CN100554644C - 通过含有从切削头突出的硬化钢盘片的隧道挖凿机的方式挖凿硬质岩石的方法 - Google Patents

Abstract

通过在切削头处添加发泡的含水液体组合物的方式降低隧道挖凿机切削头磨损的方法，所述组合物包含发泡剂和润滑剂，所述润滑剂选自高分子量聚环氧乙烷和膨润土。优选的发泡剂是阴离子和非离子表面活性剂。硬质岩石的TBM挖凿切削元件的磨损率被显著地降低。还描述了降低磨损用可发泡浓缩液。

Description

通过含有从切削头突出的硬化钢盘片的隧道挖凿机的方式挖凿硬质岩石的方法

本发明涉及在硬质岩石中挖凿隧道的方法和辅助此类挖凿的组合物。

背景技术

在硬质岩石如石灰岩、变成岩或火成岩中挖凿隧道总会比在较软的岩石中挖凿呈现出更多的问题。在此类岩石中进行隧道挖凿最常用的方法是钻炮眼，接着用炸药爆破。人们希望用隧道挖凿机(TBM)-具有大直径切削头(有时超过10m)的机械来进行硬质岩石的隧道挖凿。在此类岩石中使用TBM的主要问题是切削元件(从切削头突出的硬化钢盘片)的快速磨损和必须频繁的进行更换，从操作和经济的角度来讲，这都是不利的。

发明内容

现在发现使用特定的组合物能够显著地降低这种磨损，使利用TBM对硬质岩石的挖凿更为高效和经济。因此，本发明通过在切削头上添加发泡的含水液体组合物提供了降低隧道挖凿机切削头磨损的方法，该组合物包含发泡剂和润滑剂，所述润滑剂选自高分子量的聚环氧乙烷和膨润土。

所述发泡剂可以是任何发泡剂，即在水中搅拌时能导致稳定泡沫形成的任意材料。在本发明中，可以将一种以上的此类发泡剂用于组合物中。多种此类材料在本领域内是已知的。本发明中优选用作发泡剂的材料是表面活性剂，即兼具亲水成分和疏水成分的材料。虽然可以使用任何适宜的表面活性剂，但发现，为了本发明的目的，效果最佳的表面活性剂是阴离子或非离子型的，它们是优选表面活性剂。

如果所述表面活性剂是阴离子型的，则优选含硫酸盐的表面活性剂，更优选醇硫酸盐，最优选月桂基硫酸盐。许多适宜的材料是本领域已知的，特别优选材料的实例是单异丙醇胺月桂基硫酸盐(例如，可以以“Sulfetal”Cjot 60的商品名购得)。

尽管阴离子表面活性剂的性能优异，但如果环境因素作为重要考虑，则它们的应用就不理想了。由于环境的原因，优选短寿命的泡沫，即仅在泡沫产生和从切削面上除去发泡液之间的时间内保持泡沫。由阴离子表面活性剂形成的泡沫非常稳定和持久，有时在远离作业点的河流中可以发现它。在这种情况下，优选非离子表面活性剂；它们在作业点的性能也非常优异，但它们会更快地生物降解，所生成的全部泡沫只持续较短的时间。另外，认为非离子表面活性剂的分解成分比阴离子型的有害性低，因此它们对植物和动物的毒性危险较低。

适用于本发明中的有效非离子表面活性剂的实例包括链烷醇酰胺、氧化胺(aminoxide)、乙氧基化的醇、乙氧基化的烷基酚、乙氧基化的酯、葡萄糖和蔗糖酯及其衍生物。特别有效的是葡萄糖和蔗糖酯及其衍生物，特别是烷基多聚葡萄糖。这些中典型的商用实例包括“Lutensol”(商标)GD70(购自BASF)和“Glucopon”(商标)(购自Cognis)。

所述润滑剂可以选自两种不同材料中的一种，这两种都易于商购获得。“高分子量”聚环氧乙烷(PEO)指的是重均分子量至少为1,000,000的PEO。分子量优选为2,000,000-8,000,000。以前，这样的材料曾用于用TBM的隧道挖凿中，但从未用于硬质岩石的挖凿。典型的商购材料包括POLYOX(注册商标)WSR-301。可以采用各种PEO的混合物，虽然是一种聚合物，但却是具有分子量分布的PEO，因此，这本质上是不同材料的混合物。

