一种破岩装置及方法与流程

本发明涉及工程机械领域，更具体地说，特别涉及一种破岩装置及方法。

背景技术：

现代隧道、油气开采等工程作业中，常常需要在岩石地层进行破岩操作，所谓破岩，即通过一系列措施使岩体疏松，降低岩体强度，将岩体破碎并最后将小石块搬运出。由于岩石的硬度往往比较大，因此破岩的难度极高，尤其是在单轴抗压强度(单向受压条件下岩石试件破坏时的极限压应力值)较大的致密硬岩。早期作业中，破岩作业一般是通过钻爆法，即在巷道断面按一定方向和间距钻出炮孔，再充填炸药进行爆破，将预定长度的岩体碎裂成小块再运出，从而实现巷道的掘进，但是该种方法很难对爆破量进行精准掌控，且爆破冲击波很容易影响周边地层。为减少超挖欠挖情况，减少爆破冲击波对周边地层的扰动，工程人员后来又发明了预裂爆破工法，其关键是在掘进断面周边孔时，减量装药爆破以产生沿孔壁连线贯通的裂缝，然后再配合其他掘进机械作业。但是，采用该种方法时，为了按预定方向形成裂缝，要求周边孔间距较小，钻孔数量较多，影响了施工经济性。

尽管爆破破岩研究已非常充分，但其在安全环保方面的先天缺陷无法根除，在冲击敏感性强的岩石地层适用性非常差，同时，由于爆破破岩往往无法对爆破量和爆破方向实现精准的控制，稍不注意就容易引发坍塌事故的发生，随着现代安全施工要求的提升，很多区域对爆破破岩的使用都作出了一系列限制，极大阻碍了工程的顺利进行。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为提供一种破岩装置，该破岩装置通过其结构设计，既能有效实现破岩操作，又能确保安全施工。

一种破岩装置，包括用于岩体上孔道钻设的钻孔机构、用于孔道压裂的裂孔机构及用于岩体巷道掘进的掘进机构，其中，

所述钻孔机构包括钻杆与钻头，所述钻杆后端与外设动力机构相连，所述钻杆前端与所述钻头连接；

所述裂孔机构包括支撑杆，所述支撑杆轴心处设置有贯通孔，所述贯通孔用于将外部压裂液传导至欲压裂的孔道内部，所述支撑杆的外圆柱面上设置有凹台，所述凹台上设置有弹性密封件，所述弹性密封件靠近所述支撑杆轴心的一面设置有膨胀腔，所述膨胀腔与所述贯通孔之间设置有导流孔；

所述掘进机构包括刀盘及连接在刀盘上的传输带，所述刀盘与所述传输带均与外设动力机构相连。

优选地，所述弹性密封件为橡胶密封环。

优选地，所述弹性密封件的两侧设置有卡条，所述凹台上设置有与所述卡条匹配的卡口。

优选地，所述弹性密封件的横截面为梯形。

优选地，所述钻孔机构的钻杆和钻头内设置有输液通道，所述输液通道的出口端延伸至孔道内壁，所述输液通道的进口端与所述裂孔机构的贯通孔相导通。

本发明还提供了一种破岩方法，基于上述任意一项所述的破岩装置，通过该破岩方法，可以非常有效、方便的实现孔道的钻、裂、掘流水线式作业。

一种破岩方法，包括步骤：

s01、将钻孔机构的钻头定位至欲钻设孔道的岩体上，外设动力机构带动钻杆及钻头旋转，钻头在岩体上钻设孔道直至达到规定深度；

s02、将裂孔机构伸入至钻好的孔道内，向裂孔机构的贯通孔内导入压裂液，压裂液流向孔道内部及膨胀腔，当膨胀腔内的受压超过规定压力时弹性密封件径向扩张，孔道内形成密封从而孔道内外隔断，然后压裂液继续增压直至孔道内壁形成裂纹破碎；

