一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置及其使用方法

1.本发明涉及硬岩矿床深部开采领域及深部硬岩工程岩爆灾害防治领域，具体 涉及一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置及其使用方法。


背景技术：

2.随着社会的进步与发展，人类对空间和资源的需求愈发迫切，隧道、水电站、 废料存储、矿山等地下岩石工程逐渐向地球深部延伸。然而，伴随着岩石工程向 深部的迅速推进，岩爆灾害频繁发生，表现为岩体能量剧烈释放，临空面岩石碎 片高速弹射出，严重威胁工人和设备安全。
3.与其他工程灾害相比，深部工程岩爆灾害的发生具有其特殊性，主要体现在： (1)深部硬岩的硬脆特性(高储能能力与高岩爆倾向性)；(2)大埋深引起的 岩体高应力和高储能为岩爆提供能量源；(3)钻爆法开挖引起的强扰动是岩爆 的关键诱发因素。岩爆的防治遵循“预防为主，防治结合”的原则，目前，预防 岩爆的主要思路为应力(能量)调控、岩体改性、动力源优化(短进尺弱爆破、 机械掘进等)，具体措施主要有卸压爆破、打卸压孔、水力压裂、喷水注水等， 取得了一定的效果，但仍存在诸多弊端。如卸压爆破本身就会造成围岩扰动，且 会造成炸药浪费；打卸压孔实践中效果甚微；对于深部硬岩，水力压裂需要极高 的水压，安全性较难保障，且压裂裂纹扩展难以控制，同时对封孔效果要求较高， 实现难度较大；喷水注水在煤矿中得到了广泛应用，但由于硬岩致密，有效注水 深度难以得到保障。此外，专利cn111927470 b发明了一种深地硬岩工程微波 辅助释压方法，该方法采用微波波导将微波辐射能量引入钻孔底部并照射岩体产 生裂纹，诱导能量释放；专利cn113217009 b授权了一种微波增益型co2相变 卸压防治岩爆方法。以上两种方法需要借助微波设备，能耗大且致裂效率较差， 与现代工业倡导的绿色经济原则相悖。
4.因此，为应对深部硬岩工程埋深进一步增大带来的岩爆灾害威胁，亟需发明 一种安全、高效、经济的岩爆防治方法及设备。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明公布了一种深部硬岩工程局部致裂卸 压与硬岩改性装置及其使用方法，本发明采用如下技术方案实现：
6.本发明提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置，由柱塞式致裂棒、 高压水泵、电动机、外接水源、液压系统及外接电源组成；所述柱塞式致裂棒由 柱塞劈裂棒体和柱塞式液压致裂单元、高压水射流单元及旋转控制器组成；柱塞 式劈裂棒与高压水泵之间通过高压水管连接，高压水泵为高压水射流单元提供高 压水，柱塞式劈裂棒与液压系统之间通过进油管、回油管连接，液压系统为柱塞 式液压致裂单元提供液压动力，外接电源和电动机为高压水泵提供驱动力。
7.进一步地，所述柱塞式致裂棒体的一端设置有两个对称布置的注水口，一根 进油管、一根回油管和一根空心的提杆，柱塞式致裂棒体靠近注水口的一端内设 置有一个扁平
的空腔，柱塞式致裂棒体上均匀布置有凹陷入棒体的柱塞放置槽， 柱塞放置槽的两侧对称设置弧形的喷嘴旋转槽；柱塞式致裂棒体内部设置有注油 腔道、注水腔道，注水腔道与注油腔道及柱塞放置槽之间相互隔绝防渗，注油腔 道通过进油管、回油管连通液压系统，进油管、回油管上分别安装设置有控制阀 门，注水口与高压水泵之间通过高压水管连接。
8.进一步地，所述柱塞式液压致裂单元包括柱塞顶块和柱塞推杆，柱塞顶块和 柱塞推杆安装在柱塞放置槽内，柱塞推杆连接固定在柱塞顶块的尾部，柱塞推杆 尾部与柱塞式致裂棒体之间连接有弹簧，柱塞推杆的尾部将柱塞放置槽靠近注油 腔道一侧隔离形成油室，注油腔道和油室之间通过进油口连接，柱塞推杆与柱塞 放置槽防渗密闭耦合接触且柱塞推杆可在液压油的动力作用下带动柱塞顶块在 柱塞放置槽内移动；柱塞式液压致裂单元工作时，开启液压系统并打开进油管控 制阀门、关闭回油管控制阀门，液压油通过进油管、注油腔道及进油口进入油室， 推动柱塞推杆及柱塞顶块向钻孔岩壁方向运动，弹簧被拉伸，柱塞顶块作用于钻 孔岩壁，对钻孔岩壁施加压力进行压裂；致裂卸压结束时，打开回油管控制阀门， 关闭进油管控制阀门，液压系统卸压，液压油通过回油管卸出，柱塞顶块及柱塞 推杆随之在弹簧收缩的作用下收回至柱塞放置槽内。
