CN113216837B - 一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车及其操控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车及其操控方法，属于隧道及地下空间钻裂施工领域。包括预裂臂、钻臂、超临界流体发生室和操作室，预裂臂包括定位装置、圆弧滑座、固定板、固定扣、长杆、连接块、电动伸缩杆、注水口、传压口；超临界流体发生室包括定压阀、激发电路以及混相流体注入口。电脑通过钻臂钻孔后采集的信息，控制定位装置进行定位，定位完成后，控制打开圆弧滑座上的固定扣，启动电动伸缩杆，将长杆顶入孔内适当位置，接着通过油泵向液压膨胀胶囊注油，堵塞孔口完成后，水注入注水口直至填充空隙空间；混相流体注入口打开，注入混相流体，关闭混相流体注入口，启动激发电路，至压力上升到设定值之后，定压阀自动打开，对岩体压裂。
Description
技术领域
本发明涉及一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车及其操控方法，属于隧道及地下空间钻裂施工领域。
背景技术
在隧道及地下空间开挖中，钻裂法是一种经久不衰的方法，随着人力成本越来越高以及对工地环境，人员健康的要求越来越高，机械化的趋势也愈发明显。目前我国在钻裂基本作业上实现了机械化，单钻孔而言，最常见的是人工操控凿岩台车或多臂钻车进行钻孔，而在装药、填充以及爆破方面基本采用人工装药、填充以及炸药爆破。一方面，纯人工操控台车，效率较低、钻孔精确度不高、存在超欠挖、质量较差；另一方面在爆破造成的不稳定围岩下进行人工装填危险性高，并且炸药爆破场地噪音污染和空气污染严重。另外两条作业线未能集成到一个机械设备上，机械化程度低，施工效率和施工质量较差。
为了降低对周围岩体的振动，提高作业安全性以及促进施工工地绿色化，高能气体膨胀致裂岩体的新型破岩技术应运而生，尤其是CO2相变致裂技术近年来在矿上开采、隧道掘进和市政交通等领域受到广泛关注。但目前尚未有与凿岩台车配合掘进的例子。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车及其操控方法，用以解决传统组合方式机械化程度低，施工效率和施工质量不足，环境污染严重，安全性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车，包括预裂臂、钻臂、储罐、电机、油泵、油罐、承台和操作室；其中，所述预裂臂与钻臂分别用于压裂和钻孔，所述预裂臂与钻臂分别连接在操作室前端两侧；所述操作室后端依次设置有储罐、电机、油泵以及油罐，且均设置在所述承台上方；所述储罐内存储有液态气体，所述电机为钻臂和预裂臂的定位和钻入提供动力，所述油罐为油泵储存和提供用油；
所述预裂臂包括定位装置、圆弧滑座、固定板、固定扣、长杆、连接块、电动伸缩杆、注水口、传压口；圆弧滑座设置于所述固定板上，固定板端部设置有定位装置，
所述长杆、电动伸缩杆以及连接块均放置在所述圆弧滑座上，所述固定扣也固定于所述圆弧滑座上用于固定所述长杆；
所述长杆包括液压膨胀胶囊及其底部设置的注油口；所述长杆与所述连接块通过螺纹连接，连接块又与所述电动伸缩杆连接，电动伸缩杆端部又设置有挡板；所述连接块上设置有所述注水口以及传压口；所述注水口、传压口、注油口分别与耐压软管通过螺栓连接；
所述操作室后端还设置有超临界流体发生室，所述超临界流体发生室包括定压阀、激发电路以及混相流体注入口，所述定压阀与所述传压口用耐压软管连接；所述混相流体注入口所注入的混相流体包括液态气体与一种致裂剂混合；
所述油泵与所述预裂臂上的液压膨胀胶囊连接，用于注入或抽出油；所述储罐与所述混相流体注入口通过耐压软管连接。
进一步地，所述操作室中设有人员座位、操作平台和电脑。
进一步地，所述操作室以及超临界流体发生室也位于所述承台上方。
进一步地，所述双臂凿岩台车还包括支腿、履带底盘，所述履带底盘用于凿岩台车整体的行驶和转动，所述承台位于履带底盘的上面，所述支腿用于施工中保持车身稳定性。
进一步地，所述储罐中有储存液态二氧化碳或液氮。
进一步地，所述混相流体注入口上设置有阀门。
