一种巷道超前支护装置及巷道超前加固方法与流程

1.本发明属于巷道加固施工技术领域，更具体地说，是涉及一种巷道超前支护装置及巷道超前加固方法。


背景技术：

2.在顶板不稳固或节理裂隙发育的围岩中掘进开挖巷道并进行支护是很困难的，此类围岩的自稳能力差，自稳时间短，自身支护及超前支护均较困难。传统的超前支护方法大多以锚杆或锚索斜向上插入不稳固岩体，将不稳固岩体与稳固岩体紧密连接。此种超前支护方法对于节理裂隙发育的围岩效果较差，尤其是对于处于斜向锚杆下盘的围岩几乎无任何防护能力，安全隐患大。此外，此种方法往往要求锚杆或锚索长度很长，也增加了支护成本。且现有的支护方法大多将超前支护与巷道本身的支护分离为两种支护方法或方式，巷道一个区段的支护往往需要多种机械和多个专业的作业人员，降低了支护效率，也不利于巷道支护工作的协调统一。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种可以在不稳固或节理裂隙发育的围岩巷道中操作简便，高效经济、既能对本巷道区段进行良好支护，也能对下一巷道区段进行有效超前支护的支护装置及超前加固的方法。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种巷道超前支护装置，包括支护拱架，支护拱架包括上部支架、下部竖直支架，上部支架的两侧下方均设置有下部竖直支架；
5.上部支架由位于顶部的弧形支架段及位于弧形支架段两侧下端的直形支架段组成；弧形支架段、直形支架段上分别开设有一号圆孔、二号圆孔，一号圆孔、二号圆孔内均插置有空腔外锚杆；位于一号圆孔内的空腔外锚杆的内部插置有内锚杆；
6.下部竖直支架上开设有三号圆孔，三号圆孔内插置有空腔外锚杆；下部竖直支架的底部开设有柱脚洞，柱脚洞内插置有柱脚接杆。
7.进一步的，内锚杆两端开口且内部中空，内锚杆的表面分布设置有错位排列的注浆通孔，注浆通孔与内锚杆的内部空腔相连通。
8.进一步的，下部竖直支架与直形支架段之间设置有长螺栓，长螺栓上套设有调节螺母，拧动调节螺母使得调节螺母沿着长螺杆上升向上托起上部支架，上部支架向上移动顶紧巷道顶板起到支护作用。
9.一种巷道超前加固方法包括以下步骤：
10.s1、对本巷道区段进行支护：先在已经开挖但尚未支护的巷道区段确定两组支护拱架的位置，在预安设支护拱架的位置边角安放两组共4个柱脚垫片，在每个柱脚垫片上安设一个下部竖直支架，共两组4个下部竖直支架；
11.在每组下部竖直支架的上端部和与其位置相对应的待安装的上部支架的下端部，前后安装两个两边呈直角的直角垫片，用短螺丝螺母组将直角垫片分别固定在上部支架、
下部竖直支架的端部；
12.上部支架的两侧下端与其位置相对应的下部竖直支架之间均设置有长螺杆，长螺杆上套设一个调节螺母，并先将调节螺母拧至长螺杆上较低的位置；
13.用大螺母将长螺杆下端与位于下部竖直支架端部的直角垫片固定相连；长螺杆上端插置于位于上部支架端部的直角垫片的螺栓孔内；
14.拧动调节螺母使其沿着长螺杆向上移动，调节螺母沿着长螺杆上升而逐渐向上托起上部支架，进而使得上部支架顶紧巷道顶板，起到支护作用；
15.上部支架顶紧巷道顶板后，在长螺杆的上端套上一个大螺母，拧紧大螺母将长螺杆的上端与位于上部支架端部的直角垫片固定相连，从而完成支护拱架的组装；
