CN114109438A - 一种用于深部岩体开挖安全支护装置及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于深部岩体开挖安全支护装置，属于土木工程领域，包括防护外壳体，防护外壳体位于施工前进方向的前端环绕设置有若干个支撑臂，支撑臂的一端与防护外壳体的内侧壁铰接，防护外壳体内部位于支撑臂根部位置设置有限位块，以限制支撑臂往防护外壳体内部弯折；支撑臂上设置有若干个小型注浆管，在施工时，若干支撑臂超外侧展开形成锥形，小型注浆管前端插入岩体内，小型注浆管后端与支撑臂固定连接。采用支撑臂与若干小型注浆管固定在一起，使得在对岩体施工时若岩体突然爆裂，则可以推动支撑臂往限位块方向弯折，可以有效挡住岩体进入防护外壳体中，有效保证防护外壳体内部人员安全。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程领域，尤其涉及一种用于深部岩体开挖安全支护装置及其施工方法。
背景技术
深部地下工程涉及矿山、交通、水利水电、核废料的深层地质处置、国家战略能源储备和国家战略防护工程等领域，事关国家安全和国计民生。超过1000米深的地下工程施工和遭受爆炸地冲击扰动，形成在高地应力作用下的“一高两扰动”(高地应力、开挖卸荷扰动、爆炸地冲击扰动)特征，出现的静、动特征科学现象，如分区破裂、岩爆、超低摩擦和摆形波等，现有岩石力学理论无法圆满解释，由此造成深地下工程选址与布局缺少科学依据，深部岩体工程岩爆、分区破裂及大变形带来的灾害预测与防治困难，成为国内外专家学者争相研究的热点和难点。深部“一高两扰动”特征科学现象是亟待突破的重大科学问题。深部岩体“一高二扰动”特点形成的特征科学现象是高度的非线性力学复杂问题，深部岩体构造特征具有非连续、非均匀、块系构造和含能特点，是复杂的含能地质体，变形破坏特征具有加卸载耦合、动静变形叠加、时空变化相关、破坏状态剧烈的特点，是复杂的非线性力学问题。
岩爆是深埋地下工程施工过程中常见的动力破坏现象，它是由于岩石积聚的应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，多余的能量导致岩石碎片从岩体中剥离、崩出。发生岩爆的条件是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性，在这种条件下，一旦隧道开挖破坏了岩体原有的平衡状态，岩体中积聚的能量释放就会导致岩石崩裂破坏，并将破碎岩石抛出。岩爆可瞬间突然发生，也可以持续几天到几个月，常常带来灾难性的后果，如开挖工作面的严重破坏、人员伤亡、施工设备毁损等等。
现有技术中在施工时不能有效的降低岩爆的发生，不能很好的控制施工位置岩层的稳定性，使得在施工时容易导致危险的发生。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种用于深部岩体开挖安全支护装置，可以有效提高施工位置岩体的稳定，避免施工时岩体爆裂造成事故。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种用于深部岩体开挖安全支护装置，包括防护外壳体，所述防护外壳体位于施工前进方向的前端环绕设置有若干个支撑臂，所述支撑臂的一端与所述防护外壳体的内侧壁铰接，所述防护外壳体内部位于所述支撑臂根部位置设置有限位块，以限制所述支撑臂往所述防护外壳体内部弯折；所述支撑臂上设置有若干个小型注浆管，在施工时，若干所述支撑臂超外侧展开形成锥形，所述小型注浆管前端插入岩体内，所述小型注浆管后端与所述支撑臂固定连接。
本发明优选地技术方案在于，所述支撑臂长度大于所述防护外壳体的半径，以使在收缩时所述支撑臂之间相互交叉相抵。
本发明优选地技术方案在于，所述支撑臂上设置有若干个螺纹孔，所述螺纹孔直径大于所述小型注浆管外径，所述小型注浆管尾端设置有安装座，在所述小型注浆管插入岩体后，所述安装座与所述螺纹孔螺纹连接。
