CN104963700A - 一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置及方法，通过耐高压中空螺纹钢杆体将高压气体输送到气体预裂装置，当气体压力值达到起裂压力控制膜片的破裂压力值时，膜片发生破裂，瞬间释放高压气体冲破支撑剂容器壁，并携带着大量的支撑剂材料颗粒进入注浆孔，孔壁岩体原生裂隙发生扩展，产生较多新的裂隙，在持续的高压气体作用下，原生裂隙和新裂隙继续扩展贯通形成复杂的裂隙网络；支撑剂颗粒随着高压气体进入围岩的裂隙中，防止裂隙在围岩应力作用下重新闭合，变被动等待为主动创造注浆时机，解决了软岩巷道围岩注浆时机选择的难题，提高了围岩的注浆加固效果。动力源安全可靠，危险性低，避免了炸药爆破预裂的诸多局限性。

Description

一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置及方法

技术领域

本发明涉及巷道支护技术，具体涉及一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置及方法，属于矿业工程领域。

背景技术

软岩巷道围岩往往具有强度较低、遇水膨胀、承载能力差等特性，软岩巷道围岩变形控制是煤矿长期以来面临的一大难题。

针对软岩巷道围岩变形问题，通常采用注浆支护的方法。然而，传统的注浆方法是通过在巷道围岩打注浆锚杆，待巷道掘进一段时间后让巷道围岩产生了一定的变形破坏，围岩内部出现较多的裂隙后进行注浆加固。这种方法对于围岩注浆加固时机的选择具有极大的盲目性。若注浆时间过早，巷道围岩裂隙发育程度较低、可注性差，浆液注入量较少，注浆效果非常不好；若注浆时间过晚，软岩巷道围岩发生较严重的变形破坏，围岩的完整性遭到了极大的破坏，且围岩大部分的支护已经失效，这种情况下采用压力注浆会只会加剧围岩的破坏，不利于围岩的稳定控制。注浆时机选择一直是锚注支护领域的一大难题。

与本发明申请有关是的围岩预裂注浆支护装置及方法，目前公开的预裂注浆支护装置及方法有：

1、中国专利CN201210380499.4公开的深孔预裂爆破注浆方法，通过在注浆孔内布置炸药卷，起爆炸药对注浆孔进行预裂爆破，使注浆孔周边的岩体产生大量的裂隙，该方法有效的增加了浆液的扩散范围，提高了注浆效果。

2、中国专利CN201420442454.X公开的一种控制性精细爆破注浆锚杆，包括锚杆杆体、止浆塞、雷管定位套环和缓冲套环，锚杆为管状结构，上端封闭，杆体开有注浆孔，该注浆锚杆对于爆破震动的控制较好，缓冲装置有效的降低了爆破对锚杆和孔壁的破坏作用，爆破预裂有效的扩张了围岩原生裂隙，提高了注浆效果。

3、中国专利CN201320240128.6公开的一种采用爆破扩孔工艺的中空注浆锚杆，包括一根带有外螺纹的中空杆体、托盘和管塞，杆体端口处的锚头上设置四条预留缝并设置有环向倒锯齿，锚头位置内部安置一根雷管，通过引爆雷管使锚头沿预裂缝撑开，产生空腔，再沿中空的锚杆注入砂浆，在端部形成球状的锚固头，大幅提升了锚杆的锚固力。

4、中国专利201210412801.X公开的线性聚能爆破注浆锚固管式锚杆，包括两端开口、中空的管式杆体、挡环和垫板，管式杆杆体管壁不同位置和方向留设多个长方形切口，杆体底端设置装有雷管的起爆药包，每个长方形切口处的管壁内设有线性聚能装药，通过起爆药包和线性聚能装药，使管壁产生塑性破坏并与孔壁形成挤压，提供锚固力，且线性聚能装药强烈的聚能射流可以对切口位置岩体冲击和破碎作用，对杆体空腔和围岩裂隙注浆，形成复杂的摩擦-栓塞锚固结构，以提高锚杆锚固力和改善锚固效果。

上述几个专利虽然都解决了特定的问题，但是仍具有较大的局限性。它们都有一个共同点，那就是都使用炸药进行围岩的爆破预裂，炸药爆破的强度难以控制，爆破产生的高峰值爆炸冲击波往往会对围岩强度造成强烈的扰动破坏，且在煤矿井下使用炸药爆破危险较大并存在许多限制，首先在具有冲击倾向或煤与瓦斯突出危险的矿井进行炸药爆破，爆炸强烈的冲击扰动容易诱导冲击地压或煤与瓦斯突出等灾害的发生，其次在高瓦斯矿井进行炸药爆破预裂有可能引发瓦斯爆炸，再就是在掘进巷道中进行炸药爆破预裂需要疏散爆破位置周围较大范围内的工作人员，严重影响巷道施工速度。