16.然后在位于下部竖直支架底部的柱脚洞内插置柱脚接杆，柱脚接杆从底部将前后两组支护拱架连接；
17.s2、对下一巷道区段进行超前支护：在本巷道区段安装好的支护拱架的上部支架的一号圆孔内插置空腔外锚杆，从顶部将前后两组支护拱架连接；
18.对待爆破岩体进行超前支护钻孔定位，定位好之后由凿岩钻机根据定位位置在待爆破岩体的岩壁上钻凿注浆孔；
19.然后在空腔外锚杆内部插置表面分布注浆通孔且内部中空的内锚杆，内锚杆的前端与外锚杆的前端相平齐、内锚杆的后端深入至岩壁上的注浆孔中，然后由注浆机从内锚杆的前端向岩壁上的注浆孔内注入注浆材料封闭围岩裂隙；在内锚杆的超前支护和封闭围岩自稳保护下进行下一巷道区段的爆破出渣，在出渣完毕后，开始进行下一巷道区段的柱脚垫片、下部竖直支架、直角垫片和长螺杆的安装工作；
20.s3、完成本巷道区段的支护工作：待下一巷道区段的柱脚垫片、下部竖直支架、直角垫片和长螺杆安装完毕后，将内锚杆向本巷道区段的方向移动，将内锚杆缩进本巷道区段的空腔外锚杆内，并且使得内锚杆的前端进入前一巷道区段中位置相对应的空腔外锚杆中，以此将本巷道区段的空腔外锚杆与前一巷道区段的空腔外锚杆连接；
21.将上部支架的直形支架段的二号圆孔内插置空腔外锚杆，将下部竖直支架的三号圆孔内插置空腔外锚杆，从侧部将前后两组支护拱架连接，至此完成本巷道区段的支护工作；
22.s4、对下一巷道区段进行支护：重复步骤s1中的操作在下一巷道区段内安装上部支架；重复步骤s2、s3中的操作对位于下一巷道区段后方的巷道区段进行超前支护及完成下一巷道区段的支护工作。
23.进一步的，为保证巷道超前加固工作的顺利完成，巷道爆破时要求一次爆破进尺为两个巷道区段的长度，单个巷道区段长度约1-2m。
24.进一步的，为了尽可能保证巷道安装安全，本巷道区段支护工作与下一巷道区段支护工作在时间上有重叠，具体为：在本巷道区段的内锚杆对下一巷道区段的超前支护保护下进行下一巷道区段的爆破出渣；在出渣完毕后，还要在本巷道区段内锚杆的超前支护保护下进行下一巷道区段的柱脚垫片、直角拱架、直角垫片和长螺杆的安装工作；待下一巷道区段的以上支护工作完成后，将本巷道区段的内锚杆向空腔外锚杆缩进至其内一段距离，使得内锚杆回归至本巷道区段，超前支护结束；
25.在下一巷道区段迅速安装上部支架，在上部支架的保护下迅速进行后续巷道区段
的超前支护工作。
26.进一步的，空腔外锚杆长度约为两个巷道区段的长度；内锚杆比空腔外锚杆长约20％-40％；内锚杆的外径与空腔外锚杆的内径相同。
27.进一步的，柱脚接杆包括空腔部与实心部两部分；空腔部的外径约为柱脚洞的孔径，空腔部的长度约为两个巷道区段的长度；
28.实心部的外径与空腔部的内径相同，实心部的长度约为一个巷道区段的长度。
29.进一步的，下部竖直支架的长度约为1m；长螺杆的长度约为0.5-0.8m；
30.直角垫片的单边长度约为10cm，每边均带有至少两个直径约为2cm的圆孔；直形支架段、下部竖直支架在端部也设置有至少两个直径约为2cm的圆孔，方便短螺丝螺母组将直角垫片分别与直形支架段、下部竖直支架拧紧固定。
31.进一步的，注浆材料为硅酸盐改性聚氨酯材料，注浆后能够迅速生成高强度的聚合体，把原来松散的、不连续的岩体迅速胶结成连续的、完整的受力体。
