一种自振射流注浆锚杆一体化施工设备及方法与流程

本发明涉及矿山、交通、水利、工程领域用的锚杆。

背景技术：

在矿山工程、岩土工程、隧道工程等领域中，为防止地层和围岩变形或失稳而危及工程安全，需要对地层围岩进行支护加固，而锚杆支护加固技术是应用最为广泛的一种支护技术。锚杆支护既能充分地发挥岩土体自身的稳定能力，又对原岩扰动小、施工速度快、安全可靠、经济有效，因而在矿山支护、隧道支护、边坡支护、大型地下硐室支护，以及各类建筑物抗浮、抗倾覆工程中得到广泛的应用。其中，注浆锚杆的支护加固效果相比于普通锚杆更为有效。注浆锚杆可实现有压全长粘结，既提高了锚固强度，又可以使浆体有效深入围岩裂隙、提高破碎围岩整体强度，更有效控制围岩变形，且锚杆包裹性好，不易被地层流体腐蚀。

目前，大部分矿山及岩土工程中应用的注浆锚杆都是以液压或风动钻机为动力源，旋转钻进到地层位置深度后，再安装锚杆，最后进行注浆施工作业。此类注浆锚杆对于改善围岩应力环境和提高围岩承载力虽具有比较明显的效果，但是在围岩体破碎程度高、裂隙发育、围岩自稳时间短、钻眼孔底岩石坚硬等工程中或其它特殊情况下，具有以下不足：(1)注浆压力低，无法有效深入裂隙，松散破碎围岩整体加固效果差；(2)锚杆钻进与注浆不能一体化同步进行，一般需先钻孔、抽出钻杆、安装锚杆后，再进行注浆作业，造成施工周期长，且对于极不稳定的围岩，容易错过最佳锚固支护时机，造成围岩变形失稳，甚至破坏；(3)钻进过程中，仅依靠动力源的旋转钻进，钎头对孔底坚硬岩石的冲击力小，凿岩和破岩效率低、钻速慢、钻眼施工周期长。因此，注浆锚杆的实际应用推广效果并不是十分理想，表现为其全长注浆密实度不高，承载能力不足，施工工序复杂，钻速慢、周期长等。为了克服上述问题，研究人员提出了多种新型注浆锚杆。

例如：中国发明专利zl201310096450.0公开了一种射孔大头注浆恒阻锚杆，开发了一种适用矿井特殊环境的使用的锚杆，通过爆破射孔装置在锚杆端头(破碎煤岩体内)形成爆破射孔裂隙或孔洞，再利用高压注浆装置在端头破碎煤岩体（软岩）内形成大头锚固锚杆，可在一定程度上提高孔底破岩效率，实现高压注浆等特点，解决了现有普通锚杆在高应力围岩、软岩和破碎岩体的复杂地质条件下支护强度低的问题。但是，该种锚杆采用爆破的手段，施工条件和工序复杂，也不能实现钻眼和注浆同步一体化施工，中途需要更换设备，可能延误最佳支护时机。

中国实用新型专利zl201420048521.x公开了一种自进式注浆锚杆，用于隧道软弱围岩施工以及隧道塌方处置，也可用于边坡防护。注浆锚杆主体包括中空设置有中央注浆通道的锚杆体，锚杆体前端安装有带有钻头刀刃“8”的十字钻头，解决了传统锚杆打孔、塞锚固剂和放锚杆复杂施工工序，并且通过中空锚杆体注浆能够实现锚杆与岩体全长紧密接触，避免了塌孔时锚杆难以塞入、锚固剂不密实等问题。但是该种锚杆也不能实现钻眼和注浆同步一体化施工，且刀刃“8”的十字钻头破岩效率也有待提高。

