一种化学破岩介质及化学辅助破岩方法

摘要

本发明公开了一种化学破岩介质及化学辅助破岩方法，涉及破岩领域。所述的化学破岩介质以重量百分数计的组成如下：乙二胺四乙酸二钠0.625％～2.5％、植酸0.0025％～0.01％、KOH 0.25％～1％，余者为水；其中，乙二胺四乙二酸钠纯度≧99.5%；植酸纯度70%；氢氧化钾纯度≧85%。本发明提供的化学辅助破岩方法，通过安全、环保，高效的化学破岩介质，弱化岩石的力学性能，进而提高刀具破岩效率，减少掘进刀具在破岩过程中的磨损与断裂问题，在破岩领域极具应用前景。

权利要求

1.一种弱化岩石力学性能的化学破岩介质，其特征在于，以重量百分数计的组成如下：

乙二胺四乙酸二钠1.8％、植酸0.007％、KOH 0.27％，余者为水；其中，乙二胺四乙酸二钠纯度≧99.5%；植酸纯度70%；氢氧化钾纯度≧85%；将大理岩浸没在该介质中处理1 min后，大理岩表面溶蚀现象严重，原本的致密结构出现大量微裂纹，起伏更加明显，矿物在介质的作用下被溶蚀流失，原本孤立的裂隙由于矿物颗粒的流失变得相互贯通，产生了很大的孔洞，层理之间的胶结物质基本流失，矿物颗粒之间的联结十分松散。

说明书

一种化学破岩介质及化学辅助破岩方法

技术领域

[0001] 本发明涉及破岩领域，特别是一种化学破岩介质及化学辅助破岩方法。

背景技术

[0002] 我国在建地下工程众多、地质结构复杂，是世界上掘进机需求量最大的国家之一。然而，硬岩破碎困难、掘进效率低，仍是制约我国掘进装备发展的瓶颈问题，亟需提高装备的掘进效率，攻克深部复杂岩体高效破岩等关键技术。

[0003] 隧道掘进、石油钻井等破岩作业多通过刀具在岩石表面的滚压、切削等运动，使岩石产生裂纹，裂纹扩展并相互贯通，形成较大的片状岩屑剥落。岩石种类繁多，大多硬度高且磨蚀性极强，通常刀具难以侵入岩石，导致刀具在岩‑刀界面进行无效摩擦，刀具磨损严重，破岩效率低，大大增加了施工时间和施工成本。

[0004] 针对岩石硬度高、磨蚀性强导致破岩刀具磨损严重、掘进效率低的问题，现有研究主要从刀具性能提升和外加辅助场破岩两个方面进行改进。

[0005] 刀具性能提升主要通过刀具的刃形设计和材料改性来提高破岩刀具的耐磨性能与破岩效率。然而，岩石的非均质性、高磨蚀性和高硬度等固有理化性质使得刀具的破岩性能很难通过刃形设计和材料改性得到大幅提升。

[0006] 通过辅助手段诱发或者增加岩石表面的结构缺陷，可以有效弱化岩石力学性能，降低岩石磨蚀性，进而减轻刀具磨损、提高破岩效率。现有研究主要通过水射流、激光、微波等物理手段弱化岩石力学性能。这些辅助方法在技术上可行，然而，现场使用这些方法的主要问题是能耗可能高达10倍以上，并且物理辅助破岩技术均是通过附加装置在岩石表面产生外加应力场或者热场，现有设备存在稳健性问题；同时，关于利用化学手段辅助岩石破碎的研究鲜有报道，仅有的少数案例是采用强酸、强碱腐蚀岩石，使岩石表面产生缺陷，达到弱化岩石力学性能的目的，但强酸、强碱会腐蚀破岩刀具、污染环境，在实际施工中受到很大限制。

[0007] 中国专利文献有如下公开：“一种化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法”（CN 102720497 B）。

[0008] 在陷落柱岩石中钻孔，注入HC1和CaCl2的混合溶液，陷落柱岩石标准试件在该化学溶液中的浸泡时间为10 20天。利用化学溶液对陷落柱岩石矿物成分的溶解、溶蚀作用，~改变陷落柱岩石的内部结构，减小陷落柱岩石颗粒间作用力，降低陷落柱岩石内部的黏结力，从而弱化陷落柱岩石的力学强度，使得陷落柱岩石软化。该方法中软化岩石的化学溶液呈强酸性，对破岩刀具和设备具有强腐蚀性，并存在环境污染问题。

发明内容

[0009] 本发明的目的旨在提供一种对破岩刀具无腐蚀性、且能迅速弱化岩力学性能的化学破岩介质。

[0010] 本发明的目的是这样实现的：

[0011] 一种弱化岩石力学性能的化学破岩介质，以重量百分数计的组成如下：乙二胺四乙酸二钠0.625％～2.5％、植酸0.0025％～0.01％、KOH 0.25％～1％，余者为水。其中，乙二胺四乙酸二钠纯度≧99.5%；植酸纯度70%；氢氧化钾纯度≧85%。一种弱化岩石力学性能的化学破岩介质，所述乙二胺四乙酸二钠1.8％、植酸0.007％、KOH 0.27％，余者为水。

[0012] 本发明的又一目的是提供采用上述一类化学破岩介质的化学辅助破岩方法。

[0013] 本发明的又一目的是这样实现的：一种基于化学破岩介质的化学辅助破岩方法，包括以下步骤：

[0014] a、配制对岩石力学性能高效弱化作用的环保型化学介质；

[0015] b、在掘进施工时喷洒化学试剂使岩石力学性能劣化或更易产生裂纹；

[0016] c、利用破岩刀具和化学破岩介质的机械‑化学耦合作用对岩石进行破碎。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

