矿用锚杆索压风定量挤注装置及精准锚固方法与流程

1.本发明涉及一种矿用锚杆索压风定量挤注装置及精准锚固方法，尤其适用于煤矿巷道围岩支护工程领域。


背景技术：

2.锚杆索锚固技术可大幅提高岩体强度和岩层整体性，已成为煤矿巷道围岩稳定性控制的主要技术手段。
3.当前锚固技术主要依靠树脂锚固剂将锚杆索杆体与围岩粘结在一起，而树脂锚固剂是由专用聚酯薄膜将胶泥与固化剂分割包装，只有充分混合胶泥和固化剂，才能使树脂锚固剂与围岩的粘结力达到最佳。现在普遍利用锚杆钻机带动锚杆索旋转搅破聚酯薄膜，进而使得胶泥和固化剂得以混合，这种方式存在三大弊端：(1)由于聚酯薄膜的存在，胶泥和固化剂混合硬化后会有弱面，在一定程度上降低粘结力；(2)当围岩较为破碎或钻孔成型不好时，树脂锚固剂会被卡住，无法顶推至孔底，造成树脂锚固剂在围岩锚固时呈不连续锚固，并且混合不充分，造成锚固力降低；(3)通过树脂锚固剂搅拌式形成的锚固长度有限，一般仅能达到端锚和加长锚，对于一些软弱围岩或者富水围岩巷道，这种锚固方式存在锚固强度不足的风险，需要实现全长锚固，然而锚杆钻机能力不足，使用过多的锚固剂将存在搅拌不充分或者锚固剂提前硬化的问题。以上三个问题直接影响巷道围岩稳定性控制效果，严重时会产生巷道垮冒等情况。
4.近年来，在锚固可靠性技术方面也有一定探索。为了实现树脂锚固剂中胶泥和固化剂的充分混合，专利cn111927514b提出了后灌法添加钢砂的预应力全长锚固方法，通过在钻孔中添加小粒径钢砂提高树脂锚固剂的混合程度，但施工工艺非常复杂，严重制约锚杆索的施工效率。专利cn103161484b提出了一种膏体定长锚固支护方法，彻底摒除了锚固剂锚固方法，在钻孔中放入塑料软管，利用注浆泵将配置好的膏体浆液通过塑料软管注入钻孔内，后面再将锚杆索插入钻孔内，这种方式虽然实现了全长锚固，提高了控制效果，但是施工工艺仍然比较复杂。为了实现对软弱围岩巷道的控制，全长锚固技术已成为趋势，但是全长锚固完全封闭锚杆索的自由段，使得围岩不具备缓冲让压的特性。因此，当前亟需一种锚杆索精准锚固的方法以及实现快速精准锚固的挤注装置。


技术实现要素：

5.技术问题：本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提出一种矿用锚杆索压风定量挤注装置及精准锚固方法，该装置结构简单，方便在巷道狭小空间使用，依靠该装置形成的精准锚固方法提升了锚固系统的可靠性，提高了锚杆索的施工效率，技术效果显著。
6.技术方案：为实现上述技术目的，本发明的一种矿用锚杆索压风定量挤注装置，包括挤压注浆装置，挤压注浆装置内安装有罐装瓶，挤压注浆装置包括设置在罐装瓶后方设置的气动双杆气缸，挤压注浆装置的端部设有与罐装瓶的出料口连接的用以混合多种物料的混合器，混合器输出混合后的物料；挤压注浆装置的气动双杆气缸包括导杆和用以驱动
