一种基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置及方法

本发明属于爆破开挖，具体涉及一种基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置及方法。

背景技术：

1、在水电、矿山等深部岩体建设中，通常面临着半无限岩体、高应力岩体的预裂爆破成缝、理想块度的破岩成缝控制等问题。对于预裂爆破，其成缝效果的好坏直接影响了已成型围岩的安全稳定及其它在建结构的施工效率与安全。特别是在高应力条件下，应力夹制、应力集中也会造成爆破成缝成型中成型面起伏度大、平整度差。针对此类问题，尤其是对于结构形式复杂且围岩质量要求高的建筑结构(如水电地下厂房的岩锚梁结构、高边墙结构、洞室群交叉口等)，传统预裂爆破施工，包括近几年推广应用的深孔预裂爆破成缝技术，在通过增加线装药密度或缩减孔距的方法来保证预裂成缝长度及宽度的同时，无法有效降低其本身的振动影响与保留围岩的损伤程度；预裂缝受应力环境影响明显，容易出现未贯通或裂缝扩展趋势不是成型面的情况。而在成型优化方面，已经积累了一些新型技术，如聚能爆破、切槽爆破等。这些方法中，聚能爆破通过调整药包结构、增加炮孔内聚能结构来实现孔内爆炸能量的调整，促进裂缝定向扩展；该方法涉及的聚能结构增加了施工步序，聚能药包和聚能结构装入炮孔后，定向对齐不易保持，容易影响施工效率和施工质量；切槽爆破方面则一般采用首先圆形钻设炮孔，后进行定向切槽施工，增加了施工步骤，影响了施工效率。现有相关技术有涉及采用切槽刀与定向块来形成切槽，容易随着钻孔过程发生旋转而发生错位，在冲击钻的冲击作用与劈裂成槽上未有高效利用和涉及，切槽形状成型效果要求不高，一体化切槽程度未能明显提升，施工精度和效率受到限制；链式切槽则在孔壁两侧形成窄条型细缝，机器磨损大，施工效率低。

2、而对于爆破破岩块度控制方面，传统方法主要采用圆形炮孔，通过调整间排距、药量、装药结构、起爆段别等控制岩石破碎块度。炸药起爆诱发炮孔周边裂缝扩展仍然呈现随机性，无法准确控制裂缝扩展方向。

3、因此，传统方法侧重于预裂爆破成型、梯段爆破块度控制的宏观设计调整(线装药密度、孔距、围岩损伤程度)，在定向爆破方面则受制于异形孔的施工便捷性，严重影响施工效率和施工质量，无法提高定向爆破开挖的高效机械化。

4、鉴于上述问题，开发一种既能保证裂缝定向扩展，又能提高机械化高效施工的爆破开挖技术对预裂爆破成型与隔振优化、爆破开挖块度控制等均具有重要工程意义。

技术实现思路

1、根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置及方法，能够准确、适时、有效地控制高应力岩体预裂爆破成缝开度，且在改善成缝效果的同时，提升预裂缝隔振效果，利于深埋洞室的爆破开挖稳定控制。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置，包括：

4、基座，设在钻机末端；

5、套杆，一端通过推动件与基座相连，另一端设有至少一个劈裂器，所述推动件推动所述套杆在套杆轴向方向相对于所述基座来回移动；

6、中心传动钻杆，中部穿设所述套杆且与所述套杆同轴布置，一端穿设所述基座，另一端设有主钻头，所述主钻头设在所述劈裂器的下方；

7、其中，通过钻机带动中心传动钻杆转动和在中心传动钻杆轴向方向冲击，且带动套杆在套杆轴向方向冲击，使主钻头钻设炮孔，劈裂器钻设切槽区域，炮孔和切槽区域共同组成定向切槽孔。

8、进一步地，所述套杆顶部和所述中心传动钻杆之间设有圆锥滚子轴承，所述套杆底部和所述中心传动钻杆之间设有滚动轴承。

9、进一步地，所述劈裂器包括固定体和至少一个设在所述固定体上的劈裂体，根据所需岩石开裂缝隙数量和方向设定所述劈裂体的数量和角度。

10、进一步地，所述固定体固定在所述套杆上，所述劈裂体为四棱锥结构，包括四边形面和四个三角形面，所述四边形面设在所述固定块上，其中一个所述三角形面相对于所述套杆轴向方向倾斜一定角度，该三角形面上设有沿所述套杆轴向方向分布且呈阶梯状的多个劈裂角，所述劈裂角截面为三角形。

11、进一步地，相邻劈裂角沿钻杆轴向方向保持至少2倍劈裂角长度的间距，相邻劈裂角之间有一定的间隙。

12、进一步地，所述钻机为内燃凿岩机、潜孔钻机履带式、潜孔钻机100b或多臂潜孔钻机中的一种。

13、进一步地，所述推动件为包括缸体和活塞杆，所述缸体固定在所述基座上，所述活塞杆的一端设在所述缸体内，另一端固定在所述套杆上。

14、一种基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖方法，使用任一项所述的基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置，包括以下步骤：

15、以定向预裂爆破装置进行定向切槽孔的钻设；

16、定向切槽孔成型后，采用混装炸药车，现场配置低密度胶质混装炸药，装填到定向切槽孔的整个体积；

17、起爆，使得岩石定向成缝，达到机械化高效定向预裂或定向破岩的施工效果。

18、进一步地，所述低密度胶质混装炸药中掺入一定体积的空心塑料颗粒。

19、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

20、本发明提供的一种基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置及方法，通过在套杆内部设置中心传动钻杆，形成复合钻杆，钻机带动中心传动钻杆转动和冲击，主钻头钻设岩石形成炮孔，套杆一端通过竖直方向设置的推动件与基座相连，使得套杆只能随中心传动钻杆沿中心传动钻杆轴向方向进行往复冲击运动，劈裂器在往复冲击运动过程中，实现高效一体化定向切槽孔钻设。

技术特征：

1.一种基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置，其特征在于：

8.一种基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖方法，使用权利要求1-7任一项所述的基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖方法，其特征在于：

技术总结
本发明提供一种基于复合钻杆的定向预裂爆破开挖装置及方法，包括基座、套杆和中心传动钻杆，基座设在钻机末端，套杆一端通过推动件与基座相连，推动件推动套杆在套杆轴向方向相对于基座来回移动，套杆另一端设有至少一个劈裂器，中心传动钻杆中部穿设套杆且与套杆同轴布置，一端穿设基座，另一端设有主钻头，主钻头设在劈裂器的下方，通过钻机带动中心传动钻杆转动和在中心传动钻杆轴向方向冲击，且带动套杆在套杆轴向方向冲击，使主钻头钻设炮孔，劈裂器钻设切槽区域，形成定向切槽孔。本发明能够准确、适时、有效地控制高应力岩体预裂爆破成缝开度，且在改善成缝效果的同时，提升预裂缝隔振效果，利于深埋洞室的爆破开挖稳定控制。

技术研发人员：刘晓,严鹏,卢文波,陈明,王高辉,王洋
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14