CN118463736A - 基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，属于岩石开挖技术领域，通过压力传感器实时监测爆燃气体压力值，可以针对不同的施工场景或岩石类型精准调控高压冲击能量，改善破岩质量、提高作业效率。该基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法包括以下步骤：S1、清理场地：S2、开辟初始临空面：S3、布设钻孔：S4、泄压头入孔：S5、装填增压聚能药剂：S6、封孔：启动封隔器挤压封孔胶囊致其完全膨胀，完成封孔；S7、覆盖炮被或沙袋：S8、安全警戒、充注空气：S9、激发：根据当次钻孔参数和孔周范围内的岩石情况设置气体释放压力值，激发增压聚能药剂燃烧反应；S10、现场检查：S11、设备移位、机械清渣。

Description

基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法

技术领域

本发明属于岩石开挖技术领域，具体涉及基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法。

背景技术

随着我国国民经济快速发展，水利、交通、能源、市政、环境保护等基础设施领域建设投入持续加大，越来越多的建设工程临近已有建筑物、交通线，或位于建筑物下部、靠近人流集中的复杂敏感施工环境中。此类情况下传统炸药爆破应用受限，岩石开挖难度大、安全风险高、成本费用高、进度控制难等问题愈渐凸显。

为此，近年来逐渐发展起来一些非爆破破岩方法，例如机械破碎、液压劈裂、静态膨胀、二氧化碳爆破等。但在实际应用中，上述方法也表现出部分弊端：机械破碎振动小，软岩比较适合，但存在噪声大，硬岩开挖难，施工效率低等缺点；静态膨胀剂破岩对周边环境影响小，但效率低；二氧化碳爆破技术相对效率较高和环境影响小，但需带压作业且涉及危化品管理，安全性相对低，部分地区被禁止使用。

在二氧化碳爆破的基础上，CN201820893215.4公开了一种干冰粉动态破岩装置及干冰粉动态破岩系统，其主要做了以下两点改进：1、选用干冰替代原液态二氧化碳作为相变基质，降低了施工过程中高压二氧化碳气体灌装的危险性；2、研发本安型聚能剂(CN105884562A，二氧化碳基强活性聚能剂及其制备方法)替代原化学药剂作为热源，能够避免危化品的运输、存储和使用，从而提高了整体的市场准入性。为进一步提升该技术破岩效率，美国专利US11634986B2公开了一种超临界流体钻爆一体化双臂凿岩台车及其操控方法，该装备集成了钻孔、封孔(CN116291299B，一种可快速回弹压缩式油缸封隔器)、充注超临界流体、冲击破岩等多项功能，可以实现钻、爆连续作业。

但针对实际工程有很多施工问题尚未形成专业的施工方法，尤其在复杂敏感施工环境下；此外现场作业时，该装备部分操控仍可进一步优化，针对所述问题，本发明提供了基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法。

发明内容

(1)要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，该基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法通过压力传感器实时监测爆燃气体压力值，可以针对不同的施工场景或岩石类型精准调控高压冲击能量，改善破岩质量、提高作业效率。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了这样基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，该基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法包括以下步骤：

S1、清理场地；

超临界流体冲击破岩装备进场前应先做好作业场地清理工作，尤其要将场地上覆土层、松散岩层清除。必要时，需铺筑临时进场道路，准备满足施工要求的供水、排水、供电，以及临时建筑等基础设施；

S2、开辟初始临空面；

对于天然边坡，可借助既有坡面作为初始临空面；否则，需提前预制临空面，且预制临空面深度不应小于石方分层开挖高度，一般取1.5-2.5m；

S3、布设钻孔；

根据作业场地内的岩石强度、岩体完整性、分层开挖深度开展钻孔参数设计，包括钻孔排距、孔距、深度、倾角等；严格按照设计参数测量放样，钻孔完成后检验是否符合设计要求；

S4、泄压头入孔；

调整超临界流体冲击破岩装备位置、机械臂等，使搭载在机械臂上的致裂器角度与钻孔一致、泄压头与钻孔孔口对齐，而后将致裂器整体向钻孔方向推进，直至封隔器封孔胶囊入孔深度超过20cm或延长杆完全进入孔内；若致裂器推进困难，应立即停止，待泄压头与封隔器完全退出孔外后，继续调整致裂器位置与角度，再重复入孔操作；