s03、孔道内部泄压，裂孔机构的膨胀腔压力减小，弹性密封件回缩从而解除密封状态，将裂孔机构从破裂后的孔道中退出；

s04、将掘进机构伸入孔道已破裂的岩体，掘进机构的刀盘将因孔道破裂而疏松的岩体切碎并卷向传输带，传输带将碎石块运输至掘进机构挖设的巷道外部。

优选地，在步骤s01中，钻头旋进时在孔道进口段采用高转速低进给方式钻掘，从而形成光滑孔壁以强化步骤s02中的孔道的密封。

优选地，在步骤s01中，钻头旋进时在孔道内部段采用低转速高进给方式钻掘，从而形成应力集中的粗糙孔壁以强化步骤s02中裂纹的产生。

优选地，在步骤s01中，钻头钻设的孔道直径为30mm至60mm。

优选地，在步骤s01中，钻头钻设的孔道深度为孔道直径的5至10倍。

优选地，在步骤s02中，将外部冷却液或/和润滑液导入贯通孔，冷却液或/和润滑液从贯通孔经输液通道流向孔道内。

优选地，在步骤s02中，将钻杆从压裂后的孔道中退出伸入下一个欲压裂的孔道，其中，根据孔道压裂程度在需压裂的孔道之间保留部分孔道不进行压裂。

本发明的有益效果是：本发明提供的该破岩装置包括钻孔机构、裂孔机构和掘进机构，首先，钻孔机构在岩体上进行孔道的钻设，钻孔机构按照规定钻好孔；其次，裂孔机构对孔道进行破裂，外部压裂液可以流入裂孔机构的膨胀腔使弹性密封件向径向扩张从而形成密封，在防止压裂液从孔道内部流出的同时对孔道内部进行压裂破碎，从而降低岩体强度；最后，掘进机构对疏松后的岩体进行掘进，将破碎的石块运输至掘进机构形成的巷道外部，从而实现整个岩体的破岩过程。该装置使用时，利用水力压裂技术实现钻设后孔道的破裂，孔道内裂纹的方向和深度往往具有规律性，同时孔道的密封可以使孔道得到更高压力的压裂液冲击，能非常有效的方便裂纹的产生，降低岩体强度，最后，利用掘进机构便可以轻松的在已疏松的岩体上挖设巷道。该过程中，由于没有使用炸药爆破，能有效避免爆炸冲击，确保操作安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所公开的破岩装置钻设孔道时的结构示意图；

图2为本发明实施例1所公开的破岩装置压裂孔道时的结构示意图；

图3为本发明实施例1所公开的破岩装置对压裂后孔道进行掘进时的结构示意图；

图4为本发明实施例2所公开的破岩方法进行孔道压裂时压裂孔布局结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

实施例1：

参见图1至图3，图1至图3提供了本发明一种破岩装置的具体实施例，其中，图1为本发明实施例1所公开的破岩装置钻设孔道时的结构示意图；图2为本发明实施例1所公开的破岩装置压裂孔道时的结构示意图；图3为本发明实施例1所公开的破岩装置对压裂后孔道进行掘进时的结构示意图。

如图1至图3所示，本实施例公开了一种破岩装置，可以用于隧道施工等工程作业中岩体的破碎掘进，该破岩装置包括用于岩体上孔道钻设的钻孔机构1、用于孔道压裂的裂孔机构2及用于岩体巷道掘进的掘进机构3。具体实施中，裂孔机构2一般设置在钻孔机构1后端，掘进机构3设置在裂孔机构2后端。

本方案中，钻孔机构1包括钻杆101与钻头102，钻杆101后端与外设动力机构相连，钻杆101前端与钻头102连接。

钻孔过程中，可在钻杆101上附加其他工具从而在孔道内壁上切割出径向和轴向的v形切槽，从而形成应力集中源使裂纹按预定位置和方向产生、扩展，如此，可以显著提高后期裂孔机构2的压裂效率，降低钻孔数量，提高总体施工效率。

本方案中，裂孔机构2包括支撑杆201，支撑杆201轴心处设置有贯通孔202，贯通孔202用于将外部压裂液传导至欲压裂的孔道内部，支撑杆201的外圆柱面上设置有凹台203，凹台203上设置有弹性密封件204，弹性密封件204靠近支撑杆201轴心的一面设置有膨胀腔205，膨胀腔205与贯通孔202之间设置有导流孔206。

本方案中，支撑杆201主要用于起支撑作用。支撑杆201轴心处设置的贯通孔202用于将外部压裂液传导至欲压裂的孔道内部。一般的，压裂液为高压水流，其中，压裂液需提供的压裂压力由孔道间距、岩石强度、致密度等决定，孔道间距越小、岩石强度越高、致密度越高，需要压裂压力越高，最佳的参数匹配可通过实验确定。本实施例通过实验研究表面，油气开采中水力压裂最高可采用140mpa的压力，破岩掘进压裂可以选用压力在250～600mpa左右。

