CN107100656B - 一种液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆支护方法，作业时将充装好的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆置入预先布置的钻孔中，并旋转复合锚杆主体管使前端的锚固段胀壳体张开并嵌入孔壁以固定锚杆，起爆复合锚杆，使位于主体管内的液态二氧化碳迅速相变产生高压气体并从主体管上的喷射孔中喷出，在高压气体射流冲击作用下，钻孔孔壁围岩裂隙密度和范围增大，爆破后主体管兼做注浆通道与外部注浆泵连接进行注浆，浆液从喷射孔内流出填充裂隙，注浆结束后，在主体管末端套上托板和加固螺母以对锚杆施加预应力。该方法可有效增加浆液扩散半径，具有锚注双重支护效果、工序简单、安全可靠的特点。
Description
技术领域
本发明属于锚杆支护技术领域，尤其涉及一种液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆支护方法。
背景技术
破碎或不稳固岩体的支护加固一直是岩体工程施工领域的难题，传统上常采用锚杆、锚索、注浆加固以及锚注联合支护等方法。当破碎或不稳固岩体厚度超过一定距离时，锚杆锚索支护的锚固端只能作用在破碎或不稳固岩体上，不能作用在基岩上，无法形成悬吊、挤压等支护作用，无法进行有效的锚固，作业安全性不能得到保证。采用注浆支护或锚注联合支护时，在破碎或不稳固岩体裂隙本身发育不够充分时，又使得浆液扩散半径小，注浆量低，达不到加固破碎区域围岩的目的。
针对破碎或不稳固岩体裂隙沟通性差，注浆量小的问题，有人提出了采用常规爆破增透注浆的方法进行复合支护，但炸药爆炸增透技术不仅适用条件受限，操作工艺复杂，而且安全系数低，不能排除哑炮的可能，爆破产生大量的热量及有毒有害气体，污染作业环境。此外，由于药包爆破能量及其能量释放方向难以精确控制，无法形成均匀的裂隙带，爆破后很容易对深部围岩爆炸致裂带造成新的应力集中，反而有可能影响围岩的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述节理裂隙中等发育、联通性差且厚度变化大的围岩，提供一种爆破能量可调、泄放方式可控、岩体裂隙尺度和范围可定向定量增加、液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆支护方法，以增加围岩的通透性，扩大浆液的扩散半径，改善围岩的注浆效果达到锚杆与注浆双重支护的目的。
为解决上述技术问题，本发明所提供的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆支护方法，包括如下步骤：
步骤1：作业时将充装好的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆置入预先布置的钻孔中，并旋转复合锚杆主体管使前端的锚固段胀壳体张开并嵌入孔壁以固定锚杆；
步骤2：起爆复合锚杆，此时位于主体管内的液态二氧化碳迅速相变成为高压气体并从主体管上的喷射孔中喷出，在高压气体射流产生的冲击作用下，孔壁围岩内形成大量裂隙，从而增大围岩裂隙密度和范围；
步骤3：爆破后主体管兼做注浆通道与外部注浆泵连接进行注浆，浆液从喷射孔内流出填充裂隙，注浆结束后，在主体管末端套上托板和加固螺母以对锚杆施加预应力。
进一步的，步骤1中所述主体管包括储液管、固定连接在储液管前端的泄能头及可拆卸连接在储液管后端的充装头，所述泄能头内设有连通储液管内腔的释放管路，外壁上设有贯通所述释放管路的喷射孔；在储液管内腔与释放管路之间设有爆破片，所述充装头上设有连通储液管内腔的充液孔及控制充液孔开闭的阀门，在所述储液管内腔的后端设有加热元件，液体二氧化碳从充液孔冲入储液管内，通过使加热元件通电后产生热量，使液态二氧化碳汽化产生高压气体，当气体压力大于爆破片的强度，储液管前端爆破片破裂，高压气体瞬间进入释放管路中，从泄能头上的喷射孔进入钻孔内，钻孔内壁围岩在高压射流作用下形成大量裂隙。