9.进一步地，所述高压水射流单元包括喷嘴，喷嘴均匀固定连接在注水腔道上， 喷嘴与柱塞劈裂棒体上弧形的喷嘴旋转槽位置一一对应，喷嘴通过喷嘴旋转槽伸 出柱塞劈裂棒体；高压水射流单元工作时，旋转喷嘴至孔壁断裂损伤区域，开启 高压泵将外接水源中的水经高压水管、注水口进入注水腔道，并由喷嘴喷出高压 水束冲击孔壁断裂损伤区域，促进裂纹产生与扩展。
10.进一步地，所述旋转控制器包括控制齿轮、齿轮轴和配套电机，控制齿轮安 装在柱塞式致裂棒内的空腔中，控制齿轮与齿轮轴的一端连接固定，齿轮轴穿过 空心提杆，齿轮轴另一端连接配套电机，控制齿轮与注水腔道上的旋转齿根通过 链条连接；需要旋转喷嘴时，启动配套电机，通过齿轮轴带动控制齿轮、链条及 旋转齿根转动，从而带动注水腔道及喷嘴旋转，当喷嘴旋转至设计孔壁断裂损伤 区域时，关闭配套电机，喷嘴即被固定。所述配套电机为小型电机，配套电机与 齿轮轴之间的连接方式为可拆卸式的。当本发明装置工作时，配套电机可始终安 装在齿轮轴上，也可在需要旋转喷嘴时再安装到齿轮轴上，当喷嘴不需要旋转时 则将配套电机拆卸下来。
11.进一步地，所述注水腔道在柱塞劈裂棒体内两侧对称布置，注水腔道与注水 口通过旋转轴承密闭连接；注水腔道与柱塞劈裂棒体间等间距安装有旋转轴承， 旋转轴承外侧与柱塞劈裂棒体固定，注水腔道穿过旋转轴承，注水腔道靠近注水 口的位置外侧安装固定有旋转齿根。
12.进一步地，所述柱塞顶块的外部嵌套有防尘圈，防尘圈的外侧嵌套有缸套， 同时柱塞顶块和柱塞推杆外侧分别嵌套密封圈。
13.进一步地，所述注水口内部设置有密闭圈，用于保证高压水管与注水口的紧 密连接。
14.优选地，所述柱塞顶块和喷嘴在所述塞劈裂棒体内均匀布置6个。
15.进一步地，一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置的使用方法包括以下 步骤：
16.步骤1、在待开挖岩体中布置钻孔；
17.步骤2、连接组装该致裂卸压与改性装置，根据设计确定柱塞顶块的工作方 向并将柱塞式致裂棒放置在钻孔内设计位置处；
18.步骤3、启动配套电机，将喷嘴旋转至孔壁断裂损伤区域，固定喷嘴；启动 该致裂卸压与改性装置，柱塞加压和高压水射流同时工作，压裂过程中持续旋转 调整喷嘴的方向，促使钻孔壁岩石在张拉应力和水压力的共同作用下起裂扩展， 在待开挖岩体周围形成破碎带，诱导区域应力与能量释放及硬岩改性；
19.步骤4、致裂卸压结束时，关闭高压水泵、电动机及外接电源，打开回油管 控制阀门，关闭进油管控制阀门，液压系统卸压，液压油通过回油管卸出，柱塞 顶块及柱塞推杆随之在弹簧收缩的作用下收回至柱塞放置槽内，然后自钻孔内拔 出柱塞式致裂棒，结束致裂卸压作业。
20.有益效果
21.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
22.(1)结构简单、操作简便。相比卸压爆破、打卸压孔、水力压裂、专利cn111927470 b和专利cn113217009b等现有技术，本发明提供的设备和施工方法 更加简单易于操作。
23.(2)操作可控性更强，操作精度更高。相比卸压爆破本发明提供的设备和 施工方法能把爆破振动危害能控制地更低；与打卸压孔、水力压裂、专利cn111927470 b和专利cn113217009b相比本发明提供的设备和施工方法能够更加 定向的破碎岩石，并且达到预期的卸压效果。
24.(3)对硬岩的卸压效果效率更高，本发明提供的设备和施工方法利用了被 柱塞顶块加压创造的拉应力场形成断裂损伤区以及水对岩石的弱化作用，使得钻 孔岩壁岩体在拉伸应力和水弱化共同作用下发生断裂，相比现有柱塞式劈裂设备 技术，在相同的条件下，达到相同的硬岩致裂效果本发明提供的设备柱塞顶块对 钻孔岩壁需要施加的压应力更小，也即本发明提供的设备和施工方法对硬岩致裂 会更加高效和安全，也克服了现有柱塞式劈裂设备可能无法有效劈裂硬岩进行卸 压的问题。同时，在致裂卸压过程中，能够动态调节高压水喷嘴促使裂纹发育和 扩展，致裂卸压效果更好。
25.(4)除有效预防岩爆灾害外，对硬岩进行高效诱导致裂还能够降低钻爆法 掘进所需炸药单耗，且提高工程安全性；同时也能有效提升区域岩体可切割性， 为非爆机械化掘进提供有利条件。
26.下面通过附图和具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