本发明优选地技术方案在于，还包括若干外部注浆管，所述外部注浆管环形设置与所述防护外壳体外部，所述小型注浆管插入岩体后位于所述外部注浆管内侧。
本发明优选地技术方案在于，所述防护外壳体端部设置有导向防护环，所述导向防护环朝所述防护外壳体的中心方向延伸，以使所述导向防护环和所述限位块分别位于所述支撑臂的两侧，所述导向防护环限制所述支撑臂往外部弯折角度，所述导向防护环外侧设置有导向斜面。
本发明优选地技术方案在于，还包括延长壳体，所述延长壳体的两端均设置有若干个连接耳片，所述防护外壳体远离所述支撑臂的一端设置有同样的连接耳片，所述防护外壳体与所述延长壳体之间通过所述连接耳片固定连接。
本发明优选地技术方案在于，还包括延长加固杆，所述连接耳片中部设置有连接通孔，所述延长加固杆穿过所述连接通孔与所述限位块固定连接。
一种使用用于深部岩体开挖安全支护装置的施工方法，包括以下步骤：步骤S00：评估岩体力学状态，寻找合适开挖地点，初步挖掘形成小直径的锥形孔；步骤S10：在锥形孔外围打孔以安装外部注浆管，采用高压泵往外部注浆管中注入水泥浆；步骤S20：在锥形孔内侧面打用于安装小型注浆管的孔，将防护外壳体推动到锥形孔位置，展开支撑臂使得其与锥形孔内侧壁贴合；步骤S30：将小型注浆管插入孔中，然后将其与支撑臂上的螺纹孔锁定；步骤S40：往小型注浆孔中注入高压液体，同时辅助掘进机械进行挖掘，挖掘时人员位于防护外壳体内部；步骤S50：施工完成一段后将防护外壳体采用液压设备推进，同时在后端连接延长壳体。
本发明优选地技术方案在于，在步骤S40中，小型注浆孔中注入的高压液体可以为水或者水泥浆，在挖掘时岩体异常爆裂，可以通过小型注浆孔反向施加给所述支撑臂作用力，使得支撑部往防护外壳体内完成，以阻挡岩体进入防护外壳体中。
本发明优选地技术方案在于，在步骤S50中，防护外壳体与延长壳体连接后，在连接耳片位置安装延长加固杆，以在后端施加推进作用力是，将作用力传导至前端的防护外壳体。
本发明的有益效果为：
本发明提供的一种用于深部岩体开挖安全支护装置，包括防护外壳体，所述防护外壳体位于施工前进方向的前端环绕设置有若干个支撑臂，所述支撑臂的一端与所述防护外壳体的内侧壁铰接，所述防护外壳体内部位于所述支撑臂根部位置设置有限位块，以限制所述支撑臂往所述防护外壳体内部弯折；所述支撑臂上设置有若干个小型注浆管，在施工时，若干所述支撑臂超外侧展开形成锥形，所述小型注浆管前端插入岩体内，所述小型注浆管后端与所述支撑臂固定连接。采用支撑臂与若干小型注浆管固定在一起，使得在对岩体施工时若岩体突然爆裂，则可以推动支撑臂往限位块方向弯折，可以有效挡住岩体进入防护外壳体中，有效保证防护外壳体内部人员安全。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中提供的用于深部岩体开挖安全支护装置整体示意图；
图2是本发明具体实施方式中提供的防护外壳体结构示意图；
图3是本发明具体实施方式中提供的小型注浆管安装示意图；
图4是本发明具体实施方式中提供的外部注浆管安装示意图；
图中：
1、延长壳体；2、防护外壳体；3、支撑臂；4、小型注浆管；5、延长加固杆；6、限位块；7、外部注浆管；21、导向防护环；22、连接耳片；221、连接通孔；31、螺纹孔；41、安装座。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-4所示，本实施例提供一种用于深部岩体开挖安全支护装置，包括防护外壳体2，所述防护外壳体2位于施工前进方向的前端环绕设置有若干个支撑臂3，所述支撑臂3的一端与所述防护外壳体2的内侧壁铰接，所述防护外壳体2内部位于所述支撑臂3根部位置设置有限位块6，以限制所述支撑臂3往所述防护外壳体2内部弯折；所述支撑臂3上设置有若干个小型注浆管4，在施工时，若干所述支撑臂3超外侧展开形成锥形，所述小型注浆管4前端插入岩体内，所述小型注浆管4后端与所述支撑臂3固定连接。施工时采用锥形孔推进的方式，使得小型注浆管4插入待挖掘的锥形孔侧面的岩体中，在小型注浆管4的作用下可以有效释放岩体内的应力，从而使得在挖掘时不容易出现岩爆事故。同时若干个小型注浆管4连接在一个支撑臂3上，当局部岩体失稳时临近岩体可以暂时提供一定的支撑作用力，有效减缓岩体崩塌的风险；而当大范围岩体失稳时，岩体推动支撑臂3往防护外壳体2内部方向弯折，在限位块6的作用下使得支撑臂3挡在防护外壳体2端部，在多个支撑臂3的作用下可以有效阻挡岩体大量涌入防护外壳体2内部，从而可以有效保护防护外壳体2内部人员安全。