S5、装填增压聚能药剂；

通过人工/泵送的方式向致裂器爆燃仓内装填增压聚能药剂，为避免致裂器竖直状态下增压聚能药剂受重力下沉而接触不到激发点，增压聚能药剂装填量应尽量超过爆燃仓容积的一半；

S6、封孔；

启动封隔器挤压封孔胶囊致其完全膨胀，完成封孔。封孔的目的在于防止高压气体提前逸散，提高能量利用率，否则易造成破岩效果不良。封孔胶囊数量一般设置3枚，合计长度不少于30cm；

S7、覆盖炮被或沙袋；

以炮被或沙袋覆盖钻孔周围岩体，预防激发时引起的飞石，尤其在复杂的敏感环境下，必要时也可以在工作面周围设置部分避炮室、避炮棚、临时围挡等避炮掩体；

S8、安全警戒、充注空气；

除设备操作人员外，作业区域内所有人员撤离至30m以外；设备操作人员在激发完成前严禁随意离开驾驶室，以防发生误激发风险。所有人员撤离后，打开空压机向致裂器爆燃仓内充注空气，至初始压力(40MPa左右)后停止；

S9、激发；

设备操作人员根据当次钻孔参数和孔周范围内的岩石情况设置气体释放压力值，一般取60-100MPa，钻孔参数大、岩石硬可取大值，反之取小值；环视四周再次确认人员撤离情况后，激发增压聚能药剂燃烧反应，完成激发；若激发失败，必须先手动释放初始压力后再进行维检等操作；

S10、现场检查；

设备操作人员确认爆燃仓内压力释放情况，确保安全后检查当次破岩效果以及设备前端是否受到飞石损坏；

S11、设备移位、机械清渣；

解除封孔、致裂器归位，移机至下一作业点位循环开展步骤S3-S11，直至完成所有破碎任务；对于已作业区域，视当次破岩效果继续进行二次破碎及挖机清渣。

优选的，所述步骤S1中作业场地上覆土层或松散岩层厚度不得超过10cm。

优选的，所述步骤S3在钻孔时采用105-115mm型钻头，优选110mm钻头，其余钻孔参数应与设计参数一致，其中设计钻孔深度应略大于分层开挖高度；若遇到局部夹泥层，或出现塌孔等现象，应在点位附近重新布点钻孔。

优选的，所述步骤S4在泄压头入孔前应先将孔内充满水，尤其设计孔深较大(≥2m)时。

优选的，所述步骤S5中如果人工装填粉末状增压聚能药剂，则装填质量不宜少于400g；如果选择泵送泡沫状增压聚能药剂，则泵送时间不宜低于2min。

优选的，所述步骤S6中的封隔器封孔胶囊需依据使用磨损情况及时更换。

优选的，所述步骤S9在激发前应再次确认致裂器爆燃仓初始压力，必要时需再次充注空气补压。

(3)有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)能量可控，超临界流体冲击破岩装备通过压力传感器实时监测爆燃气体压力值，可以针对不同的施工场景或岩石类型精准调控高压冲击能量，改善破岩质量、提高作业效率；

2)本质安全，超临界流体冲击破岩装备生产、运行不涉及任何危化品的运输、存放和使用，不受相关监管影响，市场准入性好；

3)绿色环保，超临界流体冲击破岩装备以空气作为冲击介质、生物质材料作为增压聚能药剂，节能减排特点突出；此外，作业过程中的振动、噪声等环境有害效应较弱，明显小于炸药爆破和机械破碎；

4)快捷高效，超临界流体冲击破岩装备机械化程度高，且最高冲击压力可以达到200MPa以上，能够重复循环作业，在中硬岩和硬岩条件下，其破岩效率约为机械破碎的2-3倍。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明泄压头入孔的步骤流程图；