支撑杆201的外圆柱面上设置有凹台203，凹台203用于给弹性密封件204的安装提供空间。加压压裂时，支撑杆201需要承受的轴向反作用力f＝p*πd*d/4，p为压裂水压，单位mpa(兆帕)，d为成孔直径，单位mm(毫米)，f为反作用力，单位n(牛顿)。其他的各零部件按最高压裂水压选型或校核强度。

具体地，凹台203上设置的弹性密封件204可以优选为橡胶密封环。

具体实施时，弹性密封件204一般状态下保持收缩，其径向尺寸小于孔道的径向尺寸，此时孔道的内外无法形成密封；当贯通孔202内通入压裂液，压裂液通过导流孔206进入膨胀腔205，膨胀腔205受压膨胀从而导致弹性密封件204向径向方向扩张，当膨胀腔205内的压力达到一定程度时，弹性密封件204外壁压紧在孔道的内壁上，从而在孔道内形成密封。当孔道内部的压裂液超出岩体的承受能力时，孔道内壁即会产生裂纹，压裂液进一步进入裂纹中直至孔道破裂。具体的，孔道一般为圆孔，弹性密封件204一般为环状体，弹性密封件204的厚度与径向大小由实际工况选择，需保证弹性密封件204膨胀时的厚度不小于支撑杆201与孔壁之间的间隙宽度。

本方案中，掘进机构3包括刀盘301及连接在刀盘301上的传输带302，刀盘301与传输带302均与外设动力机构相连。刀盘301用于破碎后石块的切削、卷扬，传输带302用于将石块从孔道内部运输出去。

具体的，掘进机构3可以选用常规的隧道掘进机(英文简称tbm)，隧道掘进机是现代常用的一种可对岩石破碎、出碴与支护实行连续作业的综合设备。按隧道掘进机在工作面上的切削过程，可以分为全断面掘进机和部分断面掘进机。按破碎岩石原理不同，隧道掘进机又可分滚压式(盘形滚刀)掘进机和铣切式掘进机。滚压式全断面掘进机适于中硬岩至硬岩，铣切式掘进机适用于煤层及软岩中。

具体地，可根据压裂后岩体的强度范围选择适用的掘进机构3，实际操作中，由于需要将钻孔机构1和压裂机构2退回至不影响掘进机构3刀盘旋转掘进的位置，本实施例可以优先采用部分断面掘进机。

本发明是在岩体巷道掌子面先按一定规律进行大量的钻孔-压裂，产生的裂纹减弱了岩体的强度，再启动掘进机构3的大尺寸的掘进刀盘，以常规tbm形式掘进巷道，解决超硬致密岩层中常规tbm难以有效掘进的问题。

整体而言，本发明提供的该破岩装置进行破岩操作时，首先，钻孔机构1在岩体上进行孔道的钻设，钻孔机构按照规定钻好孔；

其次，裂孔机构2对孔道进行破裂，外部压裂液可以流入裂孔机构2的膨胀腔205使弹性密封件204向径向扩张从而形成密封，在防止压裂液从孔道内部流出的同时对孔道内部进行压裂破碎；

最后，掘进机构3对孔道破裂后的岩体进行巷道掘进，将破碎的石块运输至巷道外部，从而实现整个破岩掘进过程。

该装置使用时，利用水力压裂技术实现孔道的破裂，孔道内裂纹的方向和深度往往具有规律性，同时孔道的密封可以使孔道得到更高压力的压裂液冲击，能非常有效的方便裂纹的产生，同时由于没有使用炸药爆破，能有效避免爆炸冲击，确保操作安全。

此外，本发明提供的该破岩装置往往结构小巧、设备简单，不需占用大额空间且生产成本较低。

对于本破岩装置而言，一般的，同样岩石条件下，压裂压力越低，破岩装置可靠性越高，钻掘的孔道间距越大，破岩效率越高。同时，考虑到压裂所需流量不大，应在满足高压设备可靠性的前提下尽量选用高压与大间距的组合。对于本设备而言，由于孔道之间不需要形成贯通的裂缝，因此各孔道之间距离可以加大，即岩体掌子面钻孔数量可以下降，提高了总体施工速度；同时孔道涨裂压力也可以降低，提高了设备使用寿命，降低了采购、使用和维护的难度。

此外，高压压裂流量还应考虑弹性密封件204密封时的少量泄漏以及岩石中渗漏部分，其中岩石中渗漏部分与岩石本身结构有关，可通过实验测定。

本实施例中，为进一步方便弹性密封件204的安装与固定，弹性密封件204的两侧设置有卡条207，凹台203上设置有与卡条207匹配的卡口208。使用时，卡条207嵌设在卡口208内从而能有效保证弹性密封件204受压扩张时与支撑杆201的稳定连接。

