后退式连续超前注浆装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及井下注浆加固技术领域，尤其涉及一种后退式连续超前注浆装置及其使用方法。

背景技术

煤矿巷道在掘进过程中，在煤体属性、裂隙发育情况、高地应力等因素的影响下，会不同程度地出现炸帮、片帮、顶板煤体破碎等安全隐患；而且巷道在掘进过程中会不可避免地穿越断层、陷落柱等围岩破碎严重的地质构造区域；超前注浆可以有效改善煤岩体的完整性、提高煤岩体的整体承载能力，降低煤矿巷道掘进过程中由于围岩破碎导致的安全隐患。

现有的超前注浆方式包括全孔一次性注浆和分段后退式注浆两种方式，全孔一次性注浆存在钻孔深部注浆压力不足的问题，注浆效果得不到保障；分段后退式注浆易出现早强型注浆液堵塞注浆管的现象，需频繁取出注浆管，对其进行冲洗，影响工作效率。

发明内容

本发明提供一种后退式连续超前注浆装置及其使用方法，用以解决或改善现有超前注浆方式存在钻孔深部注浆压力不足以及施工效率较低的问题。

本发明提供一种后退式连续超前注浆装置，包括：套管、注水管路及注浆管路；所述套管的一端设有封堵器，所述注水管路的输出端伸入所述套管内并与所述封堵器内的腔室连通；所述注浆管路的输出端依次穿过所述套管和所述腔室并伸出所述封堵器外；所述封堵器具有膨胀状态与收缩状态，在所述膨胀状态的情况下，所述封堵器的外壁面与钻孔的内壁面密封连接，在所述收缩状态的情况下，所述封堵器的外壁面与钻孔的内壁面分离；所述注水管路可选择性地与所述注浆管路的输入端连通或阻断，在所述注水管路与所述注浆管路的输入端连通的情况下，所述注浆管路的输入端与所述注浆管路的输出端阻断；在所述注水管路与所述注浆管路的输入端阻断的情况下，所述注浆管路的输入端与所述注浆管路的输出端连通。

根据本发明提供的一种后退式连续超前注浆装置，还包括：三通阀；所述三通阀设于套管内，所述三通阀位于所述注浆管路上，所述三通阀具有第一工作口、第二工作口及第三工作口；所述第一工作口与所述注浆管路的输入端连通，所述第二工作口与所述注浆管路的输出端连通，所述第三工作口与所述注水管路连通；所述三通阀的阀芯用于控制所述第一工作口与所述第二工作口连通，或者，所述第一工作口与所述第三工作口连通。