32.与现有技术相比，本发明的巷道超前支护装置及巷道超前加固方法具有以下有益效果：
33.1.本发明的超前支护装置及巷道超前加固方法既可以对本巷道区段进行支护，又可以对下一巷道区段进行超前支护，实现了本巷道区段的支护和下一巷道区段超前支护的协调统一；
34.2.本发明的超前支护装置及巷道超前加固方法可以根据巷道断面的具体高度调节上部支架的高度，相对于现有技术中固定式的拱架，本发明可以使上部支架紧贴巷道顶板，更能发挥支护装置的支护效果；
35.3.本发明的超前支护装置及巷道超前加固方法由下部竖直支架底部的柱脚接杆和上部支架顶部的空腔外锚杆和内锚杆将各组支护拱架连接为整体，能充分发挥支护拱架组整体的支护作用，抗围岩来压和围岩变形的能力更强；
36.4.本发明的超前支护装置及巷道超前加固方法在对下一巷道区段进行超前支护时由内锚杆承受上部围岩来压，将压力沿空腔外锚杆传导至本巷道区段安装好的支护拱架进而传导至本巷道区段顶部围岩，将支护拱架作为支点、锚杆作为杠杆，使得新开挖巷道区段围岩的下向压力由已安装支护拱架的巷道区段围岩承受，将不同区段的围岩压力互相平衡，维持超前支护巷道区段的稳定；
37.5.本发明的超前支护装置及巷道超前加固方法采用的硅酸盐改性聚氨酯高分子材料注浆，凝固强度高，封闭后的围岩抗压、抗剪强度均较原岩有所较高，能够有效保证巷道顶部围岩的稳定；反应时间短，不耽误支护工期，且不产生任何有毒有害物质，也不与水发生反应，是一种高效环保安全的新型注浆材料。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明的巷道超前支护装置安装后的正视图。
40.图2为本发明的巷道超前支护装置完成本巷道区段支护安装后的俯视图。
41.图3为本发明的巷道超前支护装置完成下一巷道区段超前支护的俯视图。
42.图4为本发明的巷道超前支护装置的长螺杆和直角垫片安装的局部示意图。
43.图5为本发明的巷道超前支护装置的空腔外锚杆和内锚杆的结构示意图。
44.图6为本发明的巷道超前支护装置的柱脚接杆的结构示意图。
45.图7为本发明的巷道超前支护装置的直角垫片的结构示意图。
46.图中符号说明：
47.1、上部支架；2、下部竖直支架；3、柱脚垫片；4、直角垫片；5、短螺丝螺母组；6、长螺栓；7、长螺杆；8、空腔外锚杆；9、内锚杆；10、柱脚接杆；
48.11、弧形支架段；12、直形支架段；13、一号圆孔；14、二号圆孔；
49.21、三号圆孔；22、柱脚洞；41、螺栓孔；61、调节螺母；91、注浆通孔；92、待爆破岩体；101、空腔部；102、实心部。
具体实施方式
50.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
51.如图1所示，一种巷道超前支护装置，包括支护拱架，支护拱架包括上部支架1、下部竖直支架2，上部支架的两侧下方均设置有下部竖直支架；
52.上部支架1由位于顶部的弧形支架段11及位于弧形支架段两侧下端的直形支架段12组成；弧形支架段、直形支架段上分别开设有一号圆孔13、二号圆孔14，一号圆孔、二号圆孔内均插置有空腔外锚杆8；位于一号圆孔内的空腔外锚杆的内部插置有内锚杆9；
53.下部竖直支架2上开设有三号圆孔21，三号圆孔21内插置有空腔外锚杆8；下部竖直支架2的底部开设有柱脚洞22，柱脚洞22内插置有柱脚接杆10。
