CN116290123B - 一种用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土层防塌陷领域，具体为一种用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置及方法。其包括：主管，其竖直设置在预先在土层上钻出的作业孔内，其底端伸入岩层上与作业孔连通的孔洞内；伸缩管组，其绕主管均匀分布多组，其沿远离主管方向倾斜向下分布，其包括沿远离主管方向分布的多个依次滑动连接且直径逐渐减小的侧管，直径最大的侧管与主管连通，侧管上均匀分布多个喷射孔；斜向钻孔装置，其包括能伸出并抵接在伸缩管组中最下方侧管上的钻头机构，以及用于驱动钻头机构移动至伸缩管组内侧或从伸缩管组内侧移出的驱动装置；吊放装置；灌浆装置。本发明能制造盖状的加固支撑结构从而扩大对土层的承托范围和承托稳定性且能对岩层孔洞进行封盖。

Description

一种用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置及方法

技术领域

本发明涉及土层防塌陷领域，特别是涉及一种用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置及方法。

背景技术

对于地下基岩层中的孔洞，可能会出现渗入或流入至孔洞内的地下水，地下水会向上扩散并与上方土层接触，土层的土壤会在地下水的浸入作用下变松软并向下方岩层孔洞内塌陷，最终导致上方地表的下陷。

中国专利公开号CN105064366A公开了一种防渗施工中的高压旋喷灌浆跟管结构及其施工方法，包括覆盖层、钻孔孔洞和基岩，所述覆盖层覆盖于基岩上，覆盖层上开设钻孔孔洞，所述钻孔孔洞中设有PVC套管，并通过备管、钻孔、清理、灌浆等工序，完成防渗体施工。本技术方案通过采用普通材质的套管，该套管的材质或结构使其容易破碎，在高压旋喷灌浆时直接将套管击碎并与浆料混合，成为防渗体中的一部分，起到防渗作用。

但是，上述方案中，对于浆料和破碎的套管最终形成的防渗体，防渗体大体呈竖直分布的柱形结构，浆料向外扩散的范围有限，则最终形成的防渗体对覆盖层起到的承托范围有限，承托稳定性效果有限。

发明内容

本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种能制造盖状的加固支撑结构从而扩大对土层的承托范围和承托稳定性且能保证对岩层孔洞进行封盖的用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置及方法。

一方面，本发明提出一种用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置，包括：

主管，其竖直设置在预先在土层上钻出的作业孔内，其底端伸入岩层上与作业孔连通的孔洞内；

伸缩管组，其绕主管均匀分布多组，其沿远离主管方向倾斜向下分布，其包括沿远离主管方向分布的多个依次滑动连接且直径逐渐减小的侧管，直径最大的侧管与主管连通，侧管远离主管的一端沿径向向内方向同轴设置有限位环部，侧管另一端沿径向向外方向同轴设置有挡环部，侧管上均匀分布多个喷射孔；

斜向钻孔装置，其呈环形均匀分布多组，其与伸缩管组一一对应，其包括能伸出并抵接在伸缩管组中最下方侧管上的钻头机构，以及用于驱动钻头机构移动至伸缩管组内侧或从伸缩管组内侧移出的驱动装置，从而在土层和岩层内钻出斜向的穿管孔；

吊放装置，其能同轴支撑在主管内壁上，用于将斜向钻孔装置吊放至钻头机构对准主管和侧管连通处的高度；

灌浆装置，其在斜向钻孔装置和吊放装置从作业孔内撤出后能同轴支撑在主管内壁上，灌浆装置具有向伸缩管组进行灌浆的灌浆管a以及向岩层孔洞内壁和主管内灌浆的灌浆管b。

优选的，钻头机构包括钻头主体、板状钻头、移动驱动机构a、铰接座和动力装置a，钻头主体为回转形结构，钻头主体的最大直径小于伸缩管组中最下方侧管上限位环部的内径，钻头主体上设置有供板状钻头收入的收纳槽，板状钻头外端轮廓与收纳槽槽口轮廓吻合，板状钻头底端通过铰接座与钻头主体铰接，板状钻头外端具有多个钻磨凸台，板状钻头内侧面设置有凹槽，移动驱动机构a两端分别转动连接在收纳槽内壁和凹槽内壁上，动力装置a包括动力源和外壳，动力源设置在外壳内，动力源与钻头主体驱动连接，外壳底端外边缘设置有导向斜面，外壳通过导向斜面抵接在伸缩管组中最下方侧管上的限位环部上，外壳外周面与该侧管内壁形状吻合且滑动连接。

