本实用新型专利技术公开了一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置，包括超前承载拱、被动承载拱和滞后承载拱，通过采用矿用自钻式超前短锚杆对巷道掘进工作面上方岩土体进行超前支护，进而形成一个矿用自钻式超前短锚杆锚固的超前承载拱，即一级支护；工字钢格栅支架被动地承受着部分围岩压力形成被动承载拱，即二级支护；通过导注管导水卸压后，进行富水松散围岩的注浆堵水与强度强化，进而形成围岩的滞后承载拱，即三级支护；本实用新型专利技术通过多级、多个层次对富水砂砾层巷道在煤层工作面开掘的前期、开采期及采后期的进行协同支护，从而降低发生围岩片帮、冒顶的可能性，提高富水砂砾层巷道的围岩稳定性。
【技术实现步骤摘要】
用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置
本技术涉及一种巷道的支护装置，具体是一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置。
技术介绍
砂砾层是由结构松散、颗粒大小差异大、固结成岩作用低的岩土体介质构成，该地层巷道易发生顶板冒落、失稳垮塌、支架变形失效等问题。特别是围岩富水情况下，地下水排放、渗漏封堵问题不受重视，导致巷道围岩压力急剧增大、稳定性大幅下降，极大增加了巷道支护难度。因此，富水条件下砂砾层巷道的施工、支护成为我国部分矿区生产、建设的一大难题。矿井巷道常规支护方法在应对富水砂砾层巷道围岩变形、失稳方面依然存在诸多方面的问题。第一，普通单一支护方法(锚网索或金属支架)无法有效解决围岩片帮、冒顶等问题。例如，采用锚杆(索)时，由于砂砾层围岩介质颗粒极不均匀、硬度较大、胶结性差，导致锚固孔尤其是锚索孔成孔比较困难，并且锚杆(索)无可靠的着力基础，故锚固支护绝大部分是失效的；而采用金属支架支护时，因其为被动支护，强度、刚度有限，无法抵抗松动、水压形成的巨大围压，造成支架扭曲、折断、架间漏冒破坏等。第二，目前对于存在渗漏的富水松散围岩巷道支护，一般进行注浆堵水与加固，但严重忽视了围岩的排水导压，尚没有一套排水卸压、止水、加固的一体化解决方案。第三，砂砾层巷道围岩强度低、整体性差，不仅在服务阶段容易产生片冒灾害，在施工开掘期间也极易发生冒顶破坏，故超前支护十分重要。但采用常见的超前管棚(注浆)或超前锚杆将会遇到频繁塌孔、成孔率低等棘手的问题，所以有必要从开掘前、开掘中到开掘后综合防治松散围岩片冒破坏。由此可见，目前的巷道支护方法、支护结构无法满足富水砂砾层巷道围岩稳定性控制的要求，不能保证巷道安全使用。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本技术提供一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置，能在煤层工作面开掘的前期、开采期及采后期，均能有效对巷道顶板及两帮进行支护，从而降低发生围岩片帮、冒顶的可能性，提高富水砂砾层巷道的围岩稳定性。为了实现上述目的，本技术采用的技术方案是：一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置，包括超前承载拱、被动承载拱和滞后承载拱，所述超前承载拱由多个矿用自钻式超前短锚杆沿巷道两帮及巷道顶板的钻孔布设组成，所述矿用自钻式超前短锚杆包括空心锚杆体、环塞、钻头、紧固螺母和垫板，所述钻头内部设有中空腔，钻头固定在空心锚杆体的前端且中空腔与空心锚杆体的内部连通，钻头侧壁上开设多个与中空腔连通的溢流孔，空心锚杆体外表面设有螺纹，钻头及部分空心锚杆体处于钻孔内，空心