专利名称：砂层空间超前支护加固工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于建筑领域，涉及一种超前支护加固工艺，尤其涉及一种砂层空间超前支护加固工艺。
背景技术：
超前支护就是在煤矿巷道等地下工程开挖之前，根据围岩条件、施工方法、进度要求、机械配套和工程所处的环境等情况，优先选择较简单的方法或同时采用几种综合辅助施工方法来加固地层，确保围岩不冒顶、不片帮，保证巷道掘进过程中工作面稳定。常用的辅助方法有喷射混凝土封闭开挖掌子面、超前锚杆或超前小导管支护、超前小导管周边注浆加固地层、长管棚超前支护加固地层、水平旋喷桩超前支护等措施。然而针对不同的地质条件，由于其砂层的孔隙率、粒度成分、含水率等物理力学性质的不同，其超前支护的方法也不尽相同。如何对砂层地带巷道进行超前支护是此类工程安全生产和成功建设的关键。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种支护加固效果好以及便于操作的砂层空间超前支护加固工艺。本发明的技术解决方案是:本发明提供了一种砂层空间超前支护加固工艺，其特殊之处在于:所述砂层空间超前支护加固工艺包括以下步骤:I)确定全断面砂层巷道需要加固的加固区域；2)根据加固区域的砂体力学特性将已确定的加固区域进行分区；3)在步骤2)所得到的分区上进行支护加固。上述步骤2)中将已确定的加固区域进行分区后得到的区域包括沿平硐设计外轮廓线布设的周边眼区域、沿外轮廓线内收的具有一定环向间距的前置眼区域以及沿拱部内具有一定间隔的大角度眼区域。上述步骤3)中对周边眼区域进行支护加固的具体实现方式是:沿全断面砂层巷道的外轮廓线进行支护加固，包括设置在巷道的拱部的至少20个拱部加固孔，在巷道的侧帮的至少8个侧帮加固孔；所述相邻两个拱部加固孔之间的环向间距是不大于300mm ;所述拱部加固孔内设置有加固导管；所述加固导管的长度不低于4m ;所述加固导管的外插角是10。±2。。上述加固导管在巷道的拱顶中心线两侧采用钢管，除拱顶中心线两侧外的所有加固导管采用PVC管。上述步骤3)中对前置眼区域进行支护加固的具体实现方式是:沿全断面砂层巷道的外轮廓线进行内收布设至少11个二圈眼加固孔以及在砂层巷道全断面的工作面布设至少11个大肚子眼加固孔；所述二圈眼加固孔以及大肚子眼加固孔内均设置有小加固导管；所述小加固导管的长度不低于4m，倾角不大于5°。
上述沿全断面砂层巷道的外轮廓线进行内收时的内收距离是不大于450mm ;所述二圈眼加固孔的环向间距不大于600_ ;所述相邻两个大肚子眼加固孔之间的间隔不大于700mm。上述步骤3)中对大角度眼区域进行支护加固的具体实现方式是:沿拱部120°扇区内内具有一定间隔布设至少13个大角度眼加固孔。上述相邻两个大角度眼加固孔的间隔不大于300mm，所述大角度眼加固孔内设置有大角度眼加固导管；所述大角度眼加固导管的长度不低于4m，所述大角度眼加固导管的外插角是25° 30° ;所述大角度眼加固导管是φ40ιτ〗ηι的钢管。上述步骤3)所提及的支护加固中还包括向加固导管、小加固导管以及大角度眼加固导管中灌注用于加固地层或防渗堵漏的浆液的步骤。
本发明的优点是:本发明提供了一种砂层空间超前支护加固工艺，该超前支护加固工艺将全断面砂层巷道的注浆加固区分为三个区域。通过大角度注浆(三区)加固顶板砂体，改善顶部砂体力学参数；通过周边平角度注浆(一区)形成帷幕式超前封闭管棚，防止顶板破坏和漏砂；通过工作面全断面注浆(二区)及工作面开挖留“大肚子”，加固和改善工作面力学特性，防止接近循环交替位置时工作面及顶板发生前置破坏。该方案的提出，完善和发展了巷(隧)道或地下硐室在复杂地质条件下超前预支护体系，符合穿越砂层时的地层条件下巷道工程中的应用，该支护理论体系以及与之相应复合化学注浆加固技术的正确性和技术经济可行性，为以后同类复杂地质条件下的巷道或地下硐室的施工提拱了工程参考，具有重要理论及工程应用价值。