优选的，驱动装置包括对称分布的两组链式机构和用于驱动两组链式机构同步伸长或收卷的工位可调式驱动装置；链式机构包括连接架、链条机构、链轮和用于收卷链条机构的卷链辊，连接架一端与外壳连接，连接架另一端连接在链条机构一端，链条机构绕接在链轮上，链条机构另一端与卷链辊连接，卷链辊轴向两端设置有沿径向外延的挡板部，两组链条机构在链轮和连接架之间相互抵接的部分呈斜向下倾斜的直线形。

优选的，链条机构包括多组链条组件，每组链条组件包括一个抵接架、两个连接辊和两个连接板，连接架与链式机构底端的抵接架固定连接，连接辊贯穿抵接架并与抵接架转动连接，两个连接辊沿径向并排分布，连接板与相邻两组链条组件中的两个相邻连接辊转动连接，同组链式机构中任意两个相邻连接辊之间形成供链轮上的齿卡入的空间，两个连接板分布在抵接架外侧，抵接架上设置有抵紧面、承接面、弧形面和抵接面，承接面为圆弧形曲面，抵接面为平面，承接面和抵接面呈阶梯形分布，且承接面位于阶梯的较低端；

同一组链条机构中，一个抵接架的抵紧面抵接在相邻抵接架的承接面上；

两组链条机构中，相对的两个抵接架通过抵接面抵接。

优选的，还包括通讯模块、控制终端和用于检测链轮转动圈数的圈数传感器，圈数传感器与通讯模块通讯连接，通讯模块与控制终端通讯连接，控制终端与钻头机构和驱动装置分别控制连接；预设钻头机构钻进方向上岩层和土层交界处至钻进岩层内的钻进终点距离为m，链轮转动圈数为n，链轮齿数为z，同组链条机构中相邻两个连接辊的轴距为p，斜向钻孔装置在被吊放至钻头机构对准主管和侧管连通处的高度时的位置为钻头机构初始位，钻头机构至作业孔底端的距离为H，作业孔底端为岩层和土层交界处，穿管孔倾斜角度为α，钻头机构初始位至钻进方向上岩层和土层交界处的距离为M，则：

通过上面两个公式可得：。

优选的，工位可调式驱动装置包括齿轮e、动力装置b、移动驱动机构b、安装罩和对称分布的两组传动机构，传动机构包括齿轮a、转动轴a、齿轮b、转动轴b、齿轮c、转动轴c、齿轮d和转动轴d；两组传动机构中，两个齿轮b啮合连接，两个齿轮d啮合连接；移动驱动机构b设置在安装罩上，移动驱动机构b输出端与动力装置b连接，动力装置b与齿轮e驱动连接，齿轮e与齿轮a或齿轮d啮合连接，链轮和齿轮a同轴设置在转动轴a上，齿轮a与齿轮b啮合连接，齿轮b设置在转动轴b上，卷链辊和齿轮c同轴设置在转动轴c上，齿轮c与齿轮d啮合连接，齿轮d设置在转动轴d上，转动轴a、转动轴b、转动轴c和转动轴d均转动设置在安装罩内；安装罩底部设置有供链条机构穿过的通道，通道处转动设置有托辊，托辊支撑在倾斜的链条机构的斜下侧。

优选的，主管内壁竖直设置有导向条，导向条绕主管中心轴均匀分布多个；吊放装置包括滚动组件、吊放机构和安装架，滚动组件呈圆环形均匀设置多组，滚动组件与导向条一一对应，滚动组件包括滚轮a和轮架a，滚轮a上设置有能卡到导向条上的滚槽a，滚轮a转动设置在轮架a上，滚轮a沿竖直方向并排设置多个，轮架a设置在吊放机构上，安装架设置在吊放机构底部，安装罩设置在安装架上。

