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。
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；
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；
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)；
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。
2.根据权利要求1所述的一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法，其特征在于：所述第三步中对于不同断面大小的巷道或隧道坚硬岩体(9)，掘进机(2)工作前可重复以上第一步和第二步，在坚硬岩体(9)上再进行一次或多次钻孔-割缝和封孔与压裂，实现巷道或隧道掘进范围内坚硬岩体(9)完整弱化。
一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法，适用于普氏硬度系数较高的巷道或隧道岩体掘进施工。
背景技术
[0002] 目前，煤炭开采已经逐渐向深层和复杂地层发展，对深层、复杂地层煤炭资源安全高效开采技术和装备提出了更高的要求和新的挑战。由于地应力的增大，通常深层、复杂地层煤岩的弹性模量、硬度和破坏强度等随之增大，单轴抗压强度往往达到150MPa以上。虽然爆破掘进法具有灵活、方便、成本低、适应性强以及不受地质条件变化影响的特点，但其存在工序多、安全性低、掘进效率低等缺点。机械切削破岩时刀具磨损严重、消耗量大，主要用于切削破碎普氏硬度系数f≤8的煤岩；机械冲击可以破碎大部分煤岩，但在坚硬煤岩(f>15)中工作存在球齿磨损严重和脱落、破岩效率低以及粉尘量大等问题，大大降低了机械冲击破岩能力、效率以及设备使用寿命和可靠性，如何实现坚硬煤岩的安全高效破碎已经成为深层、复杂地层煤炭等矿体资源高效开发的关键问题和难点。
发明内容
[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法，在掘进机对坚硬岩体进行机械化截割、装载和输送之前，增加在坚硬岩体中进行钻孔与割缝、封孔与压裂的工序，从而弱化岩体强度和抗截割能力，以提高巷道或隧道坚硬岩体的施工效率和安全性。
[0004] 技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] 一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法，该掘进方法中用到的设备主要有一体式磨料射流钻机和掘进机，所述掘进机设置有截割头、装载机构和运输机构，多自由度机械臂通过回转油缸安装在所述掘进机上，所述一体式磨料射流钻机通过导轨与所述多自由度机械臂滑动连接，所述掘进机上还装载着高压水泵，所述一体式磨料射流钻机由高压水泵供给高压水；所述掘进方法中用到的设备还包括高压封孔器，所述高压封孔器通过入水管与所述高压水泵连通，所述高压水的水压为100MPa以上；
[0006] 所述掘进机主要用于截割坚硬岩体和作为一体式磨料射流钻机和高压水泵的载体；多自由度机械臂用来实现一体式磨料射流钻机的位置变换；所述一体式磨料射流钻机主要用于在坚硬岩体内进行钻孔和割缝；其优点为将一体式磨料射流钻机和高压水泵安装在掘进机上，而不改变掘进机的现有基本结构，能够使本发明的一种坚硬岩体的掘进方法能够快速实施。
[0007] 所述掘进方法具体包括如下步骤：
[0008] 第一步、钻孔与割缝
