一种基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的结构及方法与流程

本发明属于深地能源开发中应力预释放方法，具体涉及一种基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的结构及方法。

背景技术：

深地往往具有高温高压的特点，其中岩爆现象作为高地应力特征的典型现象。岩爆现象在深地凿岩破岩中普遍存在，极大影响了深地能源开采进程，并严重威胁深地开采过程中的人员、财产安全，成为了深地能源开发过程中亟待解决的技术问题。例如，2016年8月15日，在山东济宁梁宝寺煤矿深地开发中发生了岩爆事故，造成2人伤亡，并对其进行高额赔款；2014年3月9日，云南省贡山县独龙江公路隧道施工现场发生岩爆事故，造成3名施工人员死亡;2011年11月3日，在河南义马的煤矿深地开发中发生岩爆事故，致10人死亡。

因此，为了保证深地凿岩施工进程和人员安全，必须采用必要、合理、有效的应力预释放措施。而事实上，目前针对深地高地应力预释放工程措施已经开展了诸多研究，并取得了较为显著的效果。具体做法主要包括：（1）通过对高地应力区预钻孔释压；（2）通过弱爆破法对高地应力区进行应力释放;（3）通过对高地应力区喷冷水进行应力释放.但以上3种方法仍存在一些明显的不足，具体表现为：（1）通过钻孔虽然可以解决应力释放的问题，应力释放比较缓慢，给工作人员带来一定的危险，但要想应力释放的速度加快，需要加大钻孔的密度，延长了工期、增加了生产成本并缩短钻孔机的寿命。（2）①采用钻爆法很难控制药量的多少和光面爆破效果，进而导致周边围岩的扰动。②施工中因爆破震动触发岩爆发生。③不能严格控制孔深和爆破深度。（3）喷撒冷水可以在一定程度上降低表层的围岩强度，改善围岩的物理力学性能。但这只是对于强度较低的岩体也许有显著作用 , 而对于强度较高、性脆的岩体则很难达到理想效果。基于以上现状分析，考虑如何选择安全、高效、快速的应力预释放方法，将对于后期深地能源安全开发具有重要的现实作用及长远意义。

技术实现要素：

为了安全、高效、快速的释放深地凿岩的预应力，本发明提供了一种基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的结构及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种深地高地应力释放结构，包括：多个应力释放孔，每个所述应力释放孔内设有可循环冷媒液的U型循环管，每个所述应力释放孔的开口处均设有密封塞，该密封塞的中心处设有与应力释放孔连通的注水管，所述注水管将水引流至应力释放孔的内腔，并使得水自内腔渗入岩层裂缝中；

所述U型循环管的两个自由端穿出密封塞后与冷媒储存罐连接。

上述的一种深地高地应力释放结构，所述应力释放孔的孔径为90mm～110mm，所述应力释放孔的孔深为5m ～7m，相邻两个应力释放孔的孔间距为0.5m～1m。

上述的一种深地高地应力释放结构，所述U型循环管的弧形管段的周壁上设有中空的感应环，该感应环的内腔设有温度传感器和压力感应计，所述温度传感器和压力感应计的传感头穿出感应环，以实现对水温度和压力的实时采集；

所述温度传感器和压力感应计的输出端与控制系统连接。

上述的一种深地高地应力释放结构，所述U型循环管的竖直管段为螺旋盘管结构，所述U型循环管为铜管。

一种基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用凿岩台车对岩层开设多个应力释放孔；

步骤二、向每个应力释放孔内插入U型循环管和注水管，在应力释放孔的开口处安装密封塞，并使U型循环管和注水管的自由端穿出密封塞；

步骤三、采用高压水泵向步骤二的注水管内注水，注水管将水引流至应力释放孔的内腔，并使得水自应力释放孔的内腔渗入岩层裂缝，完成第一次高地应力的释放；

步骤四、将步骤二中U型循环管的自由端与冷媒储存罐连接，制冷系统把冷能传递至存放有冷媒液的冷媒储存罐，通过低温泵将冷媒液输送至U型循环管，水结冰后致使岩层裂缝扩张，完成第二次高低应力的释放；

步骤五、关闭步骤四中的低温泵，冰融化成水，完成第三次高地应力释放。

上述的一种基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的方法，还包括步骤六、所述步骤五中第三次高地应力释放后未达到安全值，重复步骤四和步骤五，对应力释放孔内的水进行多次冻融循环，直至达到高地应力释放的安全值。

上述的一种基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的方法，所述步骤一和步骤二之间还包括步骤a、在感应环的周壁上开设多个供传感头伸出的通孔，所述感应环的内腔安装有温度传感器、压力感应计，再将感应环固设在U型循环管的弧形管段的周壁上，以实现对应力释放孔内水的温度、压力的实时采集。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明是利用相变原理进行高地应力释放，从而减少岩爆、提高凿岩速率。