中国实用新型专利zl201220074667.2公开了一种矿用高压水自钻注浆锚杆，由锚头、杆身和支座三部分组成，锚头由高压水出口、高压输水管和钻头组成，高压输水管置于在锚杆体和钻头内部，高压水出口置于钻头的前端，利用高压水辅助击穿岩石而提高钻速，提高了支护作业效率，有效地提高了初锚力和支护后的锚力。但是，该种锚杆高压水击穿岩石过程和注浆过程是分开作业的，即先进行钻头钻进，并辅以高压水击穿岩石，再进行注浆施工作业，锚杆钻进与注浆也不是同步一体化施工，同样存在施工周期长、工序复杂的问题，而且该钻进过程增加了高压水破岩这一工艺过程，可能使施工工序繁琐。如果能用水泥浆直接替代高压水，并实现同步钻进和注浆作业，将会大大简化施工工序，缩短时间，提高钻速。

综上所述，现有注浆锚杆，普遍存在锚杆钻进与注浆不能同步一体化施工，施工周期长、工序复杂的问题，且对于岩石破碎程度高、裂隙发育、围岩自稳时间短、钻眼孔底岩石坚硬等的支护效果不甚理想，本发明一种自振射流注浆锚杆一体化施工设备及方法能较好解决上述支护难题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有注浆锚杆的不足，提供一种自振射流注浆锚杆一体化施工设备，解决地下工程中岩石破碎程度高、裂隙发育、围岩自稳时间短的支护问题，以及孔底岩石坚硬导致的钻眼效率低、施工周期长、工序复杂的问题，既可以作为永久支护，又可以用作临时支护。同时提供该设备的使用方法。

本发明一种自振射流注浆锚杆一体化施工设备的构造为：由自振射流注浆锚杆、高压旋转混浆器、注浆装置、液压驱动装置组成。

所述的自振射流注浆锚杆，锚杆前端头设置自振动发生器，自振动发生器连接有钎头，能形成轴向振动冲击而高效钻孔凿岩，锚杆杆体的后端头设置有止浆塞、托盘、注浆接口、螺母和连接插槽，锚杆杆体为带有螺棱搅拌片的中空杆体，可以在注浆后充分搅拌浆体，实现均匀、全长粘结，锚杆杆体与钻孔壁之间有注浆形成的粘结层。

所述的自振动发生器是由前后两个异形截面的旋转拨齿构成，锚杆杆体在旋转钻进时带动前拨齿旋转转动，前拨齿在旋转过程中拨动后拨齿旋转，前后旋转拨齿的交错移动产生轴向冲击，后拨齿连接有钎头，旋转一周冲击一个循环，可以实现高频冲击钻孔孔底坚硬岩石，比单纯磨削岩石破碎效率更高，实现高效钻进破岩。

所述的钎头是由刀翼、射流注浆喷嘴、镶齿、密封挡圈构成，刀翼数量可根据岩石坚硬程度设置为3~6刀翼，射流注浆喷嘴为锥直型喷嘴，喷嘴数量可根据注浆要求设置3~6个，镶齿为耐冲击聚晶金刚石复合片，可以在旋转冲击作用下高效破碎岩石。

所述的高压旋转混浆器，其上部设置有进料口，底部设置有能够自由升降和旋转的旋转支腿，可对不同角度、高度的部位实施一体化同步钻孔、注浆，前部设置有3~6个射流喷管，作用是使高压旋转混浆器内部的浆体形成高速射流，内腔设置有旋转轴，旋转轴前端设置连接插头，与自振射流注浆锚杆的连接插槽相配合连接，后端设置有轴承，两端均设置有高压密封盒，采用高压旋转车式密封，耐压可达30mpa以上。

所述的注浆装置是由注浆泵、高压注浆管汇、高压控制阀构成，作用是随时调整注浆所需的浆体量和注浆压力，保证施工时浆体供给的压力或流量充足、均匀性良好。

所述的液压驱动装置是由液压马达、液压管汇、液压工作站构成，作用是为了更好的给一种自振射流注浆锚杆一体化施工设备提供旋转动力，驱动高压旋转混浆器旋转轴以及自振射流注浆锚杆体转动。

