一種軟巖巷道圍巖高壓氣體主動(dòng)預(yù)裂注漿裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巷道支護(hù)技術(shù)，具體涉及一種軟巖巷道圍巖高壓氣體主動(dòng)預(yù)裂注漿裝置及方法，屬于礦業(yè)工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]軟巖巷道圍巖往往具有強(qiáng)度較低、遇水膨脹、承載能力差等特性，軟巖巷道圍巖變形控制是煤礦長(zhǎng)期以來(lái)面臨的一大難題。
[0003]針對(duì)軟巖巷道圍巖變形問(wèn)題，通常采用注漿支護(hù)的方法。然而，傳統(tǒng)的注漿方法是通過(guò)在巷道圍巖打注漿錨桿，待巷道掘進(jìn)一段時(shí)間后讓巷道圍巖產(chǎn)生了一定的變形破壞，圍巖內(nèi)部出現(xiàn)較多的裂隙后進(jìn)行注漿加固。這種方法對(duì)于圍巖注漿加固時(shí)機(jī)的選擇具有極大的盲目性。若注漿時(shí)間過(guò)早，巷道圍巖裂隙發(fā)育程度較低、可注性差，漿液注入量較少，注漿效果非常不好；若注漿時(shí)間過(guò)晚，軟巖巷道圍巖發(fā)生較嚴(yán)重的變形破壞，圍巖的完整性遭到了極大的破壞，且圍巖大部分的支護(hù)已經(jīng)失效，這種情況下采用壓力注漿會(huì)只會(huì)加劇圍巖的破壞，不利于圍巖的穩(wěn)定控制。注漿時(shí)機(jī)選擇一直是錨注支護(hù)領(lǐng)域的一大難題。
[0004]與本發(fā)明申請(qǐng)有關(guān)是的圍巖預(yù)裂注漿支護(hù)裝置及方法，目前公開的預(yù)裂注漿支護(hù)裝置及方法有:
[0005]1、中國(guó)專利CN201210380499.4公開的深孔預(yù)裂爆破注漿方法，通過(guò)在注漿孔內(nèi)布置炸藥卷，起爆炸藥對(duì)注漿孔進(jìn)行預(yù)裂爆破，使注漿孔周邊的巖體產(chǎn)生大量的裂隙，該方法有效的增加了漿液的擴(kuò)散范圍，提高了注漿效果。
[0006]2、中國(guó)專利CN201420442454.X公開的一種控制性精細(xì)爆破注漿錨桿，包括錨桿桿體、止?jié){塞、雷管定位套環(huán)和緩沖套環(huán)，錨桿為管狀結(jié)構(gòu)，上端封閉，桿體開有注漿孔，該注漿錨桿對(duì)于爆破震動(dòng)的控制較好，緩沖裝置有效的降低了爆破對(duì)錨桿和孔壁的破壞作用，爆破預(yù)裂有效的擴(kuò)張了圍巖原生裂隙，提高了注漿效果。
[0007]3、中國(guó)專利CN201320240128.6公開的一種采用爆破擴(kuò)孔工藝的中空注漿錨桿，包括一根帶有外螺紋的中空桿體、托盤和管塞，桿體端口處的錨頭上設(shè)置四條預(yù)留縫并設(shè)置有環(huán)向倒鋸齒，錨頭位置內(nèi)部安置一根雷管，通過(guò)引爆雷管使錨頭沿預(yù)裂縫撐開，產(chǎn)生空腔，再沿中空的錨桿注入砂漿，在端部形成球狀的錨固頭，大幅提升了錨桿的錨固力。
[0008]4、中國(guó)專利201210412801.X公開的線性聚能爆破注漿錨固管式錨桿，包括兩端開口、中空的管式桿體、擋環(huán)和墊板，管式桿桿體管壁不同位置和方向留設(shè)多個(gè)長(zhǎng)方形切口，桿體底端設(shè)置裝有雷管的起爆藥包，每個(gè)長(zhǎng)方形切口處的管壁內(nèi)設(shè)有線性聚能裝藥，通過(guò)起爆藥包和線性聚能裝藥，使管壁產(chǎn)生塑性破壞并與孔壁形成擠壓，提供錨固力，且線性聚能裝藥強(qiáng)烈的聚能射流可以對(duì)切口位置巖體沖擊和破碎作用，對(duì)桿體空腔和圍巖裂隙注漿，形成復(fù)雜的摩擦-栓塞錨固結(jié)構(gòu)，以提高錨桿錨固力和改善錨固效果。