替换用的润滑剂是膨润土。这种粘土材料已经是公知的钻探泥浆成分，也曾用于一些TBM用途中。然而，为实现这一特定目的，上述与发泡剂的组合应用是新颖的。任何商购的膨润土适合用于本发明的目的，典型实例为“Tixoton”(商标)。

通过加入适量的水制备所述组合物以供使用。虽然提供干组合物在理论上是可能的并且不排除在本发明之外，但这是不实用的。其原因之一是这带来了在作业点制备液体组合物的任务，而这是困难的，特别是使用高MW的PEO时，其虽可溶于水，但溶解困难。另外，其它的商购添加剂(以下进一步描述)通常仅以溶液或悬浮液形式提供。

有两种方法来克服这些困难。第一种是提供一系列单独水溶性成分的组合物，各种成分可以以精确的独立比例相对于较大量的水以进行发泡计量。这样，以含水的形式单独地提供了PEO和/或膨润土、发泡剂和任意的任选成分(以下进一步描述)。所需的容器和计量工具是本领域所熟知的，因此这里无需赘述。该方法具有多适应性的优点-依据可能的情况，各成分的量可以改变以适应所出现的局部条件，任意任选的成分可以包含在内或不被包含。甚至可以包括两种类型的润滑剂(PEO和膨润土)，并可以相互替换。当然，缺点是引入了另一样设备及相关的费用和维修问题。

对大多数用途而言更理想的方法是提供浓缩液-具有适当比例的必要成分的水溶液或悬浮液，其能够迅速而便捷地应用。在作业点稀释浓缩液和使稀释的浓缩液发泡是毫无问题的。不需要之前所简要描述的计量方式的多样性，因为其应用的简便性和较为低廉的成本，这是极为优选的。

在以下段落中述及的备成分的量涉及含水组合物，其包含干燥成分加上充足量的水，以提供含水形式的各独立成分以按上述单独进行计量，或用来制备上述的含水浓缩液。可以将所述组合物制成含水最高达100％。这不包括最后的稀释和发泡用水(其量参见下文)。

在将PEO用作润滑剂的情况下，PEO的用量为0.1-3.0％，优选0.4-2.0％，更优选0.5-1.0％，基于浓缩液重量计。发泡剂的对应量为2-40％，优选5-30％，更优选5-20％。

如果将膨润土用作润滑剂，用量为2-30％，优选2-25％，更优选2-20％，发泡剂的对应量为2-40％，优选4-20％，更优选5-15％。

可以向本发明使用的组合物中加入其它成分。特别有用的两种成分是螯合剂和泡沫促进剂。在PEO为润滑剂的组合物中它们通常更为有效，但它们也可以与膨润土共用。另外，在优选的情况中，它们更经常与阴离子表面活性剂一起使用；对非离子表面活性剂它们几乎无效。对螯合剂来说尤其如此。

存在螯合剂是为了解决在最终发泡液制备中由于使用硬水而引起的问题-硬水会造成发泡剂沉淀而致使组合物失效。如果不存在硬水，自然也无需螯合剂，但加入该试剂能提供可用于任何水质条件的组合物，因此在任何情况下其总是备用的。可以采用任意适宜的螯合剂，其用量至多为5％，优选0.1-5％，更优选0.5-2％，最优选1-1.5％。适用于本发明中的一个螯合剂实例是“Cublen”(商标)K2523。

类似地，泡沫促进剂可以是任何适宜的材料。用量至多为10％，优选0.1-10％，更优选0.1-1％。适用于本发明的泡沫促进剂的一个实例是“Aromox”(商标)MCD-W。

本发明还提供了降低磨损用的可发泡浓缩液，其由至少一种选自高分子量聚环氧乙烷和膨润土的润滑剂和至少一种能产生短寿命泡沫的发泡剂组成，还任选含有至少一种螯合剂和至少一种泡沫促进剂，存在的量分别为：

(a)在聚环氧乙烷作为润滑剂的情况下：

0.1-3％聚环氧乙烷；

2-40％发泡剂；

至多为5％的螯合剂；和

至多为1％的泡沫促进剂；

和(b)在膨润土作为润滑剂的情况下：

2-30％膨润土；和

2-40％发泡剂；

基于浓缩液重量计，其余为水。

在使用中，在浓缩液的情况下，将浓缩液加入适量水中并发泡，然后泵送至旋转的切削头并在切削头和岩石的界面处注入。在各单独成分计量体系的情况下，将所需量的含水成分计量入适量水中并发泡。典型地，用水稀释前述的浓缩液/各独立成分以提供含有1-20％，优选含1-10％，更优选1-8％，最优选1-6％的浓缩液/各独立成分的含水组合物。