进一步的，步骤1中所述锚固段包括一螺杆、一楔形螺母及胀壳体，所述螺杆一端与泄能头前端固定连接，另一端从胀壳体的胀壳夹片之间穿过并与楔形螺母之螺孔螺接配合，所述楔形螺母上设有与胀壳夹片相配合的楔形面，通过旋转主体管带动楔形螺母朝主体管运动，楔形面与胀壳夹片相配合将胀壳夹片撑开嵌入孔壁。
进一步的，在进行液态二氧化碳爆破注浆式复合锚杆支护之前，还包括如下步骤：
步骤a：首先开展需要支护区域的工程地质调查和岩石力学实验，进一步结合松动圈测试确定不稳固区岩体厚度及其物理力学参数，进而确定液态二氧化碳填充量及其额定爆炸压力、发热元件化学品装填量和该复合锚杆主体管的最大长度；
步骤b：根据工程地质调查结果及液态二氧化碳的爆炸压力，通过计算机模拟和现场试爆进行布孔优化，根据计算分析所得结果，选择相应规格和数量的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆；
步骤c：通过充液孔充装液态二氧化碳，并利用阀芯进行压力控制，充装完毕后用推送器将复合锚杆送入锚杆注浆孔。
具体的，步骤b中布孔方式采取梅花形或三角形的深孔与浅孔交替布置方式。
进一步的，步骤1的具体步骤如下：通过旋转主体管迫使楔形螺母朝主体管移动将胀壳体撑开嵌入孔壁，使锚杆固定在岩体中，并使喷射孔与岩体优势节理方向一致，锚杆的充装头及储液管的尾端从钻孔中伸出；
步骤2的具体步骤如下：用导线连接4排5列，不超过12个复合锚杆，并进行检查，检查无误后，利用接线柱接通电极对加热元件通电，加热储液管内液态二氧化碳，液态二氧化碳相变为气态，利用相变产生的高压射流气体作用岩体形成新的裂隙，并使不稳固岩体中原生裂隙进一步扩展与贯通，形成贯通裂隙，达到扩大注浆半径的目的；
步骤3的具体步骤如下：爆破结束后，卸掉主体管尾端的充装头和加热元件，主体管兼作注浆管使用，与外部注浆台车的注浆导管连接进行高压注浆，实现对岩体注浆加固，注浆采取多孔同时注浆方式进行，形成与基岩相楔合的注浆加固带，注浆结束后，在主体管末端套上托板和加固螺母以对锚杆施加预应力。
进一步的，步骤a的具体步骤为：首先开展工程地质调查和岩石力学实验，掌握顶板或上盘围岩条件，包括岩体基本物理力学性质和围岩节理裂隙发育程度，获得顶板或上盘围岩允许暴露面积和暴露时间，圈定顶板或上盘围岩需要支护的区域范围；开展围岩松动圈测试，对照松动圈围岩分类表进行围岩类别判定，确定围岩需支护的厚度，进而根据不稳固区的位置分布及厚度，设计爆破注浆复合锚杆支护参数，进一步确定液态二氧化碳填充量及其额定爆炸压力、发热元件化学品装填量和该复合锚杆主体管的最大长度。
具体的，所述深孔取2.5m，浅孔取1.8-2.0m，深孔位于正六边形的中心处，浅孔位于正六边形的六个顶点处，孔间距取1.2m。
具体的，在锚杆主体管外壁表面上设有螺纹，实现对锚杆施加预应力和形成对岩土体径向阻力。
具体的，在胀壳夹片的外表面为倒锯齿状锥形表面，所述倒锯齿环向布设。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
采用液态二氧化碳爆炸注浆式锚杆复合支护的方法，预先通过液态二氧化碳相变产生的高压气体形成的爆炸能量，使岩体沿天然裂缝剪切开来，在保证围岩不受二次破坏的前提下，有效增大岩体内部裂隙尺度和范围，改变围岩原生裂隙的状态，增加岩体次生裂隙的发育，使得围岩内部产生大量的裂隙带，为注浆创造良好的条件，爆破后主体杆作为爆破后的注浆通道和锚杆功效使用，具有爆破、注浆与锚杆的多重作用。而且，采用液态二氧化碳物理爆破替代传统的(炸药)化学爆破，爆破能量和泄能方式可控，无有毒气体的排放，无处理哑炮、盲炮的危险，操作简单且安全性高。根据工程地质调查结果进行布孔和钻孔，基于爆破能量分布考虑，最大程度合理利用高压二氧化碳气体产生的射流冲击作用，布孔采取梅花形(或三角形)布孔方式，采取浅孔与深孔结合注浆，使爆破后相邻钻孔在空间连线上裂隙最大程度的贯通，形成最佳的注浆及加固带，发挥锚注最佳支护效果，所形成超大厚度的围岩加固带有效提高围岩的稳定性。
附图说明
图1为本发明中液态二氧化碳爆破增透注浆的复合锚杆结构示意图；
