[发明专利]一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法

摘要

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。

主权项

1.一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法，其特征在于：所述掘进方法中用到的设备主要包括一体式磨料射流钻机(1)和掘进机(2)，所述掘进机(2)设置有截割头(2‑1)、装载机构(2‑2)和运输机构(2‑3)，多自由度机械臂(3)通过回转油缸(4)安装在所述掘进机(2)上，所述一体式磨料射流钻机(1)通过导轨(5)与所述多自由度机械臂(3)滑动连接，所述掘进机(2)上还装载有高压水泵(6)，所述一体式磨料射流钻机(1)由高压水泵(6)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(7)，所述高压封孔器(7)通过入水管(8)与所述高压水泵(6)连通，所述高压水的水压为100MPa以上；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(9)时，首先利用所述回转油缸(4)驱动所述多自由度机械臂(3)将所述掘进机(2)后部装载的一体式磨料射流钻机(1)转动到所述掘进机(2)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(1)在所述坚硬岩体(9)中钻进形成钻孔(10)，然后所述一体式磨料射流钻机(1)用高压磨料水射流在所述钻孔(10)的孔壁周围进行割缝，使钻孔(10)的周围岩体形成锥状裂缝族(11)，在钻孔与割缝的过程中，所述一体式磨料射流钻机(1)在所述导轨(5)上滑动来改变与坚硬岩体(9)的距离；完成所述钻孔与割缝工作后，所述回转油缸(4)驱动多自由度机械臂(3)将一体式磨料射流钻机(1)从掘进机(2)的前方移动至掘进机(2)后部；第二步、封孔与压裂用所述高压封孔器(7)将所述钻孔(10)进行密封，通过所述高压封孔器(7)将高压水注入所述钻孔(10)中，所述坚硬岩体(9)中原先形成的所述锥状裂缝族(11)被高压水压裂，坚硬岩体中的所述锥状裂缝族(11)扩展成锥状裂缝网(12)，从而降低所述坚硬岩体(9)的整体强度和抗截割能力，当锥状裂缝网(12)扩展范围达到规定要求后，即完成压裂工作，随后拆除高压封孔器(7)；第三步、截割与装运利用所述掘进机(2)的所述截割头(2‑1)截割已具有所述锥状裂缝网(12)的所述坚硬岩体(9)，然后通过所述掘进机(2)的装载机构(2‑2)装载截落的岩体碎片，通过所述掘进机(2)的运输机构(2‑3)运输截落的岩体碎片；施工所述钻孔(10)的参数，钻孔的深度L_孔、钻孔与岩层的层理的夹角α、钻孔的间距n的设置方式如下：a.钻孔的深度，L_孔≥5L_截，其中L_截为截割头的截割深度；b.根据岩体的主要层理设置夹角α，使高压水射流平行于岩体的层理；c.钻孔的间距n满足0.1D_网≤n≤0.3D_网，钻孔的间距n越小，其对坚硬岩体的弱化效果越明显，其中锥状裂缝网的扩散直径D_网通过现场试验得到。