一种基于水力压裂的硬岩巷道或隧道快速连续掘进方法

1.本发明涉及硬岩巷（隧）道掘进技术领域，具体涉及一种采用水力压裂硬岩巷（隧）道快速连续掘进方法。


背景技术：

2.掘进工作高效且安全的进行是矿山掘进或隧道开挖整体水平与效率的重要保障。在当前，矿山掘进工程的主要施工手段包括凿岩爆破、掘进通风、岩石装运和支护等，隧道的开挖主要依靠盾构机及其配套设备进行。其中，爆破掘进法存在工序多、安全性低、掘进效率低等缺点，而盾构机等设备高昂的价格以及其庞大体积难以移运，增加了隧道开挖的成本。矿山井下爆破掘进过程在掘进工作面会产生大量的爆破烟尘和砂尘，由于掘进工作面通风不畅，烟尘和砂尘易积聚，污染工作面环境，对井下工作人员造成安全与健康问题；另一方面，掘进机在对硬岩巷（隧）道掘进时，高强度的硬岩巷（隧）道会加快机械设备磨损，影响经济效益。
3.因此，无论是采用钻爆法掘进还是掘进机掘进，都存在一定问题，钻爆式掘进法掘进成本较高，且存在一定安全隐患，掘进工作面通风时间长，影响掘进进度；掘进机掘进难以破裂高强度的硬岩巷（隧）道，掘进机截齿损耗大。将目前的巷（隧）道掘进方法用于巷道掘进或隧道开挖工程存在着一定的局限性。
4.具体来说，现有技术掘金设备中，常用的悬臂纵轴式掘进机由于其结构简单、工作灵活，在井下巷道施工中被广泛应用。但悬臂纵轴式掘进机的截割部破岩性能受巷（隧）道岩体强度的影响，而截割部破岩的效率和质量又直接影响到掘进机的工作效率和破岩比能耗，巷（隧）道内部岩体强度越大，掘进机的工作效率越低，且截割部易受损，因此直接使用悬臂纵轴式掘进机进行掘进并不可靠。
5.总的来说，如采用现有的掘进方法对硬岩巷（隧）道进行掘进，将带来以下问题：1）爆破式掘进方式掘进工作面烟尘和砂尘量大，爆破产生的有害气体危害人员健康，长时间的通风影响掘进效率，且有害气体不易完全排放，残留的有害气体仍会对工作人员的健康产生不利影响；2）爆破的发生对巷（隧）道的应力环境发生强烈扰动，对周边巷道以及地表易引发周边巷道变形及地表塌陷等灾害；3）掘进机掘进硬岩巷（隧）道的过程中，掘进机截割部的截齿易损坏，使用寿命短，且掘进速度受岩体强度影响降低，影响掘进效率。


技术实现要素：

6.本发明针对以上问题，提出了一种基于水力压裂的硬岩巷道或隧道快速连续掘进方法，可以有效降低硬岩巷（隧）道内部岩体的强度，在不使用爆破掘进的前提下，实现掘进机的快速连续性掘进，且由于岩体强度的降低，掘进机截齿使用寿命延长，掘进效率和质量得到提高，且为井下安全的工作环境提供了保障。
7.本发明的技术方案为：按以下步骤进行：s1、确定水力压裂钻孔的长度以及布置方式；
s1.1、根据待掘进岩体的rqd值以及预设的掘进深度确定钻孔的深度；rqd≥75%，钻孔深度为预设掘进深度的70%-80%；75%＞rqd≥50%，钻孔深度为预设掘进深度的60%-70%；50%＞rqd≥25%，钻孔深度为预设掘进深度的55%-60%；25%＞rqd≥0，钻孔深度为预设掘进深度的50%-55%。
8.s1.2、根据硬岩巷道或隧道工作面处最小地应力方向以及节理裂隙发育情况，确定钻孔的布置方式；测量及计算硬岩巷道或隧道工作面处最小地应力方向，若工作面最小地应力方向与硬岩巷道或隧道的走向的夹角较小，即夹角为0-30
°
