CN112610226A - 一种岩性巷道工程预裂布孔结构以及掘进方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种岩性巷道工程预裂布孔结构以及掘进方法，包括边缘作业孔和中央作业孔；边缘作业孔距掘进工作面轮廓线的距离L₁≤r，相邻的两个边缘作业孔之间的距离L₂满足r≤L₂≤2r；相邻的两个中央作业孔之间的距离L₃≤2r，位于最外部的中央作业孔与其相邻的边缘作业孔的距离L₄≤2r。该方法包括步骤：在掘进工作面上打出作业孔；并在作业孔中设置多个冲击波作业点；将多个作业孔分为若干个作业组，对一个作业组中处于同一剖面的所有冲击波作业点同时实施冲击波作业，按照同样的方式对其它作业组实施冲击波作业，进而将岩石预裂为岩块。本申请解决了现有技术中岩性巷道掘进效率低、掘进成本高、以及安全性差等问题。

Description

一种岩性巷道工程预裂布孔结构以及掘进方法

技术领域

本申请属于工程施工技术领域，具体涉及一种岩性巷道工程预裂布孔结构以及掘进方法。

背景技术

在进行公路、铁路隧道、引水涵洞、煤矿岩巷、金属矿巷道、矿井立井、大型桩柱建设以及坑采金属矿等工程施工时，均需要在岩层(还包括土层、矿层、煤层等地质体，本文仅以岩层举例说明)中，开掘各种形状、断面或纵横交错的井、巷或峒室。

针对一般强度（100MPa以内）的岩层，常规掘进方式均可顺利破岩。但是，在掘进过程中碰到强度较高的岩层时，常规掘进方式难以破岩。例如通过掘进机破岩时，掘进机的滚刀挤压破岩的效率随之降低，滚刀异常磨损和更换频率的增加，最终会导致掘进效率降低、以及掘进成本的增加。目前还有通过钻爆法进行破岩，针对较硬的岩层，需要设置能够产生较大冲击力的炸药包，但是冲击力大的炸药包对围岩扰动较大，存在难以控制和安全性差等问题，进而难以实现高效、安全、文明的施工。因此，现有的工程掘进施工方法难以满足当前工程掘进的施工需求。

发明内容

本申请实施例通过提供一种岩性巷道工程预裂布孔结构以及掘进方法，解决了现有技术中岩性巷道掘进效率低、掘进成本高、以及安全性差等问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种岩性巷道工程预裂布孔结构，包括多个用于对掘进工作面上的岩石实施冲击波作业的作业孔，所述作业孔包括边缘作业孔和中央作业孔；

多个所述边缘作业孔设置在掘进工作面的两侧及上方；每个所述边缘作业孔距掘进工作面轮廓线的距离L₁≤r，相邻的两个所述边缘作业孔之间的距离L₂满足r≤L₂≤2r；

多个所述中央作业孔设置在多个所述边缘作业孔围合成的区域内；相邻的两个所述中央作业孔之间的距离L₃≤2r，位于最外部的所述中央作业孔与其相邻的所述边缘作业孔的距离L₄≤2r；

其中，r为冲击波预裂半径，所述冲击波预裂半径指对所述掘进工作面上的岩石实施冲击波作业后冲击波作业点至裂纹端部的距离。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述边缘作业孔距掘进工作面轮廓线的距离L₁=r，相邻的两个所述边缘作业孔之间的距离L₂=2r。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，多个所述中央作业孔位于一个虚拟网格的节点处，所述虚拟网格由多个正三角形构成，所述中央作业孔位于所述正三角形的顶点处。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，该岩性巷道工程预裂布孔结构还包括设置在掘进工作面上的导向孔，所述导向孔位于所述正三角形的几何中心处。

第二方面，本发明实施例还提供了一种岩性巷道工程预裂掘进方法，采用第一方面及第一方面的各种可能实现方式中所述的岩性巷道工程预裂布孔结构，包括以下步骤：

按照岩性巷道工程预裂布孔结构，在掘进工作面上打出边缘作业孔和中央作业孔；并在每个作业孔中设置多个冲击波作业点，同一作业孔中相邻的两个冲击波作业点之间的距离L₅满足r≤L₅≤2r；

