一种集成管道、隧道岩爆防治装置及其防治方法转让专利
申请号 : CN202011476503.8
文献号 : CN112629349B
文献日 : 2021-10-01
发明人 : 刘造保 , 王厚宇 , 王小凯 , 姚志宾 , 冯涛 , 王栋
申请人 : 东北大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于隧道岩爆防治装置的集成管道(2),其特征在于,所述集成管道(2)用于输送和释放液态二氧化碳,其包括:
位于外层的薄壁套管(203),所述薄壁套管(203)的管壁上开设有释放孔(204);
可转动地套设于薄壁套管(203)内壁的外导管(202),外导管(202)的管壁上也开设释放孔(204);以及
位于外导管(202)内部的内导管(201),用于安装导线,所述导线连通所述集成管道(2)前端的液态二氧化碳致裂器(1)和所述集成管道(2)后端的控制驱动模块(4);
其中,所述外导管(202)与内导管(201)之间形成输送和释放液态二氧化碳的管道腔;
当转动所述外导管(202)使外导管(202)的释放孔(204)与薄壁套管(203)的释放孔(204)非对齐时,所述管道腔形成用于输送液态二氧化碳的通道;
当转动所述外导管(202)使外导管(202)的释放孔(204)与薄壁套管(203)的释放孔(204)对齐时,所述释放孔(204)形成释放液态二氧化碳的通道。
2.根据权利要求1所述的集成管道,其特征在于,还包括转动件(205),所述外导管(202)的一端与所述薄壁套管(203)通过转动件(205)连接,所述外导管(202)的另一端与隧道岩爆防治装置的液态二氧化碳提供模块通过转动件(205)连接。
3.根据权利要求1所述的集成管道,其特征在于,还包括绝热连接管路(5),所述外导管(202)与所述绝热连接管路(5)连接的一端设置一扩展部,所述扩展部的外端到内端的直径逐渐减小。
4.一种隧道岩爆防治装置,包括液态二氧化碳致裂器(1)、提供液态二氧化碳的液态二氧化碳提供模块以及控制驱动模块(4);所述液态二氧化碳致裂器(1)位于超前应力释放孔(7)内,其特征在于,还包括权利要求1‑3任一项所述的集成管道(2),所述集成管道(2)的至少一部分位于超前应力释放孔(7)内;
所述液态二氧化碳致裂器(1)与所述集成管道(2)连通,所述集成管道(2)与所述液态二氧化碳提供模块相连通;
所述集成管道(2)与所述控制驱动模块(4)连接,以控制集成管道(2)输送或释放液态二氧化碳。
5.根据权利要求4所述的隧道岩爆防治装置,其特征在于,还包括废气回收模块(8),所述废气回收模块(8)与超前应力释放孔(7)连通,用于将超前应力释放孔(7)内的废气回收至废气回收模块(8)内。
6.根据权利要求4所述的隧道岩爆防治装置,其特征在于,还包括孔口密封器(3),所述孔口密封器(3)位于超前应力释放孔(7)的开口处,用于密封超前应力释放孔(7);
所述孔口密封器(3)上设置用于穿过所述集成管道(2)的孔洞,且所述孔口密封器(3)与所述集成管道(2)连接处设置密封结构。
7.根据权利要求4所述的隧道岩爆防治装置,其特征在于,所述控制驱动模块(4)包括壳体(401)、转动驱动机构(402)和致裂控制开关(403),所述壳体(401)的一侧与所述集成管道(2)的薄壁套管(203)连接,所述壳体(401)的另一侧与所述集成管道(2)中的绝热连接管路(5)连接;设置在所述壳体(401)上的致裂控制开关(403)与所述液态二氧化碳致裂器(1)电连接;设置在所述壳体(401)内的转动驱动机构(402)与所述集成管道(2)的外导管(202)连接,以带动所述外导管(202)转动。
8.根据权利要求4所述的隧道岩爆防治装置,其特征在于,所述液态二氧化碳提供模块包括绝热连接管路(5)和液态二氧化碳储存泵送模块(6),所述绝热连接管路(5)的一端连通所述集成管道(2),所述绝热连接管路(5)的另一端连通所述液态二氧化碳储存泵送模块(6);
所述液态二氧化碳储存泵送模块(6)包括泵送电机(601)、液态二氧化碳罐(602)、控制显示屏(603)、泵送加压控制开关(604),所述泵送电机(601)用于将所述液态二氧化碳罐(602)内的液态二氧化碳泵送至所述绝热连接管路(5),所述泵送加压控制开关(604)与所述泵送电机(601)连接,用于控制泵送电机(601)的开启和关闭,所述控制显示屏(603)用于显示液态二氧化碳罐(602)内的液态二氧化碳的流速及余量。