通过任何便捷的方式使该经稀释的组合物发泡，以产生5-40，优选5-20，更优选8-20倍于未发泡材料体积的体积膨胀。

浓缩液/各独立成分的实际稀释率及其发泡量因具体环境而有很大变化。诸如切削头直径、注射喷嘴的个数和位置及岩石质地的因素会产生重要影响。基本要求是要在切削头的整个面积内保持一个与岩石面接触的泡沫层。实现这一要求是个常规的试验问题，本领域技术人员容易做到。上述类型的浓缩液的典型数字为0.5-10.0，优选0.5-6.0，更优选1-4公斤浓缩液/m³除去的岩石。如果加入的是独立的含水成分，可以容易地计算出对应的量。需要强调的是这些数字仅作为一般性指标来提供，特定的条件可能需要更低或更高量的各独立成分或浓缩液。

本发明一个令人吃惊的特征是：使用上述含水的液体组合物导致了硬质岩石中切削元件磨损的显著降低，致使切削头寿命延长和更换频率下降，因此，造成更佳的和更经济的隧道挖凿。据信，在不以任何方式限制本发明范围的情况下，在TBM钻面上产生的细小物料被所述含水液体组合物粘结在一起并用作润滑剂。

具体实施方式

现在通过以下非限制性实施例说明本发明。

组合物A(采用阴离子表面活性剂)

采用以下成分：

“Polyox”WSR301聚环氧乙烷，

(重均分子量4,000,000)(“PEO”)           0.83％

“Sulfetal”Cjot60表面活性剂             9.0％

“Cublen”K2523螯合剂(“SA”)            0.3％

“Aromox”MCD-W泡沫促进剂(“FB”)        0.15％

水                                       至100％

组合物B和C(采用非离子表面活性剂)

成分如下：

                    B         C

“Lutensol”GD70    10.0％    10.0％

“Polyox”WSR301    0.9％

膨润土                        4.2％

碳酸氢钠                      0.4％

水                  至100％   至100％

试验

在与TBM一起使用前确定用于本发明中的组合物效力的方法，由此节约时间和金钱，其需要以下仪器：

PVC广口瓶，1升

试验样品

碳化硅粉末(0.841-1.19mm)

试验样品由三个直径为50mm、厚度为14mm并带有直径为10mm的轴孔的ST50钢轮组成，将这三个轮用任何适当的方式上紧在M10的螺栓上(如螺母和垫圈)，这样在相邻轮之间存在约14mm的空间。

方法如下：

将400克碳化硅与大量的水和组合物混合并加入到广口瓶中。然后，将三个单独轮重量已精确(至0.001克)知悉的试验样品加入广口瓶中，密封该广口瓶，放在磨机上，在125rpm下滚动3小时。然后对轮称重以确定重量损失(磨损)。

以此方式测试组合物A、B和C。在每种情况中，用水稀释组合物(水中5％组合物)并使30和60克试样发泡以提供10倍的体积膨胀。作为对比，向400克碳化硅样品中加入60克水并进行测试。试验样品的磨损率如下：

SiC+水       204mg

SiC+30克A    190mg

SiC+60克A    157mg

SiC+30克B    129mg

SiC+60克B    115mg

SiC+30克C    123mg

SiC+60克C    90mg

如所看到的，磨损率被降低了，在某些情况下是非常显著的。

Claims (4)

1.一种通过含有从切削头突出的硬化钢盘片的隧道挖凿机的方式挖凿硬质岩石的方法，其中切削头磨损通过在切削头处添加发泡的含水液体组合物的方式降低，所述组合物包含发泡剂和润滑剂，所述润滑剂选自高分子量聚环氧乙烷。

2.权利要求1的方法，其中发泡组合物的各独立成分以独立的含水形式计量到水中并转化成泡沫。

3.权利要求1或2的方法，其中该发泡剂选自阴离子和非离子表面活性剂。

4.权利要求1的方法，其中以浓缩液的形式供应该组合物，将其就地用水稀释以提供发泡组合物。