一种软岩巷道围岩的自体支护方法及支护用搅注钻机.pdf

本发明属于地下开采中井巷工程支护的技术领域，具体为一种软岩巷道围岩的自体支护方法及软岩巷道支护的搅注钻机，主要是解决硬度较小（普氏硬度系数f≤3）的破碎及软岩地层施工巷道的支护问题。通过向巷道围岩中搅拌注入固化剂，改变巷道围岩的岩性，使其具备相应的自身强度和整体性，使巷道围岩自体原位固化，保证了巷道围岩无间隙无扰动支护，并具备相应的支撑强度，实现了巷道支护的无间隙无让压支护机理。

1.  一种软岩巷道围岩的自体支护方法，步骤为：把巷道软岩围岩的软岩边破碎、边搅拌混合固化剂、边压实在后方的方式，将固化剂和切碎的软岩充分混合，使充分混合了固化剂的巷道围岩自体基本原位固化，形成具有支撑能力的支护岩体，使巷道围岩自身作为骨料固结变硬、变完整的支护方法。

2.  根据权利要求1所述的软岩巷道围岩的自体支护方法，其特征在于，所述的软岩指的是普氏硬度系数在3以下的岩层。

3.  根据权利要求1所述的软岩巷道围岩的自体支护方法，其特征在于，对软岩的破碎粒度平均粒径大于0.5mm。

4.  根据权利要求1所述的软岩巷道围岩的自体支护方法，其特征在于，所述的巷道软岩围岩需要改变岩性的厚度为大于等于1m，进一步优选为1-2m。

5.  根据权利要求1所述的软岩巷道围岩的自体支护方法，其特征在于，所述的固化剂，该固化剂的要求为：固化剂浆液拌成稀浆糊状，黏度小，流动性大，初凝结强度上升快， 10min-30min分钟内初凝抗压大于5MPa；凝结后体积收缩比小于0.5％，且终凝强度大于抗压强度＞10MPa；作为优选，所述的固化剂重量配比关系为：525标号水泥：水：711速凝剂=10：4.5：0.4。

6.   根据权利要求1所述的软岩巷道围岩的自体支护方法，其特征在于，具体步骤为：把巷道软岩围岩1-2m厚度的软岩边破碎、边搅拌混合固化剂、边压实在后方的方式，通过搅注钻机将固化剂和切碎的软岩充分混合，使充分混合了固化剂的巷道围岩自体基本原位固化，在10-30分钟内固化为一体，形成具有支撑能力的支护岩体，所述充分混合了固化剂的巷道围岩在未凝固前随机插入钢筋补强。

7.  一种用于软岩巷道支护的搅注钻机，包括钻头动力箱、升降摇臂、液压千斤顶、左右转盘、拌注浆机构、机体、行走履带，其特征在于，还包括一对齿轮式啮合钻头，所述的钻头套接在八棱钻杆一端，该八棱钻杆的另一端穿过钻头动力箱的两个动力输出齿轮轴中心的八棱孔中；所述钻头的轮齿顶端设有小锯齿，每一轮齿等距离均匀安装小锯齿，小锯齿径向螺旋状排列在轮齿上，两钻头螺旋方向相反；轮齿上还设有出浆小孔，轮齿上的出浆小孔布置在两小锯齿之间的中部，出浆小孔也随小锯齿相互错位；所述的八棱钻杆中心为钻杆中孔，八棱钻杆尾端通过密封转环连接输浆软管，并联通拌注浆机构；所述钻头顶尖有八个尖齿成放射状与外缘钻头轮齿相连。

8.  根据权利要求7所述的用于软岩巷道支护的搅注钻机，其特征在于，所述的小锯齿由直径10mm、高25mm的圆柱体的耐磨钨钢制成，径向镶钦在钻头轮齿顶端，一字齿刃轴向沿轮齿安装成一条直线，相邻两轮齿上的小锯齿互相错位一个小锯齿的宽度；所述的小锯齿外露，其外露长度为5mm；相邻两轮齿上的小锯齿互相错位10mm，即一个小锯齿的宽度10mm。