图2为本发明中复合锚杆完成注浆支护后示意图；
图3为本发明中复合锚杆支护加固采场顶板示意图；
图4为钻孔布置平面示意图；
其中：1-储液管；2-加热元件；3-圆环螺母；4-充装头；5-接线柱；6-阀门；7-充液孔；8-活动销；9-托板；10-喷射孔；11-螺杆；12-楔形螺母；13-胀壳体；14-泄能头；15-爆破片；16-锚杆注浆孔；17-注浆加固带；18-贯通裂隙；19-复合锚杆；20-顶板基岩；21-直接顶板；22-顶板原生裂隙；23-矿体；24-切顶水平浅孔；25-切割上山；26-回采炮孔；27-矿石；28-注浆台车；29-溜井；30-运输巷道；31-切顶横巷。
具体实施方式
本发明提供了一种采用二氧化碳爆炸注浆复合支护围岩的方法，为使发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，本发明中的二氧化碳爆炸注浆式锚杆，包括主体管和连接在主体管前端的锚固段，所述主体管包括储液管1、固定连接在储液管1前端的泄能头14及可拆卸连接在储液管1后端的充装头4，所述泄能头14内设有连通储液管1内腔的释放管路，外壁上设有贯通所述释放管路的喷射孔10；在储液管1内腔与释放管路之间设有爆破片15，所述充装头4上设有连通储液管内腔的充液孔7及控制充液孔7开闭的阀门6，在所述储液管1内腔的后端设有加热元件2，液体二氧化碳从充液孔7冲入储液管1内，通过使加热元件2得电后产生热量，使液态二氧化碳汽化产生高压气体，当气体压力大于爆破片15的强度，储液管前端爆破片15破裂，高压气体瞬间进入释放管中，从泄能头14上的喷射孔10进入钻孔内，在钻孔内形成大量裂隙。
优选的，所述锚固段包括一螺杆11、一楔形螺母12及胀壳体13，所述螺杆11一端与泄能头14前端固定连接，另一端从胀壳体13上相对设置的两瓣胀壳夹片之间穿过并与楔形螺母12之螺孔螺接配合，所述楔形螺母12上设有与胀壳夹片相配合的楔形面，所述楔形螺母12的两楔形面之间的距离从前到后逐渐变小，通过旋转主体管带动楔形螺母12朝主体管1运动，楔形面与胀壳夹片相配合将胀壳夹片撑开嵌入孔壁，优选的，在胀壳夹片的外表面为倒锯齿状锥形表面，所述倒锯齿环向布设，从而提高胀壳体与岩层孔壁的摩擦力，进而提高锚杆的锚固力。
优选的，为实现对锚杆施加预应力和形成对岩土体径向阻力，在主体管的外表面上设有螺纹。
本发明提出的支护方案的具体用例是：在中厚缓倾斜至中厚倾斜矿体采用浅孔或中深孔预控顶房柱法开采时，针对预先控制顶板(或上盘围岩)措施，首先开展工程地质调查，掌握顶板或上盘围岩条件，包括岩体基本物理力学性质和围岩节理裂隙发育程度，获得顶板(或上盘围岩)允许暴露面积和暴露时间，圈定顶板(或上盘围岩)需要支护的区域范围。开展围岩松动圈测试，对照松动圈围岩分类表进行围岩类别判定，确定围岩需支护的厚度，进而根据不稳固区的位置分布及厚度，设计爆破注浆复合锚杆支护参数，进一步确定液态二氧化碳填充量及其额定爆炸压力、发热元件化学品装填量。
采准切割工程完成后进行切顶，由切顶横巷向采场两侧推进，切顶后进行护顶(控顶)。采用凿岩机或凿岩台车钻凿垂直于顶板的锚杆眼。孔深以超过锚杆长度10mm为宜，同时采用梅花形或三角形的深孔与浅孔交替布置。随后进行复合锚杆的液态二氧化碳充装，充装完毕后用推送器送入钻孔，旋转主体管使锚固段胀壳体张开并嵌入钻孔孔壁以固定锚杆。同时利用锚杆主体管外壁表面上的螺纹，实现对锚杆施加预应力和形成对岩土体径向阻力。爆破工序完成后，卸掉主体管尾端的充装头4和加热元件2，连接注浆泵进行注浆。注浆结束后，在储液管1外露端套上托板9，采用带销圆环螺母3进行固定，完成锚注支护。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
主体管直径取40mm，壁厚不宜小于5mm，为增加与围岩的摩擦力，即与锚杆注浆孔16的摩擦力，在管壁上加工一定数量的梯形螺纹。托板9、带活动销8的圆环螺母3采用钢板轧制，圆环螺母3直径宜大于主体管直径1～2mm。