将多个所述作业孔分为若干个作业组，每个作业组均包括2～3个相邻的作业孔，每个作业组中的作业孔的对应位置处的冲击波作业点处于同一剖面，所述剖面垂直于巷道掘进的方向；

对一个作业组中处于同一剖面的所有冲击波作业点同时实施冲击波作业；按照同样的方式对该作业组其它冲击波作业点实施冲击波作业；按照同样的方式对其它作业组实施冲击波作业；

冲击波将岩石预裂，在所述剖面上，岩石的裂缝沿相邻两个所述作业孔的连线分布，在所述作业孔的延伸方向上，岩石的裂缝沿相邻两个所述作业孔之间的平面分布，进而将岩石预裂为岩块。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，在所述剖面上，岩石的裂缝沿导向孔和与其相邻的所述作业孔的连线分布，在所述作业孔的延伸方向上，岩石的裂缝沿导向孔和与其相邻的所述作业孔之间的平面分布，从而进一步将岩石预裂为岩块。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，对每个所述冲击波作业点进行不少于三次的冲击波作业。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，通过调整相邻的两个所述边缘作业孔之间的距离L₂、相邻的两个所述中央作业孔之间的距离L₃和/或位于最外部的所述中央作业孔与其相邻的所述边缘作业孔的距离L₄的大小，来调整预裂后石块的截面大小；根据相邻的两个冲击波作业点之间的距离L₅调整预裂后石块的长度。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，根据所述掘进工作面上的所述岩石的岩性，通过调整单次冲击波的幅值和冲量来调整所述冲击波预裂半径r。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供了一种岩性巷道工程预裂布孔结构以及掘进方法，该布孔结构中，边缘作业孔可保证掘进工作面边缘位置处的岩石预裂，在保证最大预裂效果的同时，避免冲击波超出掘进工作面轮廓线。边缘作业孔和中央作业孔能够保证岩石预裂后裂纹的程度，并可提高预裂的效率。对一个作业组中的所有冲击波作业点同时实施冲击波作业，能够使冲击波相互作用，以更强的剪切力、拉伸力作用于岩石，从而能够更加充分地将岩石预裂，便于后续采用常规掘进方式进行破岩，进而提高了掘进工作效率，降低了成本。避免了现有技术通过钻爆法进行破岩，而存在难以控制和安全性差等问题，进而实现了高效、安全、文明的施工，满足了工程掘进的施工需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的岩性巷道工程预裂布孔结构的示意图。

图2为图1的A-A面的剖视图。

图3为本发明实施例提供的导向孔布置的示意图。

附图标记：1-掘进工作面；2-作业孔；21-边缘作业孔；22-中央作业孔；3-掘进工作面轮廓线；4-导向孔；5-冲击波作业点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的岩性巷道工程预裂布孔结构，包括多个用于对掘进工作面1上的岩石实施冲击波作业的作业孔2，作业孔2包括边缘作业孔21和中央作业孔22。

多个边缘作业孔21设置在掘进工作面1的两侧及上方；每个边缘作业孔21距掘进工作面轮廓线3的距离L₁≤r，相邻的两个边缘作业孔21之间的距离L₂满足r≤L₂≤2r；

其中，r为冲击波预裂半径，冲击波预裂半径指对掘进工作面1上的岩石实施冲击波作业后冲击波作业点5至裂纹端部的距离。

边缘作业孔21用于保证掘进工作面1边缘位置处的岩石预裂，在保证最大预裂效果的同时，避免冲击波超出掘进工作面轮廓线3，而影响后续工程施工计划的问题。

冲击波是以冲击波作业点5为圆心的球形冲击波。冲击波作业点5至裂纹端部的距离是指：球形冲击波能够产生的最长裂纹的端部距冲击波作业点5的距离，通过冲击波预裂半径进行布孔能够有效保证岩石预裂的程度，避免了现有技术通过钻爆法进行破岩，而存在难以控制和安全性差等问题，进而实现高效、安全、文明的施工。

L₁≤r使得裂纹最远能够延伸至工作面轮廓线，且不超过工作面轮廓线。L₂小于2r，能够保证相邻的两个边缘作业孔21通过裂纹连通，L₂大于r，使得裂纹不会超出两个边缘作业孔21以外的范围，从而保证岩石预裂后裂纹的长度，并可提高预裂的效果，避免对已产生裂纹的岩石重复进行冲击波作业的问题。