，且硬岩巷道或隧道的岩体节理裂隙发育良好，即岩体的rqd》50%，则在垂直于工作面方向上布置四个钻孔；其中两个钻孔位于工作面垂直中心线的上部及下部，另外两个钻孔位于工作面垂直中心线中部的两侧；其中，两个钻孔位于工作面垂直中心线处，在顶板以及底板附近各打一个钻孔；在工作面两端各布置一个钻孔（如图1、图2、图3所示）；水平钻孔易于施工，可以有效缩短掘进预水力压裂时间，适用于最小地应力平行于巷（隧）道走向且节理裂隙发育良好的岩巷。
9.若工作面最小地应力方向于硬岩巷道或隧道的走向的夹角较小，即夹角为0-30
°
，但节理裂隙不发育或发育较差，即岩体的rqd≤50%；或者是最小地应力方向与硬岩巷道或隧道的走向呈较大夹角，即夹角为30-90
°
；则在于工作面垂直中心线的上部及下部分别布置两个倾斜钻孔，并在工作面垂直中心线中部的两侧布置两个水平钻孔；两个倾斜钻孔均与工作面呈0-90
°
夹角，并且两个倾斜钻孔相交；通过在工作面顶板和底板分别打一个倾斜钻孔延长钻孔长度，其中顶板处的钻孔向下倾斜，底板处的钻孔向上倾斜（如图4、图5所示）；工作面两端顶底板高差较小，并不适用倾斜钻孔，因此，在工作面两端各布置一个平行于巷（隧）道走向的钻孔。
10.s2、根据步骤s1确定的水力压裂钻孔的深度以及布置方式，对矿体进行钻孔；s3、根据硬岩巷道或隧道的岩体的rqd值，确定水力压裂点的密度及数量，进行水力压裂； rqd≥75%时，钻孔中水力压裂点的间隔为2-2.5m；75%＞rqd≥50%，钻孔中水力压裂点的间隔为2.5-3m；50%＞rqd≥25%，钻孔中水力压裂点的间隔为3-3.5m；25%＞rqd≥0，钻孔中水力压裂点的间隔为3.5-4m。
11.s4、确定硬岩巷道或隧道水力压裂效果，确定硬岩巷道或隧道内部岩体裂隙扩展情况，可在水力压裂后进行测量，内部岩体裂隙扩展明显后，进行掘进机掘进可行性分析，确定内部岩体的强度低于掘进机截齿的可截割强度后，利用掘进机对硬岩巷道或隧道机械切割掘进。该掘进方法也适用于地下矿岩硬度较大的煤矿、非煤矿山和隧道开挖的掘进过程。
12.通过水力压裂系统在步骤s3中进行水力压裂，所述水力压裂系统包括高压水泵1、压力表2、水压监测仪3、注水管5以及封孔器6，需要说明的是，由于现有技术中 的封孔器较多，比如申请号为“202021101787.8”、名称为“一种新型水力压裂封孔器”的中国实用新型专利所示，对此，本案中对于封孔器的内部结构不再赘述；所述高压水泵1的进水口连接水源，所述高压水泵1的出水口通过注水管5与封孔器6连接；所述水压监测仪3安装在高压水泵1的出水口处，用于监测高压水泵1的出水口的水压；所述压力表2安装在高压水泵1上，用于监测高压水泵1内部的压力。通过水力压裂技术在硬岩巷隧道内部生成一系列网状裂缝，使其强度降低。
13.本案选用e-bz200h纵轴式掘进机进行掘进，步骤s4中的掘进机包括机架18、行走部17、截割部15以及供水系统19，所述行走部17连接在机架18的下部，通过行走部17带动掘进机往复行走；所述截割部15连接在机架18的头部，所述截割部17包括截齿、截齿驱动机构以及降温除尘喷嘴，所述截齿通过截齿驱动机构连接在机架18的头部，所述降温除尘喷嘴与供水系统19连接，所述降温除尘喷嘴设在截齿的一侧，并且朝向截齿设置。
14.步骤s4在利用掘进机对硬岩巷道或隧道机械切割掘进时，截齿沿切割路径进行切割，所述切割路径包括多个水平切割路径以及多个竖直切割路径，所述竖直切割路径处在相邻水平切割路径之间。
