CN113622917A - 一种深部高应力隧道围岩微波卸压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部高应力隧道围岩微波卸压方法，旨在应对各种地压条件下的卸压，同时又安全环保，能够减少对矿井的二次污染。为此，本发明实施例提供的深部高应力隧道围岩微波卸压方法，包括在隧道掘进掌子面布置钻孔；将微波发生设备的馈能波导管伸入钻孔内，并通过由阻波材料制作的堵塞将钻孔的孔口封堵；启动微波发生设备，通过馈能波导管向钻孔的孔壁中馈入微波，围岩中各矿物吸波微波后形成热应力，进而诱导钻孔周边围岩产生损伤；对微波辐射后的钻孔进行爆破卸压作业。
Description
技术领域
本发明属于矿体开采技术领域，尤其涉及一种深部高应力隧道围岩微波卸压方法。
背景技术
随着地表矿产资源的逐渐减少，采矿工作逐渐向深部开展。深部采矿面临严峻的“三高一扰动”问题，其中高地应力问题尤为突出。高地应力会引起岩爆等危害，严重威胁人员及财产安全。因此很有必要对深部隧道围岩进行卸压处理。当前针对高应力围岩卸压的方法主要有钻孔卸压、掏槽卸压、爆破与水压致裂卸压等，但是以上卸压方法会对矿井造成二次污染，威胁矿井安全生产。
综上，有必要开发一种新的辅助卸压方法，以应对各种地压条件下的卸压，同时又安全环保，能够减少对矿井的二次污染。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种深部高应力隧道围岩微波卸压方法，旨在应对各种地压条件下的卸压，同时又安全环保，能够减少对矿井的二次污染。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供的深部高应力隧道围岩微波卸压方法，包括如下步骤：
步骤1、在隧道掘进掌子面布置钻孔；
步骤2、将微波发生设备的馈能波导管伸入钻孔内，并通过由阻波材料制作的堵塞将钻孔的孔口封堵；
步骤3、启动微波发生设备，通过馈能波导管向钻孔的孔壁中馈入微波，围岩中各矿物吸波微波后形成热应力，进而诱导钻孔周边围岩产生损伤；
步骤4、对微波辐射后的钻孔进行爆破卸压作业。
具体的，所述微波发生设备安装在移动小车上的升降平台上，通过所述移动小车的运动以及所述升降平台的举升，所述微波发生设备可以对各个钻孔依次馈入微波。
具体的，所述升降平台上还安装有对所述微波发生设备进行冷却的水冷设备。
具体的，所述馈能波导管的内壁上设有高导电率金属膜，所述馈能波导管的尾端包覆陶瓷纤维棉形成所述堵塞。
具体的，所述高导电率金属膜采用铜箔。
具体的，每个钻孔均沿隧道水平向内延伸至岩层中，每个钻孔深度控制在6-8m。
具体的，所述钻孔的孔径为75mm，相邻钻孔的间距为3.0m,所述馈能波导管直径为50mm，伸入钻孔内的长度为4.8m。
具体的，所述微波发生设备的微波功率控制在4.0-6.0kw，每个所述钻孔中馈入微波的时间控制在2-5分钟
具体的，所述微波发生设备包括电性连接的微波控制系统和微波发生器，所述馈能波导管与所述微波发生器的微波发射口对接。
与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：使用微波对围岩进行预处理，利用围岩内不同矿物微波吸收差异引起的热应力，使岩石内发生沿晶断裂和穿晶断裂，造成岩石产生损伤和微裂纹，最终引起岩石强度降低，从而达到大幅减少爆破卸压所需要的炸药当量，降低粉尘等污染的目的，该方法在实施过程中绿色高效、精准可控、辅助卸压效果明显。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明实施例提供的隧道掘进掌子面微波卸压过程示意图一；
图2是本发明实施例提供的隧道掘进掌子面微波卸压过程示意图二；
图3是本发明实施例涉及的微波发生设备结构示意图；
图4是本发明实施例涉及的馈能波导管结构示意图；
图5为不同功率与微波辐射时间条件下花岗岩单轴抗压强度变化情况；
