專利名稱：砂層空間超前支護加固工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于建筑領域，涉及一種超前支護加固工藝，尤其涉及一種砂層空間超前支護加固工藝。
背景技術：
超前支護就是在煤礦巷道等地下工程開挖之前，根據圍巖條件、施工方法、進度要求、機械配套和工程所處的環(huán)境等情況，優(yōu)先選擇較簡單的方法或同時采用幾種綜合輔助施工方法來加固地層，確保圍巖不冒頂、不片幫，保證巷道掘進過程中工作面穩(wěn)定。常用的輔助方法有噴射混凝土封閉開挖掌子面、超前錨桿或超前小導管支護、超前小導管周邊注漿加固地層、長管棚超前支護加固地層、水平旋噴樁超前支護等措施。然而針對不同的地質條件，由于其砂層的孔隙率、粒度成分、含水率等物理力學性質的不同，其超前支護的方法也不盡相同。如何對砂層地帶巷道進行超前支護是此類工程安全生產和成功建設的關鍵。

發(fā)明內容
為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本發(fā)明提供了一種支護加固效果好以及便于操作的砂層空間超前支護加固工藝。本發(fā)明的技術解決方案是:本發(fā)明提供了一種砂層空間超前支護加固工藝，其特殊之處在于:所述砂層空間超前支護加固工藝包括以下步驟:I)確定全斷面砂層巷道需要加固的加固區(qū)域；2)根據加固區(qū)域的砂體力學特性將已確定的加固區(qū)域進行分區(qū)；3)在步驟2)所得到的分區(qū)上進行支護加固。上述步驟2)中將已確定的加固區(qū)域進行分區(qū)后得到的區(qū)域包括沿平硐設計外輪廓線布設的周邊眼區(qū)域、沿外輪廓線內收的具有一定環(huán)向間距的前置眼區(qū)域以及沿拱部內具有一定間隔的大角度眼區(qū)域。上述步驟3)中對周邊眼區(qū)域進行支護加固的具體實現方式是:沿全斷面砂層巷道的外輪廓線進行支護加固，包括設置在巷道的拱部的至少20個拱部加固孔，在巷道的側幫的至少8個側幫加固孔；所述相鄰兩個拱部加固孔之間的環(huán)向間距是不大于300mm ;所述拱部加固孔內設置有加固導管；所述加固導管的長度不低于4m ;所述加固導管的外插角是10?！?。。上述加固導管在巷道的拱頂中心線兩側采用鋼管，除拱頂中心線兩側外的所有加固導管采用PVC管。上述步驟3)中對前置眼區(qū)域進行支護加固的具體實現方式是:沿全斷面砂層巷道的外輪廓線進行內收布設至少11個二圈眼加固孔以及在砂層巷道全斷面的工作面布設至少11個大肚子眼加固孔；所述二圈眼加固孔以及大肚子眼加固孔內均設置有小加固導管；所述小加固導管的長度不低于4m，傾角不大于5°。
上述沿全斷面砂層巷道的外輪廓線進行內收時的內收距離是不大于450mm ;所述二圈眼加固孔的環(huán)向間距不大于600_ ;所述相鄰兩個大肚子眼加固孔之間的間隔不大于700mm。上述步驟3)中對大角度眼區(qū)域進行支護加固的具體實現方式是:沿拱部120°扇區(qū)內內具有一定間隔布設至少13個大角度眼加固孔。上述相鄰兩個大角度眼加固孔的間隔不大于300mm，所述大角度眼加固孔內設置有大角度眼加固導管；所述大角度眼加固導管的長度不低于4m，所述大角度眼加固導管的外插角是25° 30° ;所述大角度眼加固導管是φ40ιτ〗ηι的鋼管。上述步驟3)所提及的支護加固中還包括向加固導管、小加固導管以及大角度眼加固導管中灌注用于加固地層或防滲堵漏的漿液的步驟。

本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明提供了一種砂層空間超前支護加固工藝，該超前支護加固工藝將全斷面砂層巷道的注漿加固區(qū)分為三個區(qū)域。通過大角度注漿(三區(qū))加固頂板砂體，改善頂部砂體力學參數；通過周邊平角度注漿(一區(qū))形成帷幕式超前封閉管棚，防止頂板破壞和漏砂；通過工作面全斷面注漿(二區(qū))及工作面開挖留“大肚子”，加固和改善工作面力學特性，防止接近循環(huán)交替位置時工作面及頂板發(fā)生前置破壞。該方案的提出，完善和發(fā)展了巷(隧)道或地下硐室在復雜地質條件下超前預支護體系，符合穿越砂層時的地層條件下巷道工程中的應用，該支護理論體系以及與之相應復合化學注漿加固技術的正確性和技術經濟可行性，為以后同類復雜地質條件下的巷道或地下硐室的施工提拱了工程參考，具有重要理論及工程應用價值。