优选的，主管内壁竖直设置有导向条，导向条绕主管中心轴均匀分布多个；灌浆装置上呈圆环形均匀设置有多组定位导向组件，定位导向组件与导向条一一对应，定位导向组件包括滚轮b和轮架b，滚轮b上设置有能卡到导向条上的滚槽b，滚轮b转动设置在轮架b上，滚轮b沿竖直方向并排设置多个，轮架b设置在灌浆装置上。

优选的，作业孔上部套放有防护管，防护管支撑在土层顶面，防护管外周面抵接在作业孔内壁；主管包括由上至下依次同轴连接的主体管部、扩管部和探管部，主体管部与侧管连通，扩管部外径大于主体管部外径和探管部外径，扩管部外径小于防护管内径，扩管部底端抵接在作业孔底部，探管部伸入至岩层的孔洞内；伸缩管组在收缩状态下的最外端至主体管部中心轴的距离小于防护管。

另一方面，本发明提出一种用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的方法，采用上述用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置来实施，该方法包括如下步骤：

S1、使用钻机预先在土层上钻出作业孔至岩层顶面，以与岩层中的孔洞顶部连通；

S2、将主管吊放至作业孔内，主管底端伸入岩层的孔洞内，伸缩管组随主管下移；

S3、使用吊放装置将斜向钻孔装置吊放至主管内，直至斜向钻孔装置中的钻头机构对准主管和侧管连通处，吊放装置将斜向钻孔装置维持在该高度；

S4、通过驱动装置驱动钻头机构向伸缩管组内移动，钻头机构从伸缩管组中最下方侧管伸出并抵接在该侧管上的限位环部处；

S5、启动钻头机构，驱动装置继续驱动钻头机构移动，钻头机构在土层内进行钻进，并带动伸缩管组逐渐伸长，直至钻头机构钻进岩层内；

S6、关停钻头机构，通过驱动装置驱动钻头机构反向移动，钻头机构穿过伸缩管组，并移动至初始位置，此时，伸缩管组处于穿管孔内；

S7、通过吊放装置将斜向钻孔装置从主管内向上吊出；

S8、将灌浆装置与地表上的高压灌注发泡设备连通，将灌浆装置吊放至主管内，灌浆装置同轴支撑在主管内壁上，通过灌浆管a和灌浆管b将高压灌注发泡设备输送而来的能膨胀固结的聚氨酯泡沫喷射出去，灌浆管a向伸缩管组内输送聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫通过侧管上的喷射孔向土层内和岩层内扩散并形成放射状的固结防护层a，聚氨酯泡沫在伸缩管组内形成固结防护层b，在孔洞内壁形成固结防护层c，在形成固结防护层a、固结防护层b和固结防护层c后，将灌浆装置上移，在上移过程中，灌浆管b向主管内壁喷射聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫在主管内沿由下至上方向形成固结防护层d，固结防护层a、固结防护层b、固结防护层d和固结防护层c依次衔接，与遗留的主管和伸缩管组共同作用，在岩层的孔洞和孔洞上方形成盖状加固支撑结构；

S9、向土层的作业孔内回填并压实土壤，直至与地表平齐。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

本发明能在土层和岩层中进行斜向钻孔，并将伸缩管组伸入至钻出的穿管孔内，还能方便的收回钻头机构。钻孔完毕后，通过灌浆装置、灌浆管a和灌浆管b在岩层的孔洞处和孔洞上方灌浆喷射能膨胀固结的聚氨酯泡沫，在多个区域形成固结防护层，主管和伸缩管组完整的留置，与固结防护层共同形成盖状的加固支撑结构，一方面能封堵住孔洞上部，避免岩层孔洞内地下水和上方土层的直接接触，另一方面能对孔洞上方的土壤进行承托支撑，有效防止出现土壤塌陷情况。

