一种井下救援用顶管注浆装置及方法与流程

本发明涉及本发明属于顶管机技术领域，具体是煤矿用坍塌巷道顶管施工注浆技术。

背景技术：

顶管施工中注浆的目的主要是减少顶进时的阻力、填补施工时管道与土体之间的空隙、支撑整个管洞减小土体变形使管洞稳定。注浆的原理是通过浆液在土体中扩散然后形成一层相对密实不透水的泥浆套，泥浆套能够阻止之后注入的泥浆继续渗入土层，保持流动状态将管道浮起减小顶进阻力。注浆工艺好坏直接影响泥浆套的形成进而关系到顶管机顶力，甚至直接关系到顶管施工的成败。

目前常规顶管注浆方法是利用注浆泵通过压浆管路将触变泥浆输送到顶进管道内，然后通过分布在顶进管道上的注浆孔将浆液注入到管壁外围，注入的泥浆以注浆孔为中间向四周扩散，最终形成泥浆套。泥浆注入后向四周扩散的速度和注浆量取决于注浆压力的大小，注浆压力越大扩散的速度越大，注浆量越多。泥浆注浆压力的控制大多是根据操作工人观察主顶压力表来认为判定注浆压力和注浆量是否合适。但是这种方法采用人为控制注浆压力和注浆量，极易造成浆液的浪费和控制的不稳定，同时在坍塌环境的大孔隙施工环境下使用时会造成泥浆大量泄漏，浪费材料而且无法有效形成泥浆套，导致注浆失败。

在坍塌环境下由于砂石呈松散状、空隙较大、易滑动、摩擦阻力较大很容易因为地层的垮塌造成顶管施工的顶力急剧增大，导致顶管失败，而注浆的效果往往也是十分地不理想。目前国内各顶管公司在遇到这种特殊地层时都是通过采用特殊注浆工艺来解决问题。针对坍塌环境下的顶管通常是先注入起到固结作用的胶体，稳定孔壁然后在注入减阻泥浆减小摩擦力。但是目前还没有一套成熟的装置及方法来解决煤矿井下坍塌环境下的注浆问题。

常规的注浆方是在土体比较稳定的环境下注浆，注浆施工时可以有效形成泥浆套，大大降低顶管阻力。如果应用在大孔隙、岩石环境松散、易滑动的环境下，无法保持浆液稳定，不能起到注浆减阻效果。故这种方法不适合于在坍塌环境下使用。

由于目前顶管注浆工艺还没有统一的标准，针对特殊环境的注浆方法都是各大顶管公司根据具体的施工环境制定相应的注浆策略，每一套注浆方案都具有其针对性。当前还没有针对煤矿巷道冒顶环境下的顶管注浆装置及方法能够适用。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种井下救援用顶管注浆装置，其可通用在各种条件下的井下注浆工作，节省浆料。本发明还提出一种井下救援用顶管注浆方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，一种井下救援用顶管注浆装置，包括顶管机机头、挤压成型管、被顶管段、第一级注浆管和第二级注浆管，其中所述挤压成型管为截头圆锥状，挤压成型管小直径端面与顶管机机头尾端连接，大直径端面与被顶管段对接，第一级注浆管用于输出速凝泥浆，第一注浆管穿过挤压成型管内且输出端设置在挤压成型管壁；第二级注浆管用于输出润滑泥浆，第一注浆管穿过被顶管段内且输出端设置在被顶管段。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述顶管机机头、挤压成型管、被顶管段同轴心设置。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述挤压成型管尾端的直径大于被顶管直径。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述井下救援用顶管注浆装置还包括用于对第一注浆管供速凝泥浆的一级注浆泵站，所述一级注浆泵站包括浆液桶、螺杆式注浆泵、注浆管路和注浆分管，其中浆液桶通过注浆管路连接注浆分管输入口，螺杆式注浆泵置入注浆管路中并向注浆分管输送速凝泥浆，所述注浆分管输出口设置在挤压成型管壁。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述井下救援用顶管注浆装置还包括用于对第二注浆管供润滑泥浆的二级注浆泵站，所述一级注浆泵站包括浆液桶、螺杆式注浆泵、注浆管路和若干个注浆分管，所述浆液桶通过注浆管路连接注浆分管输入口，螺杆式注浆泵置入注浆管路中并向注浆分管输送润滑泥浆，所述注浆分管输出口设置在被顶管壁。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述注浆分管为环形管，注浆分管上等间距设有3个浆液输出口，其中一个浆液输出口处设有机械压力表和压力传感器，每一浆液输出口位置对接管路设有手动球阀和单向阀。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述注浆管路上相邻两个注浆分管之间设有管路单向阀。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述被顶管大于3个时，每间隔两个被顶管处设置一组注浆分管。