图3为本发明安全警戒、充注空气的步骤流程图；

图4为本发明的钻孔布设示意图；

图5为本发明的封孔示意图。

附图中的标记为：1、传力垫块；2、封孔胶囊；3、支撑垫块；4、固定垫块；5、泄压头；51、泄压口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本具体实施方式是基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，如图1-5所示，该基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法包括以下步骤：

S1、清理场地；

超临界流体冲击破岩装备进场前应先做好作业场地清理工作，尤其要将场地上覆土层、松散岩层清除，必要时，需铺筑临时进场道路，准备满足施工要求的供水、排水、供电，以及临时建筑等基础设施；

S2、开辟初始临空面；

对于天然边坡，可借助既有坡面作为初始临空面；否则，需提前预制临空面，且预制临空面深度不应小于石方分层开挖高度，一般取1.5-2.5m；

S3、布设钻孔；

根据作业场地内的岩石强度、岩体完整性、分层开挖深度开展钻孔参数设计，包括钻孔排距、孔距、深度、倾角等；严格按照设计参数测量放样，钻孔完成后检验是否符合设计要求；

S4、泄压头入孔；

调整超临界流体冲击破岩装备位置、机械臂等，使搭载在机械臂上的致裂器角度与钻孔一致、泄压头与钻孔孔口对齐，而后将致裂器整体向钻孔方向推进，直至封隔器封孔胶囊入孔深度超过20cm或延长杆完全进入孔内；若致裂器推进困难，应立即停止，待泄压头与封隔器完全退出孔外后，继续调整致裂器位置与角度，再重复入孔操作；

S5、装填增压聚能药剂；

通过人工/泵送的方式向致裂器爆燃仓内装填增压聚能药剂，为避免致裂器竖直状态下增压聚能药剂受重力下沉而接触不到激发点，增压聚能药剂装填量应尽量超过爆燃仓容积的一半；

S6、封孔；

启动封隔器挤压封孔胶囊致其完全膨胀，完成封孔。封孔的目的在于防止高压气体提前逸散，提高能量利用率，否则易造成破岩效果不良。封孔胶囊数量一般设置3枚，合计长度不少于30cm；

S7、覆盖炮被或沙袋；

以炮被或沙袋覆盖钻孔周围岩体，预防激发时引起的飞石，尤其在复杂的敏感环境下，必要时也可以在工作面周围设置部分避炮室、避炮棚、临时围挡等避炮掩体；

S8、安全警戒、充注空气；

除设备操作人员外，作业区域内所有人员撤离至30m以外；设备操作人员在激发完成前严禁随意离开驾驶室，以防发生误激发风险。所有人员撤离后，打开空压机向致裂器爆燃仓内充注空气，至初始压力(40MPa左右)后停止；

S9、激发；

设备操作人员根据当次钻孔参数和孔周范围内的岩石情况设置气体释放压力值，一般取60-100MPa，钻孔参数大、岩石硬可取大值，反之取小值；环视四周再次确认人员撤离情况后，激发增压聚能药剂燃烧反应，完成激发；若激发失败，必须先手动释放初始压力后再进行维检等操作；

S10、现场检查；

设备操作人员确认爆燃仓内压力释放情况，确保安全后检查当次破岩效果以及设备前端是否受到飞石损坏，具体工作时，可在致裂器爆燃仓空气充注口附近安装压力传感器，用于检测仓内压力，压力传感器的型号为P1200压力传感器，可使用但不限于改型号；

S11、设备移位、机械清渣；

解除封孔、致裂器归位，移机至下一作业点位循环开展步骤S3-S11，直至完成所有破碎任务；对于已作业区域，视当次破岩效果继续进行二次破碎及挖机清渣。

本发明中，所述步骤S1中作业场地上覆土层或松散岩层厚度不得超过10cm。

本发明中，所述步骤S3在钻孔时采用105-115mm型钻头，优选110mm钻头，其余钻孔参数应与设计参数一致，其中设计钻孔深度应略大于分层开挖高度；若遇到局部夹泥层，或出现塌孔等现象，应在点位附近重新布点钻孔。

