一种基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法与流程

本发明涉及隧道工程，尤其涉及一种基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法。

背景技术：

1、超前水平钻孔法的原理是用钻探设备向掌子面前方钻探，直接揭露隧道掌子面前方地层岩性、构造、地下水、岩溶、软弱夹层等地质体及其性质、岩石(体)的可钻性、岩体完整性等资料，还可获得岩石强度等指标，是最直接有效的超前地质预报方法之一，在工程实践中应用广泛，取得了较好效果。超前水平钻孔法的缺点也很明显，由于钻机尺寸和功率等诸多因素限制，一般钻孔的直径为80和90mm，远小于掌子面的空间尺度。并且掌子面前方地质条件十分复杂，只能判断一孔范围内是否存在富水区域、是否含有瓦斯、甲烷等有毒有害气体。

2、金属丝电爆炸(electrical explosion of wires,eew)是脉冲功率技术的一种应用，是指金属丝在高电压大电流(电流密度可达104-106a/mm2)作用下快速升温，发生固态、液态、气态相变，最终产生等离子体的过程。物理要件一般包括电极、腔体等金属丝及其装设部分，和充电电源和脉冲电容以及电缆等能量储存及脉冲放电装置。由于金属丝电爆炸时间非常短(根据电容类型可达到ns、μs、ms级别)，过程中过热的混合相金属内部会形成极高的压强，沿径向膨胀形成强冲击波。金属丝电爆炸对能量的利用率高，并且副产物较少，因而在纳米粉体制备、z箍缩等领域有着广泛的应用。近年来，基于金属丝电爆炸的油气增产工具在相关行业逐渐成为研究热点。一方面，金属丝电爆炸可以连续产生安全、稳定、可控的冲击波，这因为电爆炸的能量全部由脉冲电容的储能提供，根据金属丝和tnt在相同介质中进行爆炸时，具有相同的等距离冲击波超压峰值的原理，即在相同距离处产生的冲击波峰值压力相等，通过现行标准下tnt质量推出储能。另一方面，电爆炸本身对外界条件不敏感，其形成的冲击波可以在油井下密闭条件中作用与岩石层和流体，形成多条径向裂缝，可以与天然裂缝联通，并且周期性冲击波与地层流体产生谐振，进一步疏通、清洗储层天然流通通道，显著提高储层渗流能力。

3、综上，现有技术存在着以下问题：1.只能判断出单次钻孔内的地质条件，探测范围受限，在隧道工程领域被称为“一孔之见”问题；2.难以根据单次钻孔判断外围岩体的水含量和有毒有害气体的标的水平；3.金属丝电爆炸具有过程效率高、能量利用率高、强可控性、无污染、不耗氧等诸多优点，但目前还未应用在隧道工程领域。

4、因此，有必要提供一种新的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供一种使用超前水平钻机向掌子面前方钻孔，揭露地质体及其性质等指标，进而将特制的金属丝电爆炸发生装置放入钻孔中，经高压电源对脉冲电容充电完成后，金属丝在极短时间内发生电爆炸，产生可控的高温高压冲击波。冲击波沿径向传递至岩层，导致其产生损伤，出现微小裂隙，有助于暴露钻孔外围岩层中潜在的涌水风险和瓦斯等有毒有害气体，增强了单次超前水平钻孔的探测效果，有效改善水平钻孔固有的“一孔之见”问题的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法，在超前水平钻孔中利用脉冲功率技术使金属丝发生电爆炸，用于将钻孔外围岩层中的潜在涌水和有毒有害气体释放，增强单次钻孔探测的效果，具体包括以下步骤：

