CN112943279B - 一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，通过钻孔、切槽、封孔、注水压裂、浸水软化和填药爆破的施工方式，能够快速、经济、高效地实现对坚硬岩体的软化，从而实现巷道快速掘进。本发明通过高压水对钻孔进行高压压裂后，采用低压水对于裂缝进行浸水软化，来降低硬岩的坚硬系数，为后续爆破提供更多的自由面和更好的起爆环境；将相邻压裂孔上的环形切槽进行错位设置，在高压压裂时更加容易在岩体内产生相互交错的裂隙，裂隙相互连接形成更加发达的裂隙网络，提升后续的浸水软化及爆破效果；采用聚能爆破装置对爆破能量进行聚集，有效提升炸药爆破的能量利用率和爆破效果。

Description

一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法

技术领域

本发明涉及巷道掘进施工技术领域，具体涉及一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法。

背景技术

岩巷尤其是硬岩巷道的掘进速度对矿井生产效率的影响至关重要，随着矿井生产接替紧张以及采掘比例失调等问题不断出现，矿井在产能扩充和产能效率这些方面也遇到了巨大的阻碍。因此，提高岩巷的掘进速度对于矿井的安全高效生产至关重要。岩巷掘进一般采用钻爆法和综掘法。钻爆法通过在岩层中打孔、装药、爆破从而达到破碎岩石的目的，但由于钻爆法极易影响施工工序，对掘进工作面产生较大扰动和灰尘，并且工人劳动强度大、危险系数高，导致掘进工作无法取得理想的效率和效果，从而极大影响矿井的采掘接替。综掘法是利用掘进机破岩和装岩机装岩来达到岩巷掘进的目的，在综掘过程中，当遇到完整、坚硬岩层时，掘进机的掘进速率将明显下降甚至完全无法进行，并且设备磨损较大，采掘成本较高。所以一种能综合利用钻爆法和综掘法同时又能避免各自缺点的掘进方法成为实现硬岩巷道快速掘进的重要研究方向。

在过往研究中，现有专利号为CN106150507A、名称为“一种水压致裂分段爆破快速掘进的方法”公开了一种结合水压致裂和分段爆破技术来实现岩巷快速掘进的目的。其主要步骤为：1，对坚硬岩体进行注水压裂；2，采用分段装药的方式进行装药爆破；3，注入与岩体发生化学反应的化学溶液。但是从该方法的施工过程中可以看出存在以下明显的缺陷：首先，没有充分利用压裂后产生的人造裂缝给爆破提供自由面；其次，操作工序过于繁琐，影响施工进程，并且施工成本高；最后，注入的化学溶液只与岩体中SiO2反应，没有考虑到岩体组成成分的不均质性。本发明提供一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，实现对硬岩巷道的快速掘进。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，包括以下步骤：

S1，钻孔：在超前工作面的中心位置处进行钻凿压裂孔和观测孔，所述压裂孔钻凿三个，并且呈三角形设置，所述观测孔设在三个压裂孔形成的三角形的中点位置；

S2，切槽：在压裂孔的钻凿过程中，在压裂孔的轴向方向上间隔切割环形切槽；

S3，封孔：在压裂孔中采用封孔器对压裂孔的切槽段进行封孔，在切槽段形成间隔设置的封堵节；

S4，注水压裂：在压裂孔的封堵节内注入高压水，由孔底向孔口依次向外进行后退式压裂，直至观测孔中有水流出时停止压裂；

S5，浸水软化：将高压水改为低压水，根据岩层参数控制低压水的流量和流速，对压裂后的岩层进行浸泡软化；

S6，装药：浸水软化结束后，取出封孔器，并在压裂孔中间隔设置聚能爆破装置及爆破炸药，所述聚能爆破装置设置环形切槽位置处，所述爆破炸药设置在聚能爆破装置内；

S7，爆破：填药完毕后，将压裂孔的孔口进行填充封闭，连接爆破网络进行起爆。

进一步地，步骤S2中，三个压裂孔上的环形切槽在轴向上相互错位设置。

进一步地，步骤S3中，所述封孔器设置在压裂孔内，所述封孔器成组设置，每组两个封孔器设在压裂孔上的环形切槽的前后两端，在压裂孔上的环形切槽处形成封闭的封堵节。

进一步地，步骤S3中，所述封孔器包括高压水管、高压充气管和膨胀气囊，所述膨胀气囊贴合压裂孔的内壁设置两个，分别位于环形切槽的前后两侧，所述高压水管和高压充气管并行穿过膨胀气囊。