附图说明

图1是深地高地应力释放结构的示意图一；

图2是基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的方法流程图；

图3是冷媒循环系统的结构框图；

图4是深地高地应力释放结构的示意图二；

图5是图4的左视图；

图6是微震装置的分布示意图；

图7是深地高地应力释放结构的立体示意图；

图8是一个米字形布置应力释放孔的结构示意图；

图9是多个米字形布孔的结构示意图。

图中：100、岩层；1、应力释放孔；2、U型循环管；3、注水管；4、感应环；41、导线；5、微震装置；6、密封塞；10、制冷系统；20、冷媒液储存罐；30、低温泵；40、水泵箱；50、常温泵；60、常温冷媒储蓄罐；70、冷媒常温泵。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例提供了一种安全、高效、快速的释放深地凿岩预应力的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用凿岩台车对岩层100开设多个应力释放孔1，多个应力释放孔1采用五花布置或米字型布置；

步骤二、在感应环4的周壁上开设多个供传感头伸出的通孔，感应环4的内腔安装有温度传感器、压力感应计，再将感应环4固设在U型循环管2的弧形管段的周壁上，以实现对应力释放孔1内水的温度、压力的实时采集；向每个应力释放孔1内插入U型循环管2和注水管3，在应力释放孔1的开口处安装密封塞，并使U型循环管2和注水管3的自由端穿出密封塞；

步骤三、采用高压水泵向步骤二的注水管3内注水，注水管3将水引流至应力释放孔1的内腔，并使得水自应力释放孔1的内腔渗入岩层100裂缝，压力感应计实时监测孔内水的压力，以确保注水过程的安全，完成第一次高地应力的释放；

步骤四、将步骤二中U型循环管2的自由端与冷媒储存罐连接，制冷系统10把冷能传递至存放有冷媒液的冷媒储存罐，通过低温泵30将冷媒液输送至U型循环管2，水结冰后致使岩层100裂缝扩张，完成第二次高低应力的释放，同时温度传感器将孔内水的温度信息传输至控制系统；

步骤五、关闭步骤四中的低温泵30，冰融化成水，完成第三次高地应力释放；

步骤六、步骤五中第三次高地应力释放后未达到安全值，重复步骤四和步骤五，对应力释放孔1内的水进行多次冻融循环，直至达到高地应力释放的安全值。

参照图1，本实施例还公开了一种深地高地应力释放结构，包括：采用五花布置的多个应力释放孔1，每个应力释放孔1内设有可循环冷媒液的U型循环管2，每个应力释放孔1的开口处均设有密封塞，该密封塞的中心处设有与应力释放孔1连通的注水管3，注水管3将水引流至应力释放孔1的内腔，并使得水自内腔渗入岩层100裂缝中；U型循环管2的两个自由端穿出密封塞后与冷媒储存罐连接。

本实施例应力释放孔1的孔径为90mm~110mm，应力释放孔1的孔深为5m ~7m，相邻两个应力释放孔1的孔间距为0.5m~1m。

本实施例的高地应力释放方法的特点在于：利用钻孔+孔内循环冷媒致使水反复结冰或融化，从而使深地岩层100达到安全范围。

在使用时，首先对岩层100进行射孔（孔洞的直径约为90mm-110mm），钻孔采用五花布置（如图1所示）或米字型布置（如图8和图9所示），钻孔深度约为5～7m，孔间距约为0.5～1m。随后向钻孔内插入U型循环管2和注水管3，并塞上孔塞（一般铁板塞）。

接着，通过制冷系统10向冷媒储蓄罐中输送冷能，使冷媒液的温度降至-20至-42℃。冷媒液的温度降至-20至-42℃的理由是：防冻液选的是42型的，冰点是-42度。

其次，将相变液注入深地岩层100中，在这过程中是一次高地应力的释放效果，考虑到相变液应该易获取、无污染、对岩层100无害且不影响施工等不利条件的发生，在相变液的选择上，相变液为水。

再次，冷媒液将冷能传导至相变液，使相变液达到相变温度并发生体积膨胀，并使得岩层100裂隙进一步伸展，在此过程中，为深地岩层100高应力的二次释放，此次应力的释放可达到预设岩石开采的效果，并达到降低岩爆的可能性，提高了凿岩效率。

然后，利用冷媒液循环系统，U型循环管2内以0.5-2.5m3/min的排量注入降温后的冷媒液；将相变液固化后使其自然融化，当温度应力器显示井底温度深地岩层100应力达到安全范围内，同时利用微震装置5检测岩石达到开裂效果，则停止冷媒液的注入，

最后，抽出U型循环管2和注水管3，高地应力释放结束；抽出管道的时候，冰融化成水，在这过程中又是一次高地应力的释放结果。

需指出，在本实施例中，多个应力释放孔可以采用五花孔布置，也可以采用米字形布置，通过对不同卸压孔布置如何改善高应力围岩应力环境，减小围岩变形进行计算、分析后，最佳卸压孔布置方式是米字孔。从全应力-应变曲线可以看出，卸压孔布置方式由单排布置到五花布置再到米字孔布置（相同面积情况下，米字孔任意相对的五个空都可以组成五花孔，卸压叠加圈增大，增加了卸压的效果），其对应的卸压孔四周应力峰值都由钻孔中心向外部移动，孔附近形成卸压区，卸压孔越多，由于卸压区相互叠加影响，卸压范围迅速增加，所以米字孔置情况下卸压效果最为明显；深部围岩应力分析。从深部围岩应力分布曲线对比可以知道，卸压孔米自孔，不仅能够使巷道周边高应力向深部转移，还可以降低应力峰值，有效地改善了巷道围岩应力环境；围岩变形分析。米字孔布置情况下，巷道围岩变形得到了最好的控制，控制变形效果显著。