一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车的操控方法，工作时，所述电脑通过钻臂钻孔后采集的信息，控制定位装置进行定位，定位完成后，控制打开圆弧滑座上的固定扣，启动所述电动伸缩杆，将长杆顶入孔内适当位置，接着通过油泵向液压膨胀胶囊注油，堵塞孔口完成后，水注入所述注水口直至填充空隙空间；所述混相流体注入口打开，注入混相流体，关闭混相流体注入口，启动激发电路，至压力上升到设定值之后，定压阀自动打开，对岩体进行压裂；具体包括如下步骤：
S1:钻裂前期准备:将钻孔方案载入位于操作室的电脑，电脑连接扫描仪，将电动伸缩杆、连接块、长杆依次安放在圆弧滑座上，控制固定扣扣合；进行第一次预钻孔和预裂，采集岩石物性参数和预裂对周边的影响，反馈至系统，对钻裂方案和施工流程进行优化；
S2:自动定位钻孔：系统根据岩石物性参数，预裂影响，自动判别从而对钻臂进行定位钻孔，钻孔后退出，进行下一孔钻孔；
S3:封孔：电脑获取钻臂钻孔后所获信息控制预裂臂紧接着伸入对应孔中，伸至特定位置后，由三维扫描仪同步采集空间位置信息，进行反馈，确认后控制油泵将油注入液压膨胀胶囊形成封孔，检测封孔压力达到设定值后进行下一步骤；
S4:注水填充：封孔完成后通过注水口进行注水填充空余空间直至达到设定压力；
S5:混相流体注入：由系统根据岩石参数设定致裂剂和流体的质量及比例，打开阀门，将设定体积流体混合定量致裂剂后从混相流体注入口注入，然后关闭阀门；
S6:启动激发电路：电脑控制开启激发电路，形成高温高压状态，待压力达到定压阀所定压力后冲出，冲击力由水介质传递至岩体，对岩体进行预裂；
S7:一次工作完成，钻臂重复S2-S3，预裂臂重复S3-S6。
进一步地，每一步骤皆会将主要参数反馈至操控终端以供远程技术人员判别和调整。
相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：
本发明实现了致裂管连续作业，自动定位、自动封孔和自动爆破多功能高度集成，替代了传统爆破中人工运输炸药和人工泥土沙土封孔，大大提高了施工效率和施工的安全性，保障了施工质量，机械化水平更高，相比于一次性高能气体爆破方式，这种管车一体连续爆破的特点大幅度地提高了施工效率和施工质量。
1、致裂管直接载于钻臂上，进行钻裂作业替代了传统人工充注超临界流体体，车具吊装入孔和人工封孔，安全、高效且减小了发生意外的可能性。
2、液压膨胀胶囊充注膨胀堵孔，用于封堵钻孔内超临界流体体，防止超临界流体泄露以致减小相变压力和降低破岩效果，也避免超临界流体外冲造成安全事故。
3、超临界流体发生室用于产生超临界超临界流体体冲击破岩，包括自动进料单元、电路激发单元和卸压控制单元，代替了人工充注和运输的隐患，在预裂臂进入钻孔并进行液压封孔后自动注入超临界流体，安全性大幅度提高。
4、定位系统、进料系统、卸压控制、钻裂方案修正可皆由电脑控制，也可以人工进行控制，以免发生意外，实现双重保障。。
附图说明
图1为本发明的超临界流体(水热)钻爆一体化双臂凿岩台车示意图；
图2为本发明的预裂臂结构示意图；
图3为本发明的预裂臂构造中长杆剖面示意图；
图4为本发明的超临界流体发生室结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-4对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明的一种超临界流体(水热)钻爆一体化双臂凿岩台车，包括预裂臂1、钻臂2、储罐4、电机5、油泵6、油罐7、支腿8、履带底盘9、承台10和操作室11。其中，预裂臂1与钻臂2分别用于压裂和钻孔，预裂臂1与钻臂2分别连接在操作室11前端两侧。操作室11中设有人员座位、操作平台和电脑。操作室11后端依次设置有储罐4、电机5、油泵6以及油罐7，且均设置在承台10上方。储罐4内存储有液态气体，电机5为钻臂2和预裂臂1的定位和钻入提供动力，油罐7为油泵6储存和提供用油。履带底盘9用于凿岩台车整体的行驶和转动，承台10位于履带底盘9的上面，支腿8用于施工中保持车身稳定性。
如图2-3所示，预裂臂1包括定位装置101、圆弧滑座102、固定板103、固定扣104、长杆105、连接块106、电动伸缩杆107、注水口109、传压口1010。圆弧滑座102设置于固定板103上，固定板103端部设置有定位装置101，长杆105、电动伸缩杆107以及连接块106均放置在圆弧滑座102上，固定扣104也固定于圆弧滑座102上用于固定长杆105。长杆105包括液压膨胀胶囊1051及其底部设置的注油口1052。长杆105与连接块106通过螺纹连接，连接块106又与电动伸缩杆107连接，电动伸缩杆107端部又设置有挡板108。连接块106上设置有注水口109以及传压口1010。注水口109、传压口1010、注油口1052分别与耐压软管通过螺栓连接。