27.图1是本发明实施例提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置的 示意图；
28.图2是本发明实施例提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置中 柱塞式致裂棒的正视图；
29.图3是本发明实施例提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置中 柱塞式致裂棒的俯视图；
30.图4是本发明实施例提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置中 柱塞式致裂棒的a-a剖面图；
31.图5是本发明实施例提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置中 柱塞顶块和柱塞推杆连接安装示意图；
32.图6是本发明实施例提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置中 柱塞式致裂棒的b-b剖面图及c-c、d-d局部示意图；
33.图7是本发明实施例提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置中 旋转控制器结构示意图；
34.图8是本发明实施例提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置作 用原理示意图；
35.图9是本发明实施例提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置使 用时的示意图。
36.图中标号：1—柱塞式致裂棒，2—高压水泵，3—电动机，4—外接水源，5— 液压系统，6—外接电源，7—配套电机，101—柱塞式致裂棒体，102—柱塞顶块， 103—注水口，104—进油管，105—回油管，106—钻孔，107—提杆，108—喷嘴， 109—注油腔道，110—进油口，111—油室，112—防尘圈，113—密封圈，114— 缸套，115—柱塞推杆，116—密闭圈，117—注水腔道，118—柱塞放置槽，119— 喷嘴旋转槽，120—旋转轴承，121—旋转轴承，122—旋转齿根，123—轴承滚珠， 124—旋转控制器，125—链条，126—齿轮轴，127—控制阀门，128—控制阀门，129—控制齿轮，130—弹簧。
具体实施方式
37.以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发 明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有 其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
38.如图1～图9所示，本发明提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装 置，由柱塞式致裂棒1、高压水泵2、电动机3、外接水源4、液压系统5及外接 电源6组成；所述柱塞式致裂棒1由柱塞劈裂棒体101及柱塞式液压致裂单元、 高压水射流单元和旋转控制器124组成；柱塞式劈裂棒1与高压水泵2之间通过 高压水管连接，高压水泵2为高压水射流单元提供高压水，柱塞式劈裂棒1与液 压系统5之间通过进油管、回油管连接，液压系统5为柱塞式液压致裂单元提供 液压动力，外接电源6和电动机3为高压水泵2提供动力。
39.所述柱塞式致裂棒体101的一端设置有两个对称布置的注水口103，一根进 油管104、一根回油管105和一根空心的提杆107，柱塞式致裂棒体101靠近注 水口103的一端内设置有一个扁平的空腔，柱塞式致裂棒体101上均匀布置有凹 陷入棒体的柱塞放置槽118，柱塞放置槽118的两侧对称设置弧形的喷嘴旋转槽 119；柱塞式致裂棒体101内部设置有注油腔道109、注水腔道117，注水腔道117 与注油腔道109及柱塞放置槽118之间相互隔绝防渗，注油腔道109通过进油管 104、回油管105连通液压系统5，进油管104、回油管105上分别安装设置有控 制阀门127、控制阀门128，注水口103与高压水泵2之间通过高压水管连接。