在第二个技术方案中，一种井下救援用顶管注浆方法，包括以下步骤：

步骤1、使用顶入设备在井下形成圆柱形空间，使用截头圆锥状设备架置在顶入设备后方，使井壁和截头圆锥状设备外圆周面之间形成横截面为楔形的环形空腔；

步骤2、在顶入设备顶入过程中向环形空腔中注入速凝泥浆，通过截头圆锥状设备外环面将速凝泥浆挤入井壁缝隙中，同时使速凝泥浆凝结成僵硬泥浆套；

步骤3、被顶管段紧随截头圆锥状设备顶入坍塌岩体，在被顶管段外圆周壁和僵硬泥浆套内壁之间的环状空间内注入润滑泥浆，以维持被顶管段润滑地被顶入坍塌岩体。

使用本发明的有益效果是：

1、本发明的井下救援用顶管注浆方法与装置，是一种能够满足煤矿坍塌环境下顶管注浆施工的方法，通过这种方法与装置可以保证在坍塌环境下顶管施工能够顺利进行，极大减少推进阻力和降低坍塌体埋管的风险。

2、采用两级注浆法能够有效解决坍塌环境下大孔隙注浆的问题，在第一级注浆形成的固结保护套的作用下，能够实现第二级减阻触变泥浆泄漏量更少，注浆压力小的同时达到更好的减阻效果。

3、设计的注浆装置采用螺杆式注浆泵具有流量脉动小，注浆平稳不易引起泥浆套损坏，更佳适合在坍塌环境下施工使用。

4、采用自动控制系统可以使注浆压力的调整与控制更佳方便，减少人为控制的随意性和盲目性，节约泥浆用量的同时更利于保护泥浆套不因压力太高破坏，极大减小顶进阻力。

5、本装置具备压力远程监测功能，可以更好地识别泥浆泵工作异常或管路堵塞。

附图说明

图1为本发明井下救援用顶管注浆装置顶入部分结构示意图。

图2为本发明井下救援用顶管注浆装置中一级注浆系统布置图。

图3为本发明井下救援用顶管注浆装置中二级注浆系统布置图。

图4为图3中沿b-b面的分支管路示意图。

图5为本发明井下救援用顶管注浆装置中注浆系统电气控制原理图。

图6为本发明井下救援用顶管注浆装置中挤压成型管结构示意图。

图7为本发明井下救援用顶管注浆装置中挤压成型管一级注浆口位置的剖面示意图。

附图标记包括：

1-顶管机机头，2-挤压成型管，3-楔形浆液槽，4-第一级注浆管，5-固结泥浆套，6-第二级润滑泥浆注入口，7-第二级注浆管，8-润滑泥浆套，9-被顶管段，10-二级注浆泵站，11-一级注浆泵站，12-搅拌机，13-浆液桶，14-螺杆式注浆泵，15-变频电机，16-入洞橡胶软管，17-注浆主管路，18-注浆分管，19-机械压力表，20-压力传感器，21-手动球阀，22-单向阀，23-管路单向阀，24-二级注浆分液口，25-一级注浆口。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