发明内容

为了解决软岩巷道围岩锚注支护注浆时机选择困难的问题，本发明设计一种操作实施简单、安全可靠、应用范围广、适用性强的软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，包括耐高压中空螺纹钢杆体和高压气体预裂装置两个主要部分；所述的耐高压中空螺纹钢杆体的两端口均加工有螺纹丝口，杆体上靠近其中一端口设有固定挡板；所述的高压气体预裂装置由预裂装置壳体、起裂压力控制膜片、密封垫圈、缓冲腔、支撑剂容器、支撑剂注入通道、密封螺钉、支撑剂材料和射流孔组成；所述预裂装置壳体为中空结构，其一端开口，与耐高压中空螺纹钢杆体远离固定挡板的一端连接，另一端封闭，封闭端底部和四周开有能够使气体或浆液射出的射流孔；预裂装置壳体与耐高压中空螺纹钢杆体的连接处设有起裂压力控制膜片和密封垫圈；所述支撑剂容器嵌装在预裂装置壳体中，支撑剂容器壁上留设孔洞，该孔洞与预裂装置壳体上留设的支撑剂注入通道连通，通道由螺钉密封；所述支撑剂容器与预裂装置壳体内壁之间留有气体通道；所述支撑剂容器与起裂压力控制膜片之间形成缓冲腔，缓冲腔连通气体通道。

所述耐高压中空螺纹钢杆体是采用螺纹钢加工而成的两端开口的杆体。

所述固定挡板距离其近处端口0.7～1.0m处设置。

所述固定挡板通过焊接的方式固定在耐高压中空螺纹钢杆体表面。

所述耐高压中空螺纹钢杆体的一端开口处设置有凹槽，用来固定起裂压力控制膜片。

所述起裂压力控制膜片采用铝材加工制作而成,膜片破裂后不产生碎片。

所述起裂压力控制膜片的破裂压力值跟巷道的埋深、围岩岩性以及所处的应力状态有关，具体可由下式计算得出：

P＝σ_t-3σ₃+σ₁

式中：P为起裂压力控制膜片的破裂压力值；σ_t为巷道围岩抗拉强度；σ₁和σ₃分别为第一主应力和第三主应力，σ_t、σ₁和σ₃的正负号规定为拉应力为正，压应力为负。

所述支撑剂容器采用塑性材料制成，且该材料的最大抗压能力远小于膜片破裂压力值。

一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆方法，其步骤如下：

步骤1)：在完成锚喷初始支护之后的软岩巷道围岩打注浆孔；

步骤2)：将高压气体预裂装置与耐高压中空螺纹钢杆体通过丝口连接在一起，并将高压气体预裂装置置于注浆孔中，采用高强速凝混凝土将杆体上固定挡板之外的区域固定于注浆孔壁上，起到密封注浆孔的作用；

步骤3)：通过高压输气管将外部空气压缩机与中空的螺纹钢杆体连接，开启输气阀门，通过高压输气管和耐高压中空螺纹钢杆体将高压气体输送到气体预裂装置，当气体压力达到起裂压力控制膜片的起裂压力值时，膜片破裂，瞬间释放高压气体，高压气体通过缓冲腔到达支撑剂容器，支撑剂容器壁瞬时被高压气体冲破，高压气体携带大量的支撑剂颗粒通过气体通道和射流通道进入注浆孔；

步骤4)：高压气体的动压力作用使注浆孔壁围岩原生裂隙得到扩张并产生了较大的新裂隙，高压气体中携带着大量的支撑剂颗粒，这些小的颗粒随气体进入到围岩裂隙中，起到了支撑裂隙、防止裂隙重新闭合的作用；

步骤5)：启动气体预裂后，保持气体压力一段时间，使软岩巷道围岩得到充分预裂，随后关闭外部空气压缩机，断开高压输气管与中空的螺纹钢杆体的连接，然后立即对围岩进行注浆加固，浆液通过中空的螺纹钢杆体、破裂后的起裂膜片和气体通道，从气体预裂装置头部的射流孔进入围岩裂隙，完成软岩巷道围岩的注浆加固。