9.  根据权利要求7或8所述的用于软岩巷道支护的搅注钻机，其特征在于，其中每一轮齿均匀安装小锯齿，小锯齿间距为50mm。

10.  根据权利要求7或8所述的用于软岩巷道支护的搅注钻机，其特征在于，所述的一对齿轮式啮合钻头成啮合旋转工作，两钻头各有八齿成半啮合状态逆向旋转。

一种软岩巷道围岩的自体支护方法及支护用搅注钻机
技术领域
本发明属于地下开采中井巷工程支护的技术领域，具体为一种软岩巷道围岩的自体支护方法及软岩巷道支护的搅注钻机，主要是解决硬度较小（普氏硬度系数f≤3）的破碎及软岩地层施工巷道的支护问题。
背景技术
对于软岩地层的软岩巷道现有支护技术，主要是锚喷支护、锚喷配锚索支护、混凝土砌旋支护，锚网喷加U型钢棚支护以及多种支护工艺器材的组合应用，这些支护在实际应用中有如下不足：
1、软岩遇水受力后是塑性蠕变，锚杆、锚索依赖的岩孔摩擦力会成倍减小；锚喷支护、锚喷配锚索支护效果也不理想，主要是巷道变形量大；特别遇水或受到采动影响时，巷道变形量更大，巷道返修率达到80%-90%。
  2、混凝土砌旋支护，施工工艺复杂，砌旋的顶部充实困难，围岩扰动大，无法实现有初撑力的支护效果，造成巷道围岩对砌旋支护体的应力释放提前，造成巷道返修周期短。
3、锚网喷加U型钢棚支护以及多种支护工艺器材的联合，能达到支护效果的，支护费用又增加太多，令矿方或经营方无法接受。
对于井巷工程的支护所用到的机械设备，有锚杆锚索钻机、锚杆锚索加固机、注浆加固机，喷浆机等，都不适用自体支护的工艺的实施要求。为此，需要一种合适方式及适用的专用设备。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的问题，而提供一种软岩巷道围岩的自体支护方法及软岩巷道支护的搅注钻机，解决了一类软岩的支护难题，通过向巷道围岩中搅拌注入固化剂，改变巷道围岩的岩性，使其具备相应的自身强度和整体性，使巷道围岩自体原位固化，保证了巷道围岩无间隙无扰动支护，并具备相应的支撑强度，实现了巷道支护的无间隙无让压支护机理。
本发明的技术方案为：
一种软岩巷道围岩的自体支护方法，步骤为：把巷道软岩围岩的软岩边破碎、边搅拌混合固化剂、边压实在后方的方式，将固化剂和切碎的软岩充分混合，使充分混合了固化剂的巷道围岩自体基本原位固化，形成具有支撑能力的支护岩体，使巷道围岩自身作为骨料固结变硬、变完整的支护方法。
所述的软岩指的是普氏硬度系数在3以下的岩层。
作为优选，对软岩的破碎粒度平均粒径大于0.5mm。
作为优选，所述的巷道软岩围岩需要改变岩性的厚度为大于等于1m，进一步优选为1-2m。具体厚度依据巷道的围岩原始应力大小、巷道使用年限多少，通过计算确定，以保证软岩巷道不变形，有足够的支撑强度为标准确定巷道软岩围岩改变岩性的厚度。
所述的固化剂，该固化剂的要求为：固化剂浆液拌成稀浆糊状，黏度小，流动性大，初凝结强度上升快， 10min-30min内初凝抗压大于5MPa；凝结后体积收缩比小于0.5％，且终凝强度大于抗压强度＞10MPa。其主要成分用凝结强度较大的高标号525以上水泥，依据支护需要的凝结速度，适时适量地加速凝剂或水玻璃。作为优选，本发明所用的固化剂重量配比关系为：525标号水泥：水：711速凝剂=10：4.5：0.4；必要时，对于较湿润的软岩围岩可适量加入减水剂，对于较干燥的软岩围岩可适增加水的比例。所述固化剂，也可用针对软岩成分研制的胶合剂或新型砂石固结胶等特制的浆液代替。