根据本发明提供的一种后退式连续超前注浆装置，还包括：水压检测机构；所述水压检测机构设于所述注水管路上，所述水压检测机构与所述三通阀通讯连接。

根据本发明提供的一种后退式连续超前注浆装置，所述注水管路上设有第一泄压阀。

根据本发明提供的一种后退式连续超前注浆装置，所述注浆管路上设有第二泄压阀。

根据本发明提供的一种后退式连续超前注浆装置，所述注水管路的输入端通过注水泵与供水容器连通。

根据本发明提供的一种后退式连续超前注浆装置，所述注浆管路的输入端通过注浆泵与供浆容器连通。

根据本发明提供的一种后退式连续超前注浆装置，所述注水管路上设有第一压力显示组件，所述注浆管路上设有第二压力显示组件。

本发明还提供一种如上所述的后退式连续超前注浆装置的使用方法，包括：

将套管的一端伸入硐室内沿掘进方向开设的钻孔中；

执行循环过程直至封堵器退出所述钻孔外，所述循环过程包括：

将注水管路与注浆管路阻断，通过注水管路向封堵器内注水直至封堵器处于膨胀状态之后，通过注浆管路向钻孔的底部注浆；

将注水管路与注浆管路连通，以冲洗注浆管路；

在冲洗注浆管路后，控制封堵器处于收缩状态，将套管向钻孔外移出预设距离。

根据本发明提供的一种使用方法，所述将套管的一端伸入硐室内沿掘进方向开设的钻孔中之前包括：

获取巷帮围岩强度信息与钻孔孔壁上的煤岩体结构面分布信息，确定注浆压力和注浆速度。

本发明提供的后退式连续超前注浆装置及其使用方法，在实际作业时，将套管的一端伸入钻孔内，相应地，位于套管一端的封堵器也伸入钻孔内，当伸入到目标位置后，将注水管路与注浆管路之间阻断，由注水管路向腔室内注水，封堵器的体积逐渐增大，直至封堵器的外壁面与钻孔的内壁面贴合，此时封堵器处于膨胀状态，封堵器和钻孔的底部之间形成了一个封闭空间，由注浆管路的输出端向该封闭空间注入早强型注浆液，早强型注浆液沿钻孔内的裂隙面渗透反应并固化，裂隙将逐步被填塞；将注水管路与注浆管路的输入端之间连通，注水管路的水能够进入注浆管路中以冲洗注浆管路，从而防止注浆管路堵塞，由于此时注浆管路的输入端与注浆管路的输出端之间阻断，能够避免水进入上述封闭空间内；待冲洗完毕后，减小腔室内的压力，使得封堵器处于收缩状态，封堵器的外壁面与钻孔的内壁面分离，将套管和封堵器向钻孔外拉出一定的距离，并重新将注水管路与注浆管路之间阻断，以重复上述的过程，直至钻孔被早强型注浆液填满，从而实现后退式的连续逐段注浆，保证了钻孔深部的注浆压力，且在此过程中，无需将注浆管路取出即可对注浆管路进行冲洗，保证了作业效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1是本发明提供的后退式连续超前注浆装置的整体结构示意图之一；

图2是本发明提供的后退式连续超前注浆装置的整体结构示意图之二；

图3是本发明提供的后退式连续超前注浆装置的局部结构示意图；

图4是本发明提供的使用方法的流程示意图；

图5是本发明提供的钻孔孔位的平面示意图；

图6是图5沿A方向的向视结构示意图。

附图标记：

1：套管；

2：注水管路；21：第一泄压阀；22：注水泵；23：供水容器；24：第一压力显示组件；

3：注浆管路；31：第二泄压阀；32：注浆泵；33：供浆容器；34：第二压力显示组件；

4：封堵器；

5：钻孔；

6：三通阀；

7：水压检测机构；

8：掘进巷道；81：左帮；82：左硐室；83：右帮；84：右硐室。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

下面结合图1至图6描述本发明的后退式连续超前注浆装置及其使用方法。

如图1至图3所示，本实施例所示的后退式连续超前注浆装置包括：套管1、注水管路2及注浆管路3。

套管1的一端设有封堵器4，注水管路2的输出端伸入套管1内并与封堵器4内的腔室连通；注浆管路3的输出端依次穿过套管1和腔室并伸出封堵器4外，出浆口形成于注浆管路3的输出端；封堵器4具有膨胀状态与收缩状态，在膨胀状态的情况下，封堵器4的外壁面与钻孔5的内壁面密封连接，在收缩状态的情况下，封堵器4的外壁面与钻孔5的内壁面分离；注水管路2可选择性地与注浆管路3的输入端连通或阻断，在注水管路2与注浆管路3的输入端连通的情况下，注浆管路3的输入端与注浆管路3的输出端阻断；在注水管路2与注浆管路3的输入端阻断的情况下，注浆管路3的输入端与注浆管路3的输出端连通。