9.根据权利要求5所述的隧道岩爆防治装置,其特征在于,所述废气回收模块(8)包括抽气泵(801)、废气回收储存罐(802)和废气回收连接管路(803),所述废气回收连接管路(803)的一端连通超前应力释放孔(7),所述废气回收连接管路(803)的另一端与所述抽气泵(801)连接,所述抽气泵(801)还与废气回收储存罐(802)连接,所述抽气泵(801)用于将超前应力释放孔(7)内的废气通过所述废气回收连接管路(803)输送至所述废气回收储存罐(802)中。
10.一种根据权利要求4‑9中任一项所述的隧道岩爆防治装置的防治方法,其特征在于,包括以下步骤:
钻取超前应力释放孔(7);
安装隧道岩爆防治装置:将液态二氧化碳致裂器(1)和集成管道(2)连通,集成管道(2)和液态二氧化碳提供模块连通,并将液态二氧化碳致裂器(1)和集成管道(2)置于所述超前应力释放孔(7)内;
岩体致裂:通过控制驱动模块(4)控制集成管道(2)至液态二氧化碳输送状态,将液态二氧化碳提供模块内的液态二氧化碳输送至液态二氧化碳致裂器(1),引爆液态二氧化碳致裂器(1);
岩体降温:通过控制驱动模块(4)控制集成管道(2)至液态二氧化碳释放状态,将液态二氧化碳提供模块内的液态二氧化碳释放到超前应力释放孔(7)内,以降低岩体温度。
说明书 :
一种集成管道、隧道岩爆防治装置及其防治方法
技术领域
地应力深埋隧道,特别是存在高热害问题的隧道。
背景技术
为减能、释能和吸能三类。第一类减能主要通过优化设计开挖参数,减小能量聚集水平,优
化能量分布和大小,如合理设计断面尺寸,优化开挖顺序、进尺等。第二类释能主要通过改
变岩体性质,降低局部岩体的储能能力和实际储能大小,使局部聚集的高能量通过岩体破
裂或变形耗散掉,如钻取超前应力释放孔,喷洒高压水软化岩体等。第三类吸能主要通过支
护结构吸收岩爆冲击能量,如刚性支护,柔性支护和吸能支护等。根据研究成果和工程应用
效果可知,减能防控需要明确待开挖区段的地质条件、岩体的力学性质和开挖卸荷下力学
行为等,这些参数资料进行系统研究,一般较难详尽的获取。吸能防控主要吸收岩爆破坏时
释放的能量,挡住破裂岩体,降低岩块飞出速度,这只能尽可能减小岩爆对设备和人员的损
伤,属于一种被动防护手段。传统的高压注水或水压致裂技术不仅需要大量的水资源,而且
在压裂液中添加的化学物质,对环境污染严重。
慢,而且耗时耗力。同时针对高地温地下工程,特别是涉及穿越活动断裂带的川藏铁路等极
高地应力、超高地温隧道,还应综合考虑岩体内部降温的需要。
发明内容
对超前钻孔进行局部致裂,使钻孔围岩预裂达到应力释放并降温的效果,从而实现高地温
深埋隧道施工时防治岩爆与降温的目的。
外导管,外导管的管壁上也开设释放孔;以及位于外导管内部的内导管,用于安装导线,导
线连通集成管道前端的液态二氧化碳致裂器和集成管道后端的控制驱动模块;其中,外导
管与内导管之间形成输送和释放液态二氧化碳的管道腔;当转动外导管使外导管的释放孔
与薄壁套管的释放孔非对齐时,管道腔形成用于输送液态二氧化碳的通道;当转动外导管
使外导管的释放孔与薄壁套管的释放孔对齐时,释放孔形成释放液态二氧化碳的通道。
孔内,其特征在于,还包括上述的集成管道,集成管道的至少一部分位于超前应力释放孔
内;液态二氧化碳致裂器与集成管道连通,集成管道与液态二氧化碳提供模块相连通;集成
管道与控制驱动模块连接,以控制集成管道输送或释放液态二氧化碳。
口密封器与集成管道连接处设置密封结构。
上的致裂控制开关与液态二氧化碳致裂器电连接;设置在壳体内的转动驱动机构与集成管
道的外导管连接,以带动外导管转动。
送模块;液态二氧化碳储存泵送模块包括泵送电机、液态二氧化碳罐、控制显示屏、泵送加
压控制开关,泵送电机用于将液态二氧化碳罐内的液态二氧化碳泵送至绝热连接管路,泵
送加压控制开关与泵送电机连接,用于控制泵送电机的开启和关闭,控制显示屏用于显示
液态二氧化碳罐内的液态二氧化碳的流速及余量。
气泵还与废气回收储存罐连接,抽气泵用于将超前应力释放孔内的废气通过废气回收连接