导杆的风仓，导杆的数量与罐装瓶的数量匹配，导杆的底部为置于风仓内的活塞，其中风仓的无杆腔为风仓ⅰ，有杆腔为风仓ⅱ两部分，风仓ⅰ上连接有压力表，风仓ⅰ侧设有进风口和出风口ⅱ，风仓ⅱ侧设有出风口ⅰ，风仓上还设有风向控制阀，风向控制阀分别连接有内气管i、内气管ⅱ和内气管ⅲ，内气管i为进气管，从进风口将气一直送至风向控制阀，当顶推导杆时，利用风向控制阀将气体通过内气管ⅱ送入进入风仓ⅰ，推动导杆挤压罐装瓶；当要收回导杆时，利用风向控制阀将气体输至内气管ⅲ进入风仓ⅱ，从而反向推动导杆实现换气的作用；罐装瓶包括可拆卸罐装瓶ⅰ、可拆卸罐装瓶ⅱ，分别装有混合后可形成粘结剂的a料、b料，可拆卸罐装瓶ⅰ和可拆卸罐装瓶ⅱ设置在罐装瓶储放仓，可拆卸罐装瓶ⅰ和可拆卸罐装瓶ⅱ尾部分别与一只导杆连接用以挤压出料，可拆卸罐装瓶ⅰ和可拆卸罐装瓶ⅱ的出料口分别通过出浆口与混合器连接，混合器包括混合搅拌部，混合搅拌部的入口通过塑料进浆管与出浆口分别连接，混合搅拌部的出口通过出浆管设有连接头，混合搅拌部内设有滚轴，滚轴上设有十字形塑料扇叶。
7.一种矿用锚杆索，锚杆索主体内设有用以实现端部出浆的注浆通道，锚杆索主体的出浆口设置在锚杆索端部的侧面，所述锚杆索主体为不留锚固段的设计，无需锚固段封堵结构。
8.进一步，根据锚固长度的需要，在锚杆索主体上设置有实现定长注浆限制浆液流动的封堵结构，利用封堵结构将锚杆索端部注入的浆液限制在封堵结构到钻孔底部之间的钻孔空间内，实现无锚固剂的定长注浆锚固，所述的封堵结构包括遇水快速膨胀的止浆棉或者膨胀气囊。
9.进一步，所述的注浆通道为设置在锚索内部的空心注浆钢管，锚索空心注浆钢管外径为7～9mm，内径为4～6mm；所述的注浆通道为设置在锚杆内部的圆形中空通道，锚杆圆形中空通道内径为4～6mm。
10.一种矿用锚杆索的快速定长注浆方法，在需要设置锚杆索支护的区域设置锚杆索钻孔，再将设有注浆通道和端部出浆口的矿用锚杆索放入锚杆索钻孔，之后通过锚杆索主体上的注浆通道进行注浆，待浆液凝固后在锚杆索尾端安装托盘和紧固螺母。
11.进一步，根据提前检测到的围岩裂隙带的位置在注浆孔用锚杆索对应位置上安装封堵结构，通过封堵结构控制注浆段的生成，将矿用锚杆索连同封堵结构一起放置在钻孔中，之后利用注浆装置通过注浆通道和出浆口对锚杆索进行定量定长注浆，等待浆液凝固后在锚杆索主体尾端安装托盘和紧固螺母。
12.进一步，所述锚杆索尾端设有橡胶塞，将锚杆索连同橡胶塞、托盘、螺母或者锁具一起顶推至钻孔中，再利用注浆装置对锚杆索实施快速全长注浆锚固，待浆液凝固后即完成锚杆索的安装，无需施加预紧力。
13.一种矿用锚杆索压风定量挤注装置的精准锚固方法，将混合后会构成定长注浆的粘结剂的a料料瓶以及b料料瓶按照该区域单个锚固钻孔的需求精准定量灌装，从而使粘结剂的罐装瓶形成适配该地质区域锚固的最佳注浆量，工作人员只需将精准定量灌装的罐装瓶安装入注浆设备，并全部注入锚杆后即可完成精准定量注浆，步骤简单，且不会出现操作错误，而且精准注浆后形成的锚固效果最好。
14.具体步骤如下：
15.s1、为高效快速地控制巷道变形，需要精准锚固到软弱围岩或者裂隙发育位置：探
查煤矿巷道围岩裂隙分布，设计巷道支护方式和中空锚杆索长度l’，根据裂隙分布情况，得到中空锚杆索锚固长度l，具体为钻孔孔底至裂隙所在层位的长度，此时计算出需要的注浆用的粘结剂体积v为：
16.v＝1/4π(d
2-d
’2)l+1/4πd2l’17.其中d为钻孔直径、d’为锚杆索直径，d为中空锚杆索空心管直径；
18.s2、根据每个钻孔所需的注浆粘结剂体积v，得出灌装组成相互结合后产生体积v粘结剂的a料和b料需求量，并将两种混合料分别灌装在可拆卸罐装瓶ⅰ和可拆卸罐装瓶ⅱ中，保证导杆同步挤压可拆卸罐装瓶ⅰ和可拆卸罐装瓶ⅱ后两种混合料保持粘结剂需要的比例从出浆口中挤出；