附图说明

图1为本发明实施例进行斜向钻孔时的结构示意图；

图2为图1的结构剖视图；

图3为图2中A处的结构放大图；

图4为本发明实施例灌浆时的结构剖视图；

图5为图4中B处的结构放大图；

图6为防护管和主管的相对位置示意图；

图7为钻头机构钻进时的结构剖视图；

图8为图7中C处的结构放大图；

图9为驱动钻头机构移动的结构的局部示意图；

图10为抵接架抵接时的局部结构示意图；

图11为图10结构的***图；

图12为钻头机构钻进距离的几何示意图。

附图标记：100、岩层；200、土层；1、防护管；2、主管；201、侧管a；202、侧管b；203、侧管c；3、导向条；4、滚轮a；5、轮架a；6、吊放机构；7、安装架；8、安装罩；9、钻头主体；901、收纳槽；10、板状钻头；101、凹槽；11、移动驱动机构a；12、铰接座；13、动力装置a；14、连接架；15、连接辊；16、抵接架；161、抵紧面；162、承接面；163、弧形面；164、抵接面；17、连接板；18、链轮；19、齿轮a；20、转动轴a；21、齿轮b；22、转动轴b；23、卷链辊；24、齿轮c；25、转动轴c；26、齿轮d；27、转动轴d；28、齿轮e；29、动力装置b；30、移动驱动机构b；31、灌浆装置；32、灌浆管a；33、灌浆管b；34、滚轮b；35、轮架b。

具体实施方式

实施例一

如图1-图12所示，本实施例提出的一种用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置，包括主管2、伸缩管组、斜向钻孔装置、吊放装置、灌浆装置31、通讯模块、控制终端和圈数传感器。

如图1、图2和图4所示，主管2竖直设置在预先在土层200上钻出的作业孔内，主管2底端伸入岩层100上与作业孔连通的孔洞内。

如图1-图8所示，伸缩管组绕主管2均匀分布多组，伸缩管组沿远离主管2方向倾斜向下分布。伸缩管组包括沿远离主管2方向分布的多个依次滑动连接且直径逐渐减小的侧管，直径最大的侧管与主管2连通，侧管远离主管2的一端沿径向向内方向同轴设置有限位环部，侧管另一端沿径向向外方向同轴设置有挡环部，侧管上均匀分布多个喷射孔。侧管可采用钢管，也可采用PVC塑料管。如图7所示为示例性表示的由三个侧管组成的伸缩管组，三个侧管依次为侧管a201、侧管b202和侧管c203，侧管a201与主管2连通，侧管b202滑动连接在侧管a201内壁上，侧管c203滑动连接在侧管b202内壁上，侧管a201上的限位环部能通过侧管b202上的挡环部对侧管b202进行限位，防止侧管b202从侧管a201上滑脱。同理，侧管c203也不会从侧管b202上滑脱。侧管c203上的限位环部能供动力装置a13中的外壳抵接，外壳能依次经过侧管a201和侧管b202并进入侧管c203内。侧管的数量可灵活调整，当沿斜向钻孔距离较长时，可设置更多的侧管，从而能延长可伸长的长度。此外，伸缩管组也可沿竖直方向设置多组，此时可通过钻头机构依次进行不同高度处伸缩管组朝向的钻孔，最终灌浆时，能得到多层固结防护层，进一步提高对上方土壤的承托效果。

斜向钻孔装置呈环形均匀分布多组，斜向钻孔装置与伸缩管组一一对应，斜向钻孔装置包括能伸出并抵接在伸缩管组中最下方侧管上的钻头机构，以及用于驱动钻头机构移动至伸缩管组内侧或从伸缩管组内侧移出的驱动装置，从而在土层200和岩层100内钻出斜向的穿管孔，如图1和图2所示，沿伸缩管组轴向的虚线表示预计钻孔方向。多个侧管随钻头机构移动，钻头机构钻进完毕并回移复位后，多个侧管处于穿管孔内。