管路输送至废气回收储存罐中。
器;
化碳致裂器和集成管道伸入到钻孔中,通过绝热连接管路与液态二氧化碳储存泵送模块相
连,将液态二氧化碳充入液态二氧化碳致裂器,加热引爆致裂岩体,对周围围岩进行应力释
放,再将液态二氧化碳通过集成管道注入钻孔或应力释放孔,相变吸热以实现对围岩降温
的功能,从而达到高地温高地应力深埋隧道岩爆防治的目的。
与释放应力的功效。
有原材料丰富、价格低廉、能量消耗少,对环境污染小,爆破扰动对周围环境影响小的优势。
产生的应力可将岩体二次致裂,采用本装置可对岩体进行二次致裂,应力释放效果更佳。
控,即可掌握降温与二次致裂效果,操作自动化程度高,不需要直接接触液态二氧化碳,保
证了人员作业安全。
附图说明
202、外导管;203、薄壁套管;204、释放孔;205、转动件;401、致裂控制开关;402、转动驱动机
构;4021、驱动部件;4022、转动部件;601、泵送电机;602、液态二氧化碳罐;603、控制显示
屏;604、泵送加压控制开关;801、抽气泵;802、废气回收储存罐;803、废气回收连接管路;
804、废气排放阀门。
具体实施方式
明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理
解本发明,并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
器1位于超前应力释放孔7内。
口处的孔口密封器3与液态二氧化碳提供模块连接。超前应力释放孔7的端口处与孔口密封
器3紧密接触,孔口密封器3用于对超前应力释放孔7进行密封。
化碳致裂器1通过电连接,用于控制液态二氧化碳致裂器1的开启。
器1内的液态二氧化碳达到使用要求,对岩体进行致裂。本实施例中的集成管道2至液态二
氧化碳释放状态可理解为:液态二氧化碳提供模块通过集成管道2向超前应力释放孔7内输
送液态二氧化碳,液态二氧化碳在超前应力释放孔7内汽化吸热,以对岩体进行降温及二次
致裂。
破碎的物理变化,二氧化碳致裂岩体具有震动小、节能环保等方面的优点。同时,液态的二
氧化碳也是一种制冷剂,在其汽化过程中会吸收大量的热量,可实现降温的目的。高温岩体
在极短时间内迅速降温,可将岩体二次致裂,采用本装置可对岩体进行二次致裂,应力释放
效果更佳。
块4与液态二氧化碳致裂器1的导线。内导管201与外导管202之间的空间用于流通液态二氧
化碳。
动件205连接。外导管202与薄壁套管203上均设有释放孔204,且外导管202相对于薄壁套管
203可转动。本实施例中的转动件205可以为轴承或者旋转密封圈,设置转动件可以实现外
导管202的旋转,且外导管202旋转时,内导管201和薄壁套管203不发生转动。当外导管202
与薄壁套管203上的释放孔204孔位重合时,液态二氧化碳释放到超前应力释放孔7内。当外
导管202与薄壁套管203上的释放孔204孔位交错时,可对液态二氧化碳致裂器1进行充液。
当转动件为旋转密封圈,且绝热连接管路5的内径大于外导管202的内径时,旋转密封圈的
外挡圈的外环面抵顶在绝热连接管路5的内壁,旋转密封圈的内滑环的内环面固定在外导
管202上,旋转密封圈的内滑环相对于外挡圈可转动,并且旋转密封圈的内滑环与外挡圈密
封。当然,本发明不限于上述结构,本发明的绝热连接管路5的内径也可以小于外导管202的
内径,当绝热连接管路5的内径小于外导管202的内径时,旋转密封圈的外挡圈的外环面抵
顶在外导管202的内壁,旋转密封圈的内滑环的内环面固定在绝热连接管路5上,实现外导
管202转动时,绝热连接管路5不转动。
连接管路5内的液态二氧化碳顺利流入外导管202内,起到导向的作用;一方面,扩展部的外
端直径增加,可以减少液态二氧化碳流到外导管202与绝热连接管路5连接处,防止液态二
氧化碳泄露。
放孔204与薄壁套管203上的释放孔204位置相互错开,防止液态二氧化碳从释放孔204处泄
出到超前应力释放孔7中。在集成管道2转动至液态二氧化碳释放状态时,外导管202上的释
放孔204与薄壁套管203上的释放孔204位置相对应,使集成管道2内的液态二氧化碳释放到
超前应力释放孔7中,对高温岩体进行降温。
入壳体401内。壳体401的另一侧与绝热连接管路5连接,绝热连接管路5的一端伸入壳体401
