本发明专利技术公开了一种辅以地应力扰动的射流切割硬岩破碎方法及装置，包括如下步骤：S1，基于掌子面岩体应力分布数据及岩体物性数据，将掌子面岩体划分为岩爆性区和非岩爆性区；S2，采用高压磨料水射流对岩爆性区进行割缝卸压，消除掌子面岩体的岩爆倾向；S3，重新掌子面岩体应力分布数据，确定高压磨料水射流切割参数；S4，沿着节理裂缝发育、平行于层理的位置进行高压磨料水射流切割，辅以地应力扰动增大缝槽、弱化岩体强度，实现岩体大范围破碎；S5，沿着已破碎区周边进行切割破岩，直至掌子面岩体全部剥落。以解决的现有技术中破碎深部硬岩时常常发生的岩爆问题，同时将地应力作用“变废为宝”，结合自调控的水力切割技术，实现硬岩的高效破碎。高效破碎。高效破碎。
【技术实现步骤摘要】
一种辅以地应力扰动的射流切割硬岩破碎方法及装置
[0001]本专利技术涉及深部硬岩破碎领域，具体涉及一种辅以地应力扰动的射流切割硬岩破碎方法及装置。
技术介绍
[0002]全球资源短缺、地面空间不足等重大社会问题迫切需要人类向深地要资源、要空间。岩巷掘进是实现深部资源开采利用的前提。随着掘进的深度不断提升，地应力也不断增大，通常深部、复杂地层岩石的弹性模量、硬度和破坏强度等随之增大，单轴抗压强度往往达到100 MPa以上。目前钻爆法是深部硬岩矿山巷道开挖和采矿的主导方法，通过钻孔、装药、爆破来开挖岩石，但其工序复杂、围岩扰动大、安全性差等，难以实现高效、安全开采。相比于钻爆法破岩，机械破岩法主要通过挤压岩体诱发剪切/拉伸应力达到岩石极限强度时岩石产生裂纹，进而裂纹扩展形成岩石碎块，具有破碎块度大、作业效率高等优点，已经被广泛运用于矿山开采、建筑以及资源勘探等工程领域。然而，针对深部硬岩（f＞10）传统岩体开挖方法存在刀具磨损严重、施工成本高、效率低，难以抵御岩爆，易引发有害气体爆炸，施工危险性大的问题。
[0003]CN105888666A公开了一种深部采场高应力诱导爆破崩矿方法，包括获取深部采场矿岩应力分布及其开采过程中的演化规律，以拉底切割工程作为第一步回采，划分爆破回采区域，选出回采的首采分区Ⅰ，完成首采分区Ⅰ的回采即第二步回采，如此往复，直至整个深部采场全部开采完毕。该方法利用高地应力诱导爆破采矿，虽然将地应力变害为利，提升了采矿效率，但是爆破开采方式仍会存在难以精准控制、危险大等问题。
[0004]CN113153336A公开了一种高压磨料水射流隧道掘进方法，该方法首先确认施工参数，现场试验得到不同加工参数下的缝槽深度和缝槽宽度，划分掌子面网格，高压磨料水射流装置的轴向喷嘴喷射的磨料水射流沿掌子面网格的切割线移动形成缝槽，将剥落下来的岩块运离掌子面。该方法利用磨料水射流的水力切割扰动小，可实现高效破岩且扰动小，安全无污染，但该方法忽略了硬岩自身的极其重要的地应力，而研究表明高地应力会影响水力切割效果。
[0005]综上，现有技术未能达到广大工作者对研制高效、绿色、安全破碎岩石的追求目标，尤其是在深部硬质岩石破碎作业中，亟需一种绿色、高效的破岩技术。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的提供一种辅以地应力扰动的射流切割硬岩破碎方法及装置，以解决的现有技术中破碎深部硬岩时常常发生的岩爆问题，同时将地应力作用“变废为宝”，结合自调控的水力切割技术，实现硬岩的高效破碎。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种辅以地应力扰动的射流切割硬岩破碎方法，其包括如下步骤：S1，基于掌子面岩体应力分布数据及岩体物性数据，将掌子面岩体划分为岩爆性
区和非岩爆性区；S2，采用高压磨料水射流对岩爆性区进行割缝卸压，消除掌子面岩体的岩爆倾向；S3，重新采集割缝卸压后掌子面岩体的应力分布数据，基于采集的应力分布数据确定高压磨料水射流切割参数；S4，沿着节理裂缝发育、平行于层理的位置进行高压磨料水射流切割，辅以地应力扰动增大缝槽、弱化岩体强度，实现岩体大范围破碎；S5，沿着已破碎区周边进行切割破岩，直至掌子面岩体全部剥落。
[0008]进一步，S1中掌子面岩体划分具体为：将掌子面岩体划分为若干个块体，根据掌子面岩体应力分布数据及岩体物性数据计算得到单个块体内部储能，将计算得到的单个块体内部储能与预设值进行比较，若单个块体内部储能≥预设值，则判定该块体为岩爆性区，若单个块体内部储能＜预设值，则判定该块体为非岩爆性区。
[0009]进一步，S2中采用高压磨料水射流对岩爆性区进行网格化切割，网格划分尺寸按照应力分布情况进行合理设定。
[0010]进一步，S3中高压磨料水射流切割参数的确定具体为：利用CCD相机及激光发射器得到掌子面表观的形貌结构及岩体内部节理、裂缝的分布，将割缝卸压后掌子面岩体的应力分布数据以及掌子面表观的形貌结构及岩体内部节理、裂缝的分布数据反馈至处理平台，处理平台对获得的数据进行分析处理，确定掌子面岩体的高压磨料水射流切割参数，所述高压磨料水射流切割参数包括射流压力、靶距、横移速度。
[0011]进一步，S4中进行高压磨料水射流切割时，先切割岩爆性区，后切割非岩爆性区。