一种软岩巷道围岩的自体支护方法，步骤为：把巷道软岩围岩1-2m厚度的软岩边破碎、边搅拌混合固化剂、边压实在后方的方式，通过机械功能将固化剂和切碎的软岩充分混合，使充分混合了固化剂的巷道围岩自体基本原位固化，在10min-30min分钟内固化为一体，形成具有支撑能力的支护岩体。所述充分混合了固化剂的巷道围岩在未凝固前随机插入钢筋（属于搅注钻机功能之一）补强。
一种用于软岩巷道支护的搅注钻机，包括钻头动力箱、升降摇臂、液压千斤顶、左右转盘、拌注浆机构、机体、行走履带，其特征在于，还包括一对齿轮式啮合钻头，所述的钻头套接在八棱钻杆一端，该八棱钻杆的另一端穿过钻头动力箱的两个动力输出齿轮轴中心的八棱孔中；所述钻头的轮齿顶端设有小锯齿，每一轮齿等距离均匀安装小锯齿，小锯齿径向螺旋状排列在轮齿上，两钻头螺旋方向相反；轮齿上还设有出浆小孔，轮齿上的出浆小孔布置在两小锯齿之间的中部，出浆小孔也随小锯齿相互错位；所述的八棱钻杆中心为钻杆中孔，八棱钻杆尾端通过密封转环连接输浆软管，并联通拌注浆机构；所述钻头顶尖有八个尖齿成放射状与外缘钻头轮齿相连。
作为优选，所述的小锯齿由直径10mm、高25mm的圆柱体的耐磨钨钢制成，径向镶钦在钻头轮齿顶端，一字齿刃轴向沿轮齿安装成一条直线，相邻两轮齿上的小锯齿互相错位一个小锯齿的宽度。
所述的小锯齿外露，其外露长度为5mm。
相邻两轮齿上的小锯齿互相错位10mm，即一个小锯齿的宽度10mm。
其中每一轮齿均匀安装小锯齿，小锯齿间距为50mm。
所述的一对齿轮式啮合钻头成啮合旋转工作，两钻头各有八齿成半啮合状态逆向旋转，啮合钻头半啮合主要是钻头轮齿上的小锯齿造成的。打眼钻进时钻出的是数字8形钻眼，横向推进时可形成如啮合钻头合并宽度的沟槽。
所述机械的钻头部分，双钻头半啮合主要是因为啮合轮齿端部的小锯齿造成的，小锯齿触啮合轮齿槽底部时，中间仍剩有齿槽间隙，出浆小孔等距50mm设在啮合轮齿背上。双钻头旋转过程中边切碎岩石边把浆液和碎岩搅拌粘合，并在钻头运行方向的后方被压实；两根八棱钻杆尾端通过密封转环连接输浆软管，并联通拌注浆机构连续供浆。
所述的钻杆中孔留设较大，根据实际施工需要，有必要时，钻杆中心插入一根细管可实现双液注浆。一般加水玻璃双液注浆，其只适用需要高速即凝固要求的围岩支护。现有技术较经济的固化剂即使用高强度525-725标号的水泥浆液，加入适量速凝剂配制。
本发明的有益效果为：
所述本发明的软岩巷道围岩的自体支护方法，使充分混合了固化剂的巷道围岩自体基本原位固化，变成具有一定支撑力的（类似直接以软岩为骨料的混凝土砌体）较硬岩体，所述工艺保证了巷道围岩外无间隙无扰动支护。并容易实现巷道支护追求的初撑力支护效果。所述巷道软岩围岩是被边破碎、边搅拌混合固化剂、边压实在后方的，(所述设备的搅注钻机能产生5MPa以上的压力，对岩石的破碎粒度平均粒径大于0.5mm)破碎的软岩基本在原位固化，不是排出，也不是置换，并同时压缩成型。之后快速固化成较坚硬的完整岩体，起到支护巷道的作用。所述方法的支护效果是非常有效和容易实现的。 