[0009] 在掘进普氏硬度系数f>15的坚硬岩体时，首先利用所述回转油缸驱动所述多自由度机械臂将所述掘进机后部装载的所述一体式磨料射流钻机转动到所述掘进机的前方，对准要施工钻孔的位置，利用所述一体式磨料射流钻机在所述坚硬岩体中钻进形成钻孔，然后所述一体式磨料射流钻机用高压水射流在所述钻孔的孔壁周围进行割缝，使钻孔的周围岩体形成锥状裂缝族，在所述钻孔和割缝的过程中，所述一体式磨料射流钻机在所述导轨上滑动来改变与坚硬岩体的距离；完成所述钻孔与割缝工作后，所述回转油缸驱动多自由度机械臂将一体式磨料射流钻机移动至掘进机后部；
[0010] 其优点为利用高压磨料射流切割坚硬岩体能力强的特点，采用一体式磨料射流钻机实现坚硬岩体的钻孔和割缝，一体式磨料射流钻机的钻孔与割缝效率高、能力强、环节少、精度高。形成的锥状裂缝族为进行下一步的封孔与压裂提供了较高的条件，可以在封孔压裂时提高弱化岩体的效果。
[0011] 第二步、封孔与压裂
[0012] 用所述高压封孔器将所述钻孔进行密封，然后将所述高压封孔器通过所述入水管连接所述高压水泵，将高压水注入所述钻孔中，所述坚硬岩体中原先形成的所述锥状裂缝族被高压水压裂，坚硬岩体中的所述锥状裂缝族扩展成锥状裂缝网，从而降低所述坚硬岩体的整体强度和抗截割能力，当观察到锥状裂缝网的扩展范围达到要求后，即完成压裂工作，随后拆除高压封孔器；
[0013] 其优点为高压水泵联合高压封孔器可靠地将高压水注入岩孔和锥状裂缝族，利用岩石不抗拉特性扩张锥状裂缝族形成大面积的锥状裂缝网，实现岩体的大面积强度和抗截割能力弱化。
[0014] 对于不同断面大小的巷道或隧道坚硬岩体，掘进机工作前可重复第一步和第二步，在坚硬岩体上再进行一次或多次钻孔-割缝和封孔与压裂。其优点为可以实现巷道或隧道掘进范围内岩体完整弱化或非圆形巷道或隧道断面岩体强度弱化。
[0015] 第三步、截割与装运
[0016] 利用所述掘进机的所述截割头截割已具有所述锥状裂缝网的所述坚硬岩体，然后通过所述掘进机的装载机构装载截落的岩体碎片，通过所述掘进机的运输机构运输截落的岩体碎片；
[0017] 其优点为采用目前成熟的掘进机能够高效的实现已具有锥状裂缝网的岩体的快速掘进施工，并实现岩体截割、装载和运输机械化作业。
[0018] 重复以上步骤，进行下一个坚硬岩体的钻孔与割缝-封孔与压裂-截割与装运的循环作业，直到巷道或隧道掘进完成。
[0019] 其中钻孔参数的设置，如钻孔的深度L孔、钻孔与岩层的层理的夹角α、钻孔的间距n的设置，对坚硬岩体的压裂效果起到很重要的影响。
[0020] 钻孔的深度L孔应当满足L孔≥5L截，其中L截为截割头的截割深度；从而保证在截割时，在截割深度范围内的坚硬岩体中已经形成了锥状裂缝网；一次弱化岩体可供掘进机多次截割。
[0021] 钻孔角度α应当尽量使高压水射流平行于岩体的层理，这样割缝形成的微观裂缝族就会与层理平行，在封孔压裂时，高压水给微观裂缝族的压力会形成垂直于岩层的层理的拉力，这样压裂效果会有很大的提高；
[0022] 在坚硬岩体中，利用封孔压裂来弱化岩体时，对于一个钻孔进行封孔压裂后形成的锥状裂缝网的扩散直径为D宏，锥状裂缝网的扩散直径D宏可以通过现场测试得到，其大小与岩体的抗拉强度呈负相关，和高压水的压力呈正相关，即岩体的抗拉强度越低，高压水的压力越大，其压裂效果越好，所述锥状裂缝网的扩散直径D宏越大；钻孔的间距n应当满足0.1D宏≤n≤0.3D宏，钻孔的间距n越小，其对坚硬岩体的弱化效果越明显。裂缝网间距密集弱化程度高，扩展后D网直接可达1～2米。