如图1和图4所示，操作室11后端还设置有超临界流体发生室3，操作室11以及超临界流体发生室3也位于承台10上方。超临界流体发生室3包括定压阀31、激发电路32以及混相流体注入口33，定压阀31与传压口1010用耐压软管连接。混相流体注入口33所注入的混相流体包括液态二氧化碳与一种致裂剂混合。混相流体注入口33上设置有阀门34。油泵6与预裂臂1上的液压膨胀胶囊1051连接，用于注入或抽出油。储罐4与混相流体注入口33通过耐压软管连接。本实施例中，储罐4中储存液态二氧化碳。
上述一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车的操控方法，工作时，电脑通过钻臂2钻孔后采集的信息，控制定位装置101进行定位，定位完成后，控制打开圆弧滑座102上的固定扣104，启动电动伸缩杆107，将长杆105顶入孔内适当位置，接着通过油泵6向液压膨胀胶囊1051注油，堵塞孔口完成后，水注入注水口109直至填充空隙空间。混相流体注入口33打开，注入混相流体，关闭混相流体注入口33，启动激发电路32，至压力上升到设定值之后，定压阀31自动打开，对岩体进行压裂。具体包括如下步骤：
S1:钻裂前期准备:将钻孔方案载入位于操作室11的电脑，电脑连接扫描仪，将电动伸缩杆107、连接块106、长杆105依次安放在圆弧滑座102上，控制固定扣104扣合。进行第一次预钻孔和预裂，采集岩石物性参数和预裂对周边的影响，反馈至系统，对钻裂方案和施工流程进行优化。
S2:自动定位钻孔：系统根据岩石物性参数，预裂影响，自动判别从而对钻臂2进行定位钻孔，钻孔后退出，进行下一孔钻孔。
S3:封孔：电脑获取钻臂2钻孔后所获信息控制预裂臂1紧接着伸入对应孔中，伸至特定位置后，由三维扫描仪同步采集空间位置信息，进行反馈，确认后控制油泵6将油注入液压膨胀胶囊1051形成封孔，检测封孔压力达到设定值后进行下一步骤。
S4:注水填充：封孔完成后通过注水口109进行注水填充空余空间直至达到设定压力。
S5:混相流体注入：由系统根据岩石参数设定致裂剂和流体的质量及比例，打开阀门34，将设定体积流体混合定量致裂剂后从混相流体注入口33注入，然后关闭阀门34。
S6:启动激发电路：电脑控制开启激发电路32，形成高温高压状态，待压力达到定压阀31所定压力后冲出，冲击力由水介质传递至岩体，对岩体进行预裂。
S7:一次工作完成，钻臂2重复S2-S3，预裂臂1重复S3-S6。
实施例2
本实施例中，所用混相流体为液氮，且储罐4中储存的是液氮。其它结构及连接方式和操控方法同实施例1，此处不再详述。
进一步地，每一步骤皆会将主要参数反馈至操控终端以供远程技术人员判别和调整。上述实施例只是为了更清楚说明本发明的技术方案做出的列举，并非对本发明的限定，本领域的普通技术人员根据本领域的公知常识对本申请技术方案的变通亦均在本申请保护范围之内，总之，上述实施例仅为列举，本申请的保护范围以所附权利要求书范围为准。
Claims (6)
1.一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车的操控方法，其特征在于：
超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车包括预裂臂（1）、钻臂（2）、储罐（4）、电机（5）、油泵（6）、油罐（7）、承台（10）和操作室（11）；其中，所述预裂臂（1）与钻臂（2）分别用于压裂和钻孔，所述预裂臂（1）与钻臂（2）分别连接在操作室（11）前端两侧；所述操作室（11）后端依次设置有储罐（4）、电机（5）、油泵（6）以及油罐（7），且均设置在所述承台（10）上方；所述储罐（4）内存储有液态气体，所述电机（5）为钻臂（2）和预裂臂（1）的定位和钻入提供动力，所述油罐（7）为油泵（6）储存和提供用油；
所述预裂臂（1）包括定位装置（101）、圆弧滑座（102）、固定板（103）、固定扣（104）、长杆（105）、连接块（106）、电动伸缩杆（107）、注水口（109）、传压口（1010）；圆弧滑座（102）设置于所述固定板（103）上，固定板（103）端部设置有定位装置（101），
所述长杆（105）、电动伸缩杆（107）以及连接块（106）均放置在所述圆弧滑座（102）上，所述固定扣（104）也固定于所述圆弧滑座（102）上用于固定所述长杆（105）；