其中：1、掌子面；2、钻孔；3、微波发生设备；301、馈能波导管；302、微波控制系统；303、微波发生器；4、堵塞；5、裂纹；6、移动小车；7、升降平台；8、高导电率金属膜；9、水冷设备；10、水冷控制系统；11、电源。
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作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参见图1和图2，一种深部高应力隧道围岩微波卸压方法，包括如下步骤：
步骤1、在隧道掘进掌子面1布置钻孔2；
步骤2、将微波发生设备3的馈能波导管301伸入钻孔2内，并通过由阻波材料制作的堵塞4将钻孔2的孔口封堵；
步骤3、启动微波发生设备3，通过馈能波导管301向钻孔2的孔壁中馈入微波，围岩中各矿物吸波微波后形成热应力，进而诱导钻孔2周边围岩产生损伤；
步骤4、对微波辐射后的钻孔2进行爆破卸压作业。
本实施例中，使用微波对围岩进行预处理，利用围岩内不同矿物微波吸收差异引起的热应力，使岩石内发生沿晶断裂和穿晶断裂，造成岩石产生损伤和裂纹5，最终引起岩石强度降低，从而达到大幅减少爆破卸压所需要的炸药当量，降低粉尘等污染的目的，该方法在实施过程中绿色高效、精准可控、辅助卸压效果明显。
参见图1，在一些实施例中，微波发生设备3安装在移动小车6上的升降平台7上，通过移动小车6可以带动微波发生设备3前后左右运动，通过升降平台7可以带动微波发生设备3上下运动，进而使得微波发生设备3可以对各个钻孔2依次进行的微波馈入。这样的设计方式的优点在于，待微波辐射岩石完成后，停止运行微波发生设备3，等待5-8min，利用移动小车6将馈能波导管301从该钻孔2中退出，接着利用移动小车6并结合升降平台7将馈能波导管301调整至对准下一个钻孔2，然后利用移动小车6将馈能波导管301插入至对应的钻孔2中退出，即可进行下一个钻孔2的微孔馈入，通过同一个微波发生设备3即可实现全部钻孔2的微波馈入，节约了成本。
参见图3和图4，可以理解的是，在实际应用中，微波发生设备3还包括电性连接的微波控制系统302和微波发生器303，馈能波导管301与微波发生器303的微波发射口对接，微波发生器303主要包括变压器、磁控管，变压器为全铜变压器，磁控管把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，从而达到产生微波能的目的，微波控制系统302连接电源11，可以调节微波加热功率与时间，馈能波导管301主要将磁控管产生的微波馈入岩石中，一端与微波发生器303连接，管体直接置于钻孔2内，在管内壁可以涂一层高导电率金属膜8，以减少微波能损耗。其中，变压器功率为6.0kw，磁控管频率为2.45GHz，功率6.0kw。
本实施例中，馈能波导管301一端进入钻孔2时，运行微波发生设备3后，馈能波导管301将微波馈入岩层中，微波辐射一段时间后岩石被加热，内部晶体结构发生变化，导致岩石内产生裂纹5，最终造成岩石强度降低，减少爆破所需要的炸药当量。
参见图3，具体的，在升降平台7上还可以安装对微波发生设备3进行冷却的水冷设备9，水冷设备9一端连接电源接口，另一端通过导水管连接微波发生设备3，通过水循环冷却，维持微波发生设备3温度稳定。微波发生设备3运作时，将馈能波导管301伸入钻孔2内，直至由阻波材料制作的堵塞4堵塞钻孔口为止，待准备工序完成后，先打开水冷控制系统10，启动水冷设备9，再打开微波控制系统302，启动微波设备，调整微波参数后开始运行设备。
具体的，馈能波导管301的尾端包覆陶瓷纤维棉形成堵塞4,高导电率金属膜8可以采用铜箔，每个钻孔2均沿隧道水平向内延伸至岩层中，每个钻孔2深度控制在6-8m，钻孔2的孔径为75mm，相邻钻孔2的间距为3.0m,馈能波导管301直径为50mm，伸入钻孔2内的长度为4.8m，微波发生设备3的微波功率控制在4.0-6.0kw，每个所述钻孔2中馈入微波的时间控制在2-5分钟。
参见图1和图2，上述深部高应力隧道围岩微波卸压方法的具体过程如下：