实施例1

如图1-图7所示，本实施例提出的在一种井下救援用顶管注浆装置，包括顶管机机头1、挤压成型管2、被顶管段9、第一级注浆管4和第二级注浆管7，其中挤压成型管2为截头圆锥状，挤压成型管2小直径端面与顶管机机头1尾端连接，大直径端面与被顶管段9对接，第一级注浆管4用于输出速凝泥浆，第一注浆管穿过挤压成型管2内且输出端设置在挤压成型管2壁；第二级注浆管7用于输出润滑泥浆，第一注浆管穿过被顶管段9内且输出端设置在被顶管段9。

顶管机机头1、挤压成型管2、被顶管段9同轴心设置，使得速凝泥浆干燥后形成的僵硬泥浆套与被顶管段9间接均匀。

井下救援用顶管注浆装置还包括用于对第一注浆管供速凝泥浆的一级注浆泵站11，一级注浆泵站11包括浆液桶13、螺杆式注浆泵14、注浆管路和注浆分管18，其中浆液桶13通过注浆管路连接注浆分管18输入口，螺杆式注浆泵14置入注浆管路中并向注浆分管18输送速凝泥浆，注浆分管18输出口设置在挤压成型管2壁。

井下救援用顶管注浆装置还包括用于对第二注浆管供润滑泥浆的二级注浆泵站10，一级注浆泵站11包括浆液桶13、螺杆式注浆泵14、注浆管路和若干个注浆分管18，浆液桶13通过注浆管路连接注浆分管18输入口，螺杆式注浆泵14置入注浆管路中并向注浆分管18输送润滑泥浆，注浆分管18输出口设置在被顶管壁。

注浆分管18为环形管，注浆分管18上等间距设有3个浆液输出口，其中一个浆液输出口处设有机械压力表19和压力传感器20，每一浆液输出口位置对接管路设有手动球阀21和单向阀22。

作为优选的，注浆管路上相邻两个注浆分管18之间设有管路单向阀23。被顶管大于3个时，注浆分管18设置在第奇数个或第偶数个被顶管处。

如图1所示，一级注浆注入的是速凝泥浆，注入后能够快速与坍塌环境混合形成僵硬泥浆套。通过在常规的顶管机机头1后部增加一段挤压成型管2，采用搅拌机12混合搅拌速凝浆液并利用变频电机15配合螺杆式注浆泵14作为浆液供给动力源。浆液通过入洞橡胶软管16、注浆主管路17以及注浆分管18送至挤压成型管2处。

如图2所示，第一级注浆方法是将速凝剂、浆液材料加入搅拌机12内，通过搅拌机12搅拌形成速凝浆液后送入浆液桶13。之后由螺杆注浆泵将速凝泥浆从储浆桶中吸入，在压入到注浆管路中，在经过分流管分流到挤压成型管2与岩壁形成的楔形浆液槽3内。注入的速凝泥浆在楔形浆液槽3内分散开，之后随着顶管机机头1的前移，挤压成型管2将楔形浆液槽3内的速凝泥浆压紧到周边的坍塌岩体中实现坍塌岩体的快速固结并形成一层坚固的保护泥浆套。由此实现了随着顶管机机头1的逐渐前顶，在挤压成型管2后端逐步形成一条坚固的泥浆保护套。

结合图3、图4所示，第二级注浆方法主要实现顶管过程中的减少顶进阻力的作用。通过将膨润土与水在搅拌机12内混合搅拌后形成触变泥浆注入到浆液桶13内。通过变频电机15控制的螺杆式浆液泵将触变泥浆从储浆桶内吸入之后在主注浆管路内，主注浆管路延伸至被顶管段9上第二级润滑泥浆注入口6处，由浆液注入口进入被顶管段9与保护泥浆套形成的孔隙中。在整个顶管机长度方向每间隔2根管段布置一个与被顶管段9相同的管段按上述过程进行注浆。由此实现第二级减阻注浆。