圖1是本發(fā)明所采用的周邊眼加固的結構示意圖；圖2是在加固前工作面破壞程度示意圖；圖3是本發(fā)明所采用的前置眼加固結構示意圖；圖4是本發(fā)明所采用的大角度眼加固結構示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種砂層空間超前支護加固工藝，該砂層空間超前支護加固工藝包括以下步驟:I)確定全斷面砂層巷道需要加固的加固區(qū)域；2)根據加固區(qū)域的砂體力學特性將已確定的加固區(qū)域進行分區(qū)，得到的區(qū)域包括沿平硐設計外輪廓線布設的周邊眼區(qū)域、沿外輪廓線內收的具有一定環(huán)向間距的前置眼區(qū)域以及沿拱部內具有一定間隔的大角度眼區(qū)域。3)在步驟2)所得到的分區(qū)上進行支護加固:對周邊眼區(qū)域進行支護加固的具體實現方式是:沿全斷面砂層巷道的外輪廓線進行支護加固，包括設置在巷道的拱部的至少20個拱部加固孔，在巷道的側幫的至少8個側幫加固孔；相鄰兩個拱部加固孔之間的環(huán)向間距是不大于300mm ;拱部加固孔內設置有加固導管；加固導管的長度不低于4m;加固導管的外插角是10° ±2° ;加固導管在巷道的拱頂中心線兩側采用鋼管，除拱頂中心線兩側外的所有加固導管采用PVC管。對前置眼區(qū)域進行支護加固的具體實現方式是:沿全斷面砂層巷道的外輪廓線進行內收布設至少11個二圈眼加固孔以及在砂層巷道全斷面的工作面布設至少11個大肚子眼加固孔；二圈眼加固孔以及大肚子眼加固孔內均設置有小加固導管；小加固導管的長度不低于4m，傾角不大于5°。沿全斷面砂層巷道的外輪廓線進行內收時的內收距離是不大于450mm ;二圈眼加固孔的環(huán)向間距不大于600mm ;相鄰兩個大肚子眼加固孔之間的間隔不大于700_。對大角度眼區(qū)域進行支護加固的具體實現方式是:沿拱部120°扇區(qū)內內具有一定間隔布設至少13個大角度眼加固孔；相鄰兩個大角度眼加固孔的間隔不大于300_，大角度眼加固孔內設置有大角度眼加固導管；大角度眼加固導管的長度不低于4m，大角度眼加固導管的外插角是25° 30° ;大角度眼加固導管是(p40mm的鋼管。同時，為了起到更好的加固效果，在上述步驟3)所提及的支護加固中還包括向加固導管、小加固導管以及大角度眼加固導管中灌注用于加固地層或防滲堵漏的漿液的步驟。本發(fā)明的理論基礎是:根據室內試驗、室內模擬注漿試驗、現場模型試驗及現場工業(yè)性應用試驗的研究成果，結合現代巷道(隧道)支護理論，首次提出了空間加固支護理論體系理論，將全斷面砂層巷道的注漿加固區(qū)分為三個區(qū)域。其概念是，通過大角度注漿(三區(qū))加固頂板砂體，改善頂部砂體力學參數；通過周邊平角度注漿(一區(qū))形成帷幕式超前封閉管棚，防止頂板破壞和漏砂；通過工作面全斷面注漿(二區(qū))及工作面開挖留大肚子，加固和改善工作面力學特性，防止接近循環(huán)交替位置時工作面及頂板發(fā)生前置破壞。通過一區(qū)、二區(qū)及三區(qū)的注漿加固，形成了砂層巷道的空間加固支護體系。本發(fā)明所提供的砂層空間加固支護體系的作用機理是:一區(qū):28個加固孔(拱部20個，邊墻8個)，稱為周邊眼。即沿平硐設計外輪廓線布置，環(huán)向間距300mm，小導管長度4m，外插角10° ±2° (側幫小孔要嚴格按照5°外插角打孔注漿)，其中拱頂中心線兩側小導管采用(p40mm鋼管，其余采用q>40mm的pvc管；二區(qū):22個加固孔，稱為前置眼。沿外輪廓線內收450mm環(huán)向間距600mm布設11個加固孔，稱為二圈眼；以及工作面間隔700_布設11個加固孔，稱為大肚子眼。小導管采用φ40πιιτι的PVC管長度均為4m，傾角5° ;三區(qū):13個孔，稱為大角度眼。