一种基于超声波振动预先掏槽的巷道掘进高效破岩方法

本发明涉及岩石高效破碎、巷道快速掘进等工程施工领域，具体为一种基于超声波振动预先掏槽的巷道掘进高效破岩方法。

背景技术：

随着开采强度增大，煤矿逐步进入深地开采，井下岩石工程施工普遍面临硬岩破碎难、钻进效率低、成孔速度慢、机具与材料损耗大等问题，岩石特别是坚硬岩石的高效破碎对施工进度有较大影响，鉴于硬岩破碎、快速掘进面临的问题和要求，发明新的破岩方法显得尤为紧迫和重要。

目前钻爆法掘进大多仍是采用炸药爆破岩石进行掏槽，掏槽时需要布置5~8个炮孔，炮眼深度一般2m~2.5m以下，且掏槽速度受炸药利用率影响，费时费力，炸药等材料消耗量很大，成本高。同时掏槽参数（比如掏槽方式、空腔尺寸、掏槽角、有无中心孔爆破）对后期的爆破效果有很大影响，掏槽区孔底附近的岩石有时无法抛出，而掏槽的效果直接影响到巷道掘进的效率。鉴于上述实际工程情况，急需发明新的低成本、操作方便快捷可控、对围岩稳定性影响小的掏槽破岩方法。

超声波以其振动频率高、方向性好、能量集中等优点应用于诸多工业领域，效果显著，但未见超声波被应用于岩石工程施工中。相关研究发现，硬岩的固有频率与超声波频率大致接近，二者可发生共振，且高频循环振动会弱化岩石强度，因此，可以把超声波应用于岩石工程进行岩石破碎。

技术实现要素：

针对现有工程技术存在的上述问题与要求，本发明要解决的问题是：针对硬岩（体）工程，发明一种快速掏槽破岩方法，提高掘进速度，节省材料，节约成本，保障作业施工安全可靠。

为了实现上述目的，本发明之基于超声波振动预先掏槽的巷道掘进高效破岩方法，主要思路为：

通过超声波振动装备引发目标岩石（体）高频振动，促进其内部裂隙迅速扩展并快速破碎，实现快速掏槽；通过调整超声波发生器所发出超声波的频率、功率和时间以及变幅杆参数与轴向附加推力控制掏槽范围与深度；同时超声波激励也有利于掏槽附近区域岩体裂隙发育，强度降低，减少辅助眼和周边眼的数量。

本发明之基于超声波振动预先掏槽的巷道掘进高效破岩方法，主要包括以下步骤：

第一步，设计划定掏槽范围区，同时准备超声波振动装备；

第二步，对掏槽范围区内的岩石（体）进行超声波振动，根据需要掏槽的深度控制超声波振动时间以及设计超声波振动设备中变幅杆的参数，根据目标岩石（体）的硬度调节超声波发生器所发出超声波的频率和功率；同时，对周边眼进行钻孔；

第三步，随着振动掏槽范围与深度增加的同时，开启高压水射流，利用水射流对掏槽范围区内的岩粉/屑进行排出处理，同时可起到降温和辅助掏槽的效果；

第四步，对掏槽范围区周边设计的辅助眼进行钻孔；

第五步，钻孔结束后，装放炸药，对辅助眼和周边眼进行爆破。

其中所述的超声波振动装备是由超声波发生器、换能器、变幅杆与振动装置组合而成。

所述的超声波发生器输出的超声波信号的频率及功率连续可调。

所述的换能器可实现超声波电信号同频转换为机械振动信号。

所述的变幅杆可按实际需要对振幅放大系数进行设计应用。

所述的振动装置的形状与大小可根据实际使用需求设计。

所述超声波换能器、变幅杆与振动装置中心布置中空水射流通道，中空水射流通道与水管相连，水管通过螺纹接头连接外部水泵，通过高压水射流可以达到降温、排屑、辅助破岩的功能。

所述的超声波发生器置于机箱内，避免掘进期间造成设备损坏，换能器和变幅杆通过螺钉固定在机箱上，可拆卸和调换，机箱下装有千斤顶，可根据实际需要调节掏槽高度，千斤顶固定在底座上，底座下装有轮子，机箱后装有把手，方便所述超声振动装备灵活移动。