本实施例中，为进一步减缓孔道内压裂液对弹性密封件204侧壁的冲击压力，优选地，弹性密封件204的横截面为梯形。

本实施例中，钻孔机构1的钻杆101和钻头102内设置有输液通道103，输液通道103的出口端延伸至孔道内壁，输液通道103的进口端与裂孔机构2的贯通孔202相导通。采用内含输液通道202的凿岩钻头102在岩体中钻孔，此时可以通过贯通孔202至输液通道103向钻头102输送压力较低的冷却液或润滑液，还可以通过上述管路辅助排渣。

一般的，孔道进口段采用高转速低进给以形成光滑的孔壁，加强弹性密封件204与孔道孔壁的贴合紧密程度，强化密封效果；孔道内部段采用低转速高进给以形成粗糙的孔壁，便于应力集中，更方便裂纹的产生。

本实施例中，可以采用低压大流量泵和高压小流量泵配合工作，钻孔时以低压大流量流体进行冷却润滑和冲渣，压裂时以高压小流量胀裂岩体，考虑到致密硬岩的渗透率较小以及水的可压缩性较低，可以优先采用增压器形式的高压泵。

实施例2：

本发明还提供了一种破岩方法，基于上述任意一项所述的破岩装置，通过该破岩方法，可以非常有效、方便的实现孔道的钻、裂、掘流水线式作业。

一种破岩方法，包括步骤：

s01、将钻孔机构1的钻头102定位至欲钻设孔道的岩体上，外设动力机构带动钻杆101及钻头102旋转，钻头102在岩体上钻设孔道直至达到规定深度；

s02、将裂孔机构2伸入至钻好的孔道内，向裂孔机构2的贯通孔202内导入压裂液，压裂液流向孔道内部及膨胀腔205，当膨胀腔205内的受压超过规定压力时弹性密封件204径向扩张，孔道内形成密封从而孔道内外隔断，然后压裂液继续增压直至孔道内壁形成裂纹破碎；

s03、孔道内部泄压，裂孔机构2的膨胀腔205压力减小，弹性密封件204回缩从而解除密封状态，将裂孔机构2从破裂后的孔道中退出；

s04、将掘进机构3伸入孔道已破裂的岩体，掘进机构3的刀盘301将因孔道破裂而疏松的岩体切碎并卷向传输带302，传输带302将碎石块运输至掘进机构3挖设的巷道外部。

本实施例中，为进一步优化弹性密封件204对孔道的密封效果，在步骤s01中，钻头102旋进时在孔道进口段采用高转速低进给方式钻掘，从而形成光滑孔壁以强化步骤s02中的孔道的密封。

本实施例中，为进一步加强孔道的压裂效果，在步骤s01中，钻头102旋进时在孔道内部段采用低转速高进给方式钻掘，从而形成应力集中的粗糙孔壁以强化步骤s02中裂纹的产生。

本实施例中，为进一步加强孔道的压裂效果，在步骤s01中，钻头102钻设的孔道直径为30mm至60mm。优选地，在步骤s01中，钻头102钻设的孔道深度为孔道直径的5至10倍。

本实施例中，为方便钻头102钻孔时的冷却与润滑，在步骤s02中，将外部冷却液或/和润滑液导入贯通孔，冷却液或/和润滑液从贯通孔经输液通道流向孔道内。

本实施例中，为提高工作效率，在步骤s02中，将钻杆101从压裂后的孔道中退出伸入下一个欲压裂的孔道，其中，根据孔道压裂程度在需压裂的孔道之间保留部分孔道不进行压裂。

图4为本发明实施例2所公开的破岩方法进行孔道压裂时压裂孔布局结构示意图。压裂孔布局表明，孔道压裂时，可以相间隔布置压裂孔，也就是说，每两个压裂孔之间留一个孔道不需进行压裂，但是设计压裂孔压裂时的压力，仍然可以使裂纹延伸至未压裂的孔道。图4中，带辐射线的孔表示压裂孔a，辐射线表示裂纹。未带辐射线的孔表示不需压裂的孔道b。

具体的，可采用钻孔机构1同时钻孔，其中部分孔不进行压裂，而是作为周边其他压裂孔的自由面，提高掘进效率。在围压较高的地层中，岩体中裂纹难以产生和扩展，该方式可有效提高压裂效率。

以上对本发明所提供的一种破岩装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。