图1是本发明所采用的周边眼加固的结构示意图；图2是在加固前工作面破坏程度示意图；图3是本发明所采用的前置眼加固结构示意图；图4是本发明所采用的大角度眼加固结构示意图。
具体实施例方式本发明提供了一种砂层空间超前支护加固工艺，该砂层空间超前支护加固工艺包括以下步骤:I)确定全断面砂层巷道需要加固的加固区域；2)根据加固区域的砂体力学特性将已确定的加固区域进行分区，得到的区域包括沿平硐设计外轮廓线布设的周边眼区域、沿外轮廓线内收的具有一定环向间距的前置眼区域以及沿拱部内具有一定间隔的大角度眼区域。3)在步骤2)所得到的分区上进行支护加固:对周边眼区域进行支护加固的具体实现方式是:沿全断面砂层巷道的外轮廓线进行支护加固，包括设置在巷道的拱部的至少20个拱部加固孔，在巷道的侧帮的至少8个侧帮加固孔；相邻两个拱部加固孔之间的环向间距是不大于300mm ;拱部加固孔内设置有加固导管；加固导管的长度不低于4m;加固导管的外插角是10° ±2° ;加固导管在巷道的拱顶中心线两侧采用钢管，除拱顶中心线两侧外的所有加固导管采用PVC管。对前置眼区域进行支护加固的具体实现方式是:沿全断面砂层巷道的外轮廓线进行内收布设至少11个二圈眼加固孔以及在砂层巷道全断面的工作面布设至少11个大肚子眼加固孔；二圈眼加固孔以及大肚子眼加固孔内均设置有小加固导管；小加固导管的长度不低于4m，倾角不大于5°。沿全断面砂层巷道的外轮廓线进行内收时的内收距离是不大于450mm ;二圈眼加固孔的环向间距不大于600mm ;相邻两个大肚子眼加固孔之间的间隔不大于700_。对大角度眼区域进行支护加固的具体实现方式是:沿拱部120°扇区内内具有一定间隔布设至少13个大角度眼加固孔；相邻两个大角度眼加固孔的间隔不大于300_，大角度眼加固孔内设置有大角度眼加固导管；大角度眼加固导管的长度不低于4m，大角度眼加固导管的外插角是25° 30° ;大角度眼加固导管是(p40mm的钢管。同时，为了起到更好的加固效果，在上述步骤3)所提及的支护加固中还包括向加固导管、小加固导管以及大角度眼加固导管中灌注用于加固地层或防渗堵漏的浆液的步骤。本发明的理论基础是:根据室内试验、室内模拟注浆试验、现场模型试验及现场工业性应用试验的研究成果，结合现代巷道(隧道)支护理论，首次提出了空间加固支护理论体系理论，将全断面砂层巷道的注浆加固区分为三个区域。其概念是，通过大角度注浆(三区)加固顶板砂体，改善顶部砂体力学参数；通过周边平角度注浆(一区)形成帷幕式超前封闭管棚，防止顶板破坏和漏砂；通过工作面全断面注浆(二区)及工作面开挖留大肚子，加固和改善工作面力学特性，防止接近循环交替位置时工作面及顶板发生前置破坏。通过一区、二区及三区的注浆加固，形成了砂层巷道的空间加固支护体系。本发明所提供的砂层空间加固支护体系的作用机理是:一区:28个加固孔(拱部20个，边墙8个)，称为周边眼。即沿平硐设计外轮廓线布置，环向间距300mm，小导管长度4m，外插角10° ±2° (侧帮小孔要严格按照5°外插角打孔注浆)，其中拱顶中心线两侧小导管采用(p40mm钢管，其余采用q>40mm的pvc管；二区:22个加固孔，称为前置眼。沿外轮廓线内收450mm环向间距600mm布设11个加固孔，称为二圈眼；以及工作面间隔700_布设11个加固孔，称为大肚子眼。小导管采用φ40πιιτι的PVC管长度均为4m，倾角5° ;三区:13个孔，称为大角度眼。沿拱部120°扇区内间隔300mm布置，小导管长度4m，外插角25° 30°，小导管采用<p40mm钢管。