本发明中，所述步骤S4在泄压头入孔前应先将孔内充满水，尤其设计孔深较大(≥2m)时。

本发明中，所述步骤S5中如果人工装填粉末状增压聚能药剂，则装填质量不宜少于400g；如果选择泵送泡沫状增压聚能药剂，则泵送时间不宜低于2min。

本发明中，所述步骤S6中的封隔器封孔胶囊需依据使用磨损情况及时更换。

本发明中，所述步骤S9在激发前应再次确认致裂器爆燃仓初始压力，必要时需再次充注空气补压。

为了使发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，如下进行举例说明。

例如某工程因设计变更，已建桥洞下方地面标高需进一步下降，考虑到该处基岩出露、岩石强度高，且受既有桥体、临近住宅施工安全限制，无法采用传统炸药爆破开挖，只能采用机械开挖(液压镐头机破岩)，为加快施工进度、降低环境影响，该工程特此引进本发明的方法开展现场破岩作业，具体施工方法如下：

S1、清理场地：

在桥洞两侧修筑临时围堰并将桥洞内积水抽干，清理基岩上部淤泥和松散碎石，铺筑超临界流体冲击破岩装备进场道路；

S2、开辟初始临空面：

由于作业区域内不存在天然边坡，临近一侧桥墩开辟高2m、宽1.5m、长38米的沟槽作为初始临空面；

S3、布设钻孔：

根据作业场地内的岩石强度、岩体完整性、分层开挖深度开展钻爆参数设计，如图4所示，本实施例中孔径110mm、孔距2m、排距1.5m、孔深2.2m、倾角90°，钻孔确保与设计参数一致；

S4、泄压头入孔：

调整超临界流体冲击破岩装备位置、机械臂等，将致裂器泄压头推入钻孔内，如图5所示，封隔器封孔胶囊入孔深度超过20cm；

S5、装填增压聚能药剂：

通过泵送向的方式向致裂器爆燃仓内装填增压聚能药剂，泵送时间4min；

S6、封孔：

启动封隔器挤压封孔胶囊致其完全膨胀，完成封孔；

S7、覆盖炮被或沙袋：

在钻孔上方覆盖2张1.5m*1.5m的橡胶炮被，防止桥体装饰受飞石损坏；

S8、安全警戒、充注空气：

除设备操作人员外，作业区域内所有人员撤离至桥洞外；打开空压机向致裂器爆燃仓内充注空气至38MPa；

S9、激发：

设备操作人员设置气体释放压力值70MPa，激发加热7s左右增压聚能药剂发生爆燃，将致裂器爆燃仓内空气压力由38MPa瞬间提升至70MPa，并自动释放；

S10、现场检查：

致裂器爆燃仓压力表显示归0后完成当次压力释放，设备操作人员检查当次破岩效果；

S11、设备移位、机械清渣：

解除封孔、致裂器归位，移机至下一钻孔点位循环开展步骤S3-S11；当次破岩区域由液压搞投机继续进行二次破碎，最终挖机完成清渣。

本实施例中的所有技术特征均可根据实际需要而进行自由组合。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、清理场地：预先将场地进行清除，并铺筑临时进场道路，满足基本施工条件，方便后续超临界流体冲击破岩装备进场；