多个中央作业孔22设置在边缘作业孔21围合成的区域内；相邻的两个中央作业孔22之间的距离L₃≤2r，位于最外部的中央作业孔22与其相邻的边缘作业孔21的距离L₄≤2r。

打出的作业孔2使得其周围的应力卸载，在作业孔2内实施冲击波作业后，冲击波产生的裂缝朝向应力减小区域发展，进而使上述虚拟网格的节点连线即为冲击波作业后产生裂纹的位置处，如图1所示。

L₃和L₄长度的设置与L₂长度的设置的原理相同。L₃和L₄并未对最小距离进行设定，是由于实际应用时作业孔2之间的距离不能全部都能满足上述公式的设定，部分作业孔2之间的距离根据实际掘进工作面1的结构进行设定。但是作业孔2的L₃和L₄长度值能够满足大于r的设定时，均选择L₃和L₄大于r的设定，进而可减少作业孔2数量的设置。

本实施例中，边缘作业孔21距掘进工作面轮廓线3的距离L₁=r，相邻的两个边缘作业孔21之间的距离L₂=2r。

一般状态下，L₁和L₂均采用上述设定，以减少边缘作业孔21数量的设置。

本实施例中，多个中央作业孔22位于一个虚拟网格的节点处，虚拟网格由多个正三角形构成，中央作业孔22位于正三角形的顶点处。

如图1所示，正三角形即为预裂后岩石截面的形状，同时虚拟网格还可采用正方形构成，该结构易于布置，预裂后的岩石能够易于通过掘进机等设备进行二次破裂。

如图3所示，本实施例还包括设置在掘进工作面1上的导向孔4，导向孔4位于正三角形的几何中心处。

通过上述的原理可知，作业孔2产生的冲击波能够延伸至导向孔4处，使裂纹将作业孔2和导向孔4连通，从而进一步将岩石破碎。

实际应用时，多个作业孔2之间可设置导向孔4，作业孔2与导向孔4之间距离大于r时，该作业孔2与导向孔4之间不会形成裂纹。导向孔4与任一作业孔2的距离均小于冲击波作业半径r时，二次破裂岩石的效果最好。

导向孔4也可设置在边缘作业孔21和中央作业孔22形成的三角形内。导向孔4的直径可小于作业孔2的直径，从而便于钻孔，以提高施工的效率。

本发明实施例还提供了一种岩性巷道工程预裂掘进方法，采用上述的岩性巷道工程预裂布孔结构，包括步骤S101至步骤S104。

步骤S101、按照岩性巷道工程预裂布孔结构，在掘进工作面1上打出边缘作业孔21和中央作业孔22；并在每个作业孔2中设置多个冲击波作业点5，同一作业孔2中相邻的两个冲击波作业点5之间的距离L₅满足r≤L₅≤2r。

打孔时可采用凿岩台车进行施工。打孔时，作业孔2的中心线沿孔的延伸方向倾斜向下设置，作业孔2的中心线与水平面的夹角为5°，进而利于向作业孔2内注水。

L₅小于2r能够保证相邻两个作业孔2所在的平面，以冲击波作业点5为圆心形成裂缝区域。L₅大于r时，破裂岩石效率高。

步骤S102、将多个作业孔2分为若干个作业组，每个作业组均包括2～3个相邻的作业孔2，每个作业组中的作业孔2的对应位置处的冲击波作业点5处于同一剖面，剖面垂直于巷道掘进的方向。

步骤S103、对一个作业组中处于同一剖面的所有冲击波作业点5同时冲击波作业，按照同样的方式对该作业组其它冲击波作业点5实施冲击波作业；按照同样的方式对其它作业组实施冲击波作业。

本发明采用公开号为CN111472780A，名称为《一种矿井岩巷掘进工作面岩石预裂方法》的专利中的方法实施冲击波作业。

对作业孔2内的冲击波作业点5单独实施冲击波作业时，岩石预裂效果随钻孔距离的延伸而衰减。对一个作业组中的多个冲击波作业点5同时实施冲击波作业时，相邻作业孔2同时产生的冲击波相互作用，以更强的剪切力、拉伸力作用于岩石，使其更加充分地预裂，进而使得预裂的效果更好。