如图3所示，该采矿方法为缓倾斜中厚矿体23采用的预控顶(预切顶)中深孔房柱法。矿体倾角约8～10度，厚度8～10m。利用开拓平巷做运输巷道30，在运输巷道30中，每隔12～15m布置一个溜井29用于出矿。沿矿体底板布置切割上山24，并兼做凿岩巷道，钻凿垂直下向中深孔26进行崩矿，崩落的矿石27采用铲运机运至溜井进行出矿。
采场切顶采取前进式，与采场回采方向一致，以切顶横巷31作为凿岩工作面，采用水平浅孔24前进式沿采场方向上推进，并向采场两侧推进，形成凿岩阶梯，从而实现采场切顶。切顶在回采矿房前揭露顶板，超前于回采工作面4～6m。通过进一步的工程地质调查和岩石力学等工作，完成顶板支护的参数计算与选取，确定液态二氧化碳填充量及其额定爆炸压力、发热元件化学品装填量。在顶板切开5m后进行顶板支护。支护方向与切顶方向一致，滞后于切顶作业20～30m，以保证切顶崩矿不影响和破坏顶层。采用凿岩机或凿岩台车打垂直向上炮孔(锚杆注浆孔16)，孔径应比杆体大4～6mm，本例孔径取45mm，布孔采取梅花形布孔方式，布孔间距不应大于钻孔深度的1.2倍，采取深孔与浅孔交替布置方式施工，钻孔深度根据岩石的可崩性，液态二氧化碳的爆炸压力，通过计算机模拟和现场试爆进行优化，力求最大程度的贯通围岩裂隙，从而为注浆提供良好通道。本例中深孔取2.5m，浅孔取1.8～2.0m，布置形式如图4所示，其中深孔a与浅孔b、c、d、e、f、g形成梅花形布置。孔间距(bc距离)根据分析结果取1.2m。
根据计算分析结果，选择相应规格和数量的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆，本例中复合锚杆直接选取40mm。通过充液孔7进行充装，并利用阀门6中的阀芯进行压力控制。充装完毕后用推送器将复合锚杆19送入锚杆注浆孔16；旋转主体管使锚固段胀壳体13张开并嵌入钻孔孔壁以固定锚杆，并尽量使喷射孔10与岩体优势节理方向一致。用导线连接4排5列，不超过12个复合锚杆，并进行检查。检查无误后，利用接线柱5接通电极6对加热元件2通电，加热所述储液管1内液态二氧化碳，液态二氧化碳相变为气态，利用相变产生的高压射流气体作用岩体形成新的裂隙，并使不稳固岩体中原生裂隙22进一步扩展与贯通，形成贯通裂隙18，一定程度的增大裂隙密度和范围，达到扩大注浆半径的目的。爆破结束后，卸掉主体管尾端的充装头4和加热元件2。主体管兼作注浆管使用，与外部注浆台车28的注浆导管连接进行高压注浆，实现对直接顶板21的注浆加固。注浆采取多孔同时注浆方式进行，形成与顶板基岩20相楔合的注浆加固带17。注浆结束后，在主体管末端套上托板9和加固螺母3以对锚杆施加预应力，完成此循环的支护工作。
本发明提高了超前切顶、护顶空场法的顶板加固效果，改善了作业环境，保障了设备及人员作业安全。同时，应用本发明还可为不同开采技术条件的中等破碎围岩环境下的巷道围岩、矿体上盘围岩支护及采空区的管理提供一种有效技术措施，具有工艺操作简单，安全可靠的特点。
Claims (6)
1.一种液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆支护方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：作业时将充装好的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆置入预先布置的钻孔中，并旋转复合锚杆主体管使前端的锚固段胀壳体张开并嵌入孔壁以固定锚杆；
步骤2：起爆复合锚杆，此时位于主体管内的液态二氧化碳迅速相变产生高压气体并从主体管上的喷射孔中喷出，在高压气体射流产生的冲击作用下，孔壁围岩内形成大量裂隙，从而增大围岩裂隙密度和范围；
步骤3：爆破后主体管兼做注浆通道与外部注浆泵连接进行注浆，浆液从喷射孔内流出填充裂隙，注浆结束后，在主体管末端套上托板和加固螺母以对锚杆施加预应力；
在进行液态二氧化碳爆破注浆式复合锚杆支护之前，还包括如下步骤：