15.具体来说，掘进机截割部截齿从硬岩巷道或隧道底部的一端进刀，进行水平切割，截齿切割至硬岩巷道或隧道水平方向的另一端后，沿垂直于底板方向向上截割一定距离后继续进行水平截割，对整个掘进工作面进行循环操作，直至掘进机达到掘进深度后停止，继续进行下一段的掘进，达到连续掘进的效果。
16.水力压裂技术主要应用于煤矿或页岩油开采领域，在煤矿中主要用于对煤矿顶板进行切顶卸压、高瓦斯煤层增透、巷道扩帮、取代炸药爆破技术进行岩巷掘进等。通过在坚硬岩体中钻孔并注入高压水，当钻孔周围的应力达到岩体的起裂条件后，在坚硬顶板中形成裂缝网络，起到破坏坚硬顶板完整性和降低坚硬顶板强度的作用，水力压裂技术可以有效降低坚硬岩体的强度，使其达到隧道掘进机（tbm）或掘进机可以进行机械切割的程度。结合并考虑爆破掘进法和掘进机掘进法两种掘进方式的弊端，引入水力压裂技术，可以有效解决两种掘进方式的问题，为硬岩巷（隧）道快速连续掘进提供了可能。
17.因此，本发明引入水力压裂技术，通过水力压裂技术降低巷（隧）道岩体的强度，使其从硬岩转变为“软岩”，是一种可靠且有效的巷（隧）道掘进方式。
18.本发明结合水力压裂技术对硬岩巷（隧）道软化的有效性与钻爆法和掘进法的缺陷，提供了一种采用水力压裂硬岩巷（隧）道快速连续掘进方法，掘进机掘进前，在掘进工作面处对硬岩巷（隧）道进行水力压裂，降低硬岩巷（隧）道内部岩体的强度，使其达到可以快速连续掘进的程度，提高掘进效率。
19.结合水力压裂技术并运用悬臂纵轴式掘进机快速连续掘进能有效提高掘进的效率和质量，同时实现控制成本的目的。相较于传统爆破或掘进机掘进法，采用水力压裂硬岩巷（隧）道快速掘进方法的主要优势在于硬岩巷（隧）道经过水力压裂后，内部岩体生成了大量裂缝，这些裂缝的存在降低了内部岩体的强度，使得硬岩巷（隧）道掘进过程中不会严重破坏掘进机的截齿，使掘进机可以长时间连续掘进。且新方法的使用大大提高了井下掘进的机械化程度，提高了掘进工作的质量和效率，机械效率不断提高使得掘进过程中对劳动力的依赖程度降低，从而有效降低了劳动人员的工作强度。并且由于未使用爆破方式掘进，避免了掘进工作面的爆破烟尘的产生，掘进机配合水帘技术也可以减少砂尘的产生，为井下绿色掘进提供了保障。
20.相较于现有技术，本发明具有以下优势：1）摒弃了传统爆破掘进方法，采用掘进机进行非爆炸连续性开采，结合水帘技术，为掘进工作面提供了无烟（爆炸烟尘）和少尘（岩体爆破产生的砂尘）的工作环境，为井下工作人员的健康提供了一定保障；
2）提高了对于硬岩巷（隧）道的掘进效率，在做好前期水力压裂工作后，使用该种掘进方法可以快速且连续地掘进硬岩巷（隧）道；3）提高了掘进工作面机械化水平，降低了工人劳动强度；且本发明提供的方法中，水力压裂等设备相较于爆破掘进中的炸药等用品更为廉价，在隧道开挖中使用本发明提供地方法可以减免盾构机使用的高昂费用，降低掘进成本。
附图说明
21.图1为本发明实施例的水力压裂装置图和水平钻孔布置剖面图；图2为本发明实施例的水平钻孔布置断面图；图3为本发明实施例的水平钻孔布置平面图；图4为本发明实施例的倾斜钻孔布置剖面图；图5为本发明实施例的倾斜钻孔布置断面图；图6为本发明实施例的掘进机工作示意图；图7为本发明实施例的掘进工作面掘进路线图。