通过本发明的软岩巷道围岩的自体支护方法，使巷道软岩的部分围岩变坚固完整，自体支护效果好；克服了锚杆、锚索在软岩支护中部分失效的缺点；其虽类似于超厚砌旋支护，但去掉了砌旋支护的内部间隙大无法填实的弊端，同时也省去了混凝土支护的模板和大量骨料的运输填入。并且密封条件好可有效地防止巷道淋水对巷道围岩的侵蚀破坏，同时巷道挖掘施工只挖掘巷道的净断面，相对挖运工作量较小。对于包括松软厚煤层在内的各类硬度较小的岩层成巷的支护，都可以使用这一种支护方法，有效改善了软岩巷道支护的施工安全性和使用机械化水平，也为地下工程施工支护提供了又一种借鉴方法。特别是所述方法由于机械化程度高，人工成本大大降低；对于更廉价的固化剂的研究应用，软岩巷道施工成本将有望更大幅度的降低。
本发明的搅注钻机，所述钻头为双轮齿钻头半啮合逆向旋转工作，主要功能是纵向可以钻进，横向可以切割；双钻头半啮合主要是钻头轮齿上的小锯齿造成的，小锯齿间布置出浆小孔可以把浆液拌入碎岩中；钻头旋转通过八棱钻杆由全啮合齿轮动力带动，钻杆中空可以输送浆液。啮合钻头具有碎岩、压实和输浆搅拌功能。该搅注钻机能够顺利的把适量的固化剂均匀的搅拌加注入巷道的围岩体内，也即所需要加固的巷道围岩厚度1200mm的巷壁体内，并且能在固化剂的作用下很快（最快10分钟内凝固）凝固为一体，形成一定的初步支撑力，以保证巷道迎头的连续施工，而后其强度在24小时内达到设计强度（抗压强度＞10MPa）。
所述机械的双钻头在运行注浆的过程中，可以顺利实现进一步加固，可顺两钻杆间隙向已拌入固化剂浆液的软岩围岩插入直径6mm至30mm直径的螺纹钢筋，形成类似钢筋混凝土的支护效果，若改性围岩支护厚度超过1200mm，其作用则更像是密集锚杆的加固作用。
所述机械填补了井巷支护机械的空白，其工作原理有利于实现巷道支护的机械化和提高巷道支护质量安全的保障程度。
附图说明
图1为搅注钻机钻头部分结构示意图；
图2为图1中的A-A剖视图；
图3为图1的左视图；
图4为钻头啮合原理示意；
图5搅注钻机侧视图；
图6搅注钻机后视图；
图7为软岩巷道围岩自体支护方法实施的示意图。
其中：1小锯齿、2轮齿、3八棱钻杆、4出浆小孔、5钻杆中孔、6钻头顶尖、7实体岩体、8啮合钻头、9切割槽碎岩、10钻头动力箱、11升降摇臂、12液压千斤顶、13输浆软管、14左右转盘、15拌注浆机构、16机体、17行走履带，18变硬的岩体,19加固钢筋,20围岩岩体， 21搅注钻机运行外轨迹。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。 
实施例1  支护方法的说明
一种软岩巷道围岩的自体支护方法，步骤为：把巷道软岩围岩的软岩边破碎、边搅拌混合固化剂、边压实在后方的方式，将固化剂和切碎的软岩充分混合，使充分混合了固化剂的巷道围岩自体基本原位固化，形成具有支撑能力的支护岩体，使巷道围岩自身作为骨料固结变硬、变完整的支护方法。