54.如图4所示，下部竖直支架2与直形支架段12之间设置有长螺栓6，长螺栓6上套设有调节螺母12，拧动调节螺母12使得调节螺母沿着长螺杆6上升向上托起上部支架1，上部支架1向上移动顶紧巷道顶板起到支护作用。
55.如图1-图7所示，一种巷道超前加固方法包括以下步骤：
56.s1、对本巷道区段进行支护：先在已经开挖但尚未支护的巷道区段确定两组支护拱架的位置，在预安设支护拱架的位置边角安放两组共4个柱脚垫片，在每个柱脚垫片3上安设一个下部竖直支架2，共两组4个下部竖直支架；下部竖直支架2的长度约为1m；柱脚垫片用于增大支护装置的底部受力面积。
57.在每组下部竖直支架的上端部和与其位置相对应的待安装的上部支架1的下端部，前后安装两个两边呈直角的直角垫片4，用短螺丝螺母组5将直角垫片分别固定在上部支架、下部竖直支架的端部。直角垫片4的单边长度约为10cm，每边均带有至少两个直径约为2cm的圆孔；直形支架段12、下部竖直支架2在端部也设置有至少两个直径约为2cm的圆孔，方便短螺丝螺母组将直角垫片4分别与直形支架段12、下部竖直支架2拧紧固定。
58.上部支架1的两侧下端与其位置相对应的下部竖直支架2之间均设置有长螺杆6，长螺杆6的长度约为0.5-0.8m；长螺杆上套设一个调节螺母61，并先将调节螺母拧至长螺杆
上较低的位置。
59.用大螺母7将长螺杆下端与位于下部竖直支架端部的直角垫片固定相连；长螺杆上端插置于位于上部支架端部的直角垫片的螺栓孔内。
60.拧动调节螺母61使其沿着长螺杆6向上移动，调节螺母61沿着长螺杆6上升而逐渐向上托起上部支架1，进而使得上部支架1顶紧巷道顶板，起到支护作用。
61.上部支架1顶紧巷道顶板后，在长螺杆6的上端套上一个大螺母，拧紧大螺母将长螺杆的上端与位于上部支架端部的直角垫片固定相连，从而完成支护拱架的组装。
62.然后在位于下部竖直支架底部的柱脚洞22内插置柱脚接杆10，柱脚接杆10从底部将前后两组支护拱架连接。
63.柱脚接杆10包括空腔部101与实心部102两部分；空腔部的外径约为柱脚洞22的孔径，空腔部的长度约为两个巷道区段的长度；实心部的外径与空腔部的内径相同，实心部的长度约为一个巷道区段的长度。多个巷道区段相邻的柱脚接杆的空腔部前后首尾相连，实心部的两端分别插置于相邻的空腔部内从底部将各个支护拱架连接为整体。
64.s2、对下一巷道区段进行超前支护：在本巷道区段安装好的支护拱架的上部支架的一号圆孔13内插置空腔外锚杆8，从顶部将前后两组支护拱架连接。
65.对待爆破岩体92进行超前支护钻孔定位，定位好之后由凿岩钻机根据定位位置在待爆破岩体的岩壁上钻凿注浆孔。
66.然后在空腔外锚杆8内部插置表面分布注浆通孔91且内部中空的内锚杆9，内锚杆的前端与外锚杆的前端相平齐、内锚杆的后端深入至岩壁上的注浆孔中，然后由注浆机从内锚杆的前端向岩壁上的注浆孔内注入注浆材料封闭围岩裂隙。
67.注浆材料为高分子材料，主要成分为硅酸盐改性聚氨酯材料，注浆后能够迅速生成高强度的聚合体，把原来松散的、不连续的岩体迅速胶结成连续的、完整的受力体。注浆后的围岩抗压、抗剪强度均较原岩有所较高，能够保证巷道顶部围岩的稳定。
