接，采用孔口封隔器封孔，可伸缩式液氮压裂管柱穿过孔口封隔器，进入应力释放孔中，利用集成控制模块启动驱动模块，内套管在驱动模块带动下伸出，利用集成控制模块启动泵送加压喷射模块，进行低温高压液氮的试注入，检查全装置系统的气密性、进一步确定液氮压力参数；
(5)在试压结束后先进行喷嘴液氮射孔，然后可伸缩式液氮压裂管柱伸到最长，液氮持续从外套管和内套管的溢出孔中溢出，使用孔口封隔器持续焖孔30-40分钟；
(6)通过集成控制模块的数据分析显示屏，确定岩石第一次破裂释放应力、温降效果，在应力和温度降低后开孔，可伸缩式液氮压裂管柱回缩，检查应力释放孔内压力、温度、裂缝扩展情况；
(7)重复(5)～(6)步骤，向应力释放孔内喷射液氮，喷射完毕后焖孔；待岩石第二次破裂释放应力和降温后开孔，内套管缩回，利用泵送加压喷射模块反吸，回收液氮连接管路内剩余液氮，存入液氮车或液氮存储系统，取出伸缩式液氮压裂管柱，检查安全后进行后续爆破或TBM开挖施工。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、将本发明应用于高地温隧道岩爆的防治应用中，针对高地应力高地温强隧道岩爆或极强岩爆TBM或钻爆法施工的深埋硬岩隧道，采用地质超前钻机或三臂凿岩台车在施工前方掌子面预先钻孔，钻孔位置可结合爆破设计的周边眼进行，然后将带有喷嘴的液氮压裂管柱伸入到钻孔中，通过连接管路与液氮泵车相连，将液氮(-195.8℃)喷射注入钻孔，通过降温和预裂使周围围岩应力提前释放，从而达到高地应力高地温隧道施工深埋隧道预防岩爆的目的；
2、本发明将开挖和液氮岩石致裂系统进行一体化结合，在超前钻机打完钻孔后直接伸入液氮压裂管柱进行岩石预裂，其基本流程为：低温高压氮气试压——第1次液氮射孔——孔口封隔器焖孔——岩石第一次破裂释放应力、温降——开孔——液氮气化携热——多次循环喷注液氮——焖孔——岩石破裂释放应力——岩石降温——开孔——收集残余液氮，操作简单，耗时少，效率高，环境污染少，同时实现降温消除热害、降低应力的效果；
3、由于高岩温孔腔岩温高，液氮在高岩温孔内因为升温吸热而汽化，形成了具有高度膨胀性的氮气，进而节约了传统液氮气化加热模块成本；
4、根据液氮压裂致裂岩石原理，采用液氮压裂岩石，高温岩石极短时间内迅速降温，岩石发生脆化，且因内各矿物成分不均匀的热膨胀性在产生的热应力就可将岩石拉裂，采用本装置进行深埋隧道钻孔应力释放具有能量消耗少、气源丰富，价格低廉，也可采用现场制氮注氮设备直接在现场从空气中获取压裂用液氮，同时节约水资源和电力资源、对地质环境污染小、扰动小。
5、气化后的氮气对掌子面前方岩石内部进行预冷却，上述过程需要控制泵送单元启停，即可控制高岩温的降温冷却过程，结构简单且还能实现自动化操作，不需要人工接触液氮，保障了从业人员的人身安全。
附图说明
图1为本申请的系统工作示意图；
图2为本申请可伸缩式液氮压裂管柱结构图
图3为集成控制模块示意图；
图4为第一次压裂应力释放-汽化降温效果示意图；
图5为最终压裂应力释放-汽化降温效果示意图；
