本發(fā)明涉及煤礦井下巷道圍巖控制，具體涉及一種用于破碎圍巖支護的傘骨式注漿錨桿及注漿加固方法。

背景技術(shù)：

1、注漿技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于地下工程中的地基加固、隧道襯砌固結(jié)、地下水控制等。注漿漿液凝結(jié)硬化后，能夠起到膠結(jié)、堵塞作用，使地層穩(wěn)固并隔斷水源，以保證現(xiàn)場順利施工。隨著科技的不斷進步，該技術(shù)的應(yīng)用范圍也變得越來越廣。煤礦井下巷道掘進施工過程中經(jīng)常會遇到破碎圍巖，采用傳統(tǒng)的錨桿、錨索支護方式，往往會存在錨固力不足、破碎圍巖裂隙導(dǎo)水的風(fēng)險，極易引發(fā)冒頂?shù)劝踩鹿省?/p>

2、為了解決傳統(tǒng)支護方式對破碎圍巖適應(yīng)性較差的難題，目前煤礦通常采用注漿加固措施對巷道圍巖進行補強支護。然而，現(xiàn)有的一些注漿支護設(shè)備，例如注漿錨桿、中空注漿錨索等，雖可以實現(xiàn)孔內(nèi)注漿并一定程度上提高圍巖完整性，但其注漿形式單一、不同層位針對性差，尤其是對大范圍導(dǎo)水裂隙的整體控制作用弱。例如，在富水頂板巷道條件下，現(xiàn)有注漿支護設(shè)備無法有效對破碎頂板進行有力懸吊，以及對上方含水層起到明顯阻水作用，從而導(dǎo)致巷道發(fā)生冒頂、突水等嚴(yán)重的安全事故，給礦井生產(chǎn)帶來巨大挑戰(zhàn)。因此，亟需發(fā)明一種結(jié)構(gòu)牢靠、錨固力強、工作高效高的可對破碎圍巖支護的錨桿，為煤礦井下巷道安全高效掘進施工提供技術(shù)支持。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明公開了一種用于破碎圍巖支護的傘骨式注漿錨桿及注漿加固方法，通過定向注漿對破碎頂板進行處理，使用傘骨式注漿裝置進行四向孔內(nèi)注漿，在外探骨端頭形成水平定向劈裂注漿，形成水平注漿擴散，有效實現(xiàn)了設(shè)備對破碎頂板的針對性注漿加固，形成注漿網(wǎng)絡(luò)，提高了破碎頂板下采煤時錨桿錨固力，提高生產(chǎn)作業(yè)的安全性。

2、根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種用于破碎圍巖支護的傘骨式注漿錨桿，包括可替換傳壓裝置、鋼制空心外殼、傘骨式注漿裝置以及中心輸漿管；

3、所述可替換傳壓裝置設(shè)置于鋼制空心外殼的頂端，包括頂部承壓板和中部傳壓桿；所述頂部承壓板固定連接于中部傳壓桿的一端，在錨桿鉆入的過程中進行受壓；所述中部傳壓桿遠(yuǎn)離頂部承壓板的一端通過鋼制空心外殼頂部設(shè)置的傳壓桿限位孔伸入鋼制空心外殼內(nèi)與傘骨式注漿裝置可拆卸固定連接；