[0009]上述幾個(gè)專利雖然都解決了特定的問(wèn)題，但是仍具有較大的局限性。它們都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是都使用炸藥進(jìn)行圍巖的爆破預(yù)裂，炸藥爆破的強(qiáng)度難以控制，爆破產(chǎn)生的高峰值爆炸沖擊波往往會(huì)對(duì)圍巖強(qiáng)度造成強(qiáng)烈的擾動(dòng)破壞，且在煤礦井下使用炸藥爆破危險(xiǎn)較大并存在許多限制，首先在具有沖擊傾向或煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的礦井進(jìn)行炸藥爆破，爆炸強(qiáng)烈的沖擊擾動(dòng)容易誘導(dǎo)沖擊地壓或煤與瓦斯突出等災(zāi)害的發(fā)生，其次在高瓦斯礦井進(jìn)行炸藥爆破預(yù)裂有可能引發(fā)瓦斯爆炸，再就是在掘進(jìn)巷道中進(jìn)行炸藥爆破預(yù)裂需要疏散爆破位置周圍較大范圍內(nèi)的工作人員，嚴(yán)重影響巷道施工速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了解決軟巖巷道圍巖錨注支護(hù)注漿時(shí)機(jī)選擇困難的問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種操作實(shí)施簡(jiǎn)單、安全可靠、應(yīng)用范圍廣、適用性強(qiáng)的軟巖巷道圍巖高壓氣體主動(dòng)預(yù)裂注漿裝置及方法。
[0011]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種軟巖巷道圍巖高壓氣體主動(dòng)預(yù)裂注漿裝置，包括耐高壓中空螺紋鋼桿體和高壓氣體預(yù)裂裝置兩個(gè)主要部分；所述的耐高壓中空螺紋鋼桿體的兩端口均加工有螺紋絲口，桿體上靠近其中一端口設(shè)有固定擋板；所述的高壓氣體預(yù)裂裝置由預(yù)裂裝置殼體、起裂壓力控制膜片、密封墊圈、緩沖腔、支撐劑容器、支撐劑注入通道、密封螺釘、支撐劑材料和射流孔組成；所述預(yù)裂裝置殼體為中空結(jié)構(gòu)，其一端開口，與耐高壓中空螺紋鋼桿體遠(yuǎn)離固定擋板的一端連接，另一端封閉，封閉端底部和四周開有能夠使氣體或漿液射出的射流孔；預(yù)裂裝置殼體與耐高壓中空螺紋鋼桿體的連接處設(shè)有起裂壓力控制膜片和密封墊圈；所述支撐劑容器嵌裝在預(yù)裂裝置殼體中，支撐劑容器壁上留設(shè)孔洞，該孔洞與預(yù)裂裝置殼體上留設(shè)的支撐劑注入通道連通，通道由螺釘密封；所述支撐劑容器與預(yù)裂裝置殼體內(nèi)壁之間留有氣體通道；所述支撐劑容器與起裂壓力控制膜片之間形成緩沖腔，緩沖腔連通氣體通道。
[0012]所述耐高壓中空螺紋鋼桿體是采用螺紋鋼加工而成的兩端開口的桿體。
[0013]所述固定擋板距離其近處端口 0.7?1.0m處設(shè)置。
[0014]所述固定擋板通過(guò)焊接的方式固定在耐高壓中空螺紋鋼桿體表面。
[0015]所述耐高壓中空螺紋鋼桿體的一端開口處設(shè)置有凹槽，用來(lái)固定起裂壓力控制膜片。
[0016]所述起裂壓力控制膜片采用鋁材加工制作而成，膜片破裂后不產(chǎn)生碎片。