其中：可伸缩式液氮压裂管柱-1、孔口封隔器-2、驱动模块-3、泵送加压喷射模块-4、液氮连接管路-5、集成控制模块-6、内套管-7、外套管-8、综合监测传输系统-9、液氮车或液氮存储系统-10、应力释放孔-11、溢出孔-12、喷嘴-13、驱动模块电控开关-31、泵送加压喷射模块控制开关-41、数据采集控制器-42、数据分析显示屏-43。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
如图1和图2所示，一种高地温隧道岩爆防治装置，包括可伸缩式液氮压裂管柱1、孔口封隔器2、驱动模块3、泵送加压喷射模块4、液氮连接管路5、集成控制模块6，综合监测传输系统9，液氮车或液氮存储系统10；应力释放孔11孔口套有孔口封隔器2，可伸缩式液氮压裂管柱1穿过孔口封隔器2位于应力释放孔11中，可伸缩式液氮压裂管柱1尾端上设有综合监测传输系统9，可伸缩式液氮压裂管柱1尾端连接驱动模块3和液氮连接管路5，液氮连接管路5连接泵送加压喷射模块4和液氮车或液氮存储系统10，集成控制模块6连接驱动模块3、泵送加压喷射模块4、综合监测传输系统9、液氮车或液氮存储系统10。
进一步的，所述可伸缩式液氮压裂管柱1由内套管和外套管组成，外套管8与内套管7为中空结构，材料为陶瓷或金属管材，内套管7和外套管8上设有溢出孔12，内套管7是可伸缩管，内套管7前端为喷嘴13，内套管7尾端与驱动模块3输出端通过套筒连接,外套管8与液氮连接管路5连接，外套管8与内套管7通过丝口连接。
进一步的，所述可伸缩式液氮压裂管柱1位于外套管上，靠近孔口封隔器2内侧部分设有综合监测传输系统9，用于实时监测应力释放孔11内的温度和压力，采集围岩的声发射特性。
进一步的，所述驱动模块3为一种驱动设备，驱动设备是驱动电机、驱动液压缸。
进一步的，所述集成控制模块6包括驱动模块电控开关31、泵送加压喷射模块控制开关41、数据采集控制器和数据分析显示屏43。
进一步的，一种高地温隧道岩爆防治装置的应用方法，所述应用方法步骤如下：
(1)在具有潜在岩爆风险洞段前，采用地质超前钻机或三臂凿岩台车在施工前方掌子面打应力释放孔，钻孔为水平孔或具有倾角的斜孔；孔径大小使孔口封隔器2能够卡入钻孔内；当采用TBM施工掘进时，可伸缩式液氮压裂管柱1应从TBM刀盘上的圆孔中伸出，进入其中的一个应力释放孔11中；
(2)通过综合监测传输系统9采集岩石温度、地应力、裂隙发育情况、围岩声发射特性；
(3)根据综合监测传输系统9所采集的参数结合岩石材料性质，通过集成控制模块6调控液氮量、压裂管柱长度、压力参数；
(4)将可伸缩式液氮压裂管柱1通过液氮连接管路5与液氮车或液氮存储系统10连接，采用孔口封隔器2封孔，可伸缩式液氮压裂管柱1穿过孔口封隔器2，进入应力释放孔11中，利用集成控制模块6启动驱动模块3，内套管7在驱动模块3带动下伸出，利用集成控制模块6启动泵送加压喷射模块4，进行低温高压液氮的试注入，检查全装置系统的气密性、进一步确定液氮压力参数；
(5)在试压结束后先进行喷嘴13液氮射孔，然后可伸缩式液氮压裂管柱1伸到最长，液氮持续从外套管和内套管的溢出孔12中溢出，使用孔口封隔器2持续焖孔30-40分钟；
(6)通过集成控制模块6的数据分析显示屏，确定岩石第一次破裂释放应力、温降效果，在应力和温度降低后开孔，可伸缩式液氮压裂管柱1回缩，检查应力释放孔11内压力、温度、裂缝扩展情况；