进一步地，步骤S5中，采用低压水进行浸水时，低压水的压力及注水时间采用以下公式进行计算：

τ＝σtgΦ+C-aptgΦ

R＝Rc-2apsinΦ/1-sinΦ

其中：σ为裂隙中水压对裂隙壁法向应力，C为内聚力，a为孔隙率，Φ为内摩擦角，p为低压水的水压，τ为软化后岩石需要达到的目标抗剪强度，R为软化后岩石需要达到的目标抗压强度，Rc为干燥岩石试件的抗压强度。

进一步地，步骤S6中，所述聚能爆破装置包括空心管体和聚能槽，所述聚能槽为环状V型结构，沿周向设置在空心管体的中部，所述爆破炸药设在空心管体内的聚能槽处。

进一步地，步骤S6中，所述聚能爆破装置的聚能槽设置位置与环形切槽相对应。

进一步地，所述聚能槽的壁厚小于空心管体的壁厚。

进一步地，步骤S6中，间隔设置的聚能爆破装置之间填充有炮泥。

优选的，步骤S2中，钻孔及切槽通过钻割一体机同时进行。

本发明有益效果如下：

通过高压水对钻孔进行高压压裂后，采用低压水对于裂缝进行浸水软化，来降低硬岩的硬度，在后续进行爆破时更加容易，爆破能量利用率更高；

将相邻压裂孔上的环形切槽进行错位设置，在高压压裂时更加容易在岩体内产生相互交错的裂隙，裂隙相互连接形成更加发达的裂隙网络，提升后续的浸水软化及爆破效果；

采用聚能爆破装置对爆破能量进行聚集，有效提升炸药爆破的能量利用率和爆破效果，减少炸药单位消耗量，在环形切槽处进行爆破，最大化利用压裂阶段产生的裂纹给爆破提供自由面，更加容易的破坏岩体。

附图说明

图1为本发明的压裂孔与观测孔位置示意图；

图2为本发明的环形切槽设置位置示意图；

图3为本发明的封孔器设置示意图；

图4为本发明的注水压裂效果示意图；

图5为本发明的填药示意图；

图6为本发明的聚能爆破装置与爆破炸药设置示意图；

图7为本发明的聚能爆破装置剖视结构示意图。

附图标记：1-压裂孔，11-环形切槽，2-观测孔，3-封孔器，31-高压水管，32-高压充气管，33-膨胀气囊，4-聚能爆破装置，41-空心管体，42-聚能槽，5-爆破炸药。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

如图1-5所示，一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，包括以下步骤：

在施工之前，需要测量工作面的地应力状态、围岩稳定情况以及岩性特征，结合往期水力压裂现场应用中的试验参数，确定压裂孔以及观测孔的布置位置和相邻钻孔间的间隔；

如图1所示，S1，钻孔：在超前工作面的中心位置处进行钻凿压裂孔1和观测孔2，所述压裂孔1钻凿三个，并且呈三角形设置，所述观测孔2设在三个压裂孔1形成的三角形的中点位置；

优选的，压裂孔1和观测孔2均为内径60mm，深度30m；三个压裂孔1共用一个观测孔2，并将观测孔2设在三个压裂孔1的中心位置，可以保证观测效果的均匀有效；

如图2所示，S2，切槽：在压裂孔1的钻凿过程中，在压裂孔1的轴向方向上间隔切割环形切槽11；所述环形切槽11的内径不小于80mm，相邻的环形切槽11间隔4m；

如图3所示，S3，封孔：在压裂孔1中采用封孔器3对压裂孔1的切槽段进行封孔，在切槽段形成间隔设置的封堵节；

如图4所示，S4，注水压裂：在压裂孔1的封堵节内注入高压水，由孔底向孔口依次向外进行后退式压裂，直至观测孔2中有水流出时停止压裂；

如图4所示，S5，浸水软化：将高压水改为低压水，根据岩层参数控制低压水的流量和流速，对压裂后的岩层进行浸泡软化，低压水注水时间不低于30分钟；

如图5所示，S6，装药：浸水软化结束后，取出封孔器3，并在压裂孔1中间隔设置聚能爆破装置4及爆破炸药5，所述聚能爆破装置设置环形切槽11位置处，所述爆破炸药5设置在聚能爆破装置4内；