所述长杆（105）包括液压膨胀胶囊（1051）及其底部设置的注油口（1052）；所述长杆（105）与所述连接块（106）通过螺纹连接，连接块（106）又与所述电动伸缩杆（107）连接，电动伸缩杆（107）端部又设置有挡板（108）；所述连接块（106）上设置有所述注水口（109）以及传压口（1010）；所述注水口（109）、传压口（1010）、注油口（1052）分别与耐压软管通过螺栓连接；
所述操作室（11）后端还设置有超临界流体发生室（3），所述超临界流体发生室（3）包括定压阀（31）、激发电路（32）以及混相流体注入口（33），所述定压阀（31）与所述传压口（1010）用耐压软管连接；所述混相流体注入口（33）所注入的混相流体包括液态水、液态二氧化碳或液氮与一种致裂剂混合；
所述油泵（6）与所述预裂臂（1）上的液压膨胀胶囊（1051）连接，用于注入或抽出油；所述储罐（4）与所述混相流体注入口（33）通过耐压软管连接；
其工作原理为：
工作时，电脑通过钻臂（2）钻孔后采集的信息，控制定位装置（101）进行定位，定位完成后，控制打开圆弧滑座（102）上的固定扣（104），启动所述电动伸缩杆（107），将长杆（105）顶入孔内适当位置，接着通过油泵（6）向液压膨胀胶囊（1051）注油，堵塞孔口完成后，水注入所述注水口（109）直至填充空隙空间；所述混相流体注入口（33）打开，注入混相流体，关闭混相流体注入口（33），启动激发电路（32），至压力上升到设定值之后，定压阀（31）自动打开，对岩体进行压裂；具体包括如下步骤：
S1: 钻裂前期准备: 将钻孔方案载入位于操作室（11）的电脑，电脑连接扫描仪，将电动伸缩杆（107）、连接块（106）、长杆（105）依次安放在圆弧滑座（102）上，控制固定扣（104）扣合；进行第一次预钻孔和预裂，采集岩石物性参数和预裂对周边的影响，反馈至系统，对钻裂方案和施工流程进行优化；
S2: 自动定位钻孔：系统根据岩石物性参数，预裂影响，自动判别从而对钻臂（2）进行定位钻孔，钻孔后退出，进行下一孔钻孔；
S3: 封孔：电脑获取钻臂（2）钻孔后所获信息控制预裂臂（1）紧接着伸入对应孔中，伸至特定位置后，由三维扫描仪同步采集空间位置信息，进行反馈，确认后控制油泵（6）将油注入液压膨胀胶囊（1051）形成封孔，检测封孔压力达到设定值后进行下一步骤；
S4: 注水填充：封孔完成后通过注水口（109）进行注水填充空余空间直至达到设定压力；
S5: 混相流体注入：由系统根据岩石参数设定致裂剂和流体的质量及比例，打开阀门（34），将设定体积流体混合定量致裂剂后从混相流体注入口（33）注入，然后关闭阀门（34）；
S6: 启动激发电路：电脑控制开启激发电路（32），形成高温高压状态，待压力达到定压阀（31）所定压力后冲出，冲击力由水介质传递至岩体，对岩体进行预裂；
S7: 一次工作完成，钻臂（2）重复S2-S3，预裂臂（1）重复S3-S6。
2.根据权利要求1所述的一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车的操控方法，其特征在于：所述操作室（11）中设有人员座位、操作平台和电脑。
3.根据权利要求2所述的一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车的操控方法，其特征在于：所述操作室（11）以及超临界流体发生室（3）也位于所述承台（10）上方。
4.根据权利要求3所述的一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车的操控方法，其特征在于：所述双臂凿岩台车还包括支腿（8）、履带底盘（9），所述履带底盘（9）用于凿岩台车整体的行驶和转动，所述承台（10）位于履带底盘（9）的上面，所述支腿（8）用于施工中保持车身稳定性。
5.根据权利要求4所述的一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车的操控方法，其特征在于：所述储罐（4）中有储存液态水、液态二氧化碳或液氮。
6.根据权利要求5所述的一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车的操控方法，其特征在于：所述混相流体注入口（33）上设置有阀门（34）。
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