(7)重复(5)～(6)步骤，向应力释放孔内喷射液氮，喷射完毕后焖孔；待岩石第二次破裂释放应力和降温后开孔，内套管7缩回，利用泵送加压喷射模块4反吸，回收液氮连接管路5内剩余液氮，存入液氮车或液氮存储系统10，取出伸缩式液氮压裂管柱1，检查安全后进行后续爆破或TBM开挖施工。
实施例1
(1)在具有潜在岩爆风险洞段前，采用地质超前钻机或三臂凿岩台车在施工前方掌子面打应力释放孔，钻孔为水平孔或具有倾角的斜孔，孔径大小使液氮压裂管柱能够进入钻孔内；
(2)在隧道现场组装和依次连接可伸缩式液氮压裂管柱、驱动电机、泵送加压喷射模块，液氮连接管路、集成控制模块、液氮车或液氮存储系统，连接完结后通电试机，将可伸缩式液氮压裂管柱穿过孔口封隔器置入应力释放孔，用孔口封隔器封堵孔口；当采用TBM施工掘进时，可伸缩式液氮压裂管柱1应从TBM刀盘上的圆孔中伸出，进入其中的一个钻孔中，进行装置的带压测试和气密性测试；
(3)集成控制模块开启综合监测传输系统，实时监测预应力释放孔内的温度和压力，采集围岩的声发射特性；
(4)根据步骤3所测绘的参数结合岩石材料性质，确定液氮量、压裂管柱长度、压力参数，使用集成控制模块操控驱动电机、泵送加压喷射模块；
(5)集成控制模块开启驱动电机，内套管在电机带动下转动伸出，进行低温高压液氮的试注入，进而检查全装置系统的气密性、并进一步确定压力参数；
(6)在试压结束后进行第一次从喷嘴液氮射孔，然后可伸缩式液氮压裂管柱伸到最长，液氮持续从外套管和内套管的溢出孔中溢出，在应力释放孔中被加热气化，持续焖孔30分钟；
(7)根据综合监测传输模块数据利用控制系统进行操控确定岩石第一次破裂释放应力、温降效果，在应力和温度降低后开孔，可伸缩式液氮压裂管柱回缩，检查孔内情况；
(8)重复(6)～(7)步骤，向应力释放孔内喷射液氮，喷射完毕后使用孔口封口器焖孔；待岩石破裂释放应力后开孔，伸缩式液氮压裂管柱内套伸缩管回转，利用泵送加压喷射模块反吸，回收管道内剩余液氮和氮气，存入液氮车或液氮存储系统，拆除设备取出伸缩式液氮压裂管柱，检查安全后进行后续爆破或TBM开挖施工。
(9)如图3～4所示，通过应力释放孔中的液氮压裂和气化降温后，周围岩石裂隙扩展，应力得到释放，高岩温度由T1降为T0；
综上所述，该系统安全有效、操作简单，耗时少，效率高，环境污染少，从而实现降温消除热害和岩石钻孔预裂降低应力的效果；根据液氮压裂致裂岩石原理，采用液氮压裂岩石，高温岩石极短时间内迅速降温，岩石发生脆化，且因岩石内各矿物成分不均匀的热膨胀性产生的热应力将拉裂岩石，采用本装置进行深埋隧道钻孔应力释放具有能量消耗少、气源丰富，价格低廉，也可采用现场制氮注氮设备直接在现场从空气中获取压裂用液氮，同时节约水资源和电力资源、有效保护高原生态环境。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种高地温隧道岩爆防治装置，其特征在于，包括可伸缩式液氮压裂管柱(1)、孔口封隔器(2)、驱动模块(3)、泵送加压喷射模块(4)、液氮连接管路(5)、集成控制模块(6)，综合监测传输系统(9)，液氮车(10)；应力释放孔(11)孔口套有孔口封隔器(2)，可伸缩式液氮压裂管柱(1)穿过孔口封隔器(2)位于应力释放孔(11)中，可伸缩式液氮压裂管柱(1)尾端上设有综合监测传输系统(9)，可伸缩式液氮压裂管柱(1)尾端连接驱动模块(3)和液氮连接管路(5)，液氮连接管路(5)连接泵送加压喷射模块(4)和液氮车(10)，集成控制模块(6)连接驱动模块(3)、泵送加压喷射模块(4)、综合监测传输系统(9)、液氮车(10)；