步骤a：首先开展需要支护区域的工程地质调查和岩石力学实验，进一步结合松动圈测试确定不稳固区岩体厚度及其物理力学参数，进而确定液态二氧化碳填充量及其额定爆炸压力、发热元件化学品装填量和该复合锚杆主体管的最大长度；
步骤b：根据工程地质调查结果及液态二氧化碳的爆炸压力，通过计算机模拟和现场试爆进行布孔优化，根据计算分析所得结果，选择相应规格和数量的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆；
步骤c：通过充液口充装液态二氧化碳，并利用阀芯进行压力控制，充装完毕后用推送器将复合锚杆送入锚杆注浆孔；
步骤1中所述主体管包括储液管、固定连接在储液管前端的泄能头及可拆卸连接在储液管后端的充装头，所述泄能头内设有连通储液管内腔的释放管路，外壁上设有贯通所述释放管路的喷射孔；在储液管内腔与释放管路之间设有爆破片，所述充装头上设有连通储液管内腔的充液孔及控制充液孔开闭的阀门，在所述储液管内腔的后端设有加热元件，液体二氧化碳从充液孔充入储液管内，通过使加热元件通电后产生热量，使液态二氧化碳汽化变成高压气体，当气体压力大于爆破片的强度，储液管前端爆破片破裂，高压气体瞬间进入释放管路中，从泄能头上的喷射孔进入钻孔内并作用于孔壁围岩，形成大量裂隙；
步骤1中所述锚固段包括一螺杆、一楔形螺母及胀壳体，所述螺杆一端与泄能头前端固定连接，另一端从胀壳体的胀壳夹片之间穿过并与楔形螺母之螺孔螺接配合，所述楔形螺母上设有与胀壳夹片相配合的楔形面，通过旋转主体管带动楔形螺母朝主体管运动，楔形面与胀壳夹片相配合将胀壳夹片撑开嵌入孔壁。
2.根据权利要求1所述的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆支护方法，其特征在于：步骤b中布孔方式采取梅花形或三角形的深孔与浅孔交替布置方式。
3.根据权利要求2所述的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆支护方法，其特征在于：
步骤1的具体步骤如下：通过旋转主体管迫使楔形螺母朝主体管移动将胀壳体撑开嵌入孔壁，使锚杆固定在岩体中，并使喷射孔与岩体优势节理方向一致，锚杆的充装头及储液管的尾端从钻孔中伸出；
步骤2的具体步骤如下：用导线连接4排5列，不超过12个复合锚杆，并进行检查，检查无误后，利用接线柱接通电极对加热元件通电，从而使液态二氧化碳迅速相变为气态，利用相变产生的高压射流气体作用于岩体形成新的裂隙，并使不稳固岩体中原生裂隙进一步扩展与贯通，形成贯通裂隙，实现扩大注浆半径的目的；
步骤3的具体步骤如下：爆破结束后，卸掉主体管尾端的充装头和加热元件，主体管兼作注浆管使用，与外部注浆台车的注浆导管连接进行高压注浆，实现对岩体注浆加固，注浆采取多孔同时注浆方式进行，形成与基岩相楔合的注浆加固带，注浆结束后，在主体管末端套上托板和加固螺母以对锚杆施加预应力。
4.根据权利要求2所述的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆支护方法，其特征在于：步骤a的具体步骤为：首先开展工程地质调查和岩石力学实验，掌握顶板或上盘围岩条件，包括岩体基本物理力学性质和围岩节理裂隙发育程度，获得顶板或上盘围岩允许暴露面积和暴露时间，圈定顶板或上盘围岩需要支护的区域范围；开展围岩松动圈测试，对照松动圈围岩分类表进行围岩类别判定，确定围岩需支护的厚度，进而根据破碎区的位置分布及厚度，设计爆破注浆复合锚杆支护参数，进一步确定液态二氧化碳填充量及其额定爆炸压力、发热元件化学品装填量和该复合锚杆主体管的最大长度。
5.根据权利要求2所述的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆支护方法，其特征在于：在锚杆主体管外壁表面上设有螺纹，实现对锚杆施加预应力和形成对岩土体径向阻力。
6.根据权利要求2所述的液态二氧化碳爆破增透注浆复合锚杆支护方法，其特征在于：所述胀壳夹片的外表面为倒锯齿状锥形表面，倒锯齿环向布设。
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