一种超前支护小导管及深部软岩巷道的超前注浆支护方法
技术领域
本发明属于深部软岩巷道施工技术领域，具体涉及一种超前支护小导管及深部软岩巷道的超前注浆支护方法。
背景技术
随着我国煤炭的进一步开采，露天煤矿和地层浅部的煤炭资源越来越少，煤矿作为我国的能源主体不可或缺，从而使得煤炭开采工作转移至深部区域，开采深度从0m-300m增加至500m-600m甚至1000m以上。但随着煤炭开采的深度增加也带来一系列问题，其中最突出的问题就是深部软岩巷道的安全问题。由于巷道埋深较深，加上巷道所处的地质条件复杂，开采所处的地应力越来越大，巷道在掘进过程中变形严重，巷道顶部经常发生冒顶、坍塌现象。因此在深部软岩巷道开挖过程中经常用到小导管进行超前注浆支护，这种支护效果可以保证开挖面的稳定，使初期支护效果达到要求。
传统的小导管一般为圆柱形，虽然也能达到注浆加固的效果，但是其表面光滑，很难在支护过程中与周围岩体形成一个整体，小导管在支护过程中，主要受到地层的剪切力，在小导管轴向方向受到地层的摩擦力。若其表面光滑，当小导管受拉时，由于摩阻力较小，极易部分拔出，甚至全部拔出，以至超前支护失效。一般的小导管表面平直光滑，受到较大的地层剪切力时，容易发生脆性破坏。
发明内容
本发明为了解决背景技术中所提出的技术问题，提供了一种超前支护小导管及深部软岩巷道的超前注浆支护方法。
本发明的技术方案为：
一种超前支护小导管，包括中空的导管本体，其末端具有一用于注浆的注浆口，其首端具有顶进部，沿所述导管本体的长度方向上开设有与其内部中空部分连通的溢浆孔；所述导管本体至少一段为弯曲管体；所述导管本体末端同轴设置有封堵托盘，所述封堵托盘沿其径向方向向四周延伸成托盘状；所述顶进部、所述导管本体依次插入巷道壁中，浆液通过所述注浆口注入所述导管本体内并从所述溢浆孔溢出至巷道壁内，所述封堵托盘紧贴于所述巷道壁上防止巷道壁岩土塌落和浆液渗出巷道壁，浆液凝固于巷道壁内形成巷道开挖前的支护。
进一步优选的，至少一段所述导管本体的管壁外侧具有波浪形的弯曲凸部，所述弯曲凸部沿所述导管管体的长度方向延伸，形成所述弯曲管体。
进一步优选的，所述导管本体与所述顶进部衔接的一段导管为缓冲部，所述缓冲部为空心直管体。
进一步优选的，所述溢浆孔在所述空心直管体上呈梅花形等距分布，孔位互成90°。
进一步优选的，所述顶进部包括一实心直管体，所述实心直管体一端与所述导管本体同轴连接，另一端设置有钻头。
进一步优选的，所述顶进部还包括有多个用于开挖巷道壁的辅助顶进结构。
进一步优选的，多个所述辅助顶进结构设置于所述实心直管体上，并沿所述实心直管体径向周向分布设置。
进一步优选的，所述封堵托盘的边缘具有朝向所述导管本体首端倾斜的锋利刃角。
进一步优选的，所述导管本体的末端具有一段空心螺纹管，所述封堵托盘可移动的安装于所述空心螺纹管；所述空心螺纹管上还设置有用于将所述封堵托盘的锁紧于巷道壁上的锁紧部，所述锁紧部与所述空心螺纹管螺纹连接。
进一步优选的，所述锁紧部包括一用于防止所述封堵托盘脱落的防脱垫，所述防脱垫的直径大于所述空心螺纹管直径，所述防脱垫的远离所述封堵托盘的一端设置有锁紧件，旋拧所述锁紧件，所述封堵托盘固定锁紧于巷道壁上。
一种深部软岩巷道的超前注浆支护方法，使用如上所述的任意一种超前支护小导管，包括以下支护施工步骤：
S1：确定需开挖的深部软岩巷道上易坍塌的危险系数较大的施工点，在所述施工点所处的巷道径向截面上标记多个控制点；
S2：在所述控制点打孔，将所述超前支护小导管通过该孔打入巷道壁中；
