[发明专利]利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法及系统

权利要求书

1.一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法，其特征在于：通过水力压裂技术使得极硬的完整的岩体产生裂缝从而降低岩体完整度，包括步骤，

S1、在刀盘面的不同位置上预留孔洞，在孔洞内设置钻杆；

S2、根据地层条件设计掌子面的钻孔位置以及压裂顺序，地层条件包括应力条件和结构面条件；

S3、钻杆伸出孔洞在掌子面上依次垂直打孔直至完成所有钻孔，钻孔的深度和直径根据地层条件确定；

S4、通过封隔器将钻孔内待压裂段密封；

S5、向待压裂段泵入高压水并不断加大水压先使孔壁开裂后使裂缝扩展；

S6、裂缝扩张达到预定长度后停止加压，将封隔器连同其余压裂设备从钻孔中取出；

S7、重复S4至S6，按照设计的压裂顺序对其余钻孔进行压裂直至所有钻孔压裂完成；

S8、隧道掘进机开始掘进，掘进完压裂段后停止掘进；

S9、重复S2至S8；

设计掌子面的钻孔位置时，需要保证钻孔被压裂后所产生的裂缝量满足具有明显的压裂改造效果的同时不与其它钻孔串孔、保证钻孔被压裂后所产生的裂缝长度满足不与其余的裂缝贯通的同时不与软弱结构面贯通、保证钻孔被压裂后所产生的裂缝在隧道掘进机掘进范围内；

当掌子面及前方岩体完整无结构面时，若竖直向应力大于水平向应力，钻孔在掌子面上沿水平方向布置，若水平向应力大于竖直向应力，钻孔在掌子面上沿竖直向布置，当竖直向不是主应力方向时，钻孔在掌子面上沿最小主应力方向线性分布；当掌子面及前方岩体中有一组软弱结构面时，若软弱结构面与掌子面的圆心距离较近则在软弱结构面的两侧布置钻孔，若软弱结构面与掌子面的圆心距离较远则只在软弱结构面的圆心侧布置钻孔；当掌子面及前方岩体有坚硬的岩脉时，在岩脉内和岩脉外均布置钻孔；当掌子面包含两组以上软弱结构面或软弱结构面与坚硬的岩脉同时出现时，适当减少钻孔数量。

2.如权利要求1所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法，其特征在于：封隔器将钻孔内待压裂段密封时，封隔器与掌子面存在一定距离。

3.一种基于如权利要求1或2所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：包括隧道掘进机、封隔器和水力压裂的配套设备，隧道掘进机的刀盘面的不同位置上预留有孔洞，孔洞内设有钻杆，钻杆的钻孔直径等于封隔器直径，封隔器上设有转换阀和压力传感器，水力压裂的配套设备包括加压管、高压泵、控制器和数据采集器，加压管的两端分别与转换阀和高压泵连接，加压管上设有流量计，控制器分别与流量计、高压泵、数据采集器和压力传感器连接。

4.如权利要求3所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：以刀盘面的中心为圆点，所有孔洞与圆点的距离均不相同，所有孔洞所在的同心圆叠加能够覆盖整个掌子面。

5.如权利要求4所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：在刀盘面上孔洞与相邻刀具存在一定距离。

6.如权利要求3所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：钻孔直径与封隔器直径相等，规格有38mm、51mm、76mm、91mm、110mm和130mm。

7.如权利要求3所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：高压泵上设有压力表。