40.所述柱塞式液压致裂单元包括柱塞顶块102和柱塞推杆115，柱塞推杆115 连接固定在柱塞顶块102的尾部，柱塞顶块102和柱塞推杆115安装在柱塞放置 槽118内，柱塞推杆115尾部与柱塞式致裂棒体101之间连接有弹簧130，柱塞 推杆115的尾部将柱塞放置槽118
靠近注油腔道109一侧隔离形成油室111，注 油腔道109和油室111之间通过进油口110连接，柱塞推杆115与柱塞放置槽 118防渗密闭耦合接触且柱塞推杆115可在液压油的动力作用下带动柱塞顶块 102在柱塞放置槽118内移动；柱塞式液压致裂单元工作时，开启液压系统5并 打开进油管控制阀门127、关闭回油管控制阀门128，液压油通过进油管104、 注油腔道109及进油口110进入油室111，推动柱塞推杆115及柱塞顶块102向 钻孔岩壁方向运动，弹簧130被拉伸，柱塞顶块102作用于钻孔岩壁，对钻孔岩 壁施加压力进行压裂；致裂卸压结束时，打开回油管控制阀门128，关闭进油管 控制阀门127，液压系统5卸压，液压油通过回油管105卸出，柱塞顶块102及 柱塞推杆115随之在弹簧130收缩的作用下收回至柱塞放置槽118内。
41.所述高压水射流单元包括喷嘴108，喷嘴108均匀固定连接在注水腔道117 上，喷嘴108与柱塞劈裂棒体101上弧形的喷嘴旋转槽119位置一一对应，喷嘴 108通过喷嘴旋转槽119伸出柱塞劈裂棒体101；高压水射流单元工作时，旋转 喷嘴108至孔壁断裂损伤区域，开启高压泵2将外接水源4中的水经高压水管、 注水口103进入注水腔道117，并由喷嘴108喷出高压水束冲击孔壁断裂损伤区 域，促进裂纹产生与扩展。
42.所述旋转控制器124包括控制齿轮129、齿轮轴126和配套电机7，控制齿 轮129安装在柱塞式致裂棒1内的空腔中，控制齿轮129与齿轮轴126的一端 连接固定，齿轮轴126穿过空心的提杆107，齿轮轴126另一端连接配套电机7， 控制齿轮129与注水腔道117上的旋转齿根122通过链条125连接；需要旋转喷 嘴108时，启动配套电机7，通过齿轮轴126带动控制齿轮129、链条125及旋 转齿根122转动，从而带动注水腔道117及喷嘴108，当喷嘴108旋转至设计孔 壁断裂损伤区域时，关闭配套电机7，喷嘴108即被固定。
43.所述柱塞顶块102的外部嵌套有防尘圈112，防尘圈112的外侧嵌套有缸套114，同时柱塞顶块102和柱塞推杆115外侧分别嵌套密封圈113。
44.所述注水腔道117在柱塞劈裂棒体101内两侧对称布置，注水腔道117与注 水口103通过旋转轴承121密闭连接，注水腔道117与柱塞劈裂棒体101间等间 距安装有旋转轴承120，旋转轴承120外侧与柱塞劈裂棒体101固定，注水腔道 117穿过旋转轴承120，注水腔道117靠近注水口103的位置外侧安装固定有旋 转齿根122。
45.所述注水口103内部设置有密闭圈116，用于保证高压水管与注水口103的 紧密连接。
46.所述柱塞顶块102和喷嘴108在所述塞劈裂棒体101内均匀布置6个。
47.采用本发明提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置的使用方法， 其特征在于包括以下步骤：
48.步骤1、在待开挖岩体中布置钻孔106；
49.步骤2、连接组装该致裂卸压与改性装置，根据设计确定柱塞顶块102的工 作方向并将柱塞式致裂棒1放置在钻孔106内设计位置处；
50.步骤3、启动配套电机7，将喷嘴108旋转至孔壁断裂损伤区域，固定喷嘴 108；启动该致裂卸压与改性装置，柱塞加压和高压水射流同时工作，压裂过程 中持续旋转调整喷嘴108的方向，促使钻孔壁岩石在张拉应力和水压力的共同作 用下起裂扩展，在待开挖岩体周围形成破碎带，诱导区域应力与能量释放及硬岩 改性；
51.步骤4、致裂卸压结束时，关闭高压水泵2、电动机3及外接电源6，打开 回油管控制
阀门128，关闭进油管控制阀门127，液压系统5卸压，液压油通过 回油管105卸出，柱塞顶块102及柱塞推杆115随之在弹簧130收缩的作用下收 回至柱塞放置槽118内，然后自钻孔106内拔出柱塞式致裂棒1，结束致裂卸压 作业。
52.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明 的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之 内。