本发明的一种井下救援用顶管注浆装置是由注浆动力系统、注浆管路系统、注浆控制系统组成。

注浆动力系统是由搅拌机12、变频电机15和螺杆式注浆泵14以及配套管路管件组成。

注浆管路系统是由入洞橡胶软管16、注浆主管路17、注浆分管18组成。注浆主管路17是由数段钢管和管箍组成。注浆分管18由橡胶软管、管接头、机械压力表19、压力传感器20、手动球阀21以及单向阀22组成。

如图5所示，注浆系统控制系统的控制原理是由注浆分管18输出端口上布置的压力传感器20监测注浆压力值并反馈给电气控制系统，注浆压力值可以通过电气系统控制界面实时显示，便于操作者监视注浆压力以及对异常工况进行判断。控制系统通过对变频电机15的转速进行控制，进而实现螺杆式注浆泵14的注浆量以及注浆压力的调节。同时设置了机械压力表19用于防止压力传感器20意外失效导致注浆系统故障。每个注浆口处设置手动球阀21用于截断注浆回路，便于实现人工干预。另外还设置了单向阀22防止因楔形浆液槽3内的压力过大对注浆回路造成影响。

使用本套注浆方法及注浆装置可以较好地解决坍塌松散环境下的顶管注浆问题。此套装置和方法在使用时，第一级注浆方法可以轻松实现松散岩体的迅速固结形成较好的泥浆保护套。第二级注浆时注浆压力要求较低，泄漏量很少，能够大幅度降低施工成本低，提供更好的泥浆减阻效果好。

实施例2

在一种井下救援用顶管注浆方法，包括以下步骤：

步骤1、使用顶入设备在井下形成圆柱形空间，使用截头圆锥状设备架置在顶入设备后方，使井壁和截头圆锥状设备外圆周面之间形成横截面为楔形的环形空腔；

步骤2、在顶入设备顶入过程中向环形空腔中注入速凝泥浆，通过截头圆锥状设备外环面将速凝泥浆挤入井壁缝隙中，同时使速凝泥浆凝结成僵硬泥浆套；

步骤3、被顶管段9紧随截头圆锥状设备顶入坍塌岩体，在被顶管段9外圆周壁和僵硬泥浆套内壁之间的环状空间内注入润滑泥浆，以维持被顶管段9润滑地被顶入坍塌岩体。

结合实施例1和实施例2的技术方案，对本发明进一步说明是如何进注浆工作以及实现注浆压力和流量自动化控制的。

双级注浆法的工作原理：注浆工艺共分为两步进行，第一级注浆原理是顶管机机头11向前顶进的过程中，在挤压成型管2的楔形中部一级注浆口25处注入一定量的固结浆液，随着固结浆液的逐渐凝固，在经过挤压成型管22的挤压作用对已经固结的浆液进行压缩，提高固结浆液与松散石头的密度进而在挤压成型管2的外围形成一个坚固的固结泥浆套5。

第一级注浆设备组成以及注浆方法工作流程如下：

一级注浆注入的是速凝泥浆，注入后能够快速与坍塌环境混合形成僵硬泥浆套。为了实现这种注浆方法，需要在常规的顶管机机头1后部增加一段挤压成型管2，挤压成型管2的直径比被顶进管路直径大40mm。第一级注浆方法是将速凝剂与膨润土加入浆液搅拌机12搅拌并送入浆液桶13内，速凝剂的添加量根据不同的顶进距离视情况调节，再由螺杆式注浆泵14将速凝泥浆从储浆桶中吸入，经过一段入洞橡胶软管16后压入到注浆主管路17中，在依次经过注浆分管18、手动球阀21、单向阀22后流入挤压成型管2与岩壁形成的楔形浆液槽3内。注入的速凝泥浆在楔形浆液槽3内分散开，之后随着顶管机机头1的前移，挤压成型管2将速凝泥浆压紧到周边的坍塌岩体中实现坍塌岩体的固结并形成一层坚固的固结泥浆套5。由此实现了随着顶管机机头1的逐渐前顶，在挤压成型管2后端形成了一条坚固的固结泥浆套5。