19.s3、按照支护方案，在预定位置钻设出中空锚杆索对应的钻孔，提前将中空锚杆与托盘、螺母或者中空锚索与托盘、锁具安装就位，再利用钻机顶推螺母或锁具将中空锚杆索移至孔中，并保持钻机不动；
20.s4、将定量挤注装置的进风口与该巷道中的风管相连接，再将定量挤注装置的连接头与中空锚杆索尾部相连接。
21.s5、利用定量挤注装置中的风向控制阀控制导杆在压风作用下向前移动,气体从出风口ⅰ排出，可拆卸罐装瓶ⅰ和可拆卸罐装瓶ⅱ中的a料和b料同时被导杆挤压至混合器中，两种浆液在混合搅拌部入口发生相互反应，随着导杆继续向前推进，混合后的粘结剂依次经过两个十字形塑料扇叶，带动滚轴一起转动，使粘结剂得到充分混合，而后粘结剂经过塑料出浆管被输送至中空锚杆索孔底，之后粘结剂顺着孔壁流至特定裂隙区域，实现锚杆索的精准锚固；
22.s6、利用定量挤注装置中的风向控制阀控制导杆回缩，气体从出风口ⅱ排出，拆掉粘结剂ⅰ号和ⅱ号的罐装瓶，待导杆恢复到最初的位置，再安装下一组罐装瓶，准备下一根锚杆索的锚固。
23.s7、待一个生产班施工完后，将混合器拆除更换即可。
24.10.根据权利要求9所述的精准锚固方法，其特征在于：可拆卸罐装瓶ⅰ和可拆卸罐装瓶ⅱ中灌装的a料和b料总量为满足整段巷道中锚固注浆的总需求，设每个钻孔中的锚固粘结剂用量相同，已知罐装瓶直径d’，求得罐装瓶总长度l＝4kv/(d2π)，其中k为富裕系数，单个罐装瓶的长度l’＝1/2l，将a料和b料浆液分别装入两瓶罐装瓶内，每次通过锚杆索注入时导杆的移动距离根据注入量计算获得。
25.有益效果：
26.①
罐装瓶可以得到个性化设计，实现一巷一策，根据裂隙发育位置来设计锚杆索的锚固位置，进而可以精准获得粘结剂所需的体积和罐装瓶定制化长度；可拆卸罐装瓶内的原料既可以定装为每个钻孔使用一组，无需工作人员计算，方便操作，也可以根据巷道总量设置，每次压入预定的粘结剂浆液；
27.②
粘结剂凝固时间可调，根据需求，可以实现不同围岩条件下中空锚杆索的精准加固；
28.③
克服了传统锚杆索搅拌时锚固剂混合不均匀、锚固质量不高的弊端，且无需树脂锚固剂进行端头锚固，一次注浆锚固即可完成施工；
29.④
充分利用井下少有的压风动力源，方便操作施工。
附图说明
30.图1为本发明的矿用锚杆索压风定量挤注装置示意图；
31.图2为本发明的矿用锚杆索压风定量挤注装置气动双杆气缸剖面示意图；
32.图3为本发明的矿用锚杆索压风定量挤注装置风向控制阀o档示意图；
33.图4为本发明的矿用锚杆索压风定量挤注装置风向控制阀a档示意图；
34.图5为本发明的矿用锚杆索压风定量挤注装置风向控制阀b档示意图；
35.图6为本发明的矿用锚杆索压风定量挤注装置气动双杆气缸a档导杆前进示意图；
36.图7为本发明的矿用锚杆索压风定量挤注装置气动双杆气缸b档导杆回缩示意图；
37.图中：1～气动双杆气缸，1-1～进风口，1-2～风向控制阀，1-3～压力表，1-4～导杆，1-5～罐装瓶储放仓，1-6～出风口ⅰ，1-7～出风口ⅱ，1-8～风仓ⅰ，1-9～风仓ⅱ，1-10～内气管i，1-11～内气管ⅱ，1-12～内气管ⅲ，2～罐装瓶，2-1～可拆卸罐装瓶ⅰ，2-2～可拆卸罐装瓶ⅱ，3～混合器，3-1～塑料进浆管，3-2～混合搅拌部，3-3～滚轴，3-4～十字形塑料扇叶，3-5～塑料出浆管，3-6～连接头。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：