锚杆体的尾端处于钻孔外，环塞套在处于钻孔内的空心锚杆体外表面，垫板套在空心锚杆体的尾端并通过紧固螺母压紧在钻孔周围的巷道壁，处于钻孔内的空心锚杆体内部装有流态防水粘结剂；所述被动承载拱为工字钢格栅支架，工字钢格栅支架沿巷道两帮及巷道顶板呈拱形布置，所述工字钢格栅支架由多个工字钢格栅模块通过螺栓连接组成，工字钢格栅模块为网格式结构，其由多个工字钢纵横交错焊接组成；所述滞后承载拱由多个导注装置和加固层组成，多个导注装置分别布设在工字钢格栅支架中网格间隙的巷道壁内，加固层为向多个导注装置内注浆后凝固形成，所述导注装置为设有锥形导头的导注管，导注管的侧壁上开设多个条形孔，多个条形孔呈梅花形分布在导注管的侧壁，导注管的导头处于巷道壁内，导注管的尾端处于巷道壁外。进一步，还包括导水扩张部，导注管的尾端开设螺纹口，所述导水扩张部为变径管，其直径较小的一端通过螺纹口与导注管固定连接。采用导水扩张部能提高对围岩地下水的快速导水卸压，为围岩支护提供了有利条件。进一步，还包括滤网，所述滤网包裹在导注管的外侧。采用滤网能防止碎石泥沙随水流入条形孔中，造成孔堵塞。与现有技术相比，本技术采用超前承载拱、被动承载拱和滞后承载拱相结合方式，具有以下优点：(1)针对富水砂砾层巷道围岩介质胶结性差的特点，通过采用矿用自钻式超前短锚杆对巷道掘进工作面上方岩土体进行超前支护，进而形成一个矿用自钻式超前短锚杆锚固的超前承载拱，即一级支护，有效解决了超前支护体施工过程中频繁塌孔、成孔效率低的问题，并保证了巷道掘出初始阶段的安全与稳定。(2)工字钢格栅支架与普通支架相比，具有更大的强度及空间刚度，承载能力高，而其拼接组装通过机械设备施工，亦提高了支护效率。工字钢格栅支架被动地承受着部分围岩压力形成被动承载拱，即二级支护。(3)导注管的条形孔既可以导水又可以出浆，使得导注管兼有排水卸压管与注浆管的功能，节省了工程材料，降低了支护成本。同时，导注管外端通过设置导水扩张部加大了围岩水的出口流速，可快速有效地降低巷道周边的水压力。(4)通过导注管导水卸压后，进行富水松散围岩的注浆堵水与强度强化，进而形成围岩的滞后承载拱，即三级支护，同时，也提供了一套排水卸压、止水、加固的一体化解决方案。(5)本技术通过布设超前承载拱、被动承载拱及滞后承载拱，从而多级、多个层次对富水砂砾层巷道开掘前、开掘中到开掘后进行协同综合支护，不仅充分利用了围岩自身的承载能力，主动降低围岩水压力，同时又发挥了工字钢格栅支架高刚、高承载力的优点，避免了富水砂砾层巷道冒顶、垮帮等灾害的发生，有效地控制了围岩稳定。该方法对于富水软岩、松散围岩地下工程的支护也具有较强的适用性。附图说明图1是本技术完成施工后的多级层次支护断面图；图2是本技术中巷道掘进剖面图；图3是本技术中工字钢格栅支架的结构示意图；图4是本技术中工字钢格栅模块的结构示意图；图5是本技术中自钻式超前短锚杆的结构示意图；图6是本技术中导注管的结构示意图；图7是本技术中滞后注浆的示意图。图中：1、超前承载拱，2、滞后承载拱，3、被动承载拱，4、矿用自钻式超前短锚杆，5、接缝处，6、工字钢格栅支架，7、导注管，8、加固层，9、巷道，10、掘进工作面，11、顶板，12、第一台阶，13、第二台阶，14、第三台阶，15、底板，16、工字钢格栅模块，17、工字钢，18、螺栓，19、紧固螺母，20、垫板，21、空心锚杆体，22、环塞，23、流态防水粘结剂，24、溢流孔，25、钻头，26、导水扩张部，27、螺纹口，28、滤网，29、条形孔，30、锥形导头，31、压力表，32、注浆阀门，33、逆止阀，34、注浆软管，35、快速接头，36、截浆器，37、接口管。具体实施方式下面将对本技术作进一步说明。