[发明专利]一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置及其使用方法

说明书

本发明公开了一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置及其使用方法，该装置由柱塞式致裂棒、高压水泵、电动机、外接水源、液压系统及外接电源组成；所述柱塞式致裂棒由柱塞劈裂棒体和柱塞式液压致裂单元、高压水射流单元及旋转控制器组成。该装置工作时，柱塞加压和高压水射流同时工作，促使钻孔壁岩石在张拉应力和水压力的共同作用下起裂扩展，在待开挖岩体周围形成破碎带，诱导区域应力与能量释放及硬岩改性。本发明具有结构简单、操作简便和可控性强、操作精度高、硬岩的卸压效果效率更高等优点。

技术领域

本发明涉及硬岩矿床深部开采领域及深部硬岩工程岩爆灾害防治领域，具体 涉及一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置及其使用方法。

背景技术

随着社会的进步与发展，人类对空间和资源的需求愈发迫切，隧道、水电站、 废料存储、矿山等地下岩石工程逐渐向地球深部延伸。然而，伴随着岩石工程向 深部的迅速推进，岩爆灾害频繁发生，表现为岩体能量剧烈释放，临空面岩石碎 片高速弹射出，严重威胁工人和设备安全。

与其他工程灾害相比，深部工程岩爆灾害的发生具有其特殊性，主要体现在： (1)深部硬岩的硬脆特性(高储能能力与高岩爆倾向性)；(2)大埋深引起的 岩体高应力和高储能为岩爆提供能量源；(3)钻爆法开挖引起的强扰动是岩爆 的关键诱发因素。岩爆的防治遵循“预防为主，防治结合”的原则，目前，预防 岩爆的主要思路为应力(能量)调控、岩体改性、动力源优化(短进尺弱爆破、 机械掘进等)，具体措施主要有卸压爆破、打卸压孔、水力压裂、喷水注水等， 取得了一定的效果，但仍存在诸多弊端。如卸压爆破本身就会造成围岩扰动，且 会造成炸药浪费；打卸压孔实践中效果甚微；对于深部硬岩，水力压裂需要极高的水压，安全性较难保障，且压裂裂纹扩展难以控制，同时对封孔效果要求较高， 实现难度较大；喷水注水在煤矿中得到了广泛应用，但由于硬岩致密，有效注水 深度难以得到保障。此外，专利CN111927470 B发明了一种深地硬岩工程微波 辅助释压方法，该方法采用微波波导将微波辐射能量引入钻孔底部并照射岩体产 生裂纹，诱导能量释放；专利CN113217009 B授权了一种微波增益型CO₂相变 卸压防治岩爆方法。以上两种方法需要借助微波设备，能耗大且致裂效率较差， 与现代工业倡导的绿色经济原则相悖。

因此，为应对深部硬岩工程埋深进一步增大带来的岩爆灾害威胁，亟需发明 一种安全、高效、经济的岩爆防治方法及设备。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明公布了一种深部硬岩工程局部致裂卸 压与硬岩改性装置及其使用方法，本发明采用如下技术方案实现：

本发明提供的一种深部硬岩工程局部致裂卸压与改性装置，由柱塞式致裂棒、 高压水泵、电动机、外接水源、液压系统及外接电源组成；所述柱塞式致裂棒由 柱塞劈裂棒体和柱塞式液压致裂单元、高压水射流单元及旋转控制器组成；柱塞 式劈裂棒与高压水泵之间通过高压水管连接，高压水泵为高压水射流单元提供高 压水，柱塞式劈裂棒与液压系统之间通过进油管、回油管连接，液压系统为柱塞 式液压致裂单元提供液压动力，外接电源和电动机为高压水泵提供驱动力。

进一步地，所述柱塞式致裂棒体的一端设置有两个对称布置的注水口，一根 进油管、一根回油管和一根空心的提杆，柱塞式致裂棒体靠近注水口的一端内设 置有一个扁平的空腔，柱塞式致裂棒体上均匀布置有凹陷入棒体的柱塞放置槽， 柱塞放置槽的两侧对称设置弧形的喷嘴旋转槽；柱塞式致裂棒体内部设置有注油 腔道、注水腔道，注水腔道与注油腔道及柱塞放置槽之间相互隔绝防渗，注油腔 道通过进油管、回油管连通液压系统，进油管、回油管上分别安装设置有控制阀 门，注水口与高压水泵之间通过高压水管连接。