步骤1)中所述的注浆孔的深度为2～3m，直径为35～40mm。

步骤5)中所述的保持气体压力一段时间为10～15分钟。

所述支撑剂颗粒的粒径大于水泥的粒径，强度为50～70MPa。

本发明工作原理是，通过耐高压中空螺纹钢杆体将空气压缩机产生的高压气体输送到气体预裂装置，当气体压力值达到起裂压力控制膜片的破裂压力值时，膜片发生破裂，瞬间释放高压气体，同时高压气体冲破支撑剂容器壁，并携带着大量的支撑剂材料颗粒通过气体预裂装置头部预留的孔进入注浆孔；在高压气体强烈的膨胀推力作用下孔壁岩体原生裂隙发生扩展，并产生较多新的裂隙，在持续的高压气体作用下，原生裂隙和新裂隙继续扩展贯通，在孔壁周围岩体内部形成复杂的裂隙网络；支撑剂颗粒随着高压气体进入围岩的裂隙中，在气体压力卸去后支撑裂隙，防止裂隙在围岩应力作用下重新闭合；在卸去气体压力后，中空的螺纹钢杆体和已经贯通的气体预裂装置形成完整的注浆管路，紧接着对预裂后的软岩巷道围岩进行注浆加固，有效的解决了软岩巷道围岩注浆时机选择的难题，大幅提高了围岩的注浆加固效果。

本发明的积极效果：1)采用高压气体预裂的方式对软岩巷道围岩进行主动预裂卸压，紧接着对预裂后的围岩进行注浆加固，变被动的等待注浆时机为主动的创造注浆时机，解决了软岩巷道围岩注浆时机难以掌握这一重大难题；2)采用高压气体作为预裂围岩的动力源，安全可靠，危险性低，避免了炸药爆破预裂的诸多局限性，且高压气体预裂围岩无需疏散周围工作人员，避免了其对巷道掘进速度的影响；3)本发明现场操作实施简单、安全可靠、应用范围广、适应性强，对各类软岩巷道围岩预裂注浆加固效果突出，具有较高的现场直接应用价值。

附图说明

图1是本发明中围岩高压气体主动预裂注浆装置结构示意图。

图中，1.螺纹丝口，2.固定挡板，3.耐高压中空螺纹钢杆体，4.预裂装置壳体，5.起裂压力控制膜片，6.密封垫圈，7.缓冲腔，8.支撑剂容器，9.支撑剂注入通道，10.密封螺钉，11.支撑剂材料，12.气体通道，13.射流孔。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明技术方案进行进一步描述：

如附图所示，一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，包括耐高压中空螺纹钢杆体3和高压气体预裂装置两个主要部分；所述的耐高压中空螺纹钢杆体3是采用螺纹钢加工而成的两端开口的杆体，两端开口均加工有螺纹丝口1，杆体上距离其中一端口0.7～1.0m处设一固定挡板2，固定挡板2通过焊接的方式固定在耐高压中空螺纹钢杆体3表面；所述的高压气体预裂装置由预裂装置壳体4、起裂压力控制膜片5、密封垫圈6、缓冲腔7、支撑剂容器8、支撑剂注入通道9、密封螺钉10、支撑剂材料11和射流孔13组成；预裂装置壳体4为中空结构，其一端开口，与耐高压中空螺纹钢杆体3远离固定挡板2的一端连接，另一端封闭，封闭端底部和四周开有能够使气体或浆液射出的射流孔13；预裂装置壳体4与耐高压中空螺纹钢杆体3的连接处设有起裂压力控制膜片5和密封垫圈6；裂压力控制膜片5嵌装在耐高压中空螺纹钢杆体3端口处的凹槽内，起裂压力控制膜片5采用铝材加工制作而成,膜片破裂后不产生碎片；所述支撑剂容器8嵌装在预裂装置壳体4中，支撑剂容器8采用塑性材料制成，且该材料的最大抗压能力远小于膜片破裂压力值；支撑剂容器8壁上留设孔洞，该孔洞与预裂装置壳体4上留设的支撑剂注入通道9连通，通道9由螺钉10密封；为了避免支撑剂容器8对高压气体的阻挡，支撑剂容器8与预裂装置壳体4内壁之间留有气体通道12；所述支撑剂容器8与起裂压力控制膜片5之间形成缓冲腔7，缓冲腔7连通气体通道12。

所述起裂压力控制膜片5的破裂压力值跟巷道的埋深、围岩岩性以及所处的应力状态有关，具体可由下式计算得出：

P＝σ_t-3σ₃+σ₁

式中：P为起裂压力控制膜片5的破裂压力值；σ_t为巷道围岩抗拉强度；σ₁和σ₃分别为第一主应力和第三主应力，σ_t、σ₁和σ₃的正负号规定为拉应力为正、压应力为负。