如图7和图8所示，钻头机构包括钻头主体9、板状钻头10、移动驱动机构a11、铰接座12和动力装置a13，钻头主体9为回转形结构，钻头主体9的最大直径小于伸缩管组中最下方侧管上限位环部的内径，钻头主体9上设置有供板状钻头10收入的收纳槽901，板状钻头10外端轮廓与收纳槽901槽口轮廓吻合，板状钻头10底端通过铰接座12与钻头主体9铰接，板状钻头10外端具有多个钻磨凸台（未图示），可在旋转时与土层200和岩层100进行钻磨，板状钻头10内侧面设置有凹槽101，移动驱动机构a11两端分别转动连接在收纳槽901内壁和凹槽101内壁上，移动驱动机构a11采用能进行直线形伸缩的结构，比如气缸或油缸。动力装置a13包括动力源和外壳，动力源设置在外壳内，动力源与钻头主体9驱动连接，外壳底端外边缘设置有导向斜面，外壳通过导向斜面抵接在伸缩管组中最下方侧管上的限位环部上，外壳外周面与该侧管内壁形状吻合且滑动连接。在钻头机构向下移动时，外壳可通过导向斜面来对钻头机构的移动方位进行导向，使得钻头机构最终能移动至最下方侧管处。驱动装置驱动钻头机构沿倾斜向下方向移动时，钻头机构中的钻头主体9会穿过最下方侧管上的限位环部，直至钻头机构中的外壳抵接在该最下方侧管的限位环部上，此时，通过移动驱动机构a11驱动板状钻头10向外展开，板状钻头10展开后，最外端至钻头主体9中心轴的距离大于直径最大的侧管外径，从而能通过板状钻头10钻出可供所有侧管穿入的穿管孔。在钻孔完毕后，通过移动驱动机构a11驱动板状钻头10向内转动，板状钻头10收入至收纳槽901内。在需要钻头机构反向移动以复位时，钻头机构中的钻头主体9和板状钻头10能穿过最下方侧管上的限位环部，能顺畅的通过多个侧管，并最终移动至初始位置。

如图7-图9所示，驱动装置包括对称分布的两组链式机构和用于驱动两组链式机构同步伸长或收卷的工位可调式驱动装置；链式机构包括连接架14、链条机构、链轮18和用于收卷链条机构的卷链辊23，连接架14一端与外壳连接，连接架14另一端连接在链条机构一端，链条机构绕接在链轮18上，链条机构另一端与卷链辊23连接，卷链辊23轴向两端设置有沿径向外延的挡板部，能将链条机构呈盘状收卷起来。两组链条机构在链轮18和连接架14之间相互抵接的部分呈斜向下倾斜的直线形，该直线形抵接部分相互作用，不会发生弯曲情况。

如图9-图11所示，链条机构包括多组链条组件，每组链条组件包括一个抵接架16、两个连接辊15和两个连接板17，连接架14与链式机构底端的抵接架16固定连接，连接辊15贯穿抵接架16并与抵接架16转动连接，两个连接辊15沿径向并排分布，连接板17与相邻两组链条组件中的两个相邻连接辊15转动连接，同组链式机构中任意两个相邻连接辊15之间形成供链轮18上的齿卡入的空间，齿绕链轮18中心轴均匀分布多个，相邻两个齿分别卡在同组链式机构中的相邻两个空间内，链轮18还能通过齿来对链条组件起到托举作用，两个连接板17分布在抵接架16外侧，抵接架16上设置有抵紧面161、承接面162、弧形面163和抵接面164，承接面162为圆弧形曲面，抵接面164为平面，承接面162和抵接面164呈阶梯形分布，且承接面162位于阶梯的较低端。同一组链条机构中，一个抵接架16的抵紧面161抵接在相邻抵接架16的承接面162上。两组链条机构中，相对的两个抵接架16通过抵接面164抵接。在两组链条机构逐渐靠拢并抵接时，一组链条机构中的一个抵接架16的抵紧面161抵紧在下方相邻抵接架16的承接面162上，两组链条机构中相对的抵接架16通过抵接面164抵接，能防止一组链条机构中两个相邻抵接架16向另一组链条机构方向弯曲，即能起到相互支撑限位作用，使得两组链条机构在链轮18和连接架14之间抵接的部分呈直线形分布。