本发明一种自振射流注浆锚杆一体化施工设备的施工方法为：首先调节旋转支腿就位，再将高压旋转混浆器连接到液压马达和液压工作站，并与注浆泵用高压注浆管汇和控制阀连接，自振射流注浆锚杆就位后，需提前安装好螺母、托盘、止浆塞，然后自振射流注浆锚杆通过高压旋转混浆器前端的连接插头和锚杆杆体后端的连接插槽与高压旋转混浆器连接，同时，高压旋转混浆器的射流喷管出口与自振射流注浆锚杆的注浆接口刚好对接，形成注浆流动通道；施工时，先启动液压工作站和液压马达，驱动高压旋转混浆器旋转轴转动，带动自振射流注浆锚杆转动，杆体转动过程中，触发自振动发生器前拨齿转动，前拨齿拨动后拨齿旋转，交错移动旋转一周完成一次冲击，并持续循环冲击，冲击作用传导至钎头，完成对钻孔孔底岩石的冲击破碎，最后，适时启动注浆泵，浆体流入高压旋转混浆器进料口，并输送至前端射流喷管，产生第一级高速射流，浆体再通过自振射流注浆锚杆注浆接口进入锚杆杆体，并输送到钎头的射流注浆喷嘴，喷出形成第二级高速、高压水泥浆射流，既能在钻孔过程中起到辅助破碎孔底岩石的作用，又可以使高速、高压浆体在螺棱搅拌片的搅动下流经整个钻孔，与孔壁全长粘结，并侵入深部破碎或裂隙岩体，同步完成注浆加固过程，达到钻孔施工与注浆施工同步一体化施工的目的。

本发明一种自振射流注浆锚杆一体化施工设备的优点是：

1、采用自振射流注浆锚杆，在旋转钻孔的过程中自身产生振冲作用，能够提高钎头的凿岩或破岩效率，提高钻孔速度、节省施工时间，高压、高速射流浆体还可以深入破碎或裂隙围岩体的深部，相对于现有技术来说，注浆加固范围广、深度大和效果好，同时还能实现锚杆钻孔、注浆同步一体化施工，工艺流程简单，大幅缩短施工工期。

2、采用高压旋转混浆器，对水泥浆这种多相混合流体介质的高压密封性能好，可以提高注浆压力，可达30mpa以上，围岩注浆加固效果好；旋转支腿可以自由升降和旋转，能实现对不同角度、高度的部位实施一体化同步钻孔、注浆施工，拆卸方便、结构可靠，适用于施工现场复杂工作条件。

3、该设备施工工序系统化，钻孔效率高，注浆质量和效果好，且施工工艺简单、方便、工期短，性价比优越，物理力学性能稳定。

附图说明

图1是本发明的整体结构连接示意图。

图2是图1中自振射流注浆锚杆体的结构示意图。

图3是图1中高压旋转混浆器结构示意图。

图4是图2中钎头的结构示意图。

图5是图2中钎头的a-a剖面图。

图6是本发明中自振射流注浆锚杆使用状态示意图。

图中：1—自振射流注浆锚杆；2—高压旋转混浆器；3—注浆泵；4—高压注浆管汇；5—高压控制阀；6—液压马达；7—液压管汇；8—液压工作站；9—粘结层；10—钻孔；101—钎头；102—自振动发生器；103—锚杆杆体；104—螺棱搅拌片；105—止浆塞；106—托盘；107—螺母；108—注浆接口；109—连接插槽；201—旋转轴；202—射流喷管；203—连接插头；204—轴承；205—平键；206—高压密封盒；207—进料口；208—旋转支腿；1011—刀翼；1012—射流注浆喷嘴；1013—镶齿；1014—密封挡圈。

具体实施方式

本发明提供了一种自振射流注浆锚杆一体化施工设备，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1～图6所示，本发明一种自振射流注浆锚杆一体化施工设备，包括自振射流注浆锚杆1、高压旋转混浆器2、注浆装置、液压驱动装置。

