一种动态注浆的本安型锚注加固-瓦斯抽采增效两用系统

1.本发明涉及煤矿瓦斯抽采注浆封堵和巷道围岩注浆加固领域，具体涉及一种动态注浆的本安型锚注加固-瓦斯抽采增效两用系统。


背景技术：

2.瓦斯是煤矿重大危险源，瓦斯抽放是解决难题的根本手段。传统的封孔方法使用固态材料一次性封堵工艺，难以解决煤层新生裂隙带来的瓦斯无序涌出和巷道空气混入所导致的瓦斯抽采浓度低、衰减快难题。为维持高抽采浓度，工程上往往重新施工加密钻孔，瓦斯抽采工作投入高、效果差。虽有最新研发的可多次注浆的缓凝封孔材料，但自动补浆设备投入高、人工补浆成本大是制约该技术推广发展的“卡脖子”因素。锚杆支护是保证巷道稳定的重要手段，注浆锚杆安装后可以提供有效预应力，黏结强化松动圈围岩。因此巷道内施工锚杆数量巨大以保证围岩加固效果，但传统注浆锚杆功能单一，配套投入仅解决围岩支护问题，无法与巷道其他工艺联动。实际工作中存在钻掘设备重复投入、工艺联动性差、人力成本高的问题。


技术实现要素：

3.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种动态注浆的本安型锚注加固-瓦斯抽采增效两用系统。
4.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
5.本发明提供一种动态注浆的本安型锚注加固-瓦斯抽采增效两用系统，包括对应设置在钻孔内的中空瓦斯抽采封孔-围岩锚注加固两用注浆锚杆、与中空瓦斯抽采封孔-围岩锚注加固两用注浆锚杆对应的本安型主动注浆装置，所述中空瓦斯抽采封孔-围岩锚注加固两用注浆锚杆包括锚杆壁，所述锚杆壁的一端伸出到钻孔外部形成有贴紧钻孔口的托盘，所述锚杆壁内形成有封孔材料注浆管，所述封孔材料注浆管与锚杆壁之间形成有水泥注浆通道，所述锚杆壁的外部套设有三段连通水泥注浆通道的环形橡胶囊袋，所述环形橡胶囊袋将钻孔与锚杆壁之间的空间分隔成三个注浆空间，所述锚杆壁底部形成有连通水泥注浆通道的固定片转轴，所述固定片转轴的底部形成有钻头，所述三个注浆空间包括靠近钻头的第一注浆空间以及依次远离钻头的第二注浆空间、第三注浆空间，所述固定片转轴上设置有与第一注浆空间对应的可转动的固定片，所述固定片转轴上形成有与固定片对应的内腔水泥出浆口，所述锚杆壁上设置有若干连通第二注浆空间的封孔材料出浆口、连通第三注浆空间的爆破阀水泥出浆口；所述爆破阀水泥出浆口(6)与水泥注浆通道(2)连通，所述封孔材料出浆口(7)与封孔材料注浆管(1)连通且与水泥注浆通道(2)不连通，所述本安型主动注浆装置包括外壳、储能机构、注浆机构、复位机构，所述储能机构包括设置在外壳内的储能弹簧机构保护壳，所述储能弹簧机构保护壳内安装有固定轴，所述固定轴上安装有储能弹簧，所述储能弹簧的一端连接有带有轮齿结构的传动杆，所述注浆机构包括设置在外壳内的水箱，所述外壳上设置有连通水箱的加浆口，所述水箱内设置有推浆活塞，所
述推浆活塞通过活塞传动带与传动杆连接，所述传动杆能够通过活塞传动带带动推浆活塞沿水箱内壁上、下运动，所述推浆活塞的上部通过复位弹簧与外壳内顶壁固定，所述复位机构包括旋杆、竖向齿轮、横向齿轮，所述竖向齿轮能够带动传动杆水平移动，所述旋杆能够带动横向齿轮转动，所述横向齿轮与竖向齿轮啮合，所述旋杆的一端伸出到外壳形成有能够限制旋杆转动的卡位器，所述封孔材料注浆管与水箱下部连通。