具体地，本实施例所示的后退式连续超前注浆装置，在实际作业时，将套管1的一端伸入钻孔5内，相应地，位于套管1一端的封堵器4也伸入钻孔5内，当伸入到目标位置后，将注水管路2与注浆管路3之间阻断，由注水管路2向腔室内注水，封堵器4的体积逐渐增大，直至封堵器4的外壁面与钻孔5的内壁面贴合，此时封堵器4处于膨胀状态，封堵器4和钻孔5的底部之间形成了一个封闭空间，由注浆管路3的输出端向该封闭空间注入早强型注浆液，早强型注浆液沿钻孔5内的裂隙面渗透反应并固化，裂隙将逐步被填塞；将注水管路2与注浆管路3的输入端之间连通，注水管路2的水能够进入注浆管路3中以冲洗注浆管路3，从而防止注浆管路3堵塞，由于此时注浆管路3的输入端与注浆管路3的输出端之间阻断，能够避免水进入上述封闭空间内；待冲洗完毕后，减小腔室内的压力，使得封堵器4处于收缩状态，封堵器4的外壁面与钻孔5的内壁面分离，将套管1和封堵器4向钻孔5外拉出一定的距离，并重新将注水管路2与注浆管路3之间阻断，以重复上述的过程，直至钻孔5被早强型注浆液填满，从而实现后退式的连续逐段注浆，保证了钻孔深部的注浆压力，且在此过程中，无需将注浆管路3取出即可对注浆管路3进行冲洗，保证了作业效率。

在一些实施例中，如图1至图3所示，本实施例所示的后退式连续超前注浆装置还包括：三通阀6；三通阀6设于套管1内，三通阀6位于注浆管路3上，三通阀6具有第一工作口、第二工作口及第三工作口；第一工作口与注浆管路3的输入端连通，第二工作口与注浆管路3的输出端连通，第三工作口与注水管路2连通；三通阀6的阀芯用于控制第一工作口与第二工作口连通，或者，第一工作口与第三工作口连通。

具体地，在向钻孔5内注浆时，如图1所示，第一工作口与第二工作口连通，此时注水管路2和注浆管路3之间相互独立，由注水管路2向腔室内注水，由注浆管路3向钻孔5底部注浆；在冲洗注浆管路3时，如图2所示，第一工作口与第三工作口连通，此时注水管路2和注浆管路3连通，注水管路2中的水通过三通阀6流入注浆管路3中并朝向注浆管路3的输入端流动，以冲洗注浆管路3，基于三通阀6的结构，第二工作口与第三工作口之间阻断，从而避免水流向注浆管路3的输出端，进而避免水破坏已固化的早强型注浆液；在图1和图2中用箭头示意了注水管路2中和注浆管路3中流体的流动方向。

其中，三通阀6可以为电磁三通阀。

在一些实施例中，如图1至图3所示，本实施例所示的后退式连续超前注浆装置还包括：水压检测机构7；水压检测机构7设于注水管路2上，水压检测机构7与三通阀6通讯连接，水压检测机构7根据水压值从而触发阀芯状态的切换。

具体地，在实际作业过程中，可将阀芯状态切换的水压值设定为15MPa，在向钻孔5内注浆时，注水管路2中的注水压力为8MPa，此时无法触发阀芯状态的切换，第一工作口与第二工作口保持连通，注水管路2和注浆管路3之间阻断；在清洗注浆管路3时，将注水管路2中的注水压力调整为15MPa，此时能够触发阀芯状态的切换，使得第一工作口与第三工作口连通，注水管路2和注浆管路3之间连通。

其中，水压检测机构7可以为水压传感器，压力值可根据实际的作业条件合理设定。

在一些实施例中，如图1至图3所示，本实施例所示的注水管路2上设有第一泄压阀21，在第一泄压阀21闭合的情况下，注水管路2能够持续向腔室内注水并保持一定的压力，使得封堵器4能够有效贴合钻孔内壁面以实现封堵，进而保证了钻孔深部能够拥有足够的注浆压力；在第一泄压阀21打开的情况下，注水管路2中的水通过第一泄压阀21流失，以使得封堵器4处于收缩状态，从而便于封堵器4向钻孔5外退出。

在一些实施例中，如图1至图3所示，本实施例所示的注浆管路3上设有第二泄压阀31，在注浆过程中，将第二泄压阀31闭合，注浆管路3能够持续向钻孔5内注浆并保持一定的压力；在冲洗过程中，将第二泄压阀31打开，注水管路2中的水冲洗完注浆管路3后由第二泄压阀31排出。

