[发明专利]一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法及其装置

说明书

一种定向CO₂致裂器，与传统的CO₂致裂器相比，其卸能头的两侧沿轴线方向分布两排卸能口，两排卸能口的相位角小于180°。在冻结法凿井过程中，将多个定向CO₂致裂器布置在作业面的外周，将多个普通CO₂致裂器布置在井筒内周。各定向CO2致裂器泄能头两侧的定向卸能口各自朝向与其相邻的定向CO₂致裂器。先引爆外圈钻孔中的定向CO₂致裂器再引爆内圈钻孔中的普通CO₂致裂器，外圈钻孔中的定向CO₂致裂器引导能量沿定向泄能口释放，爆破不会对井筒外侧的筒壁结构产生扰动。外圈钻孔爆破后，各外圈钻孔之间形成连通的弱面，整个外圈钻孔形成一个保护圈，在内侧钻孔进行爆破时，外圈钻孔形成的保护圈切断了爆破能量向井筒筒壁的传播，减少了其对井筒筒壁结构的扰动。

技术领域

本发明涉及煤矿开采中的冻结法凿井施工领域，具体涉及一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法及其装置。

背景技术

立井井筒一般要穿过表土与基岩两个部分，其施工技术由于围岩条件不同各有特点，表土施工方案选择主要考虑工程的安全，而基岩施工主要考虑施工进度。当立井井筒穿过表土时，由于表土松软，稳定性较差，经常含水，并直接承受井口结构物的荷载，所以，表土施工比较复杂，往往成为立井施工的关键工程。正确的选择表土施工方案和施工方法，确保立井井筒安全快速地通过表土层，并顺利转入基岩层施工具有重要的意义。为确保立井井筒安全穿过表土层，通常采用冻结法进行表土施工。在井筒掘进之前，在井筒周围钻冻结孔，用人工制冷的方法将井筒周围的不稳定表土层和风化层冻结成一个密闭的冻结圈以防止水和流沙涌入井筒并抵抗地压，然后在冻结圈的保护下掘砌井筒。待掘砌到预定深度后，停止冻结，进行拔管或充填工作。当冻结壁已形成且尚未冻结至井筒范围以内时开挖最为理想。此时即便于掘进，又不会造成涌水冒砂事故。但实际施工过程中很难保证处于理想状态，往往整个井筒被冻实。对于这种冻土挖掘，通常采用风镐或钻眼爆破法施工，但采用风镐或钻眼爆破法施工在井筒加强冷冻后，冻土段硬度大，利用风镐施工工人劳动强度大，井筒施工慢；由于井壁温度低，达到零下十几度，采用钻眼爆破法施工，炸药拒爆率高，存在安全隐患。

传统的CO₂相变发生器为圆筒结构；包括：储液管、充气头和卸能头；储液管具有中空腔体，储液管的第一端与充气头的第一端连接；储液管的第一端内还设有发热模块，用于使储液管内的液态CO₂受热转化为气态CO₂；充气头上设有注液孔和充气阀；充气头的第一端与储液管中空腔体连通，以使液态CO₂通过注液孔的充气通道进入储液管的中空腔体内；充气阀用于开启和闭合注液孔的充气通道；卸能头为管状，卸能头与储液管的第二端密封连接；卸能头的外壁上设有两个对称分布的卸能口，以使气态CO₂通过卸能口充入钻孔内预裂钻孔。这种CO₂相变发生器卸能口较大，泄能口相位角为180°在井筒掘进施工中使用不便。

发明内容

为了克服上述风镐或钻眼爆破法在冻结法凿井施工中的缺点及传统的CO₂相变发生器在井筒掘进施工中的不便的问题，本发明提供了一种定向CO₂致裂器，与传统的CO₂致裂器相比，其卸能头的两侧沿轴线方向分布两排定向卸能口，两排定向卸能口的相位角为

进一步的，每排定向泄能口中的泄能口个数为10个，各排定向泄能口中各泄能口的间距为2mm。

进一步的，卸能口的孔径为3mm。

进一步的，两排泄能口之间分布有1排以上内侧卸能口。

进一步的，内侧卸能口为3排。

一种冻结法凿井二氧化碳相变致裂辅助掘进方法，包括步骤：