[0018] 1、本发明所述化学破岩介质中KOH含量极低，且在植酸的中和作用下，整个溶液的pH值呈中性，对破岩刀具和设备不具有腐蚀性，环保高效，对环境无污染。

[0019] 2、破岩效率显著提高，化学试剂成本低，经济上可行。

[0020] 以天然大理岩为例。大理岩原始硬度约为146.83 HV500g，将大理岩浸没在该介质中处理10 s后，测得大理岩的硬度为139.67 HV500g，降低4.8%，处理30 s后硬度为129.71HV500g，降低11.7%，处理1 min后硬度降低至125.4 HV500g，降低14.6%。

[0021] 3、本发明的化学辅助破岩方法是通过化学破岩介质对岩石的络合/酸解等化学作用，促使岩石表面产生大量微裂纹与缺陷，劣化岩石的力学性能；进而通过刀具对岩石的机械作用，进一步扩展岩石表面的微裂纹与缺陷；同时，由机械作用萌生、扩展的缺陷，为化学试剂提供了渗透通道，进一步诱导岩石内部缺陷和微裂纹的产生和发育，从而使机械去除更容易。

[0022] 本发明针对岩石硬度高、磨蚀性强导致的破岩刀具磨损严重、掘进效率低的问题，设计制备了一种能高效弱化岩石力学性能、且适用于破岩工况的中性化学介质，并提出对应的化学辅助破岩方法。

附图说明

[0023] 图1为该化学介质处理前的大理岩表面形貌（大理岩表面结构致密，无明显缺陷）。

[0024] 图2为该化学介质（实施例1）处理1 min后的大理岩表面。

[0025] 图3为该介质（实施例1）处理前后的大理岩表面硬度随时间处理变化曲线。

具体实施方式

[0026] 从岩石力学性能弱化角度出发，利用安全、环保高效的化学试剂溶蚀岩石矿物颗粒，破坏矿物结构，降低岩石硬度和磨蚀性，再通过机械作用进行破岩，有望实现岩石高效去除，从而提高掘进效率、降低刀具磨损，进而降低施工成本。因此，本专利设计提出了一种能高效弱化岩石力学性能的化学破岩介质。该介质通过三种试剂进行复配，主要通过络合作用在短时间内弱化岩石力学性能，不涉及强酸强碱，且对破岩刀具材料无明显腐蚀性。在此基础上，本专利提出了化学辅助破岩方法。

[0027] 应当理解的是，本发明所述的化学辅助破岩方法具体实施方式，仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明；此外，本发明中，能高效弱化岩石力学性能的中性化学破岩介质所提到的数据范围，是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体参数溶液，这些参数仍然在本发明的保护范围内。三种溶液按任意不同配比混合（本文所给出的三种溶液质量分数范围是为了便于读者理解，实际并不局限于该范围，关于三种溶液按任意质量分数混合配制的介质，均在本发明保护范围内）。

[0028] 本发明的目的是通过安全、环保、高效的化学介质，弱化岩石的力学性能，进而提高刀具破岩效率，减少掘进刀具在破岩过程中的磨损与断裂问题。

[0029] 本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是，一种化学破岩介质及化学辅助破岩方法，其做法是：

[0030] a、配制能高效弱化岩石力学性能的中性环保型化学破岩介质；

[0031] b、在掘进施工时喷洒化学介质使岩石力学性能劣化，更易产生裂纹；

[0032] c、利用破岩刀具和破岩介质的机械‑化学耦合作用对岩石进行破碎。

[0033] 本发明提供的一种弱化岩石力学性能的化学破岩介质，其特征在于，以重量百分数计包括：乙二胺四乙酸二钠0.0625％～2.5％、植酸0.0025％～0.01％、KOH 5％～2％，余者为水。（其中，乙二胺四乙酸二钠：纯度≧99.5%；植酸溶液：纯度70%；氢氧化钾：纯度≧85%）

[0034] 实施例1

[0035] 弱化岩石力学性能的化学破岩介质组成为：乙二胺四乙酸二钠1.8％、植酸0.007％、KOH 0.27％，余者为水；乙二胺四乙酸二钠纯度≧99.5%；植酸纯度70%；氢氧化钾纯度≧85%。

[0036] 自然界大多数岩石的内部含碳酸钙，乙二胺四乙酸二钠是一种络合剂，能络合碳酸钙矿物中的金属离子，溶解岩石表面矿物颗粒，使岩石表面产生缺陷，进而弱化岩石力学性能。

[0037] 图1为该化学介质处理前的大理岩表面形貌，其表面结构致密，无明显缺陷。

[0038] 图2为该化学介质处理1 min后的大理岩表面。将大理岩浸没在该介质中处理1 min后，大理岩表面溶蚀现象严重，原本的致密结构出现大量微裂纹，起伏更加明显，矿物在介质的作用下被溶蚀流失，原本孤立的裂隙由于矿物颗粒的流失变得相互贯通，产生了很大的孔洞，层理之间的胶结物质基本流失，矿物颗粒之间的联结十分松散。

[0039] 图3为该介质处理前后的大理岩表面硬度随时间变化曲线。测得原始大理岩硬度约为146.83 HV500g，将大理岩浸没在该介质中处理10 s后，测得大理岩的硬度为139.67 HV500g，降低4.8%；处理30 s后硬度为129.71HV500g，降低11.7%；处理1 min后硬度降低到125.4 HV500g，降低14.6%。