内,并与集成管道2的外导管202连接,绝热连接管路5与壳体401固定连接。壳体401主要起
到固定薄壁套管203和绝热连接管路5的作用。
4021与转动部件4022转动连接,转动部件4022与集成管道2的外导管202连接。本实施例中
的驱动部件4021可以为电机,转动部件4022可以为齿轮组或者蜗轮蜗杆结构。例如,当转动
部件4022为齿轮组时,其中一个齿轮与驱动部件的输出轴连接,另一个齿轮套设在外导管
外部并与外导管固定,两个齿轮啮合,驱动部件转动带动齿轮转动,进而带动外导管转动。
403通过导线穿过内导管201与液态二氧化碳致裂器1连接,用于控制液态二氧化碳致裂器1
的开启。内导管201与绝热连接管路5的连接处设置密封圈,防止绝热连接管路5内的液态二
氧化碳泄露。
液态二氧化碳储存泵送模块6。
化碳泵送至绝热连接管路5,泵送加压控制开关604与泵送电机601连接,用于控制泵送电机
601的开启和关闭,控制显示屏603用于显示液态二氧化碳罐602内的液态二氧化碳的流速
及余量。
的流速及流量,根据施工现场要求,可以实现液态二氧化碳的自动控制。
803的另一端与抽气泵801连接。抽气泵801还与废气回收储存罐802连接。抽气泵801用于将
超前应力释放孔7内的废气通过废气回收连接管路803输送至废气回收储存罐802中。废气
回收连接管路803上设置废气排放阀门804,用于打开或关闭废气回收连接管路803。
释放孔7内,最后将超前应力释放孔7与废气回收模块8连通;
致裂器1;
器1能够顺利进入孔内,并满足孔口密封器3能够卡入孔内,达到密封要求;
803上的废气排放阀门804,液态二氧化碳致裂器1与输送集成管道2穿过孔口密封器3进入
超前应力释放孔7中,启动控制驱动模块4的转动驱动机构402,集成管道2的外导管202在转
动驱动机构402的带动下转动,集成管道2的薄壁套管203上的释放孔204与外导管202上的
释放孔204孔位相错,启动液态二氧化碳储存泵送模块6的泵送电机601,对液态二氧化碳致
裂器1进行充液;
体;
802;
合;
液态二氧化碳汽化吸热对围岩进行降温;
此时,高地温岩爆隧道应力释放与降温装置完成一次应力释放与降温;
数量和钻孔布局,孔径大小应满足液态二氧化碳致裂器和集成管道伸入超前应力释放孔内
的要求。
试,调试成功后将液态二氧化碳致裂器和集成管道穿过孔口密封器伸入超前应力释放孔
中,并用孔口密封器堵住孔口,关闭废气回收连接管路上的废气排放阀门。
电机,对液态二氧化碳致裂器进行充液。
管内液态二氧化碳瞬间汽化体积膨胀,当管内气体压力超过泄压释能片极限强度时,气体
冲破泄压释能片,从泄能孔释能出来,瞬间产生强大的气团冲击力,沿着目标体自然裂隙冲
开物料并将其推离主体,从而达到静态爆破致裂岩体的目的。
释放孔内废气经由废气回收连接管路排至废气回收模块的废气回收储存罐。
液态二氧化碳汽化吸热对围岩进行降温并达到二次致裂的效果。
放与降温。
接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连;可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情
况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第二特征“之上”、“上方”和“上面”,可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表
示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”,可以是
第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表
述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以
在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域
的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进
行结合和组合。
实施例进行改动、修改、替换和变型。