[0017]所述起裂壓力控制膜片的破裂壓力值跟巷道的埋深、圍巖巖性以及所處的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，具體可由下式計(jì)算得出:
[0018]P= σ t-3 σ 3+ σ χ
[0019]式中:Ρ為起裂壓力控制膜片的破裂壓力值；σ t為巷道圍巖抗拉強(qiáng)度；σ jP ο 3分別為第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，σ t、σ jP σ 3的正負(fù)號(hào)規(guī)定為拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。
[0020]所述支撐劑容器采用塑性材料制成，且該材料的最大抗壓能力遠(yuǎn)小于膜片破裂壓力值。
[0021]一種軟巖巷道圍巖高壓氣體主動(dòng)預(yù)裂注漿方法，其步驟如下:
[0022]步驟I):在完成錨噴初始支護(hù)之后的軟巖巷道圍巖打注漿孔；
[0023]步驟2):將高壓氣體預(yù)裂裝置與耐高壓中空螺紋鋼桿體通過(guò)絲口連接在一起，并將高壓氣體預(yù)裂裝置置于注漿孔中，采用高強(qiáng)速凝混凝土將桿體上固定擋板之外的區(qū)域固定于注漿孔壁上，起到密封注漿孔的作用；
[0024]步驟3):通過(guò)高壓輸氣管將外部空氣壓縮機(jī)與中空的螺紋鋼桿體連接，開啟輸氣閥門，通過(guò)高壓輸氣管和耐高壓中空螺紋鋼桿體將高壓氣體輸送到氣體預(yù)裂裝置，當(dāng)氣體壓力達(dá)到起裂壓力控制膜片的起裂壓力值時(shí)，膜片破裂，瞬間釋放高壓氣體，高壓氣體通過(guò)緩沖腔到達(dá)支撐劑容器，支撐劑容器壁瞬時(shí)被高壓氣體沖破，高壓氣體攜帶大量的支撐劑顆粒通過(guò)氣體通道和射流通道進(jìn)入注漿孔；
[0025]步驟4):高壓氣體的動(dòng)壓力作用使注漿孔壁圍巖原生裂隙得到擴(kuò)張并產(chǎn)生了較大的新裂隙，高壓氣體中攜帶著大量的支撐劑顆粒，這些小的顆粒隨氣體進(jìn)入到圍巖裂隙中，起到了支撐裂隙、防止裂隙重新閉合的作用；
[0026]步驟5):啟動(dòng)氣體預(yù)裂后，保持氣體壓力一段時(shí)間，使軟巖巷道圍巖得到充分預(yù)裂，隨后關(guān)閉外部空氣壓縮機(jī)，斷開高壓輸氣管與中空的螺紋鋼桿體的連接，然后立即對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固，漿液通過(guò)中空的螺紋鋼桿體、破裂后的起裂膜片和氣體通道，從氣體預(yù)裂裝置頭部的射流孔進(jìn)入圍巖裂隙，完成軟巖巷道圍巖的注漿加固。
[0027]步驟I)中所述的注楽孔的深度為2?3m，直徑為35?40mm。
[0028]步驟5)中所述的保持氣體壓力一段時(shí)間為10?15分鐘。
[0029]所述支撐劑顆粒的粒徑大于水泥的粒徑，強(qiáng)度為50?70MPa。
[0030]本發(fā)明工作原理是，通過(guò)耐高壓中空螺紋鋼桿體將空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體輸送到氣體預(yù)裂裝置，當(dāng)氣體壓力值達(dá)到起裂壓力控制膜片的破裂壓力值時(shí)，膜片發(fā)生破裂，瞬間釋放高壓氣體，同時(shí)高壓氣體沖破支撐劑容器壁，并攜帶著大量的支撐劑材料顆粒通過(guò)氣體預(yù)裂裝置頭部預(yù)留的孔進(jìn)入注漿孔；在高壓氣體強(qiáng)烈的膨脹推力作用下孔壁巖體原生裂隙發(fā)生擴(kuò)展，并產(chǎn)生較多新的裂隙，在持續(xù)的高壓氣體作用下，原生裂隙和新裂隙繼續(xù)