[发明专利]高地温隧道开挖面快速降温系统及方法

权利要求书

1.一种高地温隧道开挖面快速降温系统，其特征在于，包括二氧化碳循环喷淋降温机构和设于所述二氧化碳循环喷淋降温机构上靠近开挖面的环形安装架；所述环形安装架上均布有多个喷嘴，所述二氧化碳循环喷淋降温机构包括液态CO₂存储车、连接在所述液态CO₂存储车上的输气管道以及乏气回收管道，所述输气管道的出气口与所述喷嘴连接，所述乏气回收管道的进气口设于所述环形安装架上。

2.根据权利要求1所述的高地温隧道开挖面快速降温系统，其特征在于，所述喷嘴与开挖面夹角范围为30°-90°。

3.根据权利要求1或2所述的高地温隧道开挖面快速降温系统，其特征在于，所述输气管道通过端头带法兰的管道连接在所述液态CO₂存储车上，所述管道上按出气方向依次设置有与液态CO₂存储车连接的输液泵、电子膨胀阀、调压阀、CO₂气液分离器和压缩机，所述压缩机与所述喷嘴连接。

4.根据权利要求3所述的高地温隧道开挖面快速降温系统，其特征在于，所述乏气回收管道按照乏气的回收方向依次设置有与环形安装架上连接的CO₂气液分离器、CO₂气回收装置和节流阀，所述节流阀连接至液态CO₂存储车。

5.根据权利要求4所述的高地温隧道开挖面快速降温系统，其特征在于，所述环形安装架上还设置有自动卷帘。

6.根据权利要求5所述的高地温隧道开挖面快速降温系统，其特征在于，所述自动卷帘快速落下展开后和开挖面形成的较为封闭制冷空间内设置有综合监测传输系统，所述综合监测传输系统用于采集开挖面不同位置围岩和封闭制冷空间内的温度和压力，并实时监测开挖面氧气及二氧化碳、粉尘浓度。

7.根据权利要求5或6所述的高地温隧道开挖面快速降温系统，其特征在于，所述二氧化碳循环喷淋降温机构还包括集成了压力传感器在内的控制模块，所述控制模块用于自动卷帘收放、喷嘴角度和流量自动调控、液态CO₂泵送加压、喷射控制开关、数据采集控制和数据分析。

8.一种高地温隧道开挖面快速降温方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在高地温隧道开挖面开挖出碴完成锚杆及喷射混凝土过程中，通过综合监测传输系统采集降温前岩石温度、气压，并实时监测开挖面氧气及二氧化碳、粉尘浓度特征；

(2)将环形安装架与液态CO₂存储车移到开挖面，打开调压阀，同时液态CO₂存储车向二氧化碳循环喷淋降温机构输送CO₂，通过控制输液泵将CO₂存储车中的CO₂液体输送至喷嘴并喷出CO₂，当开挖面自动卷帘与开挖面形成的临时腔室中达到冷冻时所需要的压力和温度，排出腔室内空气，关闭调压阀；

(3)开挖面降温冷冻时，电子膨胀阀通过压力传感器的反馈信号控制补气量，液态CO₂存储车向二氧化碳循环喷淋降温机构输送CO₂；二氧化碳循环喷淋降温机构对CO₂工质形成闭合制冷回路；二氧化碳循环喷淋降温机构中CO₂气液分离器的CO₂液体通过输液泵传输至喷嘴，通过喷淋产生大量含有小尺寸液滴的射流来均匀覆盖开挖面，实现冷冻效果；

(4)自动卷帘与开挖面形成的临时腔室中合适的压力和温度可整合喷嘴来流，形成横向均匀、纵向顺温度梯度的CO₂流场，利用上述低温流场形成对冷冻对象先预冷、再冻结的冷冻模式，进而充分利用自动卷帘与开挖面临时形成的冷冻腔室中二氧化碳的制冷能力；

(5)持续喷淋30分钟后，制冷后膨胀汽化的CO₂气体通过CO₂气回收装置抽吸，然后通过车载机重新压缩冷却输送回二氧化碳循环喷淋降温机构，从而实现循环喷淋；

(6)喷淋冷冻完成后，停止二氧化碳循环喷淋降温机构，关闭喷嘴调节阀，停止CO₂气回收装置，打开调压阀，排出剩余二氧化碳；根据综合监测传输模块数据确定温降效果，利用风机风管控制系统对开挖面进行通风；检查开挖面环境参数，移除设备，进行后续开挖炮孔钻孔施工。