本发明涉及一种巷道的支护装置及其施工方法，具体是一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置及其施工方法。
背景技术：
砂砾层是由结构松散、颗粒大小差异大、固结成岩作用低的岩土体介质构成，该地层巷道易发生顶板冒落、失稳垮塌、支架变形失效等问题。特别是围岩富水情况下，地下水排放、渗漏封堵问题不受重视，导致巷道围岩压力急剧增大、稳定性大幅下降，极大增加了巷道支护难度。因此，富水条件下砂砾层巷道的施工、支护成为我国部分矿区生产、建设的一大难题。
矿井巷道常规支护方法在应对富水砂砾层巷道围岩变形、失稳方面依然存在诸多方面的问题。第一，普通单一支护方法(锚网索或金属支架)无法有效解决围岩片帮、冒顶等问题。例如，采用锚杆(索)时，由于砂砾层围岩介质颗粒极不均匀、硬度较大、胶结性差，导致锚固孔尤其是锚索孔成孔比较困难，并且锚杆(索)无可靠的着力基础，故锚固支护绝大部分是失效的；而采用金属支架支护时，因其为被动支护，强度、刚度有限，无法抵抗松动、水压形成的巨大围压，造成支架扭曲、折断、架间漏冒破坏等。第二，目前对于存在渗漏的富水松散围岩巷道支护，一般进行注浆堵水与加固，但严重忽视了围岩的排水导压，尚没有一套排水卸压、止水、加固的一体化解决方案。第三，砂砾层巷道围岩强度低、整体性差，不仅在服务阶段容易产生片冒灾害，在施工开掘期间也极易发生冒顶破坏，故超前支护十分重要。但采用常见的超前管棚(注浆)或超前锚杆将会遇到频繁塌孔、成孔率低等棘手的问题，所以有必要从开掘前、开掘中到开掘后综合防治松散围岩片冒破坏。由此可见，目前的巷道支护方法、支护结构无法满足富水砂砾层巷道围岩稳定性控制的要求，不能保证巷道安全使用。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置及其施工方法，能在煤层工作面开掘的前期、开采期及采后期，均能有效对巷道顶板及两帮进行支护，从而降低发生围岩片帮、冒顶的可能性，提高富水砂砾层巷道的围岩稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置，包括超前承载拱、被动承载拱和滞后承载拱，
所述超前承载拱由多个矿用自钻式超前短锚杆沿巷道两帮及巷道顶板的钻孔布设组成，所述矿用自钻式超前短锚杆包括空心锚杆体、环塞、钻头、紧固螺母和垫板，所述钻头内部设有中空腔，钻头固定在空心锚杆体的前端且中空腔与空心锚杆体的内部连通，钻头侧壁上开设多个与中空腔连通的溢流孔，空心锚杆体外表面设有螺纹，钻头及部分空心锚杆体处于钻孔内，空心锚杆体的尾端处于钻孔外，环塞套在处于钻孔内的空心锚杆体外表面，垫板套在空心锚杆体的尾端并通过紧固螺母压紧在钻孔周围的巷道壁，处于钻孔内的空心锚杆体内部装有流态防水粘结剂；
所述被动承载拱为工字钢格栅支架，工字钢格栅支架沿巷道两帮及巷道顶板呈拱形布置，所述工字钢格栅支架由多个工字钢格栅模块通过螺栓连接组成，工字钢格栅模块为网格式结构，其由多个工字钢纵横交错焊接组成；
所述滞后承载拱由多个导注装置和加固层组成，多个导注装置分别布设在工字钢格栅支架中网格间隙的巷道壁内，加固层为向多个导注装置内注浆后凝固形成，所述导注装置为设有锥形导头的导注管，导注管的侧壁上开设多个条形孔，多个条形孔呈梅花形分布在导注管的侧壁，导注管的导头处于巷道壁内，导注管的尾端处于巷道壁外。