本发明以1200mm为例进一步说明：使部分软岩围岩达到一定的硬度后，变硬的软岩厚度越大支撑强度越高。就是用物理和化学的方法加入能使软岩变硬的固化剂；这一周圈被改变了硬度的软岩围岩，岩体基本保持在原有位置，通过边破碎边注入拌合固化剂的机械原理：其原理是将巷道迎头单位进度(400mm)的围岩一周圈起槽1200mm深，起槽时的破碎岩石不出槽，留在槽内并加入固化剂后搅拌均匀，有托板拖住压实待其固化后进行下一次小循环，如此依次起槽一周，完成一个（400mm）进度的大循环。
围岩的具体厚度依据巷道的围岩原始应力大小、巷道使用年限多少，通过计算确定，以保证软岩巷道不变形，有足够的支撑强度为标准确定巷道软岩围岩改变岩性的厚度。
如图7所示一种软岩巷道围岩的自体支护方法，其中实施的机械设备包括机体16，啮合钻头8，拌注浆机构15，啮合钻头8在纵向高速旋转的同时，还在机体16转轴的作用下沿箭头方向旋转，其行程是走完搅注钻机运行外轨迹21为一支护循环段。
所述啮合钻头8在行走的过程中，通过拌注浆机构15把固化剂浆液加注入啮合钻头8的后方形成变硬的岩体18，由于是双钻头并行，啮合钻头8按搅注钻机运行外轨迹21运行，其运行的后方可以沿两钻杆后方的纵向间隙随搅注钻机钻头插入加固钢筋19，使具备自体支护强度的围岩岩体7更加坚固。
实施例2 对搅注钻机的说明
一种用于软岩巷道支护的搅注钻机，包括钻头动力箱10、升降摇臂11、液压千斤顶12、左右转盘14、拌注浆机构15、机体16、行走履带17，还包括一对齿轮式啮合钻头8，所述的钻头套接在八棱钻杆3一端，该八棱钻杆3的另一端穿过钻头动力箱10的两个动力输出齿轮轴中心的八棱孔中；所述钻头的轮齿顶端设有小锯齿1，每一轮齿等距离均匀安装小锯齿1，小锯齿径向螺旋状排列在轮齿2上，两钻头螺旋方向相反；轮齿上还设有出浆小孔4，轮齿上的出浆小孔4布置在两小锯齿之间的中部，出浆小孔也随小锯齿相互错位；所述的八棱钻杆中心为钻杆中孔5；所述钻头顶尖6有八个尖齿成放射状与外缘钻头轮齿相连。
加工时八棱钻杆3和轮齿配套加工以保证八棱钻杆3和钻头的出浆小孔4严格对齐。
所述的小锯齿由直径10mm、高25mm的圆柱体的耐磨钨钢制成，径向镶钦在钻头轮齿顶端，一字齿刃轴向沿轮齿安装成一条直线，相邻两轮齿上的小锯齿互相错位一个小锯齿的宽度。
两根八棱钻杆插入啮合钻头的八棱柱孔中，啮合钻头与八棱钻杆的出浆小孔配合严密并且通过销子紧固牢固；另一端穿过钻头动力箱10的两个动力输齿轮轴心的八棱孔中（两个齿轮等径主从动轮关系旋转），并且可以在齿轮轴心八棱孔中，轴向滑动以便钻头伸缩。
所述的一对齿轮式啮合钻头成啮合旋转工作，两钻头各有八齿成半啮合状态逆向旋转，啮合钻头半啮合主要是钻头轮齿上的小锯齿造成的。打眼钻进时钻出的是数字8形钻眼，横向推进时可形成如啮合钻头合并宽度的沟槽。
该搅注钻机的构造及工作原理：图1-3中所示八个钻头轮齿2上均匀排列23个小锯齿1，相邻钻头轮齿2上的小锯齿1相互错开一个小锯齿1宽，整体钻头看小锯齿1在钻头上成螺旋状排列；两钻头螺旋方向相反；钻头顶尖6有八个尖齿成放射状与外缘钻头轮齿2相连，以实现钻进功能。
图4所示：双钻头啮合钻头逆向旋转，在小锯齿1的凿削作用下将实体岩体7切割出沟槽，切割槽9碎岩被抛并推出，以实现其切割功能。