步骤S104、如图1和图2所示，冲击波将岩石预裂，在剖面上，岩石的裂缝沿相邻两个作业孔2的连线分布，在作业孔2的延伸方向上，岩石的裂缝沿相邻两个作业孔2之间的平面分布，进而将岩石预裂为岩块。图2中仅示出一个作业组的三组冲击波作业点5的布置图，圆形即为冲击波产生的裂纹范围，多个圆形形成裂纹区域（本图仅示出冲击波预裂半径r的裂纹范围，实际操作中，一个作业组的冲击波相互作用时裂纹区域更大）。

实施冲击波作业后，通过控制孔、边缘作业孔21和中央作业孔22内的渗水量和渗水速度判断岩层预裂效果，或者通过内窥镜观察控制孔、边缘作业孔21和中央作业孔22的内壁的裂缝大小判断岩层预裂效果，或者通过声波成像法识别裂缝特征来判断岩层预裂效果。当预裂效果未达到预期时，再次对其实施冲击波作业。从而保证岩石能够满足后续掘进需求。

本实施例中，在剖面上，岩石的裂缝沿导向孔4和与其相邻的作业孔2的连线分布，在作业孔2的延伸方向上，岩石的裂缝沿导向孔4和与其相邻的作业孔2之间的平面分布，从而进一步将岩石预裂为岩块。

设置导向孔4能够提高岩石预裂的效果，减少实施冲击波作业的作业孔2的数量，进而提高了工作效率，降低了成本。

本实施例中，对每个冲击波作业点5进行不少于三次的冲击波作业。根据大量实验，实施三次以上的冲击波作业预裂效果更好，且易于控制实施冲击波作业后岩石裂纹的大小，进而满足工程施工需求。

本实施例中，通过调整相邻的两个边缘作业孔21之间的距离L₂、相邻的两个中央作业孔22之间的距离L₃和/或位于最外部的中央作业孔22与其相邻的边缘作业孔21的距离L₄的大小，来调整预裂后石块的截面大小；根据相邻的两个冲击波作业点5之间的距离L₅调整预裂后石块的长度。

由上述裂纹的分布情况，进而根据裂纹的分布情况控制预裂后岩石的尺寸，从而在不同的作业环境下，满足其施工需求。

本实施例中，根据所述掘进工作面1上的所述岩石的岩性，通过调整单次冲击波的幅值和冲量来调整所述冲击波预裂半径r。

需要说明的是，冲击波的幅值和冲量能够决定冲击波产生的能量大小和作用方式，从而通过调整冲击波的幅值和冲量，能够调整设定类型岩石的裂纹大小。

不同类型岩石，对其实施冲击波的幅值和冲量相同时，冲击波预裂半径r也会不同。因此在实施冲击波作业前，对岩石进行冲击波试验，以调整最合适的冲击波的幅值和冲量参数。

本发明实施例还提供了一种隧道掘进方法，包括以下步骤：

采用上述岩性巷道工程预裂掘进方法对需进行隧道掘进的岩层进行预裂；通过掘进机对预裂后的岩层进一步破碎，并取出碎石，从而完成一次掘进；

重复上述步骤直至隧道达到预定的掘进深度。

对于公路、铁路隧道、引水涵洞、煤矿岩巷、金属矿巷道、矿井立井、大型桩柱建设以及坑采金属矿等工程施工时，均可采用本发明的岩性巷道工程预裂掘进方法。具体施工时，首先对岩石进行预裂，预裂后的岩石达到常规掘进方式能够顺利破岩的程度后，再采用常规掘进方式进行掘进，每一次掘进均采用上述的工作方式，直至达到预定的掘进深度。预裂后的岩石体积变小，能够通过常规方式例如掘进机进行破岩，进而提高了掘进效率，降低了掘进成本。采用本发明的方法能够避免采用炸药包进行破岩，而存在对围岩扰动较大、难以控制和安全性差等问题，进而满足工程掘进的施工需求。

以上，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种岩性巷道工程预裂布孔结构，其特征在于：包括多个用于对掘进工作面（1）上的岩石实施冲击波作业的作业孔（2），所述作业孔（2）包括边缘作业孔（21）和中央作业孔（22）；