沿拱部120°扇區(qū)內間隔300mm布置，小導管長度4m，外插角25° 30°，小導管采用<p40mm鋼管?？臻g加固支護體系的作用機理可按照注漿小導管在全斷面的分區(qū)和小導管與漿液的作用進行分析:(I)按注漿分區(qū)的作用機理I) 一區(qū)周邊眼超前注漿的帷幕式管棚作用:一區(qū)周邊眼是沿巷道外輪廓線間隔300mm布設，先將鋼管以一定角度打入圍巖中，小導管注漿完成后，外露端支撐焊接在立好的鋼架上，在開挖面外圍形成一個“保護棚”，即注漿加固帷幕。在巷道開挖面形成的這個保護薄殼中，鋼管與注漿加固體整體受力，發(fā)揮環(huán)拱效應，防止工作面坍塌冒頂、漏砂、進而引起地表下沉，從而保證地表建筑物的安全和安全順利進行巷道開挖。同時，沿洞周形成的有效加固拱體(臨時支護結構)，為巷道的掘進及永久支護施工提供安全保障。一區(qū)注漿帷幕式管棚作用機理見圖1。2) 二區(qū)前置眼超前注漿邊坡穩(wěn)定作用:在未采用化學注漿加固之前，工作面必須留大肚子保持自然邊坡狀(如圖2所示)，但松散的砂層仍不穩(wěn)定，時常發(fā)生滑塌事故。當工作面向前推進時，即當開挖至工作面自然邊坡坡腳A點處，改變了原來砂體內部的應力狀態(tài),使砂體局部剪切破壞,在砂體內部會發(fā)展成一條連貫的剪切破壞面AB曲面，砂體的穩(wěn)定平衡狀態(tài)遭到破壞，在砂體自身重量及拱部砂體荷載的作用下，工作面上的砂體沿著滑動面AB發(fā)生滑動，拱頂BCD范圍的砂體隨之超前下滑，造成極為嚴重超前破壞，其主要原因是砂體自身膠結性差，抗剪強度低，開挖時造成砂體應力狀態(tài)發(fā)生改變。其次施工震動加劇了工作面及拱頂砂體的滑塌。二區(qū)前置眼注漿加固圖如圖3所示。通過二區(qū)前置眼超前注漿加固后，將工作面及工作面上方范圍的砂體膠結成整體，改善了工作面砂層的力學性能，提高了砂體沿破壞面的抗滑力及整個工作面的整體穩(wěn)定性，安全系數提高。同時，注漿導管及導管周形成的加固體在工作面前方起到了土釘或土層錨桿的類重力式擋土墻作用，注漿加固砂和釘體(注漿管)與砂體共同工作，提高了砂體的整體剛度和抗剪強度，彌補了砂體自身的強度不足，避免了砂體因失穩(wěn)而出現的工作面及拱頂砂體的超前滑塌破壞現象。通過復合化學注漿加固，工作面可成近直立狀(如圖4所示)，增大了工作空間，提高了施工機具的使用效率。3)三區(qū)大角度眼超前注漿協同加強作用:三區(qū)大角度眼是在拱部120°扇區(qū)內沿外輪廓線間隔300mm，以25° 30°傾角將小導管打入拱部上層砂體內并進行大壓力注漿加固。根據現場注漿量計算，該部分注漿加固體最大直徑可達600_左右。通過注漿導管自身的懸吊作用將周邊眼形成的加固帷幕體懸掛在巷道頂部深層穩(wěn)定砂體內，減小了加固帷幕體的受力和變形。通過漿液的膠結加固作用將周邊眼形成的注漿加固體與周邊眼注漿盲區(qū)以及拱部深層的砂體膠結加固，擴大了拱頂的注漿加固范圍，在砂體中形成聯合加固體，改善了拱部砂體力學性能指標，并協同一區(qū)形成的加固承載拱，減小巷道圍巖塑性區(qū)，提高拱頂砂體穩(wěn)定性，加強一區(qū)注漿加過效果，與周邊眼注漿加固體共同承擔上部圍巖壓力，減小了作用在支護結構上的圍巖壓力，保證了巷道在掘過程中的安全。(2)按小導管與漿液的作用分析I)小導管的作用機理:小導管的錨桿作用機理:小導管的錨桿作用原理主要是自身加固原理，在工作面超前打入注漿小導管，可將淺層不穩(wěn)定的砂體與深層較穩(wěn)定的砂體連接起來，穩(wěn)定工作面砂層，防止淺層不穩(wěn)定砂體滑動，起到錨桿的聯接作用；同時小導管前端嵌固在深層穩(wěn)定的砂體內，末端固定在鋼拱架上，組成組合拱或組合梁，承擔上部圍巖壓力，防止砂層的滑動和坍塌，起到錨桿的組合梁作用；其次，通過有規(guī)律的布置小導管，將巷道四周一定深度的砂體進行擠壓粘結加固，在巷道周邊形成一個能承受一定荷載的穩(wěn)定承載環(huán)，起到錨桿整體加固作用。小導管的漿液通道作用機理:在小導管注漿技術使用過程中，注入砂體的漿液是通過小導管上的加固孔均勻的滲入到砂層中，故復合化學注漿加固技術中小導管充當漿液通道的作用。