进一步，还包括导水扩张部，导注管的尾端开设螺纹口，所述导水扩张部为变径管，其直径较小的一端通过螺纹口与导注管固定连接。采用导水扩张部能提高对围岩地下水的快速导水卸压，为围岩支护提供了有利条件。
进一步，还包括滤网，所述滤网包裹在导注管的外侧。采用滤网能防止碎石泥沙随水流入条形孔中，造成孔堵塞。
一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置的施工方法，具体步骤为：
ⅰ、施工超前承载拱：
(1)确定矿用自钻式超前短锚杆中锚杆体的长度：根据围岩性质、力学参数，对矿用自钻式超前短锚杆所需锚固长度进行数值计算，最终确定支护效果最优的锚杆长度，一般情况下选取1.5m左右；
(2)确定矿用自钻式超前短锚杆中钻头的前端外径和后端外径：采用不同外径钻头进行现场钻进测试，根据实际钻进的最优效果确定钻头外径，一般条件下前端外径d取22～25mm，后端公称外径d根据接触围岩面积取25～38mm；
(3)根据施工图在掘进工作面上方布设矿用自钻式超前短锚杆的孔位做好标记，由围岩情况确定孔位间排距，一般为间距0.2～0.5m，排距为0.5～1.2m，布置2～3排；
(4)在矿用自钻式超前短锚杆的空心锚杆体内充填采用薄膜包裹的流态防水粘结剂，同时在空心锚杆体外表面套设环塞；
(5)采用矿用钻机对矿用自钻式超前短锚杆进行钻进，钻进倾角为3°～10°，确保钻至设计深度，矿用自钻式超前短锚杆的尾端外露长度适中；
(6)将矿用自钻式超前短锚杆的尾部与井下高压风管相连，通过高风压使杆体内包裹流态防水粘结剂的薄膜破裂，然后流态防水粘结剂沿溢流孔流出止于环塞位置，围岩体与锚杆锚固段通过流态防水粘结剂粘合锚固；
(7)待矿用自钻式超前短锚杆达到设计锚固力后，在矿用自钻式超前短锚杆的尾部装设垫板及紧固螺母，然后采用扭矩板手施加预紧力，并保证预紧力值达到预定大小，当所有矿用自钻式超前短锚杆安装完成后，锚固范围内岩土体便形成超前承载拱。
(8)依次开挖第一台阶、第二台阶及第三台阶；考虑到围岩松散富水，为确保安全，采取短循环进尺约1.2m/天；
ⅱ、施工被动承载拱：
a、采用工字钢纵横交错设置焊接成拱顶、拱肩及帮部不同位置、不同挠曲程度的工字钢格栅模块，然后将地面加工好的工字钢格栅模块运输到掘进工作面；
b、在超前承载拱已形成的巷道壁上喷射混凝土，然后将工字钢格栅模块通过螺栓相互连接(并确保工字钢格栅模块的接缝处平整)形成工字钢格栅支架后与经混凝土固定在巷道壁上，从而形成被动承载拱；
ⅲ、施工滞后承载拱：
a、导水卸压阶段：
①采用的导注管由金属材料或高强塑料制成，直径为25～45mm，长1.0～2.0m，导注管的侧壁上开设多个条形孔，多个条形孔呈梅花形分布在导注管的侧壁；
②在设计所需导水及加固的巷道断面上布置导注管孔位，间距为0.8～1.4m，排距为1.2～2.0m，钻孔直径40～65mm，深度为0.7～1.8m，透过工字钢格栅支架的网格间隙在孔位上钻孔；
③根据巷道断面不同部位的渗流量测试数据，匹配与导注管外端直径相适应的导水扩张部，然后在导注管外壁包裹一层滤网，防止碎石泥沙随水流入孔隙中，造成孔堵塞；
④将导注管插入上述已开设的钻孔，使导水扩张部外露10～15cm，并用木楔塞入导水扩张部与围岩的间隙，防止导注管松动，围岩内部的水沿条形孔汇流入导注管再排到水沟或其他集水装置；由于在导水通道上设置了变径的导水扩张部，进而实现了围岩地下水的快速导水卸压，为围岩支护提供了有利条件；
