[发明专利]一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法

说明书

本发明公开了一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法，在掘进工作面布置掘进机和以掘进为载体的一体式磨料射流钻机、高压水泵；掘进机截割岩体前，采用一体式磨料射流钻机在岩体内形成钻孔，在钻孔基础上通过割缝形成一系列的锥状裂缝族；利用高压封孔器将近掘进面的钻孔密封一段距离，将高压封孔器通过入水管与高压水泵连通，利用岩体抗压不抗拉特性，使岩体内的锥状裂缝族扩张形成密集的锥状裂缝网，从而弱化岩体强度。然后采用掘进机截割头截割内部具有锥状裂缝网的岩体，从而大大提高巷道掘进效率，同时可以延长掘进机的使用寿命，降低掘进费用。

技术领域

本发明涉及一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法，适用于普氏硬度系数较高的巷道或隧道岩体掘进施工。

背景技术

目前，煤炭开采已经逐渐向深层和复杂地层发展，对深层、复杂地层煤炭资源安全高效开采技术和装备提出了更高的要求和新的挑战。由于地应力的增大，通常深层、复杂地层煤岩的弹性模量、硬度和破坏强度等随之增大，单轴抗压强度往往达到150MPa以上。虽然爆破掘进法具有灵活、方便、成本低、适应性强以及不受地质条件变化影响的特点，但其存在工序多、安全性低、掘进效率低等缺点。机械切削破岩时刀具磨损严重、消耗量大，主要用于切削破碎普氏硬度系数f≤8的煤岩；机械冲击可以破碎大部分煤岩，但在坚硬煤岩(f>15)中工作存在球齿磨损严重和脱落、破岩效率低以及粉尘量大等问题，大大降低了机械冲击破岩能力、效率以及设备使用寿命和可靠性，如何实现坚硬煤岩的安全高效破碎已经成为深层、复杂地层煤炭等矿体资源高效开发的关键问题和难点。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法，在掘进机对坚硬岩体进行机械化截割、装载和输送之前，增加在坚硬岩体中进行钻孔与割缝、封孔与压裂的工序，从而弱化岩体强度和抗截割能力，以提高巷道或隧道坚硬岩体的施工效率和安全性。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法，该掘进方法中用到的设备主要有一体式磨料射流钻机和掘进机，所述掘进机设置有截割头、装载机构和运输机构，多自由度机械臂通过回转油缸安装在所述掘进机上，所述一体式磨料射流钻机通过导轨与所述多自由度机械臂滑动连接，所述掘进机上还装载着高压水泵，所述一体式磨料射流钻机由高压水泵供给高压水；所述掘进方法中用到的设备还包括高压封孔器，所述高压封孔器通过入水管与所述高压水泵连通，所述高压水的水压为100MPa以上；

所述掘进机主要用于截割坚硬岩体和作为一体式磨料射流钻机和高压水泵的载体；多自由度机械臂用来实现一体式磨料射流钻机的位置变换；所述一体式磨料射流钻机主要用于在坚硬岩体内进行钻孔和割缝；其优点为将一体式磨料射流钻机和高压水泵安装在掘进机上，而不改变掘进机的现有基本结构，能够使本发明的一种坚硬岩体的掘进方法能够快速实施。

所述掘进方法具体包括如下步骤：

第一步、钻孔与割缝

在掘进普氏硬度系数f>15的坚硬岩体时，首先利用所述回转油缸驱动所述多自由度机械臂将所述掘进机后部装载的所述一体式磨料射流钻机转动到所述掘进机的前方，对准要施工钻孔的位置，利用所述一体式磨料射流钻机在所述坚硬岩体中钻进形成钻孔，然后所述一体式磨料射流钻机用高压水射流在所述钻孔的孔壁周围进行割缝，使钻孔的周围岩体形成锥状裂缝族，在所述钻孔和割缝的过程中，所述一体式磨料射流钻机在所述导轨上滑动来改变与坚硬岩体的距离；完成所述钻孔与割缝工作后，所述回转油缸驱动多自由度机械臂将一体式磨料射流钻机移动至掘进机后部；

其优点为利用高压磨料射流切割坚硬岩体能力强的特点，采用一体式磨料射流钻机实现坚硬岩体的钻孔和割缝，一体式磨料射流钻机的钻孔与割缝效率高、能力强、环节少、精度高。形成的锥状裂缝族为进行下一步的封孔与压裂提供了较高的条件，可以在封孔压裂时提高弱化岩体的效果。

第二步、封孔与压裂