3、s1：使用超前水平钻机在隧道掌子面上钻进，形成一定深度的钻孔；

4、s2：将特制的电爆炸装置中装设有金属丝的部分放入钻孔中，将包括高压电源和脉冲电容在内的其他部分放在钻孔外适当位置；

5、s3：使用高压电源对脉冲电容充电，当达到设置电压后，充电电路自动断开，此时接通脉冲放电电路，金属丝在高电压大电流下发生相变，产生极高的温度和可控的强冲击波；

6、s4：冲击波对岩石造成损伤，形成多条人工径向裂缝，与天然裂缝联通，增加钻孔外围岩层中的潜在含水、瓦斯、甲烷常规检测标的水平。

7、优选的，所述金属丝的直径为0.1-0.4mm，所述金属丝的长度为1-20cm。

8、优选的，所述金属丝电爆炸可以根据推进式或定点式选择位置：所述推进式为通过送丝装置和充电电源配合，发生连续电爆炸并不断向钻孔前方推进，实现钻孔中电爆炸全覆盖；所述定点式为选择多个位置分段进行电爆炸。

9、优选的，所述充电电压为5-40kv。

10、优选的，所述脉冲电容的容量为20-800μf。

11、优选的，使用送丝装置，通过电源重复充电产生周期性冲击波，增强作用效果。

12、优选的，根据现行标准下使用的tnt或其他炸药当量计算脉冲电容的初始电能。

13、优选的，所述送丝装置的送丝速度可根据金属丝长度、充电速度条件进行调节，送丝过程中金属丝的形态保持稳定。

14、与相关技术相比较，本发明提供的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法具有如下有益效果：

15、1、本发明提供了一种在不影响超前水平钻孔方法探测直观、操作便捷等特点的前提下，通过金属丝电爆炸产生冲击波增强超前水平钻地质预报效果的方法。

16、2、本发明增加了单次超前水平钻孔的探测范围，减少了传统方法固有的“一孔之见”弊端。

17、3、本发明可通过调节电压和电容等放电参数，灵活控制冲击波的强度，不会影响掌子面和岩体的稳定性。

18、4、本发明可通过周期性冲击波使钻孔外围岩体中的含水、瓦斯、甲烷等标的物含量增加，提高了超前地质预报的准确性。

19、5、本发明可应用于不同隧道环境下，不受温度、湿度影响，不产生有毒有害物质，不产生有害辐射，为增强超前水平钻孔的效果提出了新思路。

技术特征：

1.一种基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法，其特征在于，在超前水平钻孔中利用脉冲功率技术使金属丝发生电爆炸，用于将钻孔外围岩层中的潜在涌水和有毒有害气体释放，增强单次钻孔探测，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法，其特征在于，所述金属丝的直径为0.1-0.4 mm，所述金属丝的长度为1-20 cm。

3.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法，其特征在于，所述金属丝电爆炸可以根据推进式或定点式选择位置：所述推进式为通过送丝装置和充电电源配合，发生连续电爆炸并不断向钻孔前方推进，实现钻孔中电爆炸全覆盖；所述定点式为选择多个位置分段进行电爆炸。

4.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法，其特征在于，所述充电电压为5-40 kv。

5.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法，其特征在于，所述脉冲电容的容量为20-800 μf。

6.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法，其特征在于，使用送丝装置，通过电源重复充电产生周期性冲击波，增强作用效果。

7.根据权利要求5所述的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法，其特征在于，根据现行标准下使用的tnt或其他炸药当量计算脉冲电容的初始电能。

8.根据权利要求6所述的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法，其特征在于，所述送丝装置的送丝速度可根据金属丝长度、充电速度条件进行调节，送丝过程中金属丝的形态保持稳定。

技术总结
本发明提供一种基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法。所述基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法，在超前水平钻孔中利用脉冲功率技术使金属丝发生电爆炸，用于将钻孔外围岩层中的潜在涌水和有毒有害气体释放，增强单次钻孔探测。本发明提供的基于金属丝电爆炸增强隧道超前水平钻孔效果的方法具有使用超前水平钻机向掌子面前方钻孔，揭露地质体及其性质等指标，进而将特制的金属丝电爆炸发生装置放入钻孔中，经高压电源对脉冲电容充电完成后，金属丝在极短时间内发生电爆炸，产生可控的高温高压冲击波。冲击波沿径向传递至岩层，导致其产生损伤，出现微小裂隙的优点。

技术研发人员：刘超鹏,王腾霄,余建乐,李冰天,苏朋飞,王旭,徐嘉妮,杨倩儒,张斯菁
受保护的技术使用者：川藏铁路技术创新中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12