为了更好的提供支撑作用力，所述支撑臂3长度大于所述防护外壳体2的半径，以使在收缩时所述支撑臂3之间相互交叉相抵。在当多个支撑臂3往防护外壳体2内部方向弯折时，由于每个支撑臂3长度都大于半径，所以支撑臂3之间会相抵交错，从而使得多个支撑臂3之间不仅在端部有限位块6支撑，相互之间的支撑作用力使得其整体更好阻挡岩体，有效提高安全性。
优选的，所述支撑臂3上设置有若干个螺纹孔31，所述螺纹孔31直径大于所述小型注浆管4外径，所述小型注浆管4尾端设置有安装座41，在所述小型注浆管4插入岩体后，所述安装座41与所述螺纹孔31螺纹连接。小型注浆管4采用螺纹连接的方式可以方便实现拆卸，从而使得在反复循环使用时更加方便，同时螺纹连接的方式可以给支撑臂3和小型注浆管4之间提供强有力的连接，使得在岩体失稳时，小型注浆管4与支撑臂3之间不易分离，从而小型注浆管4与支撑臂3可以同时起到阻挡岩体的作用，同时可以保证小型注浆管4将作用力传递到支撑臂3。
为了保证在施工时岩体的稳定性，还包括若干外部注浆管7，所述外部注浆管7环形设置与所述防护外壳体2外部，所述小型注浆管4插入岩体后位于所述外部注浆管7内侧。在待挖掘部分的外围设置外部注浆管7，可以提前释放部分应力，同时通过外部注浆管7注入水泥浆有助于位置外围岩体的稳定性，使得对中部岩体施工时提高安全保障。在挖掘内部岩体时，小型注浆管4插入位置位于外部注浆管7内部，从而不会破坏外部岩体的稳定性。
优选的，所述防护外壳体2端部设置有导向防护环21，所述导向防护环21朝所述防护外壳体2的中心方向延伸，以使所述导向防护环21和所述限位块6分别位于所述支撑臂3的两侧，所述导向防护环21限制所述支撑臂3往外部弯折角度，所述导向防护环21外侧设置有导向斜面。一方面，导向导向防护环21可以限制支撑臂3往外弯折角度，从而使得支撑臂3可形成锥形，弯折角度较小的话可以更加迅速有效的避免岩体进入导向防护环21中，同时支撑臂3倾斜设置，使得岩体爆裂时作用力倾斜作用于支撑臂3，支撑臂3受到作用力就可以迅速朝防护外壳体2内部弯折，有效保护人员安全。另一方面，导向防护环21位于支撑臂3转动连接的根部，包裹在其外围，从而可以有效保护其连接位置，使得在施工时该位置不容进入砂石，保证其可以自由转动，同时在岩体发生事故时，该位置也不易损坏，保证支撑臂3可以自由旋转实现保护的功能。
优选的，还包括延长壳体1，所述延长壳体1的两端均设置有若干个连接耳片22，所述防护外壳体2远离所述支撑臂3的一端设置有同样的连接耳片22，所述防护外壳体2与所述延长壳体1之间通过所述连接耳片22固定连接。在不断施工推进时，采用延长壳体1可以有效保护全段的安全，且延长壳体1可以根据需要一节一节增加，使用方便。
优选的，还包括延长加固杆5，所述连接耳片22中部设置有连接通孔221，所述延长加固杆5穿过所述连接通孔221与所述限位块6固定连接。延长加固杆5可以增强延长壳体1长度方向的强度，起到更好的支撑作用，同时延长加固杆5可以方便连接液压推进机械，从而使得方便推动整个装置往前移动。