S1：在隧道掘进掌子面1布置钻孔2，每个钻孔2均沿隧道水平向内延伸至岩层中，每个钻孔2深度均为6-8m，钻孔2的孔径为75mm，相邻钻孔2的间距为3.0m；
S2：将微波发生设备3移至掌子面1，馈能波导管301伸入钻孔2内，直至附有阻波材料的一端至钻孔2口，馈能波导管301直径为50mm，伸入钻孔2内的长度为4.8m，微波发生设备3的微波功率控制在4.0-6.0kw，待准备工序完成后，先打开水冷控制系统10，启动水冷设备9，再打开微波控制系统302，启动微波发生器303，调整微波参数后开始运行设备。
S3：微波辐射岩石完成后，停止运行微波发生器303，等待5-8min，再将馈能波导管301拔出钻孔2，调整置于微波发生设备3下方的升降机构，将馈能波导管301移至下一钻孔2内，重复S2操作。
S4：待全部钻孔2作业完成后，首先停止微波发生器303运行，再通过微波控制系统302关闭微波发生设备3，通过水冷控制系统关闭水冷设备9，最后将插头拔出电源11，将微波发生设备3移至安全位置，对微波辐射后的钻孔2进行爆破卸压作业。
如图5所示，通过试验分别测得花岗岩在不同微波功率与辐射时间情况下的单轴抗压强度，可以看出微波辐射对花岗岩单轴抗压强度有明显影响，并且随着功率与辐射时间的增大，影响效果也越大。因此，用微波发生设备对掌子面岩体进行预处理，可以降低岩体强度，减小爆破卸压所需要的炸药当量，是一种切实可行的辅助卸压方法。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种深部高应力隧道围岩微波卸压方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在隧道掘进掌子面(1)布置钻孔(2)；
步骤2、将微波发生设备(3)的馈能波导管(301)伸入钻孔(2)内，并通过由阻波材料制作的堵塞(4)将钻孔(2)的孔口封堵；
步骤3、启动微波发生设备(3)，通过馈能波导管(301)向钻孔(2)的孔壁中馈入微波，围岩中各矿物吸波微波后形成热应力，进而诱导钻孔(2)周边围岩产生损伤；
步骤4、对微波辐射后的钻孔(2)进行爆破卸压作业。
2.根据权利要求1所述的深部高应力隧道围岩微波卸压方法，其特征在于：所述微波发生设备(3)安装在移动小车(6)上的升降平台(7)上，通过所述移动小车(6)的运动以及所述升降平台(7)的举升，所述微波发生设备(3)可以对各个钻孔(2)依次馈入微波。
3.根据权利要求2所述的深部高应力隧道围岩微波卸压方法，其特征在于：所述升降平台(7)上还安装有对所述微波发生设备(3)进行冷却的水冷设备(9)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的深部高应力隧道围岩微波卸压方法，其特征在于：所述馈能波导管(301)的内壁上设有高导电率金属膜(8)，所述馈能波导管(301)的尾端包覆陶瓷纤维棉形成所述堵塞(4)。
5.根据权利要求4所述的深部高应力隧道围岩微波卸压方法，其特征在于：所述高导电率金属膜(8)采用铜箔。
6.根据权利要求1-3任一项所述的深部高应力隧道围岩微波卸压方法，其特征在于：每个钻孔(2)均沿隧道水平向内延伸至岩层中，每个钻孔(2)深度控制在6-8m。
7.根据权利要求6所述的深部高应力隧道围岩微波卸压方法，其特征在于：所述钻孔(2)的孔径为75mm，相邻钻孔(2)的间距为3.0m，所述馈能波导管(301)直径为50mm，伸入钻孔(2)内的长度为4.8m。
8.根据权利要求1-3任一项所述的深部高应力隧道围岩微波卸压方法，其特征在于：所述微波发生设备(3)包括电性连接的微波控制系统(302)和微波发生器(303)，所述馈能波导管(301)与所述微波发生器(303)的微波发射口对接。
9.根据权利要求1-3任一项所述的深部高应力隧道围岩微波卸压方法，其特征在于：所述微波发生设备(3)的微波功率控制在4.0-6.0kw，每个所述钻孔(2)中馈入微波的时间控制在2-5分钟。
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