本发明之基于超声波振动预先掏槽的巷道高效破岩方法的有益效果：

1、超声波振动装备的功率、频率可调，超声波振动掏槽范围、深度可控。

2、该方法直接振动掏槽，减少了打眼、装药、放炮等工序，掏槽速度快，整体进尺高。

3、该方法用于掏槽的振动装备可重复使用，在掏槽的同时对周边岩石有破裂效果，减少辅助眼及周边眼的数量，节省炸药等消耗材料，降低掘进成本。

4、该方法通过预先掏槽，提高辅助眼及周边眼的利用率，提高破岩效率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的限制。下面结合附图，以超声波振动预先掏槽破岩为例对本发明的实施方式作进一步的说明：

图1为本发明的超声波振动掏槽掘进面剖视图。

图2为本发明的超声波振动掏槽掘进面正视图。

图3为振动装置正视图。

图4为振动装置侧视图。

图5为普通钻爆法掘进面炮眼布置图。

1—掏槽范围区；2~9—第一圈辅助眼；10~22—第二圈辅助眼；23~25，37~39—帮眼；26~36—顶眼；40~47—底眼；48—水沟眼；49—岩粉/屑；50—振动装置；51—变幅杆；52—换能器；53—机箱；54—超声波发生器；55—千斤顶；56—轮子；57—把手；58—底座；59—螺钉；60—中空水射流通道；61—水管；62—螺纹接头；63~66—内圈截齿；67~74—外圈截齿；101~168—普通钻爆法炮眼。

具体实施方式

下面结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式。

选择某矿的一个掘进工作面进行施工。具体施工方式如下：

第一步，设计规划掏槽范围区，准备超声波振动装备；

第二步，由于掘进岩层较硬，设计掏槽深度要求2.2m，所以调节超声波发生器54功率为40kw，发出的超声波频率为25khz，设置一个进尺内超声波振动时间为10分钟，选择振幅放大系数为3:1的变幅杆51，然后对掏槽范围区1进行超声波振动；同时，采用常用钻机对对周边眼23~48进行钻孔；

第三步，随着掏槽范围与深度的增加，开启高压水射流，利用水射流对掏槽范围区1内的岩粉/屑49进行排出处理，本实施例的高压水射流从水泵通过螺纹接头62、水管61，从中空水射流通道60射出，水压为15mpa，可起到降温、排屑、辅助破岩的效果；

第四步，掏槽结束后，对掏槽范围区周边设计的辅助眼2~22进行钻孔；

第五步，钻孔结束后，装放炸药，对辅助眼和周边眼进行爆破。

其中所述的超声波振动装备是由超声波发生器54、换能器52、变幅杆51与振动装置50组合而成。

其中所述的变幅杆参数为：

材料：45cr钢；

长度：；

其中，n=1,2,3，……，n为放大系数，取3，，v为超声波在45cr钢中传播速度，取520m/s，f为频率（25khz），根据设计掏槽深度要求2.2m，取n=22，计算可得l=2.288m。

其中所述的振动装置50表面焊接有两圈截齿，内圈截齿63~66齿面向前，振动装置50上半面外圈截齿67~70齿面斜向下，振动装置50下半面外圈截齿71~74齿面斜向上，超声波振动装置激励岩石掏槽时内圈截齿先正面接触岩石表面产生裂纹，外圈截齿随后从上下两面接触岩石表面使裂纹进一步扩展，最后整个振动装置接触岩石引起岩石循环振动从而迅速破碎。

其中所述的超声波发生器置于机箱53内，换能器52和变幅杆51通过螺钉59固定在机箱上，机箱下装有千斤顶55，可根据实际需要调节掏槽高度，千斤顶固定在底座58上，底座下装有轮子56，保证所述超声振动装备可以灵活移动，机箱后装有把手57，方便作业人员控制超声振动装备前进与后退。

值得说明的是，如果掏槽范围区周边不采取钻孔爆破施工，采用超声波振动装备振动破碎周围岩石（体）或者通过增大振动装置的作用面积可以直接实现巷道掘进，即为超声波振动掘进。

在本说明书中，上述具体实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述具体实施方式进行一定的变化、修改、替换或是变型。