S3：制备浆液，将浆液从所述注浆口注入所述超前支护小导管中，所述浆液通过所述溢浆口注入巷道壁内；
S4：注浆完毕后旋拧所述锁紧部，将所述封堵托盘锁紧于巷道壁上，并封堵所述注浆口；
S5：养护若干时间直至巷道壁内的浆液凝固，形成深部软岩巷道内的支护。
进一步优选的，在步骤S2中，多个所述超前支护小导管沿巷道径向以环状形式分布并打入巷道壁中。
进一步优选的，在步骤S2中，沿巷道的轴向方向分布的相邻两排所述超前支护小导管之间的距离大于或等于1.1米。
进一步优选的，在步骤S2中，将所述超前支护小导管打入巷道壁的过程中，若巷道壁内存在障碍物无法前进，通过一驱动结构驱动所述超前支护小导管旋转打入巷道内。
进一步优选的，在步骤S5中，至少养护7天。
本发明提供了一种超前支护小导管及深部软岩巷道的超前注浆支护方法，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1、本发明提供的超强支护小导管，其至少一段为弯曲管体，地层剪力作用于弯曲管体时，由于管体弯曲，导致地层剪力的方向发生偏斜，从而多个偏斜的力可部分相互抵消，支护时弯曲管体自身受到的剪切力大幅减少，有效提高其使用寿命，提高巷道围岩的支护承载能力。进一步的，本发明中的弯曲管体为波浪形弯曲凸起设置于导管本体外部而形成的弯曲管体，使用时施力于波浪两侧的力均相互抵消，消除剪力的效果极其明显。
2、弯曲管体与巷道围岩的接触面积增大，使超前支护小导管充分与钻孔壁紧密接触，导管管体于巷道围岩之间的摩擦力增大，从而保证超前小导管牢牢固定在钻孔中，不易脱落，有效提高围岩的抗拉、抗剪以及承载能力。
3、本发明提供的超前支护小导管上还设置有封堵托盘，封堵托盘边缘具有朝向导管本体首端倾斜的锋利刃角，超前支护小导管顶进巷道内后，敲打封堵托盘使其边缘锋利的刃角以切割吃土的方式顶进巷道围岩中，从而封堵托盘贴紧巷道围岩，可有效防止巷道岩土脱落和防止围岩内的浆液渗出，有效提高对巷道围岩的支护强度。
附图说明
结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：
图1为本发明实施例1中的超前支护小导管的结构示意图；
图2为本发明实施例1中的封堵托盘的结构示意图；
图3为本发明是实施例2中的沿巷道轴向方向布置超前支护小导管的示意图；
图4为本发明是实施例2中的沿巷道径向方向布置超前支护小导管的示意图。
符号说明：
1-弯曲管体；2-空心直管体；3-注浆口；4-溢浆孔；5-实心直管体；6-钻头；7-辅助顶进结构；8-封堵托盘；9-空心螺纹管；10-防脱垫；11-锁紧件，12-刃角12。
具体实施方式
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
实施例1
参照图1-2，本实施例提供了一种超前支护小导管，包括中空的导管本体，其末端具有一用于注浆的注浆口，其首端具有顶进部，沿导管本体的长度方向上开设有与其内部中空部分连通的溢浆孔4；导管本体至少一段为弯曲管体1；导管本体末端同轴设置有封堵托盘8，封堵托盘沿其径向方向向四周延伸成托盘状；顶进部、导管本体依次插入巷道壁中，浆液通过注浆口3注入导管本体内并从溢浆孔4溢出至巷道壁内，封堵托盘8紧贴于巷道壁上防止巷道壁岩土塌落和浆液渗出巷道壁，浆液凝固于巷道壁内形成巷道开挖前的支护。
本发明提供的超强支护小导管，其至少一段为弯曲管体1，地层剪力作用于弯曲管体1时，由于管体弯曲，导致地层剪力的方向发生偏斜，从而多个偏斜的力可部分相互抵消，支护时弯曲管体1自身受到的剪切力大幅减少，同时承载能力大幅提高，从而有效提高其使用寿命，提高巷道围岩的支护承载能力。