本发明中一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆方法，主要步骤如下：

步骤1)在完成锚喷初始支护之后的软岩巷道围岩打直径为35～40mm的注浆孔，注浆孔的深度为2～3m；

步骤2)通过支撑剂注入通道9向高压气体预裂装置的支撑剂容器8中注入支撑剂材料，支撑剂材料颗粒的粒径要大于水泥颗粒的粒径、强度为50～70MPa，然后在支撑剂注入通道9拧上螺钉10将其密封；

步骤3)将高压气体预裂装置与耐高压中空螺纹钢杆体3通过丝口连接在一起，并将高压气体预裂装置置于注浆孔中，采用高强速凝混凝土将杆体上固定挡板2之外的区域固定于注浆孔壁上，起到密封注浆孔的作用；

步骤4)通过高压输气管将外部空气压缩机与中空的螺纹钢杆体3连接，开启输气阀门，通过高压输气管和耐高压中空螺纹钢杆体3将高压气体输送到气体预裂装置，当气体压力达到铝制起裂压力控制膜片5的起裂压力值时，膜片破裂，瞬间释放高压气体，高压气体通过缓冲腔7到达支撑剂容器8，支撑剂容器8壁瞬时被高压气体冲破，高压气体携带大量的支撑剂颗粒通过气体通道12和射流孔13进入注浆孔，在此过程中，膜片破裂后不产生碎片，不会造成射流孔13的封堵；

步骤5)高压气体的动压力作用使注浆孔壁围岩原生裂隙得到扩张并产生了较大的新裂隙，高压气体中携带着大量的支撑剂材料颗粒11，这些小的颗粒随气体进入到每一条裂隙中，起到了支撑裂隙、防止裂隙重新闭合的作用；

步骤6)启动气体预裂后，保持气体压力10～15分钟，原生裂隙和新裂隙继续扩展贯通，在孔壁周围岩体内部形成复杂的裂隙网络，使软岩巷道围岩得到充分预裂，随后关闭外部空气压缩机，断开高压输气管与中空的耐高压中空螺纹钢杆体3的连接，然后立即对围岩进行注浆加固，浆液通过耐高压中空螺纹钢杆体3、破裂后的起裂压力控制膜片5和支撑剂容器8，从气体预裂装置头部的射流孔13进入围岩裂隙，完成软岩巷道围岩的注浆加固。

下面以某矿为例，结合附图进一步说明本发明的实例。

某矿中央采区行人上山主要在13-1煤层及其顶板泥岩、细砂岩层中掘进，泥岩为泥质结构、致密、性脆、裂隙发育、局部较松软。行人上山平均埋深855m，断面为斜墙圆弧拱型，巷道净高3968mm、净宽5480mm，圆弧拱半径2468mm。巷道采用锚注联合支护，巷道掘进后第12天为设计注浆时间。注浆时机的选择具有较大的盲目性，造成巷道围岩注浆加固效果不佳。巷道掘进后在30天的时间内，顶底板的移近量就达到696mm，平均每天移近量为23.2mm，两帮的移近量为934mm，平均每天移近量31.1mm，变形量很大，变形严重。

因此，采用本发明的技术方案对巷道围岩进行高压气体主动预裂注浆，提高注浆加固效果。

首先，巷道掘进后进行锚喷初始支护，随后在巷道围岩打直径35mm、深度3m的注浆孔，注浆孔布设间排距为1800mm×1800mm。

其次，向高压气体预裂装置的支撑剂容器8中注入支撑剂材料石英砂，支撑剂材料石英砂的粒径控制在50～60目之间，强度为60MPa左右，然后在支撑剂注入通道9拧上螺钉10将其密封；

将高压气体预裂装置与耐高压中空螺纹钢杆体3连接一起，并将高压气体预裂装置安装固定于注浆孔中。

再次，通过高压输气管将外部空气压缩机与中空的螺纹钢杆体3连接一起；

现场地应力水平测试得出巷道所处地应力水平为σ₁＝32.05MPa、σ₃＝21.37MPa，巷道围岩抗拉强度σ_t＝2.12MPa，则起裂压力控制膜片5的起裂压力值设置为：

P＝σ_t-3σ₃+σ₁＝2.12+3×21.37-32.05＝34.18MPa

开启输气阀门，启动巷道围岩高压气体主动预裂，保持注浆孔内气体压力(32.05MPa)10～15分钟，使软岩巷道围岩得到充分预裂，并实现裂隙的支撑。

最后，断开高压输气管与中空的耐高压中空螺纹钢杆体3的连接，立即对围岩进行注浆加固。

采用本发明技术方案后，实现了巷道围岩注浆时机的把握，显著提高了巷道围岩注浆加固效果，实现了巷道的变形控制。现场监测结果显示：监测期间巷道两帮及顶底板平均移近速率分别为0.438mm/d和0.617mm/d，巷道施工完成20天后围岩变形速率开始收敛。