6.优选地，所述水箱上设置有透明可视化标尺，所述水箱内设置有与活塞传动带对应的转向轮，所述活塞传动带的一端穿过转向轮与能够水平移动的传动杆连接，所述活塞传动带的另一端穿过转向轮与能够上、下运动的推浆活塞连接。
7.优选地，所述封孔材料出浆口为十字形出浆口，十字形出浆口设计可让水泥材料和封孔材料在各自流动通道高效注浆；十字形设计还可以作为锚杆结构支撑点，维持结构整体稳定性；同时采用多个注浆点设置，可保证注浆材料不堵塞、无阻力，减少注浆压力损失。
8.优选地，所述锚杆壁的外部形成有用于支撑环形橡胶囊袋的管壁-囊袋支撑杆，管壁-囊袋支撑杆可有效保证锚杆壁强度，为囊袋提供安装、膨胀空间。
9.优选地，所述固定片转轴与锚杆壁一体成型，所述钻头与固定片转轴螺纹连接，。
10.优选地，所述储能弹簧为螺旋形金属片，能够更好的进行储能及释放弹性能量，储能后能够自动将势能转变为活塞动能，无危险源。
11.优选地，所述爆破阀水泥出浆口处设置有爆破阀，所述爆破阀的压力阈值小于固定片的转动压力阈值，能够更好的保证爆破阀水泥出浆口、内腔水泥出浆口按压力有序工作。
12.优选地，当固定片处于初始状态时内腔水泥出浆口处于被封堵状态，当固定片旋转时，内腔水泥出浆口处于打开状态。
13.优选地，所述封孔材料注浆管侧壁上设置有若干与水泥注浆通道连通的连通孔。
14.本发明还提供一种上述系统的使用方法，包括以下步骤：
15.(1)采用锚杆钻孔形成钻孔，将中空瓦斯抽采封孔-围岩锚注加固两用注浆锚杆安装至钻孔内；
16.(2)开始注浆，水泥注浆通道与水泥注浆转接口连接，通过水泥注浆转接口向水泥注浆通道内注入水泥浆料，水泥注浆通道内的压力逐渐增大，在爆破阀和固定片的压力阈值阻隔下，水泥浆料充满水泥注浆通道继而充填膨胀橡胶囊袋，使之完全贴合孔壁，形成不同的注浆空间；继续注浆，水泥注浆通道内压力继续增大，到超过爆破阀水泥出浆口的爆破阀压力阈值后，通过爆破阀充填至周围煤岩体，完成锚杆锚固；
17.(3)完成锚杆锚固后继续注浆，水泥注浆通道内压力逐渐继续上升，当水泥注浆通道内压力超过固定片转动的压力阈值，固定片开始发生转动并进一步卡紧在钻孔的内壁上形成固定姿态，同时固定片转动后，内腔水泥出浆口打开，水泥材料注入到与钻头对应的钻孔的内腔，完成黏结煤岩体；
18.(4)观察透明可视化标尺，当水箱内浆液不足，首先打开卡位器，然后逆时针旋转旋杆从而带动竖向齿轮、横向齿轮以及传动杆运动，进而拉伸储能弹簧赋予其弹性势能；进而推动推浆活塞压缩复位弹簧缓缓向上移动，当推浆活塞达需要的位置后，按下卡位器固定旋转杆，将缓凝封孔材料通过加浆口补充至水箱；
19.(5)打开卡位器，此时储能弹簧缓缓释放弹性势能，带动传动杆移动，从而拉动推浆活塞向下移动挤压缓凝封孔材料，将缓凝封孔材料沿封孔材料注浆管持续注入到注浆锚杆内部，并通过封孔材料出浆口注入周围围岩体；围岩体内部微小裂隙注满后，注浆空间保持恒定压力，此时本安型主动注浆装置保持注浆结束后的状态，同时封孔材料不再注入；当有新生裂隙产生时，封孔材料在浆液压力下，运移至新生围岩裂隙，系统浆液压力减小，阻力减小，储能弹簧开始释放，将封孔材料缓缓注入，当系统内浆液压力上升到阈值后，储能弹簧和推浆活塞阻力变大，本安型主动注浆装置停止注浆。