注浆主管路17采用通经60的钢管制成，钢管长3米一段，每段之间采用钢管卡箍进行连接。挤压成型管2上有留有三个一级注浆口25，呈120度分布，分别与注浆分管18上的三个输出1寸三通进行连接。在每个注浆孔处都留有手动球阀21和单向阀22，并在注浆分管18的一端设置压力传感器20和机械压力表19。

一级注浆系统的自动控制过程：压力传感器20用于压力的自动控制与监测，在注浆过程中由注浆压力传感器20检测前端的注浆压力值，并将压力值实时传递到电气控制器内，控制器根据设定的压力输出控制电信号给变频器进而控制变频电机15的输出转速，达到控制螺杆式注浆泵14的输出压力与注浆量，实现一级注浆系统的注浆压力和浆液量的自动调节。

遇到特殊情况时可以通过一级浆液口处设置的手动球阀21对注浆回路进行调节，便于实现人工干预。机械压力表19用于防止压力传感器20意外失效，可以人工观测注浆压力值。另外还设置了单向阀22防止因楔形浆液槽33内的压力过大对注浆回路和注浆设备造成损坏。

第二级注浆为减阻注浆，在第一级注浆形成的固结泥浆套5内由第二级润滑泥浆注入口6注入润滑泥浆，在被顶管段9与固结泥浆套5之间的环形空间充满泥浆形成润滑泥浆套8，实现有效减阻。

结合图3对二级注浆系统的管路系统是如何工作的进行详细说明，二级注浆系统实现整个管段的减阻润滑，由于顶管管段长度较大，注浆时采用每隔两根管节布置一组二级注浆分液口24。

第二级注浆方法是将水和膨润土安装一定比例加入到搅拌机12内径搅拌后形成润滑浆液，并注入到储浆桶中，再由螺杆式浆液泵泵吸入，螺杆式浆液泵由变频电机15进行驱动。润滑浆液经螺杆式浆液泵压出后由一段2寸橡胶入洞软管进行入洞，之后进到洞内部的2寸主注浆管内，主注浆管路由数段3米长2寸钢管组成，中间使用管箍进行连接。通过布置主注浆管上的设立二级注浆分液口24分别对各个需要注浆的管节进行注浆。为了在换管时减少浆液泄漏，在主管路上设置管路单向阀23用于防止主注浆管内的润滑浆液回流。单个管节在横截面上布置的二级注浆孔数量为三个，呈120度均布，其中在最顶部布置一个。注浆分管18采用1寸软管进行连接，在每个注浆口处设置单向阀22防止泥浆倒流，在单向阀22后设置手动球阀21用于单独控制每个口的注浆，同时在注浆分管18的端部设置有压力传感器20和机械压力表19用于注浆压力的监控。通过浆液压力传感器20检测到的压力数值传递到后端的监控台上实现压力值显示，同时反馈的压力值通过电气控制器与设定的二级注浆压力值进行比较输出控制信号实现对变频电机15的控制，通过变频电机15的转速控制螺杆式注浆泵14的转速实现注浆压力与注浆量的自动控制，满足系统注浆要求。根据监控界面上的注浆压力值判断注浆系统是否存在堵塞问题，一旦发生管路堵塞，可以通过手动球阀21进行人工干预，故障排除后继续开启注浆。

本套注浆系统较好地解决了在煤矿井下坍塌巷道顶进时的注浆问题，而且实现了注浆系统的自动控制与监测，减少人为控制注浆系统压力的盲目性和随意性。通过监控压力值的变化，有助于对注浆系统进行参数分析与故障预判，同时配备人工干预手段实现对异常工况处理。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。