一种使用用于深部岩体开挖安全支护装置的施工方法，包括以下步骤：步骤S00：评估岩体力学状态，寻找合适开挖地点，初步挖掘形成小直径的锥形孔；小锥形孔的初步挖掘风险较小，且小锥形孔可以提前释放部分岩体的应力，从而最大程度上降低岩体爆裂的风险。步骤S10：在锥形孔外围打孔以安装外部注浆管7，采用高压泵往外部注浆管7中注入水泥浆；外围打孔的过程中可以有效释放岩体的部分应力，同时在插入外部注浆管7后并加入水泥浆，水泥浆可以很好的渗入岩体缝隙中，从而使得外围岩体加固，整体性较好，从而更不容易碎裂。步骤S20：在锥形孔内侧面打用于安装小型注浆管4的孔，将防护外壳体2推动到锥形孔位置，展开支撑臂3使得其与锥形孔内侧壁贴合；步骤S30：将小型注浆管4插入孔中，然后将其与支撑臂3上的螺纹孔31锁定；步骤S40：往小型注浆孔中注入高压液体，同时辅助掘进机械进行挖掘，挖掘时人员位于防护外壳体2内部；步骤S50：施工完成一段后将防护外壳体2采用液压设备推进，同时在后端连接延长壳体1。小型注浆管4注入高压液体之后可以使得该部分岩体受到一定的应力作用，从而使得在挖掘时更容易，增加局部作用力，而避免挖掘时震动传导到外部注浆管7以外的地方，避免整个岩体发生事故，提高施工的安全性。
优选的，在步骤S40中，小型注浆孔中注入的高压液体可以为水或者水泥浆，在挖掘时岩体异常爆裂，可以通过小型注浆孔反向施加给所述支撑臂3作用力，使得支撑部往防护外壳体2内完成，以阻挡岩体进入防护外壳体2中。在岩体硬度较大的情况下，可以通过采用注入高压水的方式使得岩体强度降低，从而在挖掘时更加容易，减少挖掘时的震动，避免引发岩体共振而造成危险。在岩体脆性较大时，采用注入水泥浆的方式可以提高局部整体强度，避免岩爆产生，保证施工安全。
优选的，在步骤S50中，防护外壳体2与延长壳体1连接后，在连接耳片22位置安装延长加固杆5，以在后端施加推进作用力是，将作用力传导至前端的防护外壳体2。在前期施工时，液压推进机械直接连接在限位块6上，推动防护外壳体2前进，在后续施工时，通过增加延长壳体1来增加整体保护，此时液压推进机械连接在延长加固杆5上，通过延长加固杆5来传导作用力。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于深部岩体开挖安全支护装置，其特征在于：
包括防护外壳体(2)，所述防护外壳体(2)位于施工前进方向的前端环绕设置有若干个支撑臂(3)，所述支撑臂(3)的一端与所述防护外壳体(2)的内侧壁铰接，所述防护外壳体(2)内部位于所述支撑臂(3)根部位置设置有限位块(6)，以限制所述支撑臂(3)往所述防护外壳体(2)内部弯折；
所述支撑臂(3)上设置有若干个小型注浆管(4)，在施工时，若干所述支撑臂(3)超外侧展开形成锥形，所述小型注浆管(4)前端插入岩体内，所述小型注浆管(4)后端与所述支撑臂(3)固定连接。
2.根据权利要求1所述的用于深部岩体开挖安全支护装置，其特征在于：
所述支撑臂(3)长度大于所述防护外壳体(2)的半径，以使在收缩时所述支撑臂(3)之间相互交叉相抵。
3.根据权利要求1所述的用于深部岩体开挖安全支护装置，其特征在于：
所述支撑臂(3)上设置有若干个螺纹孔(31)，所述螺纹孔(31)直径大于所述小型注浆管(4)外径，所述小型注浆管(4)尾端设置有安装座(41)，在所述小型注浆管(4)插入岩体后，所述安装座(41)与所述螺纹孔(31)螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的用于深部岩体开挖安全支护装置，其特征在于：
还包括若干外部注浆管(7)，所述外部注浆管(7)环形设置与所述防护外壳体(2)外部，所述小型注浆管(4)插入岩体后位于所述外部注浆管(7)内侧。
5.根据权利要求1所述的用于深部岩体开挖安全支护装置，其特征在于：
所述防护外壳体(2)端部设置有导向防护环(21)，所述导向防护环(21)朝所述防护外壳体(2)的中心方向延伸，以使所述导向防护环(21)和所述限位块(6)分别位于所述支撑臂(3)的两侧，所述导向防护环(21)限制所述支撑臂(3)往外部弯折角度，所述导向防护环(21)外侧设置有导向斜面。
6.根据权利要求1所述的用于深部岩体开挖安全支护装置，其特征在于：
还包括延长壳体(1)，所述延长壳体(1)的两端均设置有若干个连接耳片(22)，所述防护外壳体(2)远离所述支撑臂(3)的一端设置有同样的连接耳片(22)，所述防护外壳体(2)与所述延长壳体(1)之间通过所述连接耳片(22)固定连接。
7.根据权利要求6所述的用于深部岩体开挖安全支护装置，其特征在于：
