[发明专利]一种高地温隧道岩爆防治装置

说明书

本发明公开了一种用于高地温隧道岩爆防治装置，包括可伸缩式液氮压裂管柱、孔口封隔器、驱动模块、泵送加压喷射模块、液氮连接管路、集成控制模块，综合监测传输系统，液氮车或液氮存储系统；可伸缩式液氮压裂管柱上套有孔口封隔器，孔口封隔器后面依次连接驱动模块、高压喷射模块，连接模块与液氮车或液氮存储系统。采用本装置能有效降低高地温隧道围岩温度和释放高应力，从而消除链式热力耦合岩爆灾害；该系统具有安全有效、操作简单，耗时少，效率高，环境污染少，气源丰富，价格低廉，可现场从空气中获取压裂用液氮的优点，同时能节约水资源和电力资源、能有效保护高原生态环境。

技术领域

本发明属于高地温及高地应力隧道开挖施工、地下空间工程热害和岩爆防灾技术领域，尤其涉及一种高地温隧道岩爆防治装置。

背景技术

水利水电、交通和矿山等深埋硬岩或高应力隧道开挖过程中经常会遇到极强或强岩爆风险。当岩体内积聚的高应变能突然释放时，导致强烈的围岩破坏将对现场施工人员和设备造成极大的危害。目前国内外对岩爆的控制方式主要有两种：第一种改善围岩应力状态，降低岩体中积聚的应力和能量，例如应力解除爆破、喷洒高压水软化围岩，钻取一定长度和数量的超前应力释放孔并在孔内注射高压水，洞壁切槽开挖中导洞等形成局部应力释放区；第二种是提高岩体的储能能力或吸收围岩释放的能量，通过对围岩进行支护来达到预防岩爆的目的，主要以吸能支护、柔性支护、刚性支护或二者结合的方式。根据国内外的研究成果和工程应用效果可知，应力释放孔可以一定程度上降低岩爆风险，但是要防治极强岩爆或强烈岩爆，需要打很多应力释放孔，这不仅速度慢，而且有时因应力释放不足而不足以防治热力耦合型岩爆。应力解除爆破法对围岩扰动较大、产生的粉尘增加，对工期的影响也较大。而传统的高压注水或高压水压裂技术不仅需要大量的水资源，而且在压裂液中添加许多化学物质，这对于环境的污染非常严重。

针对高温水工、交通和矿山等地下工程，特别针对穿越板块活动带的川藏铁路、滇藏铁路等超高地温、极高地应力隧道，采用钻爆施工或TBM掘进施工时，考虑围岩内部降温、围岩应力释放以及对保护高原脆弱地质生态环境的需要，研发一种新的降温及应力释放技术，实现高地应力高岩温岩体的降温、应力解除进而防治热力耦合型岩爆具有重要的意义。

液氮是一种非常稳定的冷源，其性质稳定，不与其他物质发生反应,使用方便且环保，制备简单且原材料丰富。使用液氮压裂可以减少水资源的浪费，有效降低水化膨胀及滤失问题。液氮在岩石孔腔中的汽化可以对围岩起到降温作用，同时，液氮超低温可以使岩石内部产生应力进而使岩石破裂。采用液氮进行围岩降温和应力释放，不会污染环境，因此这使得液氮可以成为一种优秀的无水压裂液。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高地温隧道岩爆防治装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：设计一种高地温隧道岩爆防治装置，包括可伸缩式液氮压裂管柱、孔口封隔器、驱动模块、泵送加压喷射模块、液氮连接管路、集成控制模块，综合监测传输系统，液氮车或液氮存储系统；应力释放孔孔口套有孔口封隔器，可伸缩式液氮压裂管柱穿过孔口封隔器位于应力释放孔中，可伸缩式液氮压裂管柱尾端上设有综合监测传输系统，可伸缩式液氮压裂管柱尾端连接驱动模块和液氮连接管路，液氮连接管路连接泵送加压喷射模块和液氮车或液氮存储系统，集成控制模块连接驱动模块、泵送加压喷射模块、综合监测传输系统、液氮车或液氮存储系统。

进一步的，所述可伸缩式液氮压裂管柱由内套管和外套管组成，外套管与内套管为中空结构，材料为陶瓷或金属管材，内套管和外套管上设有溢出孔，内套管是可伸缩管，内套管前端为喷嘴，内套管尾端与驱动模块输出端通过套筒连接,外套管与液氮连接管路连接，外套管与内套管通过丝口连接。

进一步的，所述可伸缩式液氮压裂管柱位于外套管上，靠近孔口封隔器内侧部分设有综合监测传输系统，用于实时监测应力释放孔内的温度和压力，采集围岩的声发射特性。

进一步的，所述驱动模块为一种驱动设备，驱动设备是驱动电机、驱动液压缸。