20.本发明的有益效果在于：
21.本发明结构简单，可以实现瓦斯抽采封孔和围岩锚注加固两工艺相结合，解决了瓦斯封孔工艺和锚固工艺联动性差、注浆设备重复购入投资大和人力成本高的问题，本安型注浆设备能够实现自动注浆，无外部危险源，安全可靠，注浆效率高；且本发明采用分别对三个注浆空间进行注浆操作，三个注浆空间分别承载不同的功能，外段注浆后无需锚固剂安装，一体化水泥材料注浆，材料凝固后完成锚固并提供预应力；中段为单独的注浆系统，注入缓凝封孔材料，依靠其较高的渗透力通过围岩裂隙充分扩散至周围岩体，封堵微小裂隙，形成屏障减少巷道空气的流入和煤层瓦斯的涌出，使瓦斯气体沿预定瓦斯抽采管路有序涌出，完成瓦斯抽采封孔注浆工作；外段注浆方向为深部围岩，注浆加固黏结围岩体，使得破碎带内裂隙不稳定岩体黏结为固结破碎岩体，改良岩体、形成稳定的巷道。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明的整体结构示意图；
24.图2为本发明的新型中空瓦斯抽采封孔-围岩锚注加固两用注浆锚杆初始状态示意图；
25.图3为本发明的新型中空瓦斯抽采封孔-围岩锚注加固两用注浆锚杆初始状态四个特定位置断面图；
26.图4为本发明的型中空瓦斯抽采封孔-围岩锚注加固两用注浆锚杆封堵状态示意图；
27.图5为本发明的新型中空瓦斯抽采封孔-围岩锚注加固两用注浆锚杆封堵状态四个特定位置断面图；
28.图6为本发明的整体实施效果图；
29.图7为本发明的本安型主动注浆装置结构示意图；
30.图中：1-封孔材料注浆管，2-水泥注浆通道，3-锚杆壁，4-托盘，5-钻孔，6-爆破阀水泥出浆口，7-封孔材料出浆口，8-橡胶囊袋，9-管壁-囊袋支撑杆，10-封孔材料，11-内腔水泥出浆口，12-螺纹，13-固定片转轴，14-水泥材料，15-钻头，16-固定片，17-传动杆，18-外壳，19-固定轴，20-储能弹簧，21-弹簧机构保护壳，22-竖向齿轮，23-横向齿轮，24-卡位器，25-旋杆，26-加浆口，27-透明可视化标尺，28-推浆活塞，29-复位弹簧，30-活塞传动带，
囊袋支撑杆可有效保证锚杆壁强度，为囊袋提供安装、膨胀空间。所述固定片转轴13与锚杆壁3一体成型，所述钻头15与固定片转轴13螺纹连接，所述储能弹簧20为螺旋形金属片，能够更好的进行储能及释放弹性能量，储能后能够自动将势能转变为活塞动能，无危险源。所述爆破阀水泥出浆口6处设置有爆破阀，所述爆破阀的压力阈值小于固定片16的转动压力阈值，能够更好的保证爆破阀水泥出浆口6、内腔水泥出浆口11按压力有序工作。当固定片16处于初始状态时内腔水泥出浆口11处于被封堵状态，当固定片16旋转时，内腔水泥出浆口11处于打开状态。所述封孔材料注浆管1侧壁上设置有若干与水泥注浆通道2连通的连通孔。