39.如图1、图2所示，本发明的一种矿用锚杆索压风定量挤注装置，包括挤压注浆装置，挤压注浆装置内安装有罐装瓶2，挤压注浆装置包括设置在罐装瓶2后方设置的气动双杆气缸1，挤压注浆装置的端部设有与罐装瓶2的出料口连接的用以混合多种物料的混合器3，混合器3输出混合后的物料；挤压注浆装置的气动双杆气缸1包括导杆1-4和用以驱动导杆1-4的风仓，导杆1-4的数量与罐装瓶2的数量匹配，导杆1-4的底部为置于风仓内的活塞，其中风仓的无杆腔为风仓ⅰ1-8，有杆腔为风仓ⅱ1-9两部分，风仓ⅰ1-8上连接有压力表1-3，风仓ⅰ1-8侧设有进风口1-1和出风口ⅱ1-7，风仓ⅱ1-9侧设有出风口ⅰ1-6，风仓上还设有风向控制阀1-2，风向控制阀1-2分别连接有内气管i1-10、内气管ⅱ1-11和内气管ⅲ1-12，内气管i1-10为进气管，从进风口1-1将气一直送至风向控制阀1-2；
40.当顶推导杆1-4时，利用风向控制阀1-2将气体输至内气管ⅱ1-11进入风仓ⅰ1-8，导杆1-4前进；当要收回导杆1-4时，利用风向控制阀1-2将气体输至内气管ⅲ1-12进入风仓ⅱ1-9，从而实现换气的作用，罐装瓶2包括可拆卸罐装瓶ⅰ2-1、可拆卸罐装瓶ⅱ2-2，分别装有混合后可形成粘结剂的a料、b料，可拆卸罐装瓶ⅰ2-1和可拆卸罐装瓶ⅱ2-2设置在罐装瓶储放仓1-5，可拆卸罐装瓶ⅰ2-1和可拆卸罐装瓶ⅱ2-2尾部分别连接有一只导杆1-4用以挤压出料，可拆卸罐装瓶ⅰ2-1和可拆卸罐装瓶ⅱ2-2的出料口分别通过出浆口2-3与混合器3连接，混合器3包括混合搅拌部3-2，混合搅拌部3-2的入口通过塑料进浆管3-1与出浆口2-3分别连接，混合搅拌部3-2的出口通过出浆管3-5设有连接头3-6，混合搅拌部3-2内设有滚轴3-3，滚轴3-3上设有十字形塑料扇叶3-4。
41.如图3、图4和图5所示，风向控制阀1-2控制阀包括o档、a档和b档其中o档时内气管i1-10被封闭，a档时内气管i1-10与内气管ⅱ1-11导通，b档时内气管i1-10与内气管ⅲ1-12导通。
42.一种矿用锚杆索，锚杆索主体上设有用以实现端部出浆的注浆通道，锚杆索主体的出浆口设置在锚杆索端部的侧面，所述锚杆索主体不留锚固段的设计，无需锚固段封堵
结构。根据锚固长度的需要，在锚杆索主体上设置有实现定长注浆限制浆液流动的封堵结构，利用封堵结构将锚杆索端部注入的浆液限制在封堵结构以上的钻孔空间内，实现定长注浆锚固，所述的封堵结构包括遇水快速膨胀的止浆棉或者膨胀气囊。所述的注浆通道为设置在锚索内部的空心注浆钢管，锚索空心注浆钢管外径为7～9mm，内径为4～6mm；所述的注浆通道为设置在锚杆内部的圆形中空通道，锚杆圆形中空通道内径为4～6mm。
