一种地下工程锚杆索支护精准封孔装置及一体化锚注方法

1.本发明涉及一种地下工程锚杆索支护精准封孔装置及一体化锚注方法，尤其适用于大范围破碎巷道、多次扰动煤巷和未喷浆巷道等需要锚注的地下工程使用，属于地下工程锚杆支护领域。


背景技术：

2.以煤矿巷道为典型代表的地下工程会随开采下延出现巷道掘进过程中围岩大范围破碎，碎裂围岩状态下常规锚杆索支护的锚固粘结质量难以保证，因此常常需要对锚固围岩体注浆加固，提高锚固效果，增加围岩的可锚性和自身承载性能。但破碎围岩状态下锚杆索支护的进一步注浆是实施困难，为解决该类难题，国内外近年研制出了注浆锚杆和锚索，目前主要分为两类：一类是通过中空注浆锚杆索进行注浆；第二类是通过组合式注浆锚杆索进行注浆。
3.两类注浆方式都存在诸多缺陷和不足：第一，两种注浆方式只能实现全长锚注，缺少自由端导致预留变形量较少，对于强扩容、长流变深部岩体的变形让压适应性减弱；第二，传统注浆方式封孔工艺复杂费时，封孔速度慢，影响巷道支护速度，且封堵效果差，浆液跑浆严重，无法达到应有的注浆压力。第三，以中空注浆锚杆索产品为例，中空注浆锚杆索采用无缝钢管加工，加工工艺较为复杂，导致中空注浆锚杆索相比常规锚杆索成本提高了30％以上。此外，中空注浆锚杆索杆体因中部空心结构导致强度和延伸率远低于常规锚杆索，不能满足复杂地质条件下巷道的基础支护使用；第四，针对巷道浅部破碎巷道和未喷浆巷道，传统注浆方式易从钻孔周边围岩漏浆，注浆加固效果不佳。