S2、开辟初始临空面：为施工提供了必要的空间，使得施工人员和设备能够进入工作区域进行挖掘、装载、运输等操作；

S3、布设钻孔：根据作业场地内的岩石强度、岩体完整性、分层开挖深度开展钻孔参数设计，并进行测量取样和钻孔施工，并在钻孔施工完成后进行检验；

S4、泄压头入孔：为岩体提供应力释放的通道，避免应力集中导致的岩体破裂或坍塌；

S5、装填增压聚能药剂：通过人工/泵送的方式向致裂器爆燃仓内装填增压聚能药剂；

S6、封孔：启动封隔器挤压封孔胶囊致其完全膨胀，完成封孔；

S7、覆盖炮被或沙袋：以炮被或沙袋覆盖钻孔周围岩体，预防激发时引起的飞石；

S8、安全警戒、充注空气：

S9、激发：根据当次钻孔参数和孔周范围内的岩石情况设置气体释放压力值，激发增压聚能药剂燃烧反应，若激发失败，必须先手动释放初始压力后再进行维检等操作；

S10、现场检查：设备操作人员确认爆燃仓内压力释放情况，确保安全后检查当次破岩效果以及设备前端是否受到飞石损坏；

S11、设备移位、机械清渣：解除封孔、致裂器归位，移机至下一作业点位循环开展后续工作。

2.根据权利要求1所述的基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，其特征在于，所述S1中的场地包括两种：

一种是边坡岩土场地，需要对将场地上覆土层、松散岩层清除，作业场地上覆土层或松散岩层厚度不得超过10cm；

另一种为桥洞岩土场地，需在桥洞两侧修筑临时围堰并将桥洞内积水抽干，清理基岩上部淤泥和松散碎石；

所述S1中基本施工条件包括供水、供电、排水以及临时建筑等基础设施等。

3.根据权利要求1所述的基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，其特征在于，所述S2中的初始临空面的开辟包括三种情况：

对于天然边坡，可借助既有坡面作为初始临空面；

没有天然边坡的，需要提前预制临空面，且预制临空面深度不应小于石方分层开挖高度，所述预制临空面的深度一般为1.5-2.5m；

对于桥墩周围作业区域内不存在天然边坡，临近一侧桥墩开辟高2m、宽1.5m、长38米的沟槽作为初始临空面。

4.根据权利要求1所述的基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，其特征在于，所述S3中的钻孔参数设计包括钻孔排距、孔距、深度、倾角等。

5.根据权利要求1所述的基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，其特征在于，所述S4中泄压头入孔依次包括以下几个步骤：

A1、设备准备工作：调整超临界流体冲击破岩装备位置、机械臂等，使搭载在机械臂上的致裂器角度与钻孔一致、泄压头与钻孔孔口对齐；

A2、将致裂器整体向钻孔方向推进，直至封隔器封孔胶囊入孔深度超过20cm或延长杆完全进入孔内；

A3、若致裂器推进困难，应立即停止，待泄压头与封隔器完全退出孔外后，继续调整致裂器位置与角度，再重复入孔操作。

6.根据权利要求1所述的基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，其特征在于，所述S5中的装填增压聚能药剂，在装填时需要注意，为避免致裂器竖直状态下增压聚能药剂受重力下沉而接触不到激发点，增压聚能药剂装填量应尽量超过爆燃仓容积的一半，当人工装填粉末状增压聚能药剂，则装填质量不宜少于400g，若选择泵送泡沫状增压聚能药剂，则泵送时间不宜低于2min。

7.根据权利要求1所述的基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，其特征在于，所述S6中的封孔，可以防止高压气体提前逸散，提高能量利用率，所述S6中的封孔胶囊数量一般设置3枚，整体封孔胶囊的长度≥30cm，所述S6中的封隔器封孔胶囊需依据使用磨损情况及时更换。

8.根据权利要求1所述的基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，其特征在于，所述S7中为防止引起的飞石飞溅造成伤害，在复杂的敏感环境下，必要时也可以在工作面周围设置部分避炮室、避炮棚、临时围挡等避炮掩体。

9.根据权利要求1所述的基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，其特征在于，所述S8中安全警戒、充注空气包括以下步骤：

B1、除设备操作人员外，作业区域内所有人员撤离至30m以外；

B2、设备操作人员在激发完成前严禁随意离开驾驶室，以防发生误激发风险；

B3、所有人员撤离后，打开空压机向致裂器爆燃仓内充注空气，至初始压力(40MPa左右)后停止。

10.根据权利要求1所述的基于超临界流体冲击破岩装备的石方明挖施工方法，其特征在于，所述S9中的气体释放压力值为60-100MPa，在具体工作时，气体释放压力值可随钻孔参数、岩石硬度进行调整。