22.图中：1—高压水泵；2—压力表；3—水压监测仪； 5—注水管；6—封孔器；7—第一水平钻孔；8—第二水平钻孔；9—第三水平钻孔；10—第四水平钻孔；11—第一倾斜钻孔；12—第五水平钻孔；13—第六水平钻孔；14—第二倾斜钻孔；15—截割部；16—装载部；17—行走部；18—机架；19—供水系统；20—操控台；21—电气系统；22—输送机构。
具体实施方式
23.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
24.本发明包含的技术有水力压裂技术和掘进机掘进技术。水力压裂系统包括高压泵、水压监测仪、压力表、注水管、封孔器等；掘进机在本发明中选用悬臂纵轴式掘进机，在实际应用中，可根据巷（隧）道岩体的实际强度，选用合适的掘进设备。
25.实现非爆连续掘进硬岩巷（隧）道有2个必要条件：一是高效能掘进设备，二是有发育的岩体节理裂隙等结构。使用掘进机对硬岩掘进的过程中，会产生大量的粉尘，且截齿耗损大，截齿磨损的主要原因是截割岩体硬度太大，掘进约束力大造成截齿磨损大。高效能采掘设备可用悬臂纵轴式掘进机等设备进行替代，或将掘进机进行改良，配备强度更高的截齿；而发育的岩体节理可采用水力压裂技术改善巷（隧）道内部岩体的节理发育程度，使掘进工作面内部岩体达到可以使用掘进机连续进机的条件。结合水力压裂和机械切割技术，可以实现硬岩巷（隧）道的非爆连续性掘进。
26.首先根据硬岩巷（隧）道的几何尺寸、赋存条件和力学属性等，确定水力压裂钻孔的长度以及布置方式，钻孔布置方式有钻孔平行于巷（隧）道走向以及与巷（隧）道走向方向相交呈一定角度分布。确定好钻孔布置方式后，根据巷（隧）道岩体属性，确定水力压裂点的密度及数量，高强度的巷（隧）道岩体要求在钻孔中压裂更多次数，需要封孔器移换多次位置进行压裂，且单个压裂点需要压裂多次和延长压裂时间。根据钻孔设计方案对设计位置进行钻孔，使用注水管将封孔器推送至钻孔中并进行加压固定封孔，在封孔成功后，对钻孔加压注水使矿体产生压裂缝，单孔压裂次数和压裂时间视巷（隧）道岩体强度而定，单孔压
裂完成后，重新布置封孔器，原有位置处的封孔器移动到新的压裂点，重新进行上述操作，直至钻孔全长均完成压裂。巷（隧）道工作面内部一定深度的岩体全部完成压裂后，确定水力压裂效果，确定巷（隧）道内部岩体裂隙扩展情况，内部岩体裂隙扩展明显后，使用掘进机对巷（隧）道机械切割掘进。
27.具体来说：首先根据硬岩巷（隧）道的几何参数、力学属性、节理发育情况和掘进工作面最小地应力方向等确定水力压裂的范围、钻孔布置形式、钻孔长度和压裂点的数量、密度。当巷（隧）道岩体的节理裂隙发育较好，最小地应力与巷（隧）道走向平行或夹角较小时，钻孔的布置方式可选用布置垂直于掘进工作面方向的钻孔，如图1、图2、图3所示。在掘进工作面断面中心线的顶板和底板附近各布置一条水平钻孔向内部岩体延伸，形成第一水平钻孔7以及第二水平钻孔8，在中心线两端中间高度附近各布置一条水平钻孔向岩体内部沿伸，形成第三水平钻孔9以及第四水平钻孔10。这种钻孔布置方式较为简单，适用于上述条件的巷（隧）道岩体。