b、注浆止水及成型加固阶段：
a、在完成导水卸压过程后，将导水扩张部及滤网拆下，利用接口管、快速接头、截浆器，将注浆软管与导注管的尾端连接；
b、在注浆前进行压水测试实验，检查管路连接是否正确，压力表、注浆阀门、逆止阀等是否工作正常，防止堵管、跑浆、漏浆；
c、对导注管充气，充气压力大于注浆压力的1/2，使截浆器膨胀与孔壁紧密接触，防止注浆液体沿孔壁缝隙返流出孔外；
d、先制备已知配方的注浆浆液(如现有的水泥基浆液或现有的化学浆液)后，开启逆止阀、注浆阀门开始注浆，注浆压力为1.8～2.5mpa，浆液从注浆软管进入到导注管，从条形孔流出并渗透到围岩体的孔隙、裂隙中；进而实现松散围岩止水、加固，提升围岩自身承载力；
e、当压力表指示的注浆压力逐步升至设计注浆压力时，继续注浆10min后终止注浆，完成所有导注管点位的注浆施工后，将注浆软管、接口管、快速接头等依次拆除，待浆液凝固后完成滞后承载拱的施工。
与现有技术相比，本发明采用超前承载拱、被动承载拱和滞后承载拱相结合方式，具有以下优点：
(1)针对富水砂砾层巷道围岩介质胶结性差的特点，通过采用矿用自钻式超前短锚杆对巷道掘进工作面上方岩土体进行超前支护，进而形成一个矿用自钻式超前短锚杆锚固的超前承载拱，即一级支护，有效解决了超前支护体施工过程中频繁塌孔、成孔效率低的问题，并保证了巷道掘出初始阶段的安全与稳定。
(2)工字钢格栅支架与普通支架相比，具有更大的强度及空间刚度，承载能力高，而其拼接组装通过机械设备施工，亦提高了支护效率。工字钢格栅支架被动地承受着部分围岩压力形成被动承载拱，即二级支护。
(3)导注管的条形孔既可以导水又可以出浆，使得导注管兼有排水卸压管与注浆管的功能，节省了工程材料，降低了支护成本。同时，导注管外端通过设置导水扩张部加大了围岩水的出口流速，可快速有效地降低巷道周边的水压力。
(4)通过导注管导水卸压后，进行富水松散围岩的注浆堵水与强度强化，进而形成围岩的滞后承载拱，即三级支护，同时，也提供了一套排水卸压、止水、加固的一体化解决方案。
(5)本发明通过布设超前承载拱、被动承载拱及滞后承载拱，从而多级、多个层次对富水砂砾层巷道开掘前、开掘中到开掘后进行协同综合支护，不仅充分利用了围岩自身的承载能力，主动降低围岩水压力，同时又发挥了工字钢格栅支架高刚、高承载力的优点，避免了富水砂砾层巷道冒顶、垮帮等灾害的发生，有效地控制了围岩稳定。该方法对于富水软岩、松散围岩地下工程的支护也具有较强的适用性。
附图说明
图1是本发明完成施工后的多级层次支护断面图；
图2是本发明中巷道掘进剖面图；
图3是本发明中工字钢格栅支架的结构示意图；
图4是本发明中工字钢格栅模块的结构示意图；
图5是本发明中自钻式超前短锚杆的结构示意图；
图6是本发明中导注管的结构示意图；
图7是本发明中滞后注浆的示意图。