[0023] 有益效果：本发明充分运用坚硬岩体的抗压而不抗拉特性，在掘进机对坚硬岩体进行机械化截割、装载和输送之前，增加了在坚硬岩体中进行钻孔与割缝-封孔与压裂的工序，从而弱化岩体强度和抗截割能力，大大降低岩体截割难度，改善机械掘进坚硬岩体的工作条件，实现巷道或隧道坚硬岩体的机械化高效掘进。同时可以延长掘进机使用寿命，降低掘进费用。
附图说明
[0024] 图1是本发明一种坚硬岩体强度弱化的掘进方法的示意图；
[0025] 图中：1—一体式磨料射流钻机；2—掘进机；2-1—截割头；2-2—装载机构；2-3—运输机构；3—多自由度机械臂；4—回转油缸；5—导轨；6—高压水泵；7—高压封孔器；8—入水管；9—坚硬岩体；10—钻孔；11—锥状裂缝族；12—锥状裂缝网。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图对本发明实施作进一步描述：
[0027] 如图1所示，本发明的一种坚硬岩体的掘进方法，所涉及的设备主要包括高压封孔器7、入水管8、回转油缸4、多自由度机械臂3、一体式磨料射流钻机1、掘进机2和高压水泵6；所述掘进机2有截割头2-1、装载机构2-2和运输机构2-3，所述掘进机2主要用于截割坚硬岩体9和作为一体式磨料射流钻机1和高压水泵6的载体；所述多自由度机械臂3通过所述回转油缸4安装在掘进机2上，所述一体式磨料射流钻机1与多自由度机械臂3的导轨5滑动连接，用来实现一体式磨料射流钻机1的位置变换；所述一体式磨料射流钻机1主要用于在坚硬岩体9内进行钻孔和割缝；所述高压水泵6主要用于向一体式磨料射流钻机1供给高压水；所述掘进方法具体包括如下步骤：
[0028] 第一步、钻孔与割缝，当掘进坚硬岩体9时，首先利用回转油缸4驱动多自由度机械臂3将置于掘进机2后部的一体式磨料射流钻机1移动到掘进机2前方，一体式磨料射流钻机1在坚硬岩体9中钻进形成钻孔10，多自由度机械臂3控制一体式磨料射流钻机1在钻孔10的孔壁周围割缝，使钻孔10的周围岩体形成锥状裂缝族11，完成岩体钻孔和割缝工作后，由回转油缸4驱动多自由度机械臂3将一体式磨料射流钻机1移动至掘进机2后部；
[0029] 第二步、封孔与压裂，利用高压封孔器7将掘进工作面的钻孔10密封一段距离，用高压水泵6通过入水管8连接高压封孔器7，将高压水注入钻孔10和锥状裂缝族11，高压水压裂锥状裂缝族11形成锥状裂缝网12，从而弱化坚硬岩体9的抗截割能力和强度，压裂完成后拆卸高压封孔器7；
[0030] 第三步、对于不同断面大小的巷道或隧道坚硬岩体9，掘进机2工作前可重复第一步和第二步，在坚硬岩体9上再进行一次或多次钻孔-割缝和封孔与压裂，实现巷道或隧道掘进范围内坚硬岩体9完整弱化。
[0031] 第四步、截割与装运，利用掘进机2的截割头2-1截割已具有锥状裂缝网12的坚硬岩体(9)，利用掘进机2的装载机构2-2和运输机构2-3装载和运输截落的岩体碎片；
[0032] 完成5m巷道或隧道坚硬岩体掘进后，重复以上步骤，进行巷道或隧道的下一个5m坚硬岩体的钻孔与割缝-封孔与压裂-截割与装运的循环作业，直到巷道或隧道掘进完成。
[0033] 作为本发明的另一个实施例，采用一体式磨料射流钻机在岩体内形成直径50mm、深度5m的深孔，100MPa磨料射流条件下控制一体式磨料钻机割缝转数和进入岩孔深度定向形成一系列间距100mm、小径50mm、大径100mm、锥角约120°的锥状裂缝族。利用高压封孔器将近掘进面所钻深孔密封一段距离，将高压水泵接入高压封孔器的入水管，100MPa压力水利用岩体抗压不抗拉特性使岩体内的锥状裂缝扩张形成大径约1.5m密集的锥状裂缝网，实现坚硬岩体强度的定向弱化。
[0034] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