空间加固支护体系的作用机理可按照注浆小导管在全断面的分区和小导管与浆液的作用进行分析:(I)按注浆分区的作用机理I) 一区周边眼超前注浆的帷幕式管棚作用:一区周边眼是沿巷道外轮廓线间隔300mm布设，先将钢管以一定角度打入围岩中，小导管注浆完成后，外露端支撑焊接在立好的钢架上，在开挖面外围形成一个“保护棚”，即注浆加固帷幕。在巷道开挖面形成的这个保护薄壳中，钢管与注浆加固体整体受力，发挥环拱效应，防止工作面坍塌冒顶、漏砂、进而引起地表下沉，从而保证地表建筑物的安全和安全顺利进行巷道开挖。同时，沿洞周形成的有效加固拱体(临时支护结构)，为巷道的掘进及永久支护施工提供安全保障。一区注浆帷幕式管棚作用机理见图1。2) 二区前置眼超前注浆边坡稳定作用:在未采用化学注浆加固之前，工作面必须留大肚子保持自然边坡状(如图2所示)，但松散的砂层仍不稳定，时常发生滑塌事故。当工作面向前推进时，即当开挖至工作面自然边坡坡脚A点处，改变了原来砂体内部的应力状态,使砂体局部剪切破坏,在砂体内部会发展成一条连贯的剪切破坏面AB曲面，砂体的稳定平衡状态遭到破坏，在砂体自身重量及拱部砂体荷载的作用下，工作面上的砂体沿着滑动面AB发生滑动，拱顶BCD范围的砂体随之超前下滑，造成极为严重超前破坏，其主要原因是砂体自身胶结性差，抗剪强度低，开挖时造成砂体应力状态发生改变。其次施工震动加剧了工作面及拱顶砂体的滑塌。二区前置眼注浆加固图如图3所示。通过二区前置眼超前注浆加固后，将工作面及工作面上方范围的砂体胶结成整体，改善了工作面砂层的力学性能，提高了砂体沿破坏面的抗滑力及整个工作面的整体稳定性，安全系数提高。同时，注浆导管及导管周形成的加固体在工作面前方起到了土钉或土层锚杆的类重力式挡土墙作用，注浆加固砂和钉体(注浆管)与砂体共同工作，提高了砂体的整体刚度和抗剪强度，弥补了砂体自身的强度不足，避免了砂体因失稳而出现的工作面及拱顶砂体的超前滑塌破坏现象。通过复合化学注浆加固，工作面可成近直立状(如图4所示)，增大了工作空间，提高了施工机具的使用效率。3)三区大角度眼超前注浆协同加强作用:三区大角度眼是在拱部120°扇区内沿外轮廓线间隔300mm，以25° 30°倾角将小导管打入拱部上层砂体内并进行大压力注浆加固。根据现场注浆量计算，该部分注浆加固体最大直径可达600_左右。通过注浆导管自身的悬吊作用将周边眼形成的加固帷幕体悬挂在巷道顶部深层稳定砂体内，减小了加固帷幕体的受力和变形。通过浆液的胶结加固作用将周边眼形成的注浆加固体与周边眼注浆盲区以及拱部深层的砂体胶结加固，扩大了拱顶的注浆加固范围，在砂体中形成联合加固体，改善了拱部砂体力学性能指标，并协同一区形成的加固承载拱，减小巷道围岩塑性区，提高拱顶砂体稳定性，加强一区注浆加过效果，与周边眼注浆加固体共同承担上部围岩压力，减小了作用在支护结构上的围岩压力，保证了巷道在掘过程中的安全。(2)按小导管与浆液的作用分析I)小导管的作用机理:小导管的锚杆作用机理:小导管的锚杆作用原理主要是自身加固原理，在工作面超前打入注浆小导管，可将浅层不稳定的砂体与深层较稳定的砂体连接起来，稳定工作面砂层，防止浅层不稳定砂体滑动，起到锚杆的联接作用；同时小导管前端嵌固在深层稳定的砂体内，末端固定在钢拱架上，组成组合拱或组合梁，承担上部围岩压力，防止砂层的滑动和坍塌，起到锚杆的组合梁作用；其次，通过有规律的布置小导管，将巷道四周一定深度的砂体进行挤压粘结加固，在巷道周边形成一个能承受一定荷载的稳定承载环，起到锚杆整体加固作用。小导管的浆液通道作用机理:在小导管注浆技术使用过程中，注入砂体的浆液是通过小导管上的加固孔均匀的渗入到砂层中，故复合化学注浆加固技术中小导管充当浆液通道的作用。