技术实现要素：

4.技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种结构简单、操作方便、成本低廉的一种地下工程锚杆索支护精准封孔装置及一体化锚注方法。
5.技术方案：为实现上述技术目的，本发明的一种地下工程锚杆索支护精准封孔装置及一体化锚注方法，包括用以套在普通锚杆索杆体上的套管，套管与普通锚杆索杆体之间留有形成浆液流道的间隙，套管尾部设有注浆底座，注浆底座上设有与套管内间隙连通的注浆弯管，注浆底座的末端通过安设密封圈b与普通锚杆索杆体紧密连接，防止浆液流道中的浆液从注浆底座末端泄露，套管的侧壁上套有位置固定的封孔囊袋，封孔囊袋内部的套管上设有用以充填封孔囊袋的进浆孔，套管端部设有根据预设浆液压力阈值开闭出浆的出浆开闭结构，以实现对围岩主承载区的定长锚注。
6.套管的长度根据需要封孔囊袋进行封孔的钻孔深度进行调整，以应对不同封孔深度的需要，实现定长锚固。
7.注浆底座的外径大于套管，便于将注浆底座位置固定在普通锚杆索杆体的托盘与螺母之间。
8.出浆开闭结构包括设置在套管端部的锁紧套，锁紧套的前端开有与套管内浆液流
道连通的出浆间隙，锁紧套后方位于套管内侧设有安装有密封圈a的密封槽，套管内侧位于密封槽后方设有限制密封圈a位移的牙口，当注浆压力超过密封圈a的参数后浆液冲开出浆间隙处的密封圈a，当注浆压力低于密封圈a的参数后密封圈a将出浆间隙封堵住。
9.封孔囊袋为双层结构，封孔囊袋的内侧为密封隔膜层，外侧为膨胀布袋层，当注浆套管中的浆液从进浆孔流入封孔囊袋直至注满，浆液的压力使封孔囊袋膨胀封堵孔壁。
10.封孔囊袋膨胀的压力值和锁紧套的出浆压力值阈值不同，封孔囊袋膨胀的压力值阈值小于锁紧套的出浆压力值阈值。
11.注浆弯管的端部设有便于连接注浆管的螺纹，螺纹端尾部有密封圈b，注浆弯管的端部还设有注浆完毕后安设用以防堵孔的密封螺帽。
12.一种地下工程锚杆索支护精准封孔装置的一体化锚注方法，其步骤如下：
13.a利用数字探测手段探测新掘巷道浅部破碎区长度l1及深部围岩裂隙发育位置信息，根据破碎区长度选用适合长度l2的套管和封孔囊袋位置，保证封孔囊袋到岩体表面距离大于破碎区长度l1；
14.b施工注浆锚固钻孔：利用锚杆钻机使用钻头进行钻孔，钻孔完毕后，更换钻头对围岩表面至深部l2处进行扩孔，扩孔后先后向钻孔中放入锚固剂和普通锚杆索杆体，之后在普通锚杆索杆体上安装精准锚注加固装置，之后利用锚注封孔装置和锁具，采用张拉机具将锁具张拉到支护规程中要求的预拉力；
15.c滞后巷道掘进工作面30～50m后，利用注浆泵连接进浆管实施定长注浆，此时浆液通过注浆弯管注入封孔囊袋直至注满，注满的封孔囊袋膨胀封堵孔壁，之后封孔囊袋内压持续上升从而达到锁紧套的出浆压力要求，浆液通过套管内的牙口区域冲开密封圈a从锁紧套的出浆间隙流出后注入钻孔内，浆液受封孔囊袋封堵跨过浅部破碎区，同时使浆液精准流入深部主要承载圈层的裂隙区域，待注浆完毕后等待3～5分钟后拆除外部注浆管路，利用封口螺母旋入注浆弯管即可完成一次定长注浆加固。
16.有益效果：本发明克服了传统锚注产品力学性能低、封堵效果差、成本昂贵、缓冲让压性能较弱等弊端，可以适应大范围采动煤巷多重应力扰动影响，与现有技术相比具有如下优点：
17.1)节省支护和注浆成本：该锚注封孔装置可直接套在普通锚杆索上进行使用，无须采用特制的中空注浆锚杆索，单从支护材料费就节省30％以上。此外，相对于全长注浆加固，本产品跨过围岩破碎区，只针对围岩主承载圈进行定长注浆，避免了因围岩表面破碎导致的跑浆现象，减少了注浆浆液的使用量，节省了注浆成本。
18.2)实现了精准定长锚注：在施工锚索之前，通过数字探测手段探测浅部破碎区长度和围岩主承载区域裂隙发育信息，利用本发明中可调结长度的套管、封孔囊袋、缩紧套和密封圈对主承载圈层围岩裂隙区域形成封闭的长度空间，并通过滞后注浆对围岩裂隙实现精准封闭加固。
19.3)具有一定的缓冲让压特性：相比传统锚注支护，整个钻孔内充填浆液来实现围岩的全长锚注，然而这种支护方式大幅降低了支护结构的变形弹性，尤其是当巷道遇到多次应力扰动、高应力软岩长期流变或者强采动巷道时，全长锚注与围岩形成的结构可能会发生失效，本发明依靠定长注浆加固，在围岩内部主承载区域实施注浆加固，使得支护结构预留一定的变形量充分适应采动应力的影响，实现了地下工程岩体的围岩强度强化和岩层
缓冲让压双重效果，有利于巷道的长期稳定。