如图所示，一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置，包括超前承载拱1、被动承载拱2和滞后承载拱3，所述超前承载拱1由多个矿用自钻式超前短锚杆4沿巷道两帮及巷道顶板的钻孔布设组成，所述矿用自钻式超前短锚杆4包括空心锚杆体21、环塞22、钻头25、紧固螺母19和垫板20，所述钻头25内部设有中空腔，钻头25固定在空心锚杆体21的前端且中空腔与空心锚杆体21的内部连通，钻头25侧壁上开设多个与中空腔连通的溢流孔24，空心锚杆体21外表面设有螺纹，钻头25及部分空心锚杆体21处于钻孔内，空心锚杆体21的尾端处于钻孔外，环塞22套在处于钻孔内的空心锚杆体21外表面，垫板20套在空心锚杆体21的尾端并通过紧固螺母19压紧在钻孔周围的巷道壁，处于钻孔内的空心锚杆体21内部装有流态防水粘结剂23；所述被动承载拱3为工字钢格栅支架6，工字钢格本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置，其特征在于，包括超前承载拱、被动承载拱和滞后承载拱，所述超前承载拱由多个矿用自钻式超前短锚杆沿巷道两帮及巷道顶板的钻孔布设组成，所述矿用自钻式超前短锚杆包括空心锚杆体、环塞、钻头、紧固螺母和垫板，所述钻头内部设有中空腔，钻头固定在空心锚杆体的前端且中空腔与空心锚杆体的内部连通，钻头侧壁上开设多个与中空腔连通的溢流孔，空心锚杆体外表面设有螺纹，钻头及部分空心锚杆体处于钻孔内，空心锚杆体的尾端处于钻孔外，环塞套在处于钻孔内的空心锚杆体外表面，垫板套在空心锚杆体的尾端并通过紧固螺母压紧在钻孔周围的巷道壁，处于钻孔内的空心锚杆体内部装有流态防水粘结剂；所述被动承载拱为工字钢格栅支架，工字钢格栅支架沿巷道两帮及巷道顶板呈拱形布置，所述工字钢格栅支架由多个工字钢格栅模块通过螺栓连接组成，工字钢格栅模块为网格式结构，其由多个工字钢纵横交错焊接组成；所述滞后承载拱由多个导注装置和加固层组成，多个导注装置分别布设在工字钢格栅支架中网格间隙的巷道壁内，加固层为向多个导注装置内注浆后凝固形成，所述导注装置为设有锥形导头的导注管，导注管的侧壁上开设多个条形孔，多个条形孔呈梅花形分布在导注管的侧壁，导注管的导头处于巷道壁内，导注管的尾端处于巷道壁外。...
【技术特征摘要】
1.一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置，其特征在于，包括超前承载拱、被动承载拱和滞后承载拱，所述超前承载拱由多个矿用自钻式超前短锚杆沿巷道两帮及巷道顶板的钻孔布设组成，所述矿用自钻式超前短锚杆包括空心锚杆体、环塞、钻头、紧固螺母和垫板，所述钻头内部设有中空腔，钻头固定在空心锚杆体的前端且中空腔与空心锚杆体的内部连通，钻头侧壁上开设多个与中空腔连通的溢流孔，空心锚杆体外表面设有螺纹，钻头及部分空心锚杆体处于钻孔内，空心锚杆体的尾端处于钻孔外，环塞套在处于钻孔内的空心锚杆体外表面，垫板套在空心锚杆体的尾端并通过紧固螺母压紧在钻孔周围的巷道壁，处于钻孔内的空心锚杆体内部装有流态防水粘结剂；所述被动承载拱为工字钢格栅支架，工字钢格栅支架沿巷道两帮及巷道顶板呈拱形布置，所述工字钢格栅支架...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁越，付金磊，王本生，付浩，秦坚，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：新型
国别省市：湖南,43
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