[发明专利]一种基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的结构及方法

说明书

本发明涉及一种基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的结构及方法，先将高压水注入深地岩层中，完成第一次高地应力的释放；冷媒液将冷能传导至高压水，水达到相变温度发生体积膨胀，并使得岩层裂隙进一步伸展，完成第二次高地应力的释放；停止循环冷媒液，冰融化成水后完成第三次高地应力的释放。本发明是利用相变原理进行高地应力释放，从而减少岩爆、提高凿岩速率。

技术领域

本发明属于深地能源开发中应力预释放方法，具体涉及一种基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的结构及方法。

背景技术

深地往往具有高温高压的特点，其中岩爆现象作为高地应力特征的典型现象。岩爆现象在深地凿岩破岩中普遍存在，极大影响了深地能源开采进程，并严重威胁深地开采过程中的人员、财产安全，成为了深地能源开发过程中亟待解决的技术问题。例如，2016年8月15日，在山东济宁梁宝寺煤矿深地开发中发生了岩爆事故，造成2人伤亡，并对其进行高额赔款；2014年3月9日，云南省贡山县独龙江公路隧道施工现场发生岩爆事故，造成3名施工人员死亡;2011年11月3日，在河南义马的煤矿深地开发中发生岩爆事故，致10人死亡。

因此，为了保证深地凿岩施工进程和人员安全，必须采用必要、合理、有效的应力预释放措施。而事实上，目前针对深地高地应力预释放工程措施已经开展了诸多研究，并取得了较为显著的效果。具体做法主要包括：（1）通过对高地应力区预钻孔释压；（2）通过弱爆破法对高地应力区进行应力释放;（3）通过对高地应力区喷冷水进行应力释放.但以上3种方法仍存在一些明显的不足，具体表现为：（1）通过钻孔虽然可以解决应力释放的问题，应力释放比较缓慢，给工作人员带来一定的危险，但要想应力释放的速度加快，需要加大钻孔的密度，延长了工期、增加了生产成本并缩短钻孔机的寿命。（2）①采用钻爆法很难控制药量的多少和光面爆破效果，进而导致周边围岩的扰动。②施工中因爆破震动触发岩爆发生。③不能严格控制孔深和爆破深度。（3）喷撒冷水可以在一定程度上降低表层的围岩强度，改善围岩的物理力学性能。但这只是对于强度较低的岩体也许有显著作用 , 而对于强度较高、性脆的岩体则很难达到理想效果。基于以上现状分析，考虑如何选择安全、高效、快速的应力预释放方法，将对于后期深地能源安全开发具有重要的现实作用及长远意义。

发明内容

为了安全、高效、快速的释放深地凿岩的预应力，本发明提供了一种基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的结构及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种深地高地应力释放结构，包括：多个应力释放孔，每个所述应力释放孔内设有可循环冷媒液的U型循环管，每个所述应力释放孔的开口处均设有密封塞，该密封塞的中心处设有与应力释放孔连通的注水管，所述注水管将水引流至应力释放孔的内腔，并使得水自内腔渗入岩层裂缝中；

所述U型循环管的两个自由端穿出密封塞后与冷媒储存罐连接。

上述的一种深地高地应力释放结构，所述应力释放孔的孔径为90mm～110mm，所述应力释放孔的孔深为5m ～7m，相邻两个应力释放孔的孔间距为0.5m～1m。

上述的一种深地高地应力释放结构，所述U型循环管的弧形管段的周壁上设有中空的感应环，该感应环的内腔设有温度传感器和压力感应计，所述温度传感器和压力感应计的传感头穿出感应环，以实现对水温度和压力的实时采集；

所述温度传感器和压力感应计的输出端与控制系统连接。

上述的一种深地高地应力释放结构，所述U型循环管的竖直管段为螺旋盘管结构，所述U型循环管为铜管。

一种基于相变导向预裂实现深地高地应力释放的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用凿岩台车对岩层开设多个应力释放孔；

步骤二、向每个应力释放孔内插入U型循环管和注水管，在应力释放孔的开口处安装密封塞，并使U型循环管和注水管的自由端穿出密封塞；