两组链条机构能通过连接架14带动钻头机构向伸缩管组内移动，在移动至伸缩管组内侧之前，可能会因本装置运行时的震动或链式机构重心存在微偏的问题，使呈直线形分布的两组链条机构中抵接的部分发生稍微的倾斜，使钻头机构与伸缩管组中心轴从同轴方向产生一点错位，但因为钻头机构在链条机构的最低端，钻头机构起到的配重作用能保证钻头机构不会产生较大的方向错位，钻头机构仍能移动至伸缩管组内侧。因为伸缩管组包括沿倾斜向下方向直径依次减小的多个侧管，在钻头机构进入伸缩管组内侧后，钻头机构的位置得到限位，两组链条机构中呈直线抵接的部分也会逐渐向伸缩管组轴线方向倾斜，在钻头机构抵接到伸缩管组中最下方的侧管上的限位环部时，钻头机构与伸缩管组实现同轴。然后，钻头机构的板状钻头10能进行直线形的钻进，伸缩管组中的多个侧管之间逐渐向外滑动，使多个侧管对应伸长至钻出的穿管孔内，伸长的伸缩管组还能对钻头机构的钻进方向进行定位导向，从而实现相互作用，既能沿伸缩管组轴向进行钻进，还能将伸缩管组随着钻进距离自适应伸长。

在收卷链条机构时，两个相对的抵接架16也会顺畅的被分开。链轮18起到对链条机构进行驱动、导向和限位并将两组链条机构的一部分呈直线形抵接的作用。在链条机构绕经链轮18进行收卷时，一组链条机构中相邻两个抵接架16会向远离另一组链条机构的方向转动，能最终规整收纳在卷链辊23上，占用空间小。

任意两个相对的抵接架16上也可分别设置磁性相吸的磁铁（未图示），在抵接架16开始靠拢时，能有效的对准贴合，更有利于将钻头机构移动至伸缩管组内侧。

如图7和图9所示，工位可调式驱动装置包括齿轮e28、动力装置b29、移动驱动机构b30、安装罩8和对称分布的两组传动机构，传动机构包括齿轮a19、转动轴a20、齿轮b21、转动轴b22、齿轮c24、转动轴c25、齿轮d26和转动轴d27；两组传动机构中，两个齿轮b21啮合连接，两个齿轮d26啮合连接；移动驱动机构b30设置在安装罩8上，移动驱动机构b30输出端与动力装置b29连接，移动驱动机构b30采用能实现直线形驱动的结构，比如气缸、油缸或电动推杆，动力装置b29可采用减速电机，动力装置b29与齿轮e28驱动连接，齿轮e28与齿轮a19或齿轮d26啮合连接，链轮18和齿轮a19同轴设置在转动轴a20上，齿轮a19与齿轮b21啮合连接，齿轮b21设置在转动轴b22上，卷链辊23和齿轮c24同轴设置在转动轴c25上，齿轮c24与齿轮d26啮合连接，齿轮d26设置在转动轴d27上，转动轴a20、转动轴b22、转动轴c25和转动轴d27均转动设置在安装罩8内，安装罩8通过吊放装置进行吊放。安装罩8底部设置有供链条机构穿过的通道，通道处转动设置有托辊（未图示），托辊支撑在倾斜的链条机构的斜下侧，链条机构移动时，带动托辊转动，托辊在转动过程中对链条机构进行支撑，进一步提高链条机构移动方向的准确性。也可进一步在链条机构斜上方和水平方向两侧均设置辊轮，实现对链条机构移动方向的导向。