Claims (10)

1.一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，包括耐高压中空螺纹钢杆体和高压气体预裂装置两个主要部分；所述的耐高压中空螺纹钢杆体的两端口均加工有螺纹丝口，杆体上靠近其中一端口设有固定挡板；所述的高压气体预裂装置由预裂装置壳体、起裂压力控制膜片、密封垫圈、缓冲腔、支撑剂容器、支撑剂注入通道、密封螺钉、支撑剂材料和射流孔组成；所述预裂装置壳体为中空结构，其一端开口，与耐高压中空螺纹钢杆体远离固定挡板的一端连接，另一端封闭，封闭端底部和四周开有能够使气体或浆液射出的射流孔；预裂装置壳体与耐高压中空螺纹钢杆体的连接处设有起裂压力控制膜片和密封垫圈；所述支撑剂容器嵌装在预裂装置壳体中，支撑剂容器壁上留设孔洞，该孔洞与预裂装置壳体上留设的支撑剂注入通道连通，通道由螺钉密封；所述支撑剂容器与预裂装置壳体内壁之间留有气体通道；所述支撑剂容器与起裂压力控制膜片之间形成缓冲腔，缓冲腔连通气体通道。

2.根据权利要求1所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，所述耐高压中空螺纹钢杆体是采用螺纹钢加工而成的两端开口的杆体；所述固定挡板距离其近处端口0.7～1.0m处设置；所述固定挡板通过焊接的方式固定在耐高压中空螺纹钢杆体表面。

3.根据权利要求1所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，所述耐高压中空螺纹钢杆体的一端开口处设置有凹槽，用来固定起裂压力控制膜片。

4.根据权利要求3所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，所述起裂压力控制膜片采用铝材加工制作而成,膜片破裂后不产生碎片。

5.根据权利要求1所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，所述起裂压力控制膜片的破裂压力值跟巷道的埋深、围岩岩性以及所处的应力状态有关，具体可由下式计算得出：

P＝σ_t-3σ₃+σ₁

式中：P为起裂压力控制膜片的破裂压力值；σ_t为巷道围岩抗拉强度；σ₁和σ₃分别为第一主应力和第三主应力，σ_t、σ₁和σ₃的正负号规定为拉应力为正，压应力为负。

6.根据权利要求1所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，所述支撑剂容器采用塑性材料制成，且该材料的最大抗压能力远小于膜片破裂压力值。

7.一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤1)：在完成锚喷初始支护之后的软岩巷道围岩打注浆孔；

步骤2)：将高压气体预裂装置与耐高压中空螺纹钢杆体通过丝口连接在一起，并将高压气体预裂装置置于注浆孔中，采用高强速凝混凝土将杆体上固定挡板之外的区域固定于注浆孔壁上，起到密封注浆孔的作用；

步骤3)：通过高压输气管将外部空气压缩机与中空的螺纹钢杆体连接，开启输气阀门，通过高压输气管和耐高压中空螺纹钢杆体将高压气体输送到气体预裂装置，当气体压力达到起裂压力控制膜片的起裂压力值时，膜片破裂，瞬间释放高压气体，高压气体通过缓冲腔到达支撑剂容器，支撑剂容器壁瞬时被高压气体冲破，高压气体携带大量的支撑剂颗粒通过气体通道和射流通道进入注浆孔；

步骤4)：高压气体的动压力作用使注浆孔壁围岩原生裂隙得到扩张并产生了较大的新裂隙，高压气体中携带着大量的支撑剂颗粒，这些小的颗粒随气体进入到围岩裂隙中，起到了支撑裂隙、防止裂隙重新闭合的作用；

步骤5)：启动气体预裂后，保持气体压力一段时间，使软岩巷道围岩得到充分预裂，随后关闭外部空气压缩机，断开高压输气管与中空的螺纹钢杆体的连接，然后立即对围岩进行注浆加固，浆液通过中空的螺纹钢杆体、破裂后的起裂膜片和气体通道，从气体预裂装置头部的射流孔进入围岩裂隙，完成软岩巷道围岩的注浆加固。

8.根据权利要求7所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆方法，其特征在于，所述的注浆孔的深度为2～3m，直径为35～40mm。

9.根据权利要求7所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆方法，其特征在于，步骤5)中所述的保持气体压力一段时间为10～15分钟。

10.根据权利要求7所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆方法，其特征在于，所述支撑剂颗粒的粒径大于水泥的粒径，强度为50～70MPa。