S7，爆破：填药完毕后，将压裂孔1的孔口进行填充封闭，连接爆破网络进行起爆。

如图2所示，进一步地，步骤S2中，三个压裂孔1上的环形切槽11在轴向上相互错位设置。错位设置的环形切槽11在进行压裂操作时，由于应力阴影效应在相邻钻孔的裂缝扩展状态表现为“力学相吸”行为，进而使得压裂时能够使岩体内更容易产生纵横交错的发达裂隙网络，便于后续浸水软化及爆破，使得岩层更加容易碎裂，更加方便掘进。

如图3所示，进一步地，步骤S3中，所述封孔器3初始布置在压裂孔1内的孔底，在压裂孔1中的环形切槽11采用后退式压裂的施工方式从孔底到孔口依次压裂，直至孔内的环形切槽11都压裂后，将封孔器3向外退至下一个压裂孔重复此步骤。

如图3所示，进一步地，步骤S3中，所述封孔器3包括高压水管31、高压充气管32和膨胀气囊33，所述膨胀气囊33贴合压裂孔1的内壁设置两个，分别位于环形切槽11的前后两侧，所述高压水管31和高压充气管32并行穿过膨胀气囊33。膨胀气囊33在通过高压充气管32充入高压气体膨胀后能够贴紧孔壁，封堵在压裂孔1的环形切槽11的前后两侧进行封闭形成能够承受高压水的封堵节。

优选的，所述高压水管31的出水口设置在封堵节处，所述高压充气管32的出气孔设置膨胀气囊33中。在进行送水压裂及软化过程中，通过高压水管31输送的高压水及低压水直接进入封堵节中，对岩层中的裂缝进行作用。

进一步地，步骤S4中，注水压裂时采用后退式压裂的施工方式，防止产生卡孔现象。

进一步地，步骤S5中，采用低压水进行浸水时，低压水的压力及注水时间采用以下公式进行计算：

τ＝σtgΦ+C-aptgΦ

R＝Rc-2apsinΦ/1-sinΦ

其中：σ为裂隙中水压对裂隙壁法向应力，C为内聚力，a为孔隙率，Φ为内摩擦角，p为低压水的水压，τ为软化后岩石需要达到的目标抗剪强度，R为软化后岩石需要达到的目标抗压强度，Rc为干燥岩石试件的抗压强度。更具地质取样数据结合上述公式进行计算后，对浸水软化的低压水的压力和时间进行灵活调整。

如图6、7所示，进一步地，步骤S6中，所述聚能爆破装置4包括空心管体41和聚能槽42，所述聚能槽42为环状V型结构，沿周向设置在空心管体41的中部，所述爆破炸药5设在空心管体41内的聚能槽42处。

进一步地，步骤S6中，所述聚能爆破装置4的聚能槽42设置位置与环形切槽11相对应。

如图7所示，进一步地，所述聚能槽42的壁厚小于空心管体41的壁厚。由于聚能槽42的壁厚小于空心管体41，因此在起爆后，聚能槽42在高速高压爆轰产物作用下迅速破断，使爆轰产物的能量在聚能槽42处被极速挤压聚集在一根轴线上，从而汇聚成一股压力和速度非常高的聚能流；同时由于聚能槽42正对着环形切槽11，聚能流的方向主要朝向环形切槽11，能够充分利用压裂对岩层产生的裂纹，来为爆破提供更多的自由面，爆破所产生的爆破能使压裂孔1的孔壁产生大量裂纹，爆轰气体能够切割这些裂纹和之前压裂形成的裂纹，使之进一步延伸、扩展、交错贯通，大大提高了炸药爆破的能量利用率和爆破效果，减少炸药单位消耗量。