4、所述鋼制空心外殼為圓筒狀，其側(cè)面周向均布有四個外探骨預(yù)留孔；

5、所述傘骨式注漿裝置包括傳壓限位管、中心骨以及外探骨；所述傳壓限位管一端可拆卸固定安裝于中部傳壓桿伸入鋼制空心外殼的一端，另一端空心設(shè)置；所述中心骨為一體成型部件，一端固定安裝于中心輸漿管的頂端，另一端插入傳壓限位管內(nèi)部空腔中；所述外探骨為與外探骨預(yù)留孔對應(yīng)設(shè)置的四個，每一外探骨一端與傳壓限位管轉(zhuǎn)動連接，另一端伸入對應(yīng)外探骨預(yù)留孔中，四個外探骨沿傳壓限位管周向均布；所述外探骨上設(shè)置有滑軌，所述外探骨預(yù)留孔內(nèi)固定安裝有外探骨固定導(dǎo)向節(jié)，所述外探骨固定導(dǎo)向節(jié)嵌入滑軌內(nèi)，二者配合對外探骨的運動軌跡進行限定；所述外探骨伸入外探骨預(yù)留孔中的一端上布設(shè)外探骨注液管，所述外探骨注液管通過伸縮注液管與中心輸漿管連通；所述外探骨伸入外探骨預(yù)留孔中的一端外部還包裹有外探骨封堵液囊，所述外探骨注液管上對應(yīng)外探骨封堵液囊開設(shè)有封堵液囊加壓口；

6、所述中心注液管通過輸漿管固定柱固定安裝于鋼制空心外殼內(nèi)部，頂端與中心骨固定連接，底端延伸至錨桿底部，設(shè)有底部輸漿接口；所述中心注液管連接中心骨的一端通過伸縮注液管與外探骨注液管連通，漿液由底部輸漿接口輸入后，通過中心注液管、伸縮注液管以及外探骨注液管輸入鉆孔。

7、優(yōu)選的，所述傳壓限位管連接中心骨的一端外壁固定安裝有限位管外探齒，所述限位管外探齒上固定安裝有固定轉(zhuǎn)向節(jié)，所述外探骨通過固定轉(zhuǎn)向節(jié)與限位管外探齒進行鉸接。

8、優(yōu)選的，所述中心注液管連接伸縮注液管的一端設(shè)置有四出口輸漿接口。

9、本發(fā)明另外公開的一種上述用于破碎圍巖支護的傘骨式注漿錨桿進行注漿加固的方法，包括以下步驟：

10、步驟一、在煤礦井下巷道中選擇需要注漿加固的區(qū)域，在巷道頂板鉆設(shè)一定數(shù)量的鉆孔，鉆孔達到預(yù)定深度后，使用巖層探測記錄儀進行鉆孔窺視并記錄；

11、步驟二、將鉆孔窺視過程圖像進行整理分析，選擇將要注漿的破碎頂板巖層，并確定注漿高度r；

12、步驟三、根據(jù)步驟二中探明的破碎頂板巖層及注漿高度r，取r處巖樣進行物理力學(xué)參數(shù)測試，測量巖石的重度γ、巖石的抗拉強度σt、巖石的泊松比ν、注漿孔孔深rz、巖石的靜止側(cè)壓力系數(shù)k0；

13、步驟四、根據(jù)巖石裂隙的劈裂注漿理論進行計算，得出傘骨式注漿錨桿在注漿過程中使得漿液在頂板巖層中能夠形成劈裂注漿漿脈網(wǎng)絡(luò)所需要加注的垂直劈裂注漿壓力及水平劈裂注漿壓力，并取二者中較大值作為最小注漿壓力；

14、步驟五、根據(jù)步驟四中所確定的最小注漿壓力，確定實際注漿壓力pz，再結(jié)合巖石注漿劈裂擴散理論，得出粒狀漿液劈裂滲透擴散半徑rk；

15、步驟六、將步驟五所得出的粒狀漿液劈裂滲透擴散半徑結(jié)合錨桿四向正交注漿擴散的特點，進行錨桿間排距的確定，使得在一定破碎頂板巷道區(qū)域內(nèi)，形成點陣式注漿錨桿群，注入漿液形成網(wǎng)格狀擴散群；

16、步驟七、在需要注漿加固的區(qū)域，根據(jù)步驟二中確定的破碎頂板巖層位置、注漿高度r以及步驟六中所確定的錨桿間排距，施工多個長度為l0的錨桿鉆孔，同時在錨桿鉆孔內(nèi)注漿高度r處施工垂直于錨桿鉆孔的水平注漿孔；