图中：1、超前承载拱，2、滞后承载拱，3、被动承载拱，4、矿用自钻式超前短锚杆，5、接缝处，6、工字钢格栅支架，7、导注管，8、加固层，9、巷道，10、掘进工作面，11、顶板，12、第一台阶，13、第二台阶，14、第三台阶，15、底板，16、工字钢格栅模块，17、工字钢，18、螺栓，19、紧固螺母，20、垫板，21、空心锚杆体，22、环塞，23、流态防水粘结剂，24、溢流孔，25、钻头，26、导水扩张部，27、螺纹口，28、滤网，29、条形孔，30、锥形导头，31、压力表，32、注浆阀门，33、逆止阀，34、注浆软管，35、快速接头，36、截浆器，37、接口管。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图所示，一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置，包括超前承载拱1、被动承载拱2和滞后承载拱3，
所述超前承载拱1由多个矿用自钻式超前短锚杆4沿巷道两帮及巷道顶板的钻孔布设组成，所述矿用自钻式超前短锚杆4包括空心锚杆体21、环塞22、钻头25、紧固螺母19和垫板20，所述钻头25内部设有中空腔，钻头25固定在空心锚杆体21的前端且中空腔与空心锚杆体21的内部连通，钻头25侧壁上开设多个与中空腔连通的溢流孔24，空心锚杆体21外表面设有螺纹，钻头25及部分空心锚杆体21处于钻孔内，空心锚杆体21的尾端处于钻孔外，环塞22套在处于钻孔内的空心锚杆体21外表面，垫板20套在空心锚杆体21的尾端并通过紧固螺母19压紧在钻孔周围的巷道壁，处于钻孔内的空心锚杆体21内部装有流态防水粘结剂23；
所述被动承载拱3为工字钢格栅支架6，工字钢格栅支架6沿巷道两帮及巷道顶板呈拱形布置，所述工字钢格栅支架6由多个工字钢格栅模块16通过螺栓18连接组成，工字钢格栅模块16为网格式结构，其由多个工字钢17纵横交错焊接组成；
所述滞后承载拱2由多个导注装置和加固层8组成，多个导注装置分别布设在工字钢格栅支架6中网格间隙的巷道壁内，加固层8为向多个导注装置内注浆后凝固形成，所述导注装置为设有锥形导头30的导注管7，导注管7的侧壁上开设多个条形孔29，多个条形孔29呈梅花形分布在导注管7的侧壁，导注管7的锥形导头30处于巷道壁内，导注管7的尾端处于巷道壁外。
进一步，还包括导水扩张部26，导注管7的尾端开设螺纹口27，所述导水扩张部26为变径管，其直径较小的一端通过螺纹口27与导注管7固定连接。采用导水扩张部26能提高对围岩地下水的快速导水卸压，为围岩支护提供了有利条件。
进一步，还包括滤网28，所述滤网28包裹在导注管7的外侧。采用滤网28能防止碎石泥沙随水流入条形孔29中，造成孔堵塞。
一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置的施工方法，具体步骤为：
ⅰ、施工超前承载拱1：
(1)确定矿用自钻式超前短锚杆4中空心锚杆体21的长度：根据围岩性质、力学参数，对矿用自钻式超前短锚杆4所需锚固长度进行数值计算，最终确定支护效果最优的锚杆长度，一般情况下选取1.5m左右；
(2)确定矿用自钻式超前短锚杆4中钻头25的前端外径和后端外径：采用不同外径钻头25进行现场钻进测试，根据实际钻进的最优效果确定钻头外径，一般条件下前端外径d取22～25mm，后端公称外径d根据接触围岩面积取25～38mm；
(3)根据施工图在掘进工作面10上方布设矿用自钻式超前短锚杆4的孔位做好标记，由围岩情况确定孔位间排距，一般为间距0.2～0.5m，排距为0.5～1.2m，布置2～3排；
(4)在矿用自钻式超前短锚杆4的空心锚杆体21内充填采用薄膜包裹的流态防水粘结剂23，同时在空心锚杆体21外表面套设环塞22；