图4所示：当切割槽碎9岩后方被堵住无法拋推出时，切割槽碎岩9即会被啮合钻头拋推力的作用下压实，若同时通过24个出浆小孔4压入浆液到切割槽碎岩9中，在啮合钻头的旋转作用下切割槽碎岩9就被拌入浆液（固化剂浆液），实现切割部分岩体被固化变硬。
图5所示：八棱钻杆3可以伸缩钻进，并通过钻头动力箱10给啮合钻头传输动力；升降摇臂11可定位钻头角度；左右转盘14可以左右旋转360°；机体16通过行走履带17前后运动；3、11、14、17通过液压千斤顶12和机体16内的动力实现啮合钻头的定位、运行轨迹方位的变化。
图6示：拌注浆机构15作用是把水泥按要求拌成不同浓度的浆液，通过机体16内的注浆泵，经过输浆软管13、八棱钻杆3不断输入到啮合钻头8，并能保证啮合钻头的搅注速度的用浆量。
以1200mm长轮齿为例加以说明。
本发明的搅注钻机与综掘机联合，是机头部位配一对可切割并注入固化剂的钻头，钻头切割部分可根据需要加长或缩短，双钻头轮齿布满小锯齿，一字齿刃轴向沿轮齿安装成一直线，外露一定长度，每一轮齿均匀安装23-24个小锯齿不等(轮齿按长1200mm算，50mm间距)。相邻两轮齿上的小锯齿互相错位10mm（即一个小锯齿的宽度10mm）小锯齿径向螺旋状排列与轮齿上；轮齿上的出浆小孔布置在两小锯齿之间的中部，出浆小孔也随小锯齿相互错位；加工出浆小孔时八棱钻杆和轮齿配套加工以保证钻杆的出浆小孔和钻头上的出浆小孔严格对齐。钻头在岩石中可以纵向钻进横向切割，运行过程中能形成1200mm深400mm宽的沟槽，双钻头联合运转，钻头1200mm部分杆体布满小锯齿，两钻头总体小锯齿成螺旋排列，并相互半啮合，两根钻杆有动力箱带动逆向旋转，钻头部分似加长齿轴的齿轮，只是两钻杆旋转靠头部动力箱啮合齿轮动力驱动旋转，是主从动轮关系的旋转。旋转钻杆中心有中透管，钻头小锯齿间均匀分布透出注浆液的出浆小孔，高压固化剂浆液经过出浆小孔可以均匀拌合在钻碎的巷道围岩中，顺着钻头横向切割运行的方向被压实在钻头运行方向的后方，所述的搅注钻机能产生5MPa以上的压力。两钻头部分1200mm的带齿直径为220mm，半啮合叠加40mm，则钻头顺着所掘进的巷道周边运行一周的支护加固宽度即为400mm。钻头的长度视需要支护的厚度为准。
所述搅注钻机与综掘机联合使用，综掘机掘进巷道的净断面，挖掘迎头400mm进尺后，随后搅注钻机运行将固化剂搅拌注入巷道围岩支护周壁，每掘进400mm进度，也即搅拌注浆钻头运行轨迹的宽度，接着搅注钻头启动运行一周，也即加固围岩支护一周圈。一般软岩巷道断面，支护效果最佳巷道断面形状为圆形，所述方法即以圆形断面为例。对于非圆形断面可以通过调节搅注钻机的控制摇臂实现其非圆轨迹运行，完成各种类型断面的巷道围岩搅拌注浆固化支护工序。       
所述机械也可以超前支护，在围岩特别破碎，即掘即落的情况下，只需把钻头沿着巷道迎头周边斜插入前方岩体，沿着巷道净断面边缘作椎桶壁面轨迹旋转一周，并同时注入固化剂浆液，待前方注入固化剂的岩体固化后，即可形成一圈加固的嵌入迎头岩体内的超前支护，然后再挖掘巷道的岩体，所述超前支护，亦可称为岩体内超前支护。成巷岩石挖掘后，在超前支护未终凝时间前，巷道再按正常支护方式搅拌加注入固化剂完成巷道永久支护，以此循环类推掘进。所述方法更容易实现软岩巷道掘进支护的机械化、一体化。