17、步驟八、將錨固劑置于頂部承壓板上方，通過錨桿鉆機將傘骨式注漿錨桿鉆入錨桿鉆孔中，待錨桿打到錨桿鉆孔頭部時將錨固劑捅破，形成錨固端；

18、步驟九、持續(xù)對傘骨式注漿錨桿施加鉆入力，頂部承壓板、中部傳壓桿以及傳壓限位管位置不變，鋼制空心外殼連同中心骨繼續(xù)向錨桿鉆孔內(nèi)移動，此時中心骨插入傳壓限位管內(nèi)部空腔中，同時外探骨向上向外展開插入水平注漿孔中，待外探骨展開至水平狀態(tài)時，中心骨也剛好插入傳壓限位管頂端進行機械鎖止，停止鉆入動作；

19、步驟十、根據(jù)步驟五所確定的實際注漿壓力，使用高壓注漿泵通過傘骨式注漿錨桿尾端的下部輸漿接口進行注漿。

20、優(yōu)選的，步驟四中，傘骨式注漿錨桿在注漿過程中使得漿液在頂板巖層中能夠形成劈裂注漿漿脈網(wǎng)絡(luò)所需要加注的垂直劈裂注漿壓力及水平劈裂注漿壓力計算方法為：

21、垂直劈裂：

22、

23、水平劈裂：

24、

25、式中：

26、p0-注漿壓力，kpa；

27、γ-巖石的重度，kn/m3；

28、rz-注漿孔孔深，m；

29、σt-巖石的抗拉強度，kpa；

30、n-用來擴張孔壁的流體壓力比例系數(shù)，一般在0～1之間變化；

31、ν-巖石的泊松比；

32、k0-巖石的靜止側(cè)壓力系數(shù)。

33、優(yōu)選的，步驟五中，粒狀漿液劈裂滲透擴散半徑rk計算方法為：

34、

35、式中：

36、ρw-水的密度，g/cm3；

37、g-重力加速度，cm/s2；

38、pz-實際注漿壓力，kpa；

39、re-孔隙的等效半徑，cm；

40、s-注漿材料的凝膠強度，dyn/cm2；

41、rz-注漿孔孔深，m。

42、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的一種用于破碎圍巖支護的傘骨式注漿錨桿及注漿加固方法的優(yōu)點是：

43、(1)本發(fā)明用于井下破碎頂板進行支護，其傘骨式注漿裝置可通過傳壓限位管與中心骨的配合實現(xiàn)機械鎖止進行固定，其傘骨式運動形態(tài)可保證外探骨在較小空間內(nèi)進行伸展，使得預(yù)留孔對外探骨無擠壓阻礙作用，同時其機械鎖止結(jié)構(gòu)可以使得外探骨張開時與錨桿主體夾角為90°，可通過機械結(jié)構(gòu)增加錨桿錨固力。

44、(2)本發(fā)明通過定向注漿對破碎頂板進行處理，使用傘骨式注漿裝置進行四向孔內(nèi)注漿，在外探骨端頭形成水平定向劈裂注漿，形成水平注漿擴散，相比于傳統(tǒng)注漿設(shè)備球狀及柱狀注漿，此設(shè)備不是在注漿錨桿作為注漿單元進行極小范圍注漿，而是通過漿液的四向水平擴散形成點陣式注漿網(wǎng)格，可有效防止頂板冒落及水滲流。

45、(3)本發(fā)明所提供的點陣式安裝方案，可以通過巖石最小水平及垂直劈裂壓力進行設(shè)備給壓，同時通過漿液擴散半徑進行錨桿設(shè)備間排距的確定，應(yīng)用于大范圍破碎頂板下安全高效作業(yè)，在一定范圍內(nèi)，間隔使用該設(shè)備可在大范圍頂板裂隙帶形成注漿網(wǎng)格板狀模型，對于含水層下方生產(chǎn)活動時可提供網(wǎng)格式阻水層。