所述的自振射流注浆锚杆1，锚杆前端头设置自振动发生器102，自振动发生器102连接钎头101，形成轴向振动冲击从而高效钻孔凿岩，锚杆杆体103的后端头设置有止浆塞105、托盘106、注浆接口108、螺母107和连接插槽109，锚杆杆体103为带有螺棱搅拌片104的中空杆体，可以在注浆后充分搅拌浆体，实现均匀、全长粘结，锚杆杆体103与钻孔10孔壁之间有注浆形成的粘结层9。

所述的自振动发生器102是由前后两个异形截面的旋转拨齿构成，锚杆杆体103在旋转钻进时带动前拨齿旋转转动，前拨齿在旋转过程中拨动后拨齿旋转，前后旋转拨齿的交错移动产生轴向冲击，后拨齿连接有钎头101，旋转一周冲击一个循环，可以实现高频冲击钻孔10孔底坚硬岩石，比单纯磨削岩石破碎效率更高，实现高效钻进破岩。

所述的钎头101包括刀翼1011、射流注浆喷嘴1012、镶齿1013、密封挡圈1014，刀翼1011数量可根据岩石坚硬程度设置为3~6刀翼，射流注浆喷嘴1012为锥直型喷嘴，喷嘴数量可根据注浆要求设置3~6个，镶齿1013为耐冲击聚晶金刚石复合片，可以在旋转冲击作用下高效破碎岩石。

所述的高压旋转混浆器2，其上部设置有进料口207，底部设置有能够自由升降和旋转的旋转支腿208，可对不同角度、高度的部位实施一体化同步钻孔、注浆，前部设置有3~6个射流喷管202，作用是使高压旋转混浆器2内部的浆体形成高速射流，内腔设置有旋转轴201，旋转轴201前端设置连接插头203，与自振射流注浆锚杆1的连接插槽109相配合连接，后端设置有轴承204，两端均设置有高压密封盒206，采用高压旋转车式密封，耐压可达30mpa以上。

所述的注浆装置是由注浆泵3、高压注浆管汇4、高压控制阀5构成，作用是随时调整注浆所需的浆体量和注浆压力，保证施工时浆体供给的压力或流量充足、均匀性良好。

所述的液压驱动装置是由液压马达6、液压管汇7、液压工作站8构成，作用是为了更好的给本发明提供旋转动力，驱动高压旋转混浆器2的旋转轴201以及自振射流注浆锚杆杆体103转动。

本发明一种自振射流注浆锚杆一体化施工设备，具体包括以下工作过程：

1、首先调节旋转支腿208就位，再将高压旋转混浆器2连接到液压马达6和液压工作站8，并与注浆泵3用高压注浆管汇4和控制阀5连接，自振射流注浆锚杆1就位后，需提前安装好螺母107、托盘106、止浆塞105，然后将自振射流注浆锚杆1通过高压旋转混浆器2前端的连接插头203和锚杆杆体103后端的连接插槽109与高压旋转混浆器2连接，同时，高压旋转混浆器2的射流喷管202出口与自振射流注浆锚杆1的注浆接口108刚好对接，形成注浆流动通道；

2、施工时，先启动液压工作站8和液压马达6，驱动高压旋转混浆器2的旋转轴201转动，带动自振射流注浆锚杆1的锚杆杆体103转动，锚杆杆体103转动过程中，触发自振动发生器102的前拨齿转动，前拨齿拨动后拨齿旋转，旋转一周完成一次冲击，并持续循环冲击，冲击作用传导至钎头101，完成对钻孔10的孔底岩石的冲击破碎；

3、适时启动注浆泵3，浆体流入高压旋转混浆器2的进料口207，并输送至前端射流喷管202，产生第一级高速射流，浆体再通过自振射流注浆锚杆1的注浆接口108进入锚杆杆体103，并输送到钎头101的射流注浆喷嘴1012，喷出形成第二级高速、高压水泥浆射流，既能在钻孔过程中起到辅助破碎钻孔10孔底岩石的作用，又可以使高速、高压浆体在螺棱搅拌片104的搅动下流经整个钻孔10，与孔壁全长粘结，并侵入深部破碎或裂隙岩体，同步完成注浆加固过程，达到高效钻孔与注浆同步一体化施工的目的。