[发明专利]一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置及方法

权利要求书

1.一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，包括耐高压中空螺纹钢杆体和高压气体预裂装置两个主要部分；所述的耐高压中空螺纹钢杆体的两端口均加工有螺纹丝口，杆体上靠近其中一端口设有固定挡板；所述的高压气体预裂装置由预裂装置壳体、起裂压力控制膜片、密封垫圈、缓冲腔、支撑剂容器、支撑剂注入通道、密封螺钉、支撑剂材料和射流孔组成；所述预裂装置壳体为中空结构，其一端开口，与耐高压中空螺纹钢杆体远离固定挡板的一端连接，另一端封闭，封闭端底部和四周开有能够使气体或浆液射出的射流孔；预裂装置壳体与耐高压中空螺纹钢杆体的连接处设有起裂压力控制膜片和密封垫圈；所述支撑剂容器嵌装在预裂装置壳体中，支撑剂容器壁上留设孔洞，该孔洞与预裂装置壳体上留设的支撑剂注入通道连通，通道由螺钉密封；所述支撑剂容器与预裂装置壳体内壁之间留有气体通道；所述支撑剂容器与起裂压力控制膜片之间形成缓冲腔，缓冲腔连通气体通道。

2.根据权利要求1所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，所述耐高压中空螺纹钢杆体是采用螺纹钢加工而成的两端开口的杆体；所述固定挡板距离其近处端口0.7～1.0m处设置；所述固定挡板通过焊接的方式固定在耐高压中空螺纹钢杆体表面。

3.根据权利要求1所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，所述耐高压中空螺纹钢杆体的一端开口处设置有凹槽，用来固定起裂压力控制膜片。

4.根据权利要求3所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，所述起裂压力控制膜片采用铝材加工制作而成,膜片破裂后不产生碎片。

5.根据权利要求1所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，所述起裂压力控制膜片的破裂压力值跟巷道的埋深、围岩岩性以及所处的应力状态有关，具体可由下式计算得出：

P＝σ_t-3σ₃+σ₁

式中：P为起裂压力控制膜片的破裂压力值；σ_t为巷道围岩抗拉强度；σ₁和σ₃分别为第一主应力和第三主应力，σ_t、σ₁和σ₃的正负号规定为拉应力为正，压应力为负。

6.根据权利要求1所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆装置，其特征在于，所述支撑剂容器采用塑性材料制成，且该材料的最大抗压能力远小于膜片破裂压力值。

7.一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤1)：在完成锚喷初始支护之后的软岩巷道围岩打注浆孔；

步骤2)：将高压气体预裂装置与耐高压中空螺纹钢杆体通过丝口连接在一起，并将高压气体预裂装置置于注浆孔中，采用高强速凝混凝土将杆体上固定挡板之外的区域固定于注浆孔壁上，起到密封注浆孔的作用；

步骤3)：通过高压输气管将外部空气压缩机与中空的螺纹钢杆体连接，开启输气阀门，通过高压输气管和耐高压中空螺纹钢杆体将高压气体输送到气体预裂装置，当气体压力达到起裂压力控制膜片的起裂压力值时，膜片破裂，瞬间释放高压气体，高压气体通过缓冲腔到达支撑剂容器，支撑剂容器壁瞬时被高压气体冲破，高压气体携带大量的支撑剂颗粒通过气体通道和射流通道进入注浆孔；

步骤4)：高压气体的动压力作用使注浆孔壁围岩原生裂隙得到扩张并产生了较大的新裂隙，高压气体中携带着大量的支撑剂颗粒，这些小的颗粒随气体进入到围岩裂隙中，起到了支撑裂隙、防止裂隙重新闭合的作用；

步骤5)：启动气体预裂后，保持气体压力一段时间，使软岩巷道围岩得到充分预裂，随后关闭外部空气压缩机，断开高压输气管与中空的螺纹钢杆体的连接，然后立即对围岩进行注浆加固，浆液通过中空的螺纹钢杆体、破裂后的起裂膜片和气体通道，从气体预裂装置头部的射流孔进入围岩裂隙，完成软岩巷道围岩的注浆加固。

8.根据权利要求7所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆方法，其特征在于，所述的注浆孔的深度为2～3m，直径为35～40mm。

9.根据权利要求7所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆方法，其特征在于，步骤5)中所述的保持气体压力一段时间为10～15分钟。

10.根据权利要求7所述的一种软岩巷道围岩高压气体主动预裂注浆方法，其特征在于，所述支撑剂颗粒的粒径大于水泥的粒径，强度为50～70MPa。