[0012]进一步，S1中的掌子面岩体应力分布数据采用超声波应力无损测试法和盲孔应力检测法得到。
[0013]进一步，S4中辅以地应力扰动具体为：非岩爆性区地应力扰动辅助破碎掌子面岩体，在沿着割缝卸压产生的裂缝切割的基础上，选择沿着主应力方向进行割缝，逐步释放岩体能量，实现岩体的大范围破碎。
[0014]一种辅以地应力扰动的射流切割硬岩破碎装置，能够实现本专利技术所述的辅以地应力扰动的硬岩破碎方法，包括行走机构以及固定于行走机构上的磨料水射流机构、超声波应力无损测试机构、三维激光扫描机构和操作机构，所述磨料水射流机构用于形成高压磨料水射流，所述超声波应力无损测试机构和三维激光扫描机构与操作机构连接，所述超声波应力无损测试机构用于获取掌子面岩体表面及内部应力分布特征，所述三维激光扫描机构用于获取掌子面岩体三维形貌特征。
[0015]进一步，所述磨料水射流机构包括磨料罐、水箱、泵体、柔性机械臂和喷嘴，所述磨料罐与水箱连接，所述喷嘴固定于柔性机械臂的活动端上，喷嘴入口通过管路与磨料罐连接，水箱内的水经泵体增压后与磨料罐内的磨料混合，磨料经过高压水的加速形成磨料流体，磨料流体通过管路进入到喷嘴的混合腔中进行二次加速，形成高压磨料水射流。
[0016]本专利技术的有益效果：1、本专利技术在破碎前先采用高压磨料水射流对岩爆性区进行割缝卸压，有效消除了掌子面岩体的岩爆倾向。并且由于将地应力扰动与高压磨料水射流切割相结合，一方面获得了更为准确地破岩参数，另一方面利用流体动态冲击
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粒子磨削高效切割硬岩，借助高压磨料水射流切割产生的缝槽诱导围岩能量分布，辅以地应力扰动实现掌子面岩体的连续化
剥落，实现了岩体的高效破碎。
[0017]2、本专利技术选用了高压磨料水射流切割作为切割岩石的基础，相比于传统的水射流破岩方式，该方法破岩性能更好；相比于机械破岩法，该破岩方法是以水为载体，可实现柔性控制，便于实现自适应切割，适合深部硬岩的切割，极大地提高了岩石切割效率。并且磨料水射流切割以水为载体，以岩石颗粒为磨料，可部分回收利用磨料，相比于传统的破岩手段，该技术不会产生粉尘，且切割岩石成本更低，对环境更友好。
[0018]3、本专利技术采用超声波应力无损测试法和盲孔应力检测法，能够获取深部硬岩体表面及内部开采过程中应力场的变化，实现对深部硬岩的应力场的精细区域划分。
[0019]4、本专利技术所述辅以地应力扰动的硬岩破碎方法在进行矿山开采时，相对于传统的开采方法，该方法开采范围更加精确，提高了采场回采率，降低了矿石贫化率，降低了崩矿大块率，在降低生产成本的同时，极大的改善了破岩效果，实现了深部采场安全高效开采的目的。
附图说明
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种辅以地应力扰动的射流切割硬岩破碎方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，基于掌子面岩体应力分布数据及岩体物性数据，将掌子面岩体划分为岩爆性区和非岩爆性区；S2，采用高压磨料水射流对岩爆性区进行割缝卸压，消除掌子面岩体的岩爆倾向；S3，重新采集割缝卸压后掌子面岩体的应力分布数据，基于采集的应力分布数据确定高压磨料水射流切割参数；S4，沿着节理裂缝发育、平行于层理的位置进行高压磨料水射流切割，辅以地应力扰动增大缝槽、弱化岩体强度，实现岩体大范围破碎；S5，沿着已破碎区周边进行切割破岩，直至掌子面岩体全部剥落。2.根据权利要求1所述的辅以地应力扰动的射流切割硬岩破碎方法，其特征在于，S1中掌子面岩体划分具体为：将掌子面岩体划分为若干个块体，根据掌子面岩体应力分布数据及岩体物性数据计算得到单个块体内部储能，将计算得到的单个块体内部储能与预设值进行比较，若单个块体内部储能≥预设值，则判定该块体为岩爆性区，若单个块体内部储能＜预设值，则判定该块体为非岩爆性区。3.根据权利要求1或2所述的辅以地应力扰动的射流切割硬岩破碎方法，其特征在于，S2中采用高压磨料水射流对岩爆性区进行网格化切割，网格划分尺寸按照应力分布情况进行合理设定。4.根据权利要求1或2所述的辅以地应力扰动的射流切割硬岩破碎方法，其特征在于，S3中高压磨料水射流切割参数的确定具体为：利用CCD相机及激光发射器得到掌子面表观的形貌结构及岩体内部节理、裂缝的分布，将割缝卸压后掌子面岩体的应力分布数据以及掌子面表观的形貌结构及岩体内部节理、裂缝的分布数据反馈至处理平台，处理平台对获得的数据进行分析处理，确定掌子面岩体的高压磨料水射流切割参数，所述高压磨料水射流切割...
【专利技术属性】
技术研发人员：葛兆龙，周哲，尚雪义，刘文川，李倩，柳磊，上官剑铭，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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