35.本实施例所述的封孔材料注浆管1、水泥注浆通道2、锚杆壁3、托盘4、钻孔5、爆破阀水泥出浆口6、封孔材料出浆口7、橡胶囊袋8、管壁-囊袋支撑杆9、内腔水泥出浆口11、螺纹12、固定片转轴13、钻头15、固定片16、传动杆17、外壳18、固定轴19、储能弹簧20、弹簧机构保护壳21、竖向齿轮22、横向齿轮23、卡位器24、旋杆25、加浆口26、透明可视化标尺27、推浆活塞28、复位弹簧29、活塞传动带30、转向轮31、水箱32、围岩裂隙33为本领域技术人员所熟知的现有产品或结构，其相互之间的连接方式也采用本领域技术人员所熟知的现有连接方式，在此不再作具体描述。
36.封孔材料10、水泥材料14为本领域技术人员所熟知的现有材料，在此不作详细介绍。
37.具体使用时，先采用锚杆钻孔形成钻孔15，将中空瓦斯抽采封孔-围岩锚注加固两用注浆锚杆安装至钻孔15内；水泥注浆通道2与水泥注浆转接口连接，通过水泥注浆转接口向水泥注浆通道2内注入水泥浆料，所述水泥注浆转接口为本领域技术人员所熟知的现有结构，在此不作详细描述，水泥浆料通过水泥注浆通道2注入至系统内，在爆破阀和固定片的压力阈值阻隔下，水泥浆料首先充满水泥注浆通道2；水泥注浆通道2内压力逐渐增大，首先充填膨胀橡胶囊袋8，使之完全贴合孔壁，形成不同的注浆空间；继续注浆，水泥注浆通道2内逐渐增大到超过爆破阀水泥出浆口6的爆破阀压力阈值后，通过爆破阀充填至周围煤岩体，完成锚杆锚固；完成锚杆锚固后继续注浆，水泥注浆通道2内压力逐渐继续上升，当水泥注浆通道2内压力超过固定片16转动的压力阈值，固定片16开始发生转动并进一步卡紧在钻孔5的内壁上形成固定姿态，同时固定片16转动后，内腔水泥出浆口11打开，水泥材料注入到与钻头15对应的钻孔5的内腔，完成黏结煤岩体步骤。
38.如图1、图7，完成黏结煤岩体步骤后，设置本安型主动注补浆装置，观察透明可视化标尺27，当水箱32内浆液不足，首先打开卡位器24，然后逆时针旋转旋杆25从而带动竖向齿轮22、横向齿轮23以及传动杆17运动，进而拉伸储能弹簧20赋予其弹性势能；进而推动推浆活塞28压缩复位弹簧29缓缓向上移动，当推浆活塞28达需要的位置后，按下卡位器24固定旋转杆25，将缓凝封孔材料10通过加浆口26补充至水箱32；
39.然后打开卡位器24，此时储能弹簧20缓缓释放弹性势能，带动传动杆17移动，从而拉动推浆活塞28向下移动挤压缓凝封孔材料10，将缓凝封孔材料10沿封孔材料注浆管1持续注入到水泥注浆通道2，并通过封孔材料出浆口7注入周围围岩体；围岩体内部微小裂隙注满后，注浆空间保持恒定压力，此时本安型主动注浆装置保持注浆结束后的状态，同时封孔材料10不再注入；当有新生裂隙产生时，封孔材料10在浆液压力下，运移至新生围岩裂隙33，系统浆液压力减小，阻力减小，储能弹簧20开始释放，将封孔材料10缓缓注入，当系统内
浆液压力上升到阈值后，储能弹簧20和推浆活塞28阻力变大，本安型主动注浆装置停止注浆。
40.图6模拟了注浆锚杆整体工作效果，在分隔的不同区间分别注入水泥材料和封孔材料，起到围岩加固、黏结和瓦斯抽采封孔的效果。解决了瓦斯封孔工艺和锚固工艺联动性差、注浆设备重复购入投资大和人力成本高的问题，是对井下巷道多用途集成设备一次全新探索。
41.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。