2)注浆浆液的胶结作用复合注浆加固技术选择的注浆浆材是粘度适中的水玻璃和氯化钙溶液，将两者注入砂层中，浆液发生化学反应生成的二氧化硅凝胶充填、渗透到砂粒孔隙中，与砂粒胶结为整体，提1 了砂体的物理 力学指标。
权利要求
1.一种砂层空间超前支护加固工艺，其特征在于:所述砂层空间超前支护加固工艺包括以下步骤: 1)确定全断面砂层巷道需要加固的加固区域； 2)根据加固区域的砂体力学特性将已确定的加固区域进行分区； 3)在步骤2)所得到的分区上进行支护加固。
2.根据权利要求1所述的砂层空间超前支护加固工艺，其特征在于:所述步骤2)中将已确定的加固区域进行分区后得到的区域包括沿平硐设计外轮廓线布设的周边眼区域、沿外轮廓线内收的具有一定环向间距的前置眼区域以及沿拱部内具有一定间隔的大角度眼区域。
3.根据权利要求2所述的砂层空间超前支护加固工艺，其特征在于:所述步骤3)中对周边眼区域进行支护加固的具体实现方式是:沿全断面砂层巷道的外轮廓线进行支护加固，包括设置在巷道的拱部的至少20个拱部加固孔，在巷道的侧帮的至少8个侧帮加固孔；所述相邻两个拱部加固孔之间的环向间距是不大于300mm ;所述拱部加固孔内设置有加固导管；所述加固导管的长度不低于4m ;所述加固导管的外插角是10° ±2°。
4.根据权利要求3所述的砂层空间超前支护加固工艺，其特征在于:所述加固导管在巷道的拱顶中心线两侧采用钢管，除拱顶中心线两侧外的所有加固导管采用PVC管。
5.根据权利要求4所述的砂层空间超前支护加固工艺，其特征在于:所述步骤3)中对前置眼区域进行支护加固的具体实现方式是:沿全断面砂层巷道的外轮廓线进行内收布设至少11个二圈眼加固孔以及在砂层巷道全断面的工作面布设至少11个大肚子眼加固孔；所述二圈眼加固孔以及大肚子眼加固孔内均设置有小加固导管；所述小加固导管的长度不低于4m,倾角不大于5°。
6.根据权利要求5所述的砂层空间超前支护加固工艺，其特征在于:所述沿全断面砂层巷道的外轮廓线进行内收时的内收距离是不大于450mm ;所述二圈眼加固孔的环向间距不大于600mm ;所述相邻两个大肚子眼加固孔之间的间隔不大于700mm。
7.根据权利要求6所述的砂层空间超前支护加固工艺，其特征在于:所述步骤3)中对大角度眼区域进行支护加固的具体实现方式是:沿拱部120°扇区内内具有一定间隔布设至少13个大角度眼加固孔。
8.根据权利要求7所述的砂层空间超前支护加固工艺，其特征在于:所述相邻两个大角度眼加固孔的间隔不大于300mm，所述大角度眼加固孔内设置有大角度眼加固导管；所述大角度眼加固导管的长度不低于4m，所述大角度眼加固导管的外插角是25° 30° ;所述大角度眼加固导管是tp40mm的钢管。
9.根据权利要求3-8任一权利要求所述的砂层空间超前支护加固工艺，其特征在于:所述步骤3)所提及的支护加固中还包括向加固导管、小加固导管以及大角度眼加固导管中灌注用于加固地层或防渗堵漏的浆液的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种砂层空间超前支护加固工艺，该工艺包括以下步骤1)确定全断面砂层巷道需要加固的加固区域；2)根据加固区域的砂体力学特性将已确定的加固区域进行分区；3)在步骤2)所得到的分区上进行支护加固。本发明提供了一种完善和发展了巷(隧)道或地下硐室在复杂地质条件下超前预支护体系，符合穿越砂层时的地层条件下巷道工程中的应用的砂层空间超前支护加固工艺。
文档编号E21D11/10GK103161477SQ20131004454
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者陈玄, 王明智, 姚开元, 张超晖, 白凤忠, 赵国超 申请人:陕西煤业化工建设(集团)有限公司