20.4)结构简单，高效可靠：锚注装置与普通的锚杆索配套使用，使普通的锚杆索也能实现锚注一体化，在不损伤杆体力学性能下拓宽了普通锚杆索的适用范围，且锚注装置安装施工所需的打眼钻机、钻杆、钻头等与普通树脂锚杆索施工所用的机具完全相同，无须增加新设备。此外，该装置对大范围破碎围岩和未喷层状态下等复杂地下工程围岩具有较强的技术适应性和比较优势。
21.5)安装方便：传统锚杆索锚索尾部连接工艺复杂费时，影响支护效率，本产品套管和封堵配件一体化，只需再在正常施工锚杆索时多安装一个套管，施工简单，降低了工人的劳动强度，极大提高了巷道锚注效率。
附图说明
22.图1是本发明的一种地下工程锚杆索支护精准封孔装置安装在锚索上的结构示意图。
23.图2是本发明的一种地下工程锚杆索支护精准封孔装置的结构示意图。
24.图3是本发明中封孔囊袋受压膨胀示意图。
25.图4是本发明中的锁紧套和密封圈结合的轴向剖视结构示意图。
26.图5是本发明中的锁紧套的轴向剖视结构示意图。
27.图6是本发明中的锁紧套的端面侧视结构示意图。
28.图7是本发明中的精准锚注装置在破碎围岩情况下工作示意图。
29.图中：1-注浆弯管；2-注浆底座；3-套管；4-封孔囊袋；4-1-膨胀布袋层；4-2-密封隔膜层；5-锁紧套；5-1-牙口；5-2-密封槽；6-密封圈a；7-密封圈b；8-密封螺帽；9-普通锚杆索杆体；10-囊袋注浆孔；11-巷道；12-煤体；13-精准定长锚注装置；14-巷道浅部破碎区。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
31.如图1和图2所示，本发明的一种地下工程锚杆索支护精准封孔装置，包括用以套在普通锚杆索杆体9上的套管3，套管3与普通锚杆索杆体9之间留有形成浆液流道的间隙，套管3尾部设有注浆底座2，注浆底座2上设有与套管3内间隙连通的注浆弯管1，注浆底座2的末端通过安设密封圈b7与普通锚杆索杆体9紧密连接，防止浆液流道中的浆液从注浆底座2末端泄露，套管3的侧壁上套有位置固定的封孔囊袋4，封孔囊袋4内部的套管3上设有用以充填封孔囊袋4的进浆孔10，套管3端部设有根据预设浆液压力阈值开闭出浆的出浆开闭结构，以实现对围岩主承载区的定长锚注。如图3所示，封孔囊袋4为双层结构，封孔囊袋4的内侧为密封隔膜层4-2，外侧为膨胀布袋层4-1，当注浆套管中的浆液从进浆孔10流入封孔囊袋4直至注满，浆液的压力使封孔囊袋4膨胀封堵孔壁。封孔囊袋4膨胀的压力值和锁紧套5的出浆压力值阈值不同，封孔囊袋4膨胀的压力值阈值小于锁紧套5的出浆压力值阈值。
32.如图4、图5和图6所示，其中套管3的长度根据需要封孔囊袋4进行封孔的钻孔深度进行调整，以应对不同封孔深度的需要，实现定长锚固；注浆底座2的外径大于套管3，便于将注浆底座2位置固定在普通锚杆索杆体9的托盘与螺母之间；出浆开闭结构包括设置在套管3端部的锁紧套5，锁紧套5的前端开有与套管3内浆液流道连通的出浆间隙，锁紧套5后方
位于套管3内侧设有安装有密封圈a6的密封槽5-2，套管3内侧位于密封槽5-2后方设有限制密封圈a6位移的牙口5-1，当注浆压力超过密封圈a6的参数后浆液冲开出浆间隙处的密封圈a6，当注浆压力低于密封圈a6的参数后密封圈a6将出浆间隙封堵住。
33.注浆弯管1的端部设有便于连接注浆管的螺纹，螺纹端尾部有密封圈b7，注浆弯管1的端部还设有注浆完毕后安设用以防堵孔的密封螺帽8。
34.一种地下工程锚杆索支护精准封孔装置的一体化锚注方法，其步骤如下：
35.a在巷道11中，利用数字探测煤体12附近的手段探测巷道浅部破碎区14的长度l1及深部围岩裂隙发育位置信息，根据破碎区长度选用适合长度l2的套管3和封孔囊袋4位置，保证封孔囊袋4到岩体表面距离大于破碎区长度l1；
36.b施工注浆锚固钻孔：利用锚杆钻机使用钻头进行钻孔，钻孔完毕后，更换钻头对围岩表面至深部l2处进行扩孔，扩孔后先后向钻孔中放入锚固剂和普通锚杆索杆体9，之后在普通锚杆索杆体9上安装精准锚注加固装置13，之后利用锚注封孔装置和锁具，采用张拉机具将锁具张拉到支护规程中要求的预拉力；
37.c滞后巷道掘进工作面30～50m后，利用注浆泵连接进浆管实施定长注浆，此时浆液通过精准定长锚注装置13的注浆弯管1注入封孔囊袋4直至注满，注满的封孔囊袋4膨胀封堵孔壁，之后封孔囊袋4内压持续上升从而达到锁紧套5的出浆压力要求，浆液通过套管3内的牙口5-1区域冲开密封圈a6从锁紧套5的出浆间隙流出后注入钻孔内，浆液受封孔囊袋4封堵跨过浅部破碎区，同时使浆液精准流入深部主要承载圈层的裂隙区域，待注浆完毕后等待3～5分钟后拆除外部注浆管路，利用封口螺母旋入注浆弯管1即可完成一次定长注浆加固。