43.一种矿用锚杆索的快速定长注浆方法，在需要设置锚杆索支护的区域设置锚杆索钻孔，再将设有注浆通道和端部出浆口的矿用锚杆索放入锚杆索钻孔，之后通过锚杆索主体上的注浆通道进行注浆，待浆液凝固后在锚杆索主体尾端安装托盘和紧固螺母。根据提前检测到的围岩裂隙带的位置安装封堵结构，通过封堵结构控制后续注浆的位置，将锚杆索连同封堵结构一起放置在钻孔中，之后利用注浆装置通过注浆通道和出浆口对锚杆索进行定量定长注浆，等待浆液凝固后在锚杆索主体尾端安装托盘和紧固螺母。所述锚杆索尾端设有橡胶塞，将锚杆索连同橡胶塞、托盘、螺母或者锁具一起顶推至钻孔中，再利用注浆装置对锚杆索实施快速全长注浆锚固，待浆液凝固后即完成锚杆索的安装，无需施加预紧力。
44.一种矿用锚杆索压风定量挤注装置的精准锚固方法，将定长注浆的粘结剂按照区域需求精准定量灌装，从而使粘结剂的罐装瓶形成适配该地质区域锚固的最佳注浆量，工作人员只需将精准定量灌装的罐装瓶安装入注浆设备，并全部注入即可完成精准定量注浆，步骤简单，且不会出现操作错误，而且精准注浆后形成的锚固效果最好。
45.具体步骤如下：
46.s1、为更好地控制巷道变形，需要精准锚固到软弱围岩或者裂隙发育位置：探查煤矿巷道围岩裂隙分布，设计巷道支护方式和中空锚杆索长度l’，根据裂隙分布情况，得到中空锚杆索锚固长度l，具体为钻孔孔底至裂隙所在层位的长度，此时计算出需要的注浆用的粘结剂体积v为：
47.v＝1/4πd
2-d
’2l+1/4πd2l’48.其中d为钻孔直径、d’为锚杆索直径，d为中空锚杆索空心管直径；
49.s2、根据每个钻孔所需的注浆粘结剂体积v，得出灌装组成相互结合后产生体积v粘结剂的a料和b料，并将两种混合料分别灌装在可拆卸罐装瓶ⅰ2-1和可拆卸罐装瓶ⅱ2-2中，并保证导杆1-4同步挤压可拆卸罐装瓶ⅰ2-1和可拆卸罐装瓶ⅱ2-2，使挤出的两种混合料保持粘结剂的比例要求；
50.s3、按照支护方案，在预定位置钻设出中空锚杆索对应的钻孔，提前将中空锚杆与托盘、螺母或者中空锚索与托盘、锁具安装就位，再利用钻机顶推螺母或锁具将中空锚杆索移至孔中，并保持钻机不动；
51.s4、将定量挤注装置的进风口1-1与该巷道中的风管相连接，再将定量挤注装置的连接头3-6与中空锚杆索尾部相连接。
52.s5、利用定量挤注装置中的风向控制阀1-2控制导杆1-4在压风作用下向前移动,气体从出风口ⅰ1-6排出，可拆卸罐装瓶ⅰ2-1和可拆卸罐装瓶ⅱ2-2中的a料和b料同时被泵送至混合器3中，两种浆液在混合搅拌部3-2入口发生相互反应，随着导杆1-4继续向前推进，混合后的粘结剂依次经过两个十字形塑料扇叶3-4，带动滚轴3-3一起转动，使得粘结剂得到充分混合，而后待粘结剂经过塑料出浆管3-5被输送至中空锚杆索孔底，之后粘结剂顺
着孔壁流至特定裂隙区域，实现锚杆索的精准锚固；
53.s6、利用定量挤注装置中的风向控制阀1-2控制导杆1-4回缩，气体从出风口ⅱ1-7排出，拆掉粘结剂ⅰ号和ⅱ号的罐装瓶，待导杆1-4恢复到最初的位置，再安装下一组罐装瓶2，准备下一根锚杆索的锚固；如图6和图7所示；
54.s7、待一个生产班施工完后，将混合器3处理掉即可。
55.可拆卸罐装瓶ⅰ2-1和可拆卸罐装瓶ⅱ2-2中灌装的a料和b料为一段巷道中锚固注浆的总和，设每个钻孔中的锚固粘结剂用量相同，已知罐装瓶直径d’，求得罐装瓶2总长度l＝4kv/(d2π)，其中k为富裕系数，单个罐装瓶的长度l’＝1/2l，将a料和b料浆液分别装入两瓶罐装瓶内，每次通过锚杆索注入时导杆1-4的移动距离根据注入量计算获得。