2)注漿漿液的膠結作用復合注漿加固技術選擇的注漿漿材是粘度適中的水玻璃和氯化鈣溶液，將兩者注入砂層中，漿液發(fā)生化學反應生成的二氧化硅凝膠充填、滲透到砂?？紫吨?，與砂粒膠結為整體，提1 了砂體的物理 力學指標。
權利要求
1.一種砂層空間超前支護加固工藝，其特征在于:所述砂層空間超前支護加固工藝包括以下步驟: 1)確定全斷面砂層巷道需要加固的加固區(qū)域； 2)根據加固區(qū)域的砂體力學特性將已確定的加固區(qū)域進行分區(qū)； 3)在步驟2)所得到的分區(qū)上進行支護加固。
2.根據權利要求1所述的砂層空間超前支護加固工藝，其特征在于:所述步驟2)中將已確定的加固區(qū)域進行分區(qū)后得到的區(qū)域包括沿平硐設計外輪廓線布設的周邊眼區(qū)域、沿外輪廓線內收的具有一定環(huán)向間距的前置眼區(qū)域以及沿拱部內具有一定間隔的大角度眼區(qū)域。
3.根據權利要求2所述的砂層空間超前支護加固工藝，其特征在于:所述步驟3)中對周邊眼區(qū)域進行支護加固的具體實現方式是:沿全斷面砂層巷道的外輪廓線進行支護加固，包括設置在巷道的拱部的至少20個拱部加固孔，在巷道的側幫的至少8個側幫加固孔；所述相鄰兩個拱部加固孔之間的環(huán)向間距是不大于300mm ;所述拱部加固孔內設置有加固導管；所述加固導管的長度不低于4m ;所述加固導管的外插角是10° ±2°。
4.根據權利要求3所述的砂層空間超前支護加固工藝，其特征在于:所述加固導管在巷道的拱頂中心線兩側采用鋼管，除拱頂中心線兩側外的所有加固導管采用PVC管。
5.根據權利要求4所述的砂層空間超前支護加固工藝，其特征在于:所述步驟3)中對前置眼區(qū)域進行支護加固的具體實現方式是:沿全斷面砂層巷道的外輪廓線進行內收布設至少11個二圈眼加固孔以及在砂層巷道全斷面的工作面布設至少11個大肚子眼加固孔；所述二圈眼加固孔以及大肚子眼加固孔內均設置有小加固導管；所述小加固導管的長度不低于4m,傾角不大于5°。
6.根據權利要求5所述的砂層空間超前支護加固工藝，其特征在于:所述沿全斷面砂層巷道的外輪廓線進行內收時的內收距離是不大于450mm ;所述二圈眼加固孔的環(huán)向間距不大于600mm ;所述相鄰兩個大肚子眼加固孔之間的間隔不大于700mm。
7.根據權利要求6所述的砂層空間超前支護加固工藝，其特征在于:所述步驟3)中對大角度眼區(qū)域進行支護加固的具體實現方式是:沿拱部120°扇區(qū)內內具有一定間隔布設至少13個大角度眼加固孔。
8.根據權利要求7所述的砂層空間超前支護加固工藝，其特征在于:所述相鄰兩個大角度眼加固孔的間隔不大于300mm，所述大角度眼加固孔內設置有大角度眼加固導管；所述大角度眼加固導管的長度不低于4m，所述大角度眼加固導管的外插角是25° 30° ;所述大角度眼加固導管是tp40mm的鋼管。
9.根據權利要求3-8任一權利要求所述的砂層空間超前支護加固工藝，其特征在于:所述步驟3)所提及的支護加固中還包括向加固導管、小加固導管以及大角度眼加固導管中灌注用于加固地層或防滲堵漏的漿液的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種砂層空間超前支護加固工藝，該工藝包括以下步驟1)確定全斷面砂層巷道需要加固的加固區(qū)域；2)根據加固區(qū)域的砂體力學特性將已確定的加固區(qū)域進行分區(qū)；3)在步驟2)所得到的分區(qū)上進行支護加固。本發(fā)明提供了一種完善和發(fā)展了巷(隧)道或地下硐室在復雜地質條件下超前預支護體系，符合穿越砂層時的地層條件下巷道工程中的應用的砂層空間超前支護加固工藝。
文檔編號E21D11/10GK103161477SQ20131004454
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權日2013年2月4日
發(fā)明者陳玄, 王明智, 姚開元, 張超暉, 白鳳忠, 趙國超 申請人:陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司