擴(kuò)展貫通，在孔壁周圍巖體內(nèi)部形成復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)；支撐劑顆粒隨著高壓氣體進(jìn)入圍巖的裂隙中，在氣體壓力卸去后支撐裂隙，防止裂隙在圍巖應(yīng)力作用下重新閉合；在卸去氣體壓力后，中空的螺紋鋼桿體和已經(jīng)貫通的氣體預(yù)裂裝置形成完整的注漿管路，緊接著對(duì)預(yù)裂后的軟巖巷道圍巖進(jìn)行注漿加固，有效的解決了軟巖巷道圍巖注漿時(shí)機(jī)選擇的難題，大幅提高了圍巖的注漿加固效果。
[0031]本發(fā)明的積極效果:1)采用高壓氣體預(yù)裂的方式對(duì)軟巖巷道圍巖進(jìn)行主動(dòng)預(yù)裂卸壓，緊接著對(duì)預(yù)裂后的圍巖進(jìn)行注漿加固，變被動(dòng)的等待注漿時(shí)機(jī)為主動(dòng)的創(chuàng)造注漿時(shí)機(jī)，解決了軟巖巷道圍巖注漿時(shí)機(jī)難以掌握這一重大難題；2)采用高壓氣體作為預(yù)裂圍巖的動(dòng)力源，安全可靠，危險(xiǎn)性低，避免了炸藥爆破預(yù)裂的諸多局限性，且高壓氣體預(yù)裂圍巖無(wú)需疏散周圍工作人員，避免了其對(duì)巷道掘進(jìn)速度的影響；3)本發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)施簡(jiǎn)單、安全可靠、應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)各類軟巖巷道圍巖預(yù)裂注漿加固效果突出，具有較高的現(xiàn)場(chǎng)直接應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1是本發(fā)明中圍巖高壓氣體主動(dòng)預(yù)裂注漿裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖中，1.螺紋絲口，2.固定擋板，3.耐高壓中空螺紋鋼桿體，4.預(yù)裂裝置殼體，5.起裂壓力控制膜片，6.密封墊圈，7.緩沖腔，8.支撐劑容器，9.支撐劑注入通道，10.密封螺釘，11.支撐劑材料，12.氣體通道，13.射流孔。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步描述:
[0035]如附圖所示，一種軟巖巷道圍巖高壓氣體主動(dòng)預(yù)裂注漿裝置，包括耐高壓中空螺紋鋼桿體3和高壓氣體預(yù)裂裝置兩個(gè)主要部分；所述的耐高壓中空螺紋鋼桿體3是采用螺紋鋼加工而成的兩端開口的桿體，兩端開口均加工有螺紋絲口 I，桿體上距離其中一端口0.7?1.0m處設(shè)一固定擋板2，固定擋板2通過(guò)焊接的方式固定在耐高壓中空螺紋鋼桿體3表面；所述的高壓氣體預(yù)裂裝置由預(yù)裂裝置殼體4、起裂壓力控制膜片5、密封墊圈6、緩沖腔7、支撐劑容器8、支撐劑注入通道9、密封螺釘10、支撐劑材料11和射流孔13組成；預(yù)裂裝置殼體4為中空結(jié)構(gòu)，其一端開口，與耐高壓中空螺紋鋼桿體3遠(yuǎn)離固定擋板2的一端連接，另一端封閉，封閉端底部和四周開有能夠使氣體或漿液射出的射流孔13 ;預(yù)裂裝置殼體4與耐高壓中空螺紋鋼桿體3的連接處設(shè)有起裂壓力控制膜片5和密封墊圈6 ;裂壓力控制膜片5嵌裝在耐高壓中空螺紋鋼桿體3端口處的凹槽內(nèi)，起裂壓力控制膜片5采用鋁材加工制作而成，膜片破裂后不產(chǎn)生碎片；所述支撐劑容器8嵌裝在預(yù)裂裝置殼體4中，支撐劑