(5)采用矿用钻机对矿用自钻式超前短锚杆4进行钻进，钻进倾角为3°～10°，确保钻至设计深度，矿用自钻式超前短锚杆4的尾端外露长度适中；
(6)将矿用自钻式超前短锚杆4的尾部与井下高压风管相连，通过高风压使杆体内包裹流态防水粘结剂23的薄膜破裂，然后流态防水粘结剂23沿溢流孔24流出止于环塞22位置，围岩体与锚杆锚固段通过流态防水粘结剂23粘合锚固；
(7)待矿用自钻式超前短锚杆4达到设计锚固力后，在矿用自钻式超前短锚杆4的尾部装设垫板20及紧固螺母19，然后采用扭矩板手施加预紧力，并保证预紧力值达到预定大小，当所有矿用自钻式超前短锚杆4安装完成后，锚固范围内岩土体便形成超前承载拱1。
(8)依次开挖第一台阶12、第二台阶13及第三台阶14；考虑到围岩松散富水，为确保安全，采取短循环进尺约1.2m/天；
ⅱ、施工被动承载拱3：
a、采用工字钢17纵横交错设置焊接成拱顶、拱肩及帮部不同位置、不同挠曲程度的工字钢格栅模块，然后将地面加工好的工字钢格栅模块16运输到掘进工作面10；
b、在超前承载拱1已形成的巷道壁上喷射混凝土，然后将工字钢格栅模块16通过螺栓18相互连接(并确保工字钢格栅模块16的接缝处5平整)形成工字钢格栅支架6后经混凝土固定在巷道壁上，从而形成被动承载拱3；
ⅲ、施工滞后承载拱2：
a、导水卸压阶段：
①采用的导注管7由金属材料或高强塑料制成，直径为25～45mm，长1.0～2.0m，导注管7的侧壁上开设多个条形孔29，多个条形孔29呈梅花形分布在导注管7的侧壁；
②在设计所需导水及加固的巷道断面上布置导注管孔位，间距为0.8～1.4m，排距为1.2～2.0m，钻孔直径40～65mm，深度为0.7～1.8m，透过工字钢格栅支架6的网格间隙在孔位上钻孔；
③根据巷道断面不同部位的渗流量测试数据，匹配与导注管7外端直径相适应的导水扩张部26，然后在导注管7外壁包裹一层滤网28，防止碎石泥沙随水流入孔隙中，造成孔堵塞；
④将导注管7插入上述已开设的钻孔，使导水扩张部26外露10～15cm，并用木楔塞入导水扩张部26与围岩的间隙，防止导注管7松动，围岩内部的水沿条形孔29汇流入导注管7再排到水沟或其他集水装置；由于在导水通道上设置了变径的导水扩张部26，进而实现了围岩地下水的快速导水卸压，为围岩支护提供了有利条件；
b、注浆止水及成型加固阶段：
a、在完成导水卸压过程后，将导水扩张部26及滤网28拆下，利用接口管37、快速接头35、截浆器36，将注浆软管34与导注管7的尾端连接；
b、在注浆前进行压水测试实验，检查管路连接是否正确，压力表31、注浆阀门32、逆止阀33等是否工作正常，防止堵管、跑浆、漏浆；
c、对导注管7充气，充气压力大于注浆压力的1/2，使截浆器36膨胀与孔壁紧密接触，防止注浆液体沿孔壁缝隙返流出孔外；
d、先制备已知配方的注浆浆液后，开启逆止阀33、注浆阀门32开始注浆，注浆压力为1.8～2.5mpa，浆液从注浆软管34进入到导注管7，从条形孔29流出并渗透到围岩体的孔隙、裂隙中；进而实现松散围岩止水、加固，提升围岩自身承载力；
e、当压力表31指示的注浆压力逐步升至设计注浆压力时，继续注浆10min后终止注浆，完成所有导注管7点位的注浆施工后，将注浆软管34、接口管37、快速接头35等依次拆除，待浆液凝固后完成滞后承载拱2的施工。