本实施例的特点是：

（1）将相变液注入深地岩层100中，在这过程中是一次高地应力的释放。

（2）冷媒液将冷能传导至相变液，使相变液达到相变温度并发生体积膨胀，并使得岩层100裂隙进一步伸展，在此过程中，为深地岩层100高应力的二次释放，降低岩爆风险，提高凿岩效率。（即孔内循环冷媒预裂）

（3）抽出管道的时候，冰融化成水，在这过程中又是一次高地应力的释放的结果。

本实施例旨在开发一种利用相变原理可实现深地应力的快速释放和相变作用产生孔内周边的导向预裂减少岩爆的方法，从而保证其施工安全及工作人员的安全。步骤包括：

步骤一：对岩层100进行射孔（孔洞的直径约为90mm-110mm），钻孔采用五花布置（如图1所示），钻孔深度约为4-6m，孔间距约为1.5-1.7m。

步骤二：向钻孔内插入U型循环管2（采用传导性能好的铜管）和注水管3（管道的直径约为25mm-30mm），在U型循环管2底部套上感应环4（感应环4里边放着温度监测装置和压力感应计），并塞上孔塞。

步骤三：由制冷系统10将冷能传递给冷媒储蓄罐中的冷媒液（防冻液），以备后期使用。

步骤四：由高压水泵向其内注水管3内注水，在此过程中，由于水发生的相变（液态水蒸发），削弱了一部分的应力。当钻孔内水压达到开始设定的压力值后，关闭水泵阀门，停止高压注水；

步骤五：利用地下冷媒循环系统，由低温泵30将低温冷媒液储存罐20中的冷媒液输送至深井中的U型循环管2，同时开启常温冷媒液输送泵。由于低温冷媒液的相变吸热，带走钻孔的大量热能，使岩层100缝隙中的水发生相变变成固态冰，在此过程中，一方面岩层100裂隙进一步的扩大，另一方面进一步释放深地岩石的高应力状态，进一步减少岩爆的发生，也同时也增加了岩石的开采效率。重复步骤三到步骤五，提高应力释放值。

步骤六：在U型循环管2底设置了温度和压力监测装置，当温度压力到达预设值时关闭低温相变液的输送泵，停止冷媒液的注入，常温冷媒液输送泵继续运作，输送至常温冷媒液储存罐20中。

步骤七：当温度应力器显示井底温度深地岩层100应力达到安全范围内，同时利用微震装置5检测岩石达到开裂效果，则停止循环，同时抽出U型循环管2和注水管3，否则继续重复三到五步骤。

本实施例水进入缝隙后产生第一次应力释放的机理是：①采用超前钻孔高压均匀注水，可以通过三方面作用来防治岩爆：一是可以释放应变能，并将最大切向应力向深部转移；二是高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体强度；三是高压注水产生了新的张裂隙，并使原有裂隙继续扩展(钻孔打孔会使孔壁产生裂隙)，从而降低了岩体储存应变能的能力。②由于是冷媒系统循环，这里采用多次冻融循环，直到达到应力释放达到安全值，才停止循环。③卸压孔周围形成卸压圈，卸压圈相互叠加，卸压范围迅速增加，水在卸压范围内的孔隙结冰，融化，产生缝隙。④通过压力传感器控制进水量，因为高压注水时随着注水量的增加，压力变大，但必须得在安全范围内，不然就会促使岩爆的发生（由于相邻孔间距是0.5米到1米，一个孔的覆盖广范围就是25厘米）。

本实施例的U型循环管2竖直段可做成螺旋盘管状，螺旋盘管状可充分发挥冷煤的冷能效应，同时U型循环管2最好紧贴侧壁设置；两根螺旋形的横截面孔的直径为90 mm-110mm。

应力释放一般有两种情况：（1）其一，在应力集中的部位，如断裂端点和交叉部位等处发生形变或破坏，导致应力释放。其二，改善围岩物理力学性能。在掌子面(开挖面)和洞壁经常喷撒冷水，可在一定程度上降低表层围岩强度。并非应力集中的地区岩质相变、岩石力学性质变化或其他原因，致使强度降低，也会发生形变或破坏，造成应力释放。上述两种情况也是岩体失稳的两个主要条件。（2）围岩喷水软化后,洞周主压应力峰值明显减小, 主拉应力值也相应减小, 其岩爆发生等级水平明显降低。

水结冰第二次释放应力的原理是：岩石缝隙中的水结冰，体积膨胀，使岩层100产生裂隙，岩体破坏，应力释放；冰融化成水后第三次释放应力的原理是：冰融化，形成水，将降低围岩强度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。