68.内锚杆9两端开口且内部中空，内锚杆9的表面分布设置有错位排列的注浆通孔91，注浆通孔91与内锚杆的内部空腔相连通。注浆机通过内锚杆向岩壁上的注浆孔内注浆时，注浆材料不会仅聚集在内锚杆的后端处，注浆材料会通过内锚杆上交错错位排列的注浆通孔均匀地、无死角地灌注到岩壁上的注浆孔内，注浆孔灌浆更为均匀，灌浆的范围更大，灌浆的效果更好。
69.空腔外锚杆长度约为两个巷道区段的长度；内锚杆的长度大于外锚杆的长度，内锚杆比空腔外锚杆长约20％-40％。内锚杆的外径与空腔外锚杆的内径相同，通过机械设计外锚杆与内锚杆配合时的内外径尺寸公差控制，实现内锚杆可以在外锚杆内部相对移动，但二者之间的间隙无法让注浆材料流入到外锚杆内。
70.由内锚杆承受上部围岩来压，在内锚杆的超前支护和封闭围岩自稳保护下进行下一巷道区段的爆破出渣；为保证巷道超前加固工作的顺利完成，巷道爆破时要求一次爆破进尺为两个巷道区段的长度，单个巷道区段长度约1-2m。
71.在出渣完毕后，开始进行下一巷道区段的柱脚垫片、下部竖直支架、直角垫片和长螺杆的安装工作。
72.s3、完成本巷道区段的支护工作：待下一巷道区段的柱脚垫片、下部竖直支架、直角垫片和长螺杆安装完毕后，将内锚杆9向本巷道区段的方向移动，将内锚杆缩进本巷道区
段的空腔外锚杆内，并且使得内锚杆的前端进入前一巷道区段中位置相对应的空腔外锚杆中，以此将本巷道区段的空腔外锚杆与前一巷道区段的空腔外锚杆连接；
73.将上部支架的直形支架段的二号圆孔14内插置空腔外锚杆，将下部竖直支架的三号圆孔21内插置空腔外锚杆，从侧部将前后两组支护拱架连接，能够避免支护装置侧部变形；至此完成本巷道区段的支护工作。
74.s4、对下一巷道区段进行支护：重复步骤s1中的操作在下一巷道区段内安装上部支架；重复步骤s2、s3中的操作对位于下一巷道区段后方的巷道区段进行超前支护及完成下一巷道区段的支护工作。
75.为了尽可能保证巷道安装安全，本巷道区段支护工作与下一巷道区段支护工作在时间上有重叠，具体为：在本巷道区段的内锚杆对下一巷道区段的超前支护保护下进行下一巷道区段的爆破出渣；在出渣完毕后，还要在本巷道区段内锚杆的超前支护保护下进行下一巷道区段的柱脚垫片、直角拱架、直角垫片和长螺杆的安装工作；待下一巷道区段的以上支护工作完成后，将本巷道区段的内锚杆向空腔外锚杆缩进至其内一段距离，使得内锚杆回归至本巷道区段，超前支护结束；在下一巷道区段迅速安装上部支架，在上部支架的保护下迅速进行后续巷道区段的超前支护工作。
76.本发明能够解决在顶板不稳固或节理裂隙发育的围岩中掘进开挖巷道的超前支护时存在的支护效果不佳，支护成本较高以及支护效率较低的问题。通过弧形支架段的一号圆孔13中穿入空腔外锚杆和在带注浆通孔的内锚杆，实现了对下一巷道区段爆破开挖前的超前注浆和超前支护，同时利用支护拱架作为支点、锚杆作为杠杆，将新开挖巷道区段围岩的下向压力传导至已安装支护拱架的巷道区段围岩承受进行力的平衡，维持超前支护巷道区段的稳定。一套支护装置实现了本巷道区段支护和下一巷道区段的超前支护，用平直的内锚杆进行超前支护，缩短了对锚杆长度要求；内锚杆上分布有交错排列的注浆通孔，增大了注浆范围。本发明构思精巧，支护效果好，支护成本低，支护工作单一，进而保证了支护工作效率。
77.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。