在本实施例当中，参照图1，至少一段导管本体的管壁外侧具有波浪形的弯曲凸部，弯曲凸部沿导管管体的长度方向延伸，形成弯曲管体1。当导管本体为直管时，岩土对直管挤压，产生垂直于直管的剪切力，导管本体极易断裂；而本实施例中的波浪形的弯曲凸部能够使施加于导管管体上的地层剪切力方向发生偏斜，多个偏斜的力其部分分力方向相反，从而可相互抵消部分剪切力，管体自身受到的剪切力大幅减少，不容易发生脆性破坏，有效提高其使用寿命。当然在其他实施例中，弯曲管体具体的弯曲形状不局限于以上所述或图示中所示的方式。
在本实施例当中，参照图1，导管本体与顶进部衔接的一段导管为缓冲部，缓冲部为空心直管体2。当顶进部顶进插入巷道壁中时，紧随顶进部插入巷道壁中的为空心直管体2部分，空心直管体2外表面无凸起，与地层之间摩擦力较小，从而空心直管体2受到的摩擦力以及冲力较小，不易损坏，空心直管体2位于顶进部与弯曲管体1之间，从而可防止弯曲管体1的弯曲凸起短时间内直接与坚硬巷道壁以及坚硬的石块产生碰撞摩擦，防止冲击力对弯曲管体1造成损伤，提高超前支护小导管的使用寿命。
在本实施例当中，参照图1，导管本体上设置有多个溢浆孔4，优选的溢浆孔4在空心直管体2上呈梅花形等距分布，孔位互成90°，溢浆孔4分布均匀，能够使浆液通过溢浆孔4充分注射到围岩中，保证围岩均匀受力，从而有效避免应力集中，提高了隧道洞口围岩的承载能力，形成良好稳固的巷道开挖前的超前支护。当然在其他实施例中，空心直管体2的上的溢浆孔4分布的具体位置不局限于以上所述或图示当中给出的方式，例如溢浆孔4也可以沿空心直管体2的长度方向呈螺旋状分布于空心直管体2上。
在本实施例当中，参照图1，顶进部包括一实心直管体5，实心直管体5一端与导管本体同轴连接，另一端设置有钻头6。在顶进插入巷道壁内时，钻头6可有效减少打入的压力，尤其是遇到坚硬的石块时，钻头6可轻松打散或穿过石块，有效提升超前支护小导管施工顶进的速度，提升工作效率，进一步的，在本实施例中，钻头6材质为密闭实心高强度耐腐合金钢，与传统不密闭的钻头相比，避免了钻头在顶进过程中因岩土过于坚硬使得钻头弯曲折叠产生空隙而导致钻头部位注浆不密实，影响注浆效果的风险。
在本实施例中，优选的顶进部还包括有多个用于开挖巷道壁的辅助顶进结构7。其中辅助顶进结构7具有锥形的钻头结构，当超前小导管在顶进过程中遇到孔壁上有障碍物时，高速旋转超前小导管，从而使辅助顶进结构7将石块等障碍物粉碎，旋转顶进，避免了因超前小导管无法按照设计位置顶进，导致注浆支护效果减弱的风险。
在本实施例中，进一步优选的，设置4个辅助顶进结构7，其均设置于实心直管体5上，通过焊接与实心直管体5固定连接，并沿实心直管体5径向周向分布设置。辅助顶进结构7之间互呈90°，在旋转顶进过程中，对障碍物的粉碎更加均匀，提高粉碎效率。当然在其他实施例中，对辅助顶进结构7的布置于实心直管体5上的位置不限制，对辅助顶进结构7设置的数量也不做限制，可根据实际情况确定辅助顶进结构7的最优设置位置以及设置的数量。
在本实施例中，参阅图2，优选的封堵托盘8采用高强度耐腐合金钢制成，且边缘具有朝向导管本体首端倾斜的锋利刃角12。超前支护小导管顶进巷道内后，敲打封堵托盘8使其边缘锋利的刃角12以切割吃土的方式顶进巷道围岩中，从而封堵托盘8贴紧巷道围岩，可有效防止巷道岩土脱落，提高对巷道围岩的加固支护。