还包括延长加固杆(5)，所述连接耳片(22)中部设置有连接通孔(221)，所述延长加固杆(5)穿过所述连接通孔(221)与所述限位块(6)固定连接。
8.一种使用用于深部岩体开挖安全支护装置的施工方法，其特征在于：
包括以下步骤：步骤S00：评估岩体力学状态，寻找合适开挖地点，初步挖掘形成小直径的锥形孔；
步骤S10：在锥形孔外围打孔以安装外部注浆管(7)，采用高压泵往外部注浆管(7)中注入水泥浆；
步骤S20：在锥形孔内侧面打用于安装小型注浆管(4)的孔，将防护外壳体(2)推动到锥形孔位置，展开支撑臂(3)使得其与锥形孔内侧壁贴合；
步骤S30：将小型注浆管(4)插入孔中，然后将其与支撑臂(3)上的螺纹孔(31)锁定；
步骤S40：往小型注浆孔中注入高压液体，同时辅助掘进机械进行挖掘，挖掘时人员位于防护外壳体(2)内部；
步骤S50：施工完成一段后将防护外壳体(2)采用液压设备推进，同时在后端连接延长壳体(1)。
9.根据权利要求8所述的使用用于深部岩体开挖安全支护装置的施工方法，其特征在于：
在步骤S40中，小型注浆孔中注入的高压液体可以为水或者水泥浆，在挖掘时岩体异常爆裂，可以通过小型注浆孔反向施加给所述支撑臂(3)作用力，使得支撑部往防护外壳体(2)内完成，以阻挡岩体进入防护外壳体(2)中。
10.根据权利要求8所述的使用用于深部岩体开挖安全支护装置的施工方法，其特征在于：
在步骤S50中，防护外壳体(2)与延长壳体(1)连接后，在连接耳片(22)位置安装延长加固杆(5)，以在后端施加推进作用力是，将作用力传导至前端的防护外壳体(2)。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1190055A1 (ru) * | 1984-01-13 | 1985-11-07 | Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Горного Дела Им.А.А.Скочинского | Секци механизированной крепи дл выемки мощных пластов с выпуском угл |
| JPH1061387A (ja) * | 1996-08-21 | 1998-03-03 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | 斜坑トンネル掘削装置 |
| CN2777198Y (zh) * | 2004-08-09 | 2006-05-03 | 周德祥 | 超前注浆简易盾构掘进机 |
| CN105781572A (zh) * | 2016-03-11 | 2016-07-20 | 中南大学 | 深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法 |
| CN106761772A (zh) * | 2016-11-26 | 2017-05-31 | 高韶晗 | 浅埋暗挖工程施工用固定装置及其固定方法 |
| CN111088805A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-05-01 | 武汉理工大学 | 一种一体化装配式支护装置及其支护方法 |
| CN113153320A (zh) * | 2021-02-24 | 2021-07-23 | 中国葛洲坝集团装备工业有限公司 | 一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置及其掘进方法 |
-
2021
- 2021-11-26 CN CN202111422911.XA patent/CN114109438B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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