在一些实施例中，如图1和图2所示，本实施例所示的注水管路2的输入端通过注水泵22与供水容器23连通，注水泵22抽取供水容器23中的水并按照一定的压力泵送入注水管路2中。

其中，供水容器23可以为水池。

在一些实施例中，如图1和图2所示，本实施例所示的注浆管路3的输入端通过注浆泵32与供浆容器33连通，注浆泵32抽取供浆容器33中的水并按照一定的压力泵送入注浆管路3中。

其中，供浆容器33可以为浆液池。

在一些实施例中，如图1和图2所示，本实施例所示的注水管路2上设有第一压力显示组件24，第一压力显示组件24用于显示注水管路2中的压力值，以便于操作人员根据压力值对应控制注水泵22；注浆管路3上设有第二压力显示组件34，第二压力显示组件34用于显示注浆管路3中的压力值，以便于操作人员根据压力值对应控制注浆泵32。

其中，第一压力显示组件24和第二压力显示组件34可以为压力表。

如图4所示，本实施例还提供一种如上所述的后退式连续超前注浆装置的使用方法，包括：步骤401、步骤402、步骤403及步骤404。

步骤401、将套管的一端伸入硐室内沿掘进方向开设的钻孔中，从而将封堵器伸入钻孔中。

硐室和钻孔为预先施工得到，如图5和图6所示，在掘进巷道8的左帮81开挖出左硐室82，在右帮83开挖出右硐室84，左硐室82和右硐室84呈长方体状，长宽高分别为3m、3m及4m，采用定向钻机在左硐室82和右硐室84内沿掘进方向水平钻孔，孔深根据每月掘进尺寸并结合现场情况确定，钻孔的直径不小于75mm，距离巷帮外侧0.3～0.5m，从上至下垂直布置1列3个钻孔，孔间距为1m，最上面的钻孔距离顶板0.5m，孔位可以根据巷帮围岩强度与围岩结构等进行调整。

在完成步骤401后，执行循环过程直至封堵器退出钻孔外，封堵器退出钻孔外表征钻孔内已完成后退式的连续逐段注浆，循环过程包括：步骤402、步骤403及步骤404。

步骤402、将注水管路与注浆管路阻断，通过注水管路向封堵器内注水直至封堵器处于膨胀状态之后，通过注浆管路向钻孔的底部注浆。

在此步骤中，注水管路与注浆管路相互独立，封堵器膨胀并与钻孔的内壁面贴合，以使得封堵器和钻孔底部之间能够拥有足够的注浆压力。

步骤403、将注水管路与注浆管路连通，以冲洗注浆管路。

在此步骤中，早强型注浆液在钻孔内逐渐固化，此时对应控制三通阀将注水管路与注浆管路连通，由注水管路中的水冲洗注浆管路，以防止注浆管路堵塞，冲洗后的水通过第二泄压阀流出。

步骤404、在冲洗注浆管路后，控制封堵器处于收缩状态，将套管向钻孔外移出预设距离。

在此步骤中，开启第一泄压阀将注水管路中的水排出，封堵器收缩，封堵器与钻孔的内壁面分离，以便于将套管向外拉出一定的距离，从而对钻孔的下一段进行注浆，进而实现后退式的连续逐段注浆，直至早强型注浆液填满钻孔，即完成一个钻孔的超前注浆操作。

其中，预设距离可以为3m。

在将套管的一端伸入硐室内沿掘进方向开设的钻孔中之前包括：获取巷帮围岩强度信息与钻孔孔壁上的煤岩体结构面分布信息，确定注浆压力和注浆速度。

其中，采用钻孔触探法进行巷道围岩强度测试，获取距离巷帮外侧不同位置的煤体强度，以得到巷帮围岩强度信息；采用电子钻孔窥视仪观测钻孔壁上的煤岩体结构面分布情况，获取节理、裂隙等的分布和发展变化，以得到钻孔孔壁上的煤岩体结构面分布信息，根据巷帮围岩强度信息与钻孔孔壁上的煤岩体结构面分布信息对注浆压力和注浆速度进行调整，以保证注浆加固的质量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。