[发明专利]一种用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置及其施工方法

权利要求书

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。

2.根据权利要求1所述的用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置，其特征在于，还包括滤网，所述滤网包裹在导注管的外侧。

4.一种如权利要求1所述的用于富水砂砾层巷道的多级层次支护装置的施工方法，其特征在于，具体步骤为：

Ⅰ、施工超前承载拱：

(1)确定矿用自钻式超前短锚杆中空心锚杆体的长度：根据围岩性质、力学参数，对矿用自钻式超前短锚杆所需锚固长度进行数值计算，最终确定支护效果最优的锚杆长度；

(2)确定矿用自钻式超前短锚杆中钻头的前端外径和后端外径：采用不同外径钻头进行现场钻进测试，根据实际钻进的最优效果确定钻头外径；

(3)根据施工图在掘进工作面上方布设矿用自钻式超前短锚杆的孔位做好标记，由围岩情况确定孔位间排距；

(4)在矿用自钻式超前短锚杆的锚杆体内充填采用薄膜包裹的流态防水粘结剂，同时在空心锚杆体外表面套设环塞；

(5)采用矿用钻机对矿用自钻式超前短锚杆进行钻进，钻进倾角为3°～10°，确保钻至设计深度；

(6)将矿用自钻式超前短锚杆的尾部与井下高压风管相连，通过高风压使杆体内包裹流态防水粘结剂的薄膜破裂，然后流态防水粘结剂沿溢流孔流出止于环塞位置，围岩体与锚杆锚固段通过流态防水粘结剂粘合锚固；

(7)待矿用自钻式超前短锚杆达到设计锚固力后，在矿用自钻式超前短锚杆的尾部装设垫板及紧固螺母，然后采用扭矩板手施加预紧力，并保证预紧力值达到预定大小，当所有矿用自钻式超前短锚杆安装完成后，锚固范围内岩土体便形成超前承载拱。

(8)依次开挖第一台阶、第二台阶及第三台阶；

Ⅱ、施工被动承载拱：

A、采用工字钢纵横交错设置焊接成拱顶、拱肩及帮部不同位置、不同挠曲程度的工字钢格栅模块，然后将地面加工好的工字钢格栅模块运输到掘进工作面；

B、在超前承载拱已形成的巷道壁上喷射混凝土，然后将工字钢格栅模块通过螺栓相互连接形成工字钢格栅支架后经混凝土固定在巷道壁上，从而形成被动承载拱；

Ⅲ、施工滞后承载拱：

A、导水卸压阶段：

①采用的导注管由金属材料或高强塑料制成，直径为25～45mm，长1.0～2.0m，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；

②在设计所需导水及加固的巷道断面上布置导注管孔位，间距为0.8～1.4m，排距为1.2～2.0m，钻孔直径40～65mm，深度为0.7～1.8m，透过工字钢格栅支架的网格间隙在孔位上钻孔；

③根据巷道断面不同部位的渗流量测试数据，匹配与导注管外端直径相适应的导水扩张部，然后在导注管外壁包裹一层滤网；

④将导注管插入上述已开设的钻孔，使导水扩张部外露10～15cm，并用木楔塞入导水扩张部与围岩的间隙，防止导注管松动，围岩内部的水沿条形孔汇流入导注管再排到水沟或其他集水装置；

B、注浆止水及成型加固阶段：

a、在完成导水卸压过程后，将导水扩张部及滤网拆下，利用接口管、快速接头、截浆器，将注浆软管与导注管的尾端连接；

b、在注浆前进行压水测试实验，检查管路连接是否正确，压力表、注浆阀门、逆止阀等是否工作正常；

c、对导注管充气，充气压力大于注浆压力的1/2，使截浆器膨胀与孔壁紧密接触；

d、先制备已知配方的注浆浆液后，开启逆止阀、注浆阀门开始注浆，注浆压力为1.8～2.5MPa，浆液从注浆软管进入到导注管，从条形孔流出并渗透到围岩体的孔隙、裂隙中；

e、当压力表指示的注浆压力逐步升至设计注浆压力时，继续注浆10min后终止注浆，完成所有导注管点位的注浆施工后，将注浆软管、接口管、快速接头等依次拆除，待浆液凝固后完成滞后承载拱的施工。