多个所述边缘作业孔（21）设置在所述掘进工作面（1）的两侧及上方；每个所述边缘作业孔（21）距掘进工作面轮廓线（3）的距离L₁≤r，相邻的两个所述边缘作业孔（21）之间的距离L₂满足r≤L₂≤2r；

多个所述中央作业孔（22）设置在多个所述边缘作业孔（21）围合成的区域内；相邻的两个所述中央作业孔（22）之间的距离L₃≤2r，位于最外部的所述中央作业孔（22）与其相邻的所述边缘作业孔（21）的距离L₄≤2r；

其中，r为冲击波预裂半径，所述冲击波预裂半径指对所述掘进工作面（1）上的岩石实施冲击波作业后冲击波作业点（5）至裂纹端部的距离。

2.根据权利要求1所述的岩性巷道工程预裂布孔结构，其特征在于：每个所述边缘作业孔（21）距所述掘进工作面轮廓线（3）的距离L₁=r，相邻的两个所述边缘作业孔（21）之间的距离L₂=2r。

3.根据权利要求1所述的岩性巷道工程预裂布孔结构，其特征在于：多个所述中央作业孔（22）位于一个虚拟网格的节点处，所述虚拟网格由多个正三角形构成，所述中央作业孔（22）位于所述正三角形的顶点处。

4.根据权利要求3所述的岩性巷道工程预裂布孔结构，其特征在于：还包括设置在所述掘进工作面（1）上的导向孔（4），所述导向孔（4）位于所述正三角形的几何中心处。

5.一种岩性巷道工程预裂掘进方法，其特征在于，采用如权利要求1至4任一项所述的岩性巷道工程预裂布孔结构，包括以下步骤：

按照所述岩性巷道工程预裂布孔结构，在掘进工作面（1）上打出所述边缘作业孔（21）和所述中央作业孔（22）；并在每个所述作业孔（2）中设置多个冲击波作业点（5），同一所述作业孔（2）中相邻的两个所述冲击波作业点（5）之间的距离L₅满足r≤L₅≤2r；

将多个所述作业孔（2）分为若干个作业组，每个所述作业组均包括2～3个相邻的所述作业孔（2），每个所述作业组中的所述作业孔（2）的对应位置处的所述冲击波作业点（5）处于同一剖面，所述剖面垂直于巷道掘进的方向；

对一个所述作业组中处于同一剖面的所有冲击波作业点（5）同时实施冲击波作业；按照同样的方式对该所述作业组其它冲击波作业点（5）实施冲击波作业；按照同样的方式对其它所述作业组实施冲击波作业；

冲击波将岩石预裂，在所述剖面上，所述岩石的裂缝沿相邻两个所述作业孔（2）的连线分布，在所述作业孔（2）的延伸方向上，所述岩石的裂缝沿相邻两个所述作业孔（2）之间的平面分布，进而将所述岩石预裂为岩块。

6.根据权利要求5所述的岩性巷道工程预裂掘进方法，其特征在于：在所述剖面上，所述岩石的裂缝沿导向孔（4）和与其相邻的所述作业孔（2）的连线分布，在所述作业孔（2）的延伸方向上，所述岩石的裂缝沿所述导向孔（4）和与其相邻的所述作业孔（2）之间的平面分布，从而进一步将所述岩石预裂为岩块。

7.根据权利要求5所述的岩性巷道工程预裂掘进方法，其特征在于：对每个所述冲击波作业点（5）进行不少于三次的所述冲击波作业。

8.根据权利要求5所述的岩性巷道工程预裂掘进方法，其特征在于：通过调整相邻的两个所述边缘作业孔（21）之间的距离L₂、相邻的两个所述中央作业孔（22）之间的距离L₃和/或位于最外部的所述中央作业孔（22）与其相邻的所述边缘作业孔（21）的距离L₄的大小，来调整预裂后石块的截面大小；根据相邻的两个所述冲击波作业点（5）之间的距离L₅调整预裂后石块的长度。

9.根据权利要求6所述的岩性巷道工程预裂掘进方法，其特征在于：根据所述掘进工作面（1）上的所述岩石的岩性，通过调整单次冲击波的幅值和冲量来调整所述冲击波预裂半径r。

Images