所述一种高地温隧道岩爆防治装置的应用方法，步骤如下：
(1)在具有潜在岩爆风险洞段施工前，采用地质超前钻机或三臂凿岩台车在施工前方掌子面打应力释放孔，钻孔为水平孔或具有倾角的斜孔；孔径大小使孔口封隔器(2)能够卡入钻孔内；当采用TBM施工掘进时，可伸缩式液氮压裂管柱(1)应从TBM刀盘上的圆孔中伸出，进入其中的一个应力释放孔(11)中；
(2)通过综合监测传输系统(9)采集岩石温度、地应力、裂隙发育情况、围岩声发射特性；
(3)根据综合监测传输系统(9)所采集的参数结合岩石材料性质，通过集成控制模块(6)调控液氮量、压裂管柱长度、压力参数；
(4)将可伸缩式液氮压裂管柱(1)通过液氮连接管路(5)与液氮车(10)连接，采用孔口封隔器(2)封孔，可伸缩式液氮压裂管柱(1)穿过孔口封隔器(2)，进入应力释放孔(11)中，利用集成控制模块(6)启动驱动模块(3)，内套管(7)在驱动模块(3)带动下伸出，利用集成控制模块(6)启动泵送加压喷射模块(4)，进行低温高压液氮的试注入，检查全装置系统的气密性、进一步确定液氮压力参数；
(5)在试压结束后先进行喷嘴(13)液氮射孔，然后可伸缩式液氮压裂管柱(1)伸到最长，液氮持续从外套管和内套管的溢出孔(12)中溢出，使用孔口封隔器(2)持续焖孔30-40分钟；
(6)通过集成控制模块(6)的数据分析显示屏(43)，确定岩石第一次破裂释放应力、温降效果，在应力和温度降低后开孔，可伸缩式液氮压裂管柱(1)回缩，检查应力释放孔(11)内压力、温度、裂缝扩展情况；
(7)重复(5)～(6)步骤，向应力释放孔内喷射液氮，喷射完毕后焖孔；待岩石第二次破裂释放应力和降温后开孔，内套管(7)缩回，利用泵送加压喷射模块(4)反吸，回收液氮连接管路(5)内剩余液氮，存入液氮车(10)，取出伸缩式液氮压裂管柱(1)，检查安全后进行后续爆破或TBM开挖施工。
2.根据权利要求1所述一种高地温隧道岩爆防治装置，其特征在于，所述可伸缩式液氮压裂管柱(1)由内套管和外套管组成，外套管(8)与内套管(7)为中空结构，材料为陶瓷或金属管材，内套管(7)和外套管(8)上设有溢出孔(12)，内套管(7)是可伸缩管，内套管(7)前端为喷嘴(13)，内套管(7)尾端与驱动模块(3)输出端通过套筒连接,外套管(8)与液氮连接管路(5)连接，外套管(8)与内套管(7)通过丝口连接。
3.根据权利要求2所述一种高地温隧道岩爆防治装置，其特征在于，所述可伸缩式液氮压裂管柱(1)位于外套管上，靠近孔口封隔器(2)内侧部分设有综合监测传输系统(9)，用于实时监测应力释放孔(11)内的温度和压力，并采集围岩的声发射特性。
4.根据权利要求1所述一种高地温隧道岩爆防治装置，其特征在于，所述驱动模块(3)为一种驱动设备，驱动设备是驱动电机、驱动液压缸。
5.根据权利要求1所述一种高地温隧道岩爆防治装置，其特征在于，所述集成控制模块(6)包括驱动模块电控开关(31)、泵送加压喷射模块控制开关(41)、数据采集控制器(42)和数据分析显示屏(43)。
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