如图5所示，进一步地，步骤S6中，间隔设置的聚能爆破装置4之间填充有炮泥。

优选的，步骤S2中，钻孔及切槽通过钻割一体机同时进行。

优选的，步骤S6中，设置聚能爆破装置4采用不耦合装药方式，即炸药直径小于炮孔直径，炸药与炮孔壁之间留有间隙的装药方式。

优选的，所述爆破炸药5为乳化炸药。

优选的，步骤S7中，爆破时，采用微差爆破法实施起爆，并采用毫秒雷管，时间间隔为20毫秒。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，其特征是，包括以下步骤：

S1，钻孔：在超前工作面的中心位置处进行钻凿压裂孔(1)和观测孔(2)，所述压裂孔(1)钻凿三个，并且呈三角形设置，所述观测孔(2)设在三个压裂孔(1)形成的三角形的中点位置；

S2，切槽：在压裂孔(1)的钻凿过程中，在压裂孔(1)的轴向方向上间隔切割环形切槽(11)；

S3，封孔：在压裂孔(1)中采用封孔器(3)对压裂孔(1)的切槽段进行封孔，在切槽段形成间隔设置的封堵节；

S4，注水压裂：在压裂孔(1)的封堵节内注入高压水，由孔底向孔口依次向外进行后退式压裂，直至观测孔(2)中有水流出时停止压裂；

S5，浸水软化：将高压水改为低压水，根据岩层参数控制低压水的流量和流速，对压裂后的岩层进行浸泡软化；

采用低压水进行浸水时，低压水的压力及注水时间采用以下公式进行计算：

τ＝σtgΦ+(C-aptgΦ)

R＝Rc-2apsinΦ/1-sinΦ

其中：σ为裂隙中水压对裂隙壁法向应力，C为内聚力，a为孔隙率，Φ为内摩擦角，p为低压水的水压，τ为软化后岩石需要达到的目标抗剪强度，R为软化后岩石需要达到的目标抗压强度，Rc为干燥岩石试件的抗压强度；

S6，装药：浸水软化结束后，取出封孔器(3)，并在压裂孔(1)中间隔设置聚能爆破装置(4)及爆破炸药(5)，所述聚能爆破装置设置环形切槽(11)位置处，所述爆破炸药(5)设置在聚能爆破装置(4)内；

S7，爆破：填药完毕后，将压裂孔(1)的孔口进行填充封闭，连接爆破网络进行起爆。

2.根据权利要求1所述的一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，其特征是：步骤S2中，三个压裂孔(1)上的环形切槽(11)在轴向上相互错位设置。

3.根据权利要求1所述的一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，其特征是：步骤S3中，所述封孔器(3)设置在压裂孔(1)内，所述封孔器(3)成组设置，每组两个封孔器(3)设在压裂孔(1)上的环形切槽(11)的前后两端，在压裂孔(1)上的环形切槽(11)处形成封闭的封堵节。

4.根据权利要求3所述的一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，其特征是：步骤S3中，所述封孔器(3)包括高压水管(31)、高压充气管(32)和膨胀气囊(33)，所述膨胀气囊(33)贴合压裂孔(1)的内壁设置两个，分别位于环形切槽(11)的前后两侧，所述高压水管(31)和高压充气管(32)并行穿过膨胀气囊(33)。

5.根据权利要求1所述的一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，其特征是：步骤S6中，所述聚能爆破装置(4)包括空心管体(41)和聚能槽(42)，所述聚能槽(42)为环状V型结构，沿周向设置在空心管体(41)的中部，所述爆破炸药(5)设在空心管体(41)内的聚能槽(42)处。

6.根据权利要求5所述的一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，其特征是：步骤S6中，所述聚能爆破装置(4)的聚能槽(42)设置位置与环形切槽(11)相对应。

7.根据权利要求6所述的一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，其特征是：所述聚能槽(42)的壁厚小于空心管体(41)的壁厚。

8.根据权利要求1所述的一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，其特征是：步骤S6中，间隔设置的聚能爆破装置(4)之间填充有炮泥。

9.根据权利要求1所述的一种采用水压致裂及定向爆破掘进硬岩巷道的施工方法，其特征是：步骤S2中，钻孔及切槽通过钻割一体机同时进行。

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