在本实施例当中，参照图1，导管本体的末端具有一段空心螺纹管9，封堵托盘8可移动的安装于空心螺纹管9；空心螺纹管9上还设置有用于将封堵托盘8的锁紧于巷道壁上的锁紧部，锁紧部与空心螺纹管9螺纹连接。当小导管安装完毕后，通过锁紧部将封堵托盘8与巷道围岩紧密贴合并锁紧，使其与巷道围岩之间不留缝隙，将巷道壁上的岩土和浆液封堵与巷道壁上，浆液混合岩土凝固后，可显著增强巷道支护的强度。
进一步的，锁紧部包括一用于防止封堵托盘8脱落的防脱垫，防脱垫的直径大于空心螺纹管9直径，防脱垫的远离封堵托盘8的一端设置有锁紧件11，旋拧锁紧件11，封堵托盘8固定锁紧于巷道壁上，在本实施例中，锁紧件11为螺母，当然在其他实施例中，锁紧件的具体结构不局限于以上所述，可根据实际需求选择合适的锁紧件。
实施例2
参阅图3-4，本实施例提供了一种深部软岩巷道的超前注浆支护方法，使用如实施例1所述的超前支护小导管，用于进行深部软岩巷道开挖前的超前注浆支护，该方法包括以下支护施工步骤：
S1：确定需开挖的深部软岩巷道上易坍塌的危险系数较大的施工点，在施工点所处的巷道径向截面上标记多个控制点；
S2：在控制点打孔，将超前支护小导管通过该孔打入巷道壁中；
S3：制备浆液，将浆液通过注浆口3注入所述超前支护小导管中，浆液通过溢浆孔4注入巷道壁内；
S4：注浆完毕后旋拧锁紧部，将封堵托盘8锁紧于巷道壁上，并封堵注浆口3；
S5：养护若干时间直至巷道壁内的浆液凝固，形成深部软岩巷道内的支护。
进一步的，在步骤S1中，在确定施工点时，首先根据深部软岩巷道开挖超前支护专家的的以往工作经验，确定出可能会发生危险的位置并做好标记。进一步利用计算的数值模拟功能，将要进行开挖的软岩巷道的实际工程概况还原到计算机软件中进行模拟，通过分析巷道位移模拟结果确定可能会发生危险的位置并做好标记。两者结合，确定最佳的施工点以及控制点，确定小导管的倾斜角度、加固长度以及管径等管件尺寸。
在本实施例中，在步骤S2中，利用风钻钻孔机在控制点处打孔，打孔的深度和孔径根据所设置的小导管的长度和管径确定。利用高压水枪对孔进行清空，清空完毕后要及时排干孔内水，避免影响后期注浆效果。接着利用外部设备将超前支护小导管打入孔内，若在前进过程中遇到障碍物无法前进时，将超前支护小导管的末端与外部的旋转设备连接，将小导管旋转打入孔内。
其中钻孔在水平方向为倾斜设置，钻孔所在的直线与水平方向所在的直线的夹角为锐角，夹角的开口方向与巷道洞口挖掘的进给方向相同，超前小导管相应的置于钻孔内，即斜向的插入巷道围岩中，从而能够抵抗巷道挖掘过程中横向和竖向的应力，提高围岩的抗拉、抗剪以及承载能力。
进一步的，参阅图3、4多个超前支护小导管沿巷道径向以环状形式分布并打入巷道壁中；进一步优选的沿巷道的轴向方向分布的相邻两排超前支护小导管之间的距离大于或等于1.1米，安装完毕后进行对导管本体注浆加固。此超前支护方式不仅能够满足传统的支护要求，而且可以形成嵌合锁口支护形式，更优的是可以形成空间支护体系。
在步骤S3中，浆液为聚合物水泥砂浆，通过将水泥和水按照一定的比例混合搅拌制成，其中水泥和水的比例根据试验确定，确保浆液制成后具备一定的流动性。
在本实施例中，在步骤S4中，注浆前需对小导管进行高压清洗处理，确保小导管内无任何杂质；通过高压力将制备好的浆液从导管本体的注浆口3注入导管本体内，浆液通过导管本体上的溢浆孔4溢出至巷道围岩内，直至小导管内注满浆液。
注浆完毕后旋拧螺母，将封堵托盘8锁紧于巷道壁上，并封堵所注浆口3；养护至少7天后，巷道壁内的浆液凝固，形成深部软岩巷道开挖前的支护系统。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