28.当巷（隧）道岩体的节理裂隙发育差或不发育，内部岩体强度极大，或者是最小地应力与巷（隧）道走向呈较大夹角时，钻孔的可选用倾斜与水平钻孔结合使用的布置方式，如图4、图5所示，在断面中心线的顶底板处各布置一条倾斜钻孔，其中位于断面中心线顶板处的倾斜钻孔向掘进工作面内部岩体的底板方向倾斜，形成第一倾斜钻孔11，位于断面中心线底板处的钻孔向内部岩体顶板方向倾斜，形成第二倾斜钻孔14，由于断面中心线两端的高差较小，中心线两端布置倾斜钻孔的意义不大，钻水平孔即可，可布置出第五水平钻孔12以及第六水平钻孔13。这种钻孔布置方式可最大程度的扩展整个掘进范围内部岩体的裂隙，钻孔长度长，压裂点的次数和密度均增加，可使硬岩巷（隧）道掘进工作面内部岩体最大程度发生破坏，适用于岩体强度高的巷（隧）道岩体。
29.本发明提供的方法包含但不局限于本实施例中附图所绘制的钻孔布置方式，水平与倾斜钻孔的数量、密度和倾斜角度等具体视巷（隧）道岩体属性而定，可适当增加与减少钻孔的数量和密度等。
30.本发明所提供的方法包含的技术之一是水力压裂技术，水力压裂系统组成如图1所示。图中封孔器6处在单个钻孔的某个水力压裂点处，需要先使用钢管或送桩杆将封孔器推送至水力压裂点，然后使用高压水泵1持续加压封孔器6，在持续加压的过程中，随着水压达到矿体的起裂条件后，矿体内部生成一系列网状裂缝，此时的水压监测仪3所监测的水压会骤降，随着封孔器中间的高压水向岩体孔隙内渗出，封孔器水压降低，继续使用高压水泵向封孔器内部注入高压水，达到水失而压力不变的效果，起到注水保压的作用。不断加压保持水压稳定，使矿体内部持续生成裂缝，压裂时间视压裂矿体的规模及岩体强度而定，一般不少于30min，当钻孔或掘进工作面有水流出时停止加压力水。
31.单个钻孔视岩体强度和巷（隧）道尺寸布置多个水力压裂点，同一个钻孔内，每隔2-4m重新压裂一次，单孔压裂10-15次，单个压裂点完成压裂后，重新更换位置继续压裂，循环操作直至所以钻孔均压裂完毕，使整个掘进范围的岩体内部充满网状裂缝。
32.悬臂式掘进机分为纵轴式和横轴式两种掘进机，由于横轴式掘进机粗割完成后在断面侧帮产生欠挖现象，而悬臂纵轴式掘进机粗割后的断面较为平整，且纵轴式掘进机的应用范围更加广泛，在本发明中选用悬臂纵轴式掘进机进行掘进工作。纵轴式掘进机主要包括截割部15、装载部16、行走部17、机架18、供水系统19、操控台20、电气系统21和输送机
构22等。其中最重要的为纵轴式掘进机的截割部，截割性能的优劣和工作效率的高低直接影响到掘进效率，掘进过程中若截齿发生损坏会直接中断掘进进程，选择高质量且合适的截割部是掘进有效进行的重要保障。截割部中内含喷嘴，由供水系统提供压力水在截割头处形成喷雾，一方面为截割部降温，延长截齿的使用寿命，另一方面可产生除尘作用，截割部在掘进工程中，在与岩体的直接接触下，会生成大量的可呼吸性粉尘，导致井下人员易患矽肺病，严重危害人员健康，喷嘴的喷雾可降低粉尘含量，保障井下人员的身体健康。
33.硬岩巷（隧）道内部岩体全部完成水力压裂后，在压裂效果较好的条件下，进行悬臂纵轴式掘进机掘进，掘进机的掘进路线为，掘进机截割部从巷（隧）道底部的一端进刀，进行水平切割，截齿切割至巷（隧）道水平方向的另一端后，沿垂直于底板方向向上截割一定距离后继续进行水平截割，如图7所示，在这一进刀深度下，不断循环完成上述操作，直至掘进完整个进刀深度，掘进完成后，继续下一段进刀掘进，直至掘进到水力压裂范围的边界，达到快速且连续的掘进。掘进完成后，重复进行水力压裂操作，继续下一段巷（隧）道的掘进工作，循环往复，直至整个巷（隧）道全部掘进完毕。
34.本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。