在放卷链条机构时，工位可调式驱动装置中，移动驱动机构b30驱动动力装置b29移动，使齿轮e28与齿轮a19啮合连接，动力装置b29驱动齿轮e28转动，齿轮e28带动齿轮a19转动，齿轮a19通过转动轴a20带动驱动链轮18转动，齿轮a19通过两个齿轮b21带动另一个齿轮a19转动，两个齿轮a19转动方向相反，另一个齿轮a19通过另一个转动轴a20带动另一个链轮18转动，则两个链轮18分别带动两组链条机构移动，将链条机构从卷链辊23上拉出，并使两组链条机构相互抵紧的部分呈直线形分布，推动钻头机构移动至伸缩管组内，并在钻头机构中的外壳抵接至最下方侧管上限位环部之后，能沿伸缩管组轴线方向进行钻进。在收卷链条机构时，移动驱动机构b30驱动动力装置b29反向移动，使齿轮e28与齿轮d26啮合连接，该齿轮d26带动一个齿轮c24和另一个齿轮d26转动，最终通过转动方向相反的两个齿轮c24和来带动两个卷链辊23以相反方向转动，将链条机构收卷在卷链辊23上。

如图2和图3所示，主管2内壁竖直设置有导向条3，导向条3绕主管2中心轴均匀分布多个。吊放装置能同轴支撑在主管2内壁上，吊放装置用于将斜向钻孔装置吊放至钻头机构对准主管2和侧管连通处的高度，此时，可用于将钻头机构移入伸缩管组中，准备进行斜孔钻进作业，并带动伸缩管组伸入钻出的穿管孔内。吊放装置包括滚动组件、吊放机构6和安装架7，滚动组件呈圆环形均匀设置多组，滚动组件与导向条3一一对应，滚动组件包括滚轮a4和轮架a5，滚轮a4上设置有能卡到导向条3上的滚槽a，滚轮a4转动设置在轮架a5上，滚轮a4沿竖直方向并排设置多个，轮架a5设置在吊放机构6上，通过滚轮a4的滚槽a能实现滚轮a4在导向条3上沿竖直方向的滚动，能实现对吊放机构6的导向。安装架7设置在吊放机构6底部，安装罩8设置在安装架7上，多组斜向钻孔装置能均匀分布。

圈数传感器用于检测链轮18转动圈数，圈数传感器与通讯模块通讯连接，通讯模块与控制终端通讯连接，控制终端与钻头机构和驱动装置分别控制连接。通过检测链轮18的圈数能确定链条机构的移动距离，从而确定钻头机构的移动距离，能根据一些已知数据来判断钻头机构是否钻进到目标位置，并在钻进到目标位置后停止钻进，收回钻头机构，然后准备后续的灌浆作业。如图12所示，预设钻头机构钻进方向上岩层100和土层200交界处至钻进岩层100内的钻进终点距离为m；链轮18转动圈数为n，链轮18齿数为z，同组链条机构中相邻两个连接辊15的轴距为p，z和p均为已知数据，n可通过圈数传感器进行检测；斜向钻孔装置在被吊放至钻头机构对准主管2和侧管连通处的高度时的位置为钻头机构初始位，钻头机构至作业孔底端的距离为H，主管2底端位于作业孔底端，主管2位置确定，主管2和侧管连通处位置确定，钻头机构对准主管2和侧管连通处，则钻头机构位置确定，即H为已知数据；作业孔底端为岩层100和土层200交界处，穿管孔倾斜角度为α，α为已知数据，钻头机构初始位至钻进方向上岩层100和土层200交界处的距离为M，则：

通过上面两个公式可得：。

当圈数传感器检测到链轮18转动到n圈时，表明钻头机构钻进到岩层100内的距离为m，达到目标钻进程度，可停止钻进，回收钻头机构，准备后续的灌浆作业。

如图4和图5所示，灌浆装置31在斜向钻孔装置和吊放装置从作业孔内撤出后能同轴支撑在主管2内壁上，灌浆装置31具有向伸缩管组进行灌浆的灌浆管a32以及向岩层100孔洞内壁和主管2内灌浆的灌浆管b33，灌浆装置31与地表上的高压灌注发泡设备（未图示）连通，在将灌浆装置31吊放至主管2内用于灌浆的位置时，可通过灌浆管a32向伸缩管组中喷射能膨胀固结的聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫充填在伸缩管组的多个侧管内，并通过喷射孔向岩层100和土层200中呈放射状扩散，最终膨胀固结，灌浆管b33可对岩层100的孔洞内壁进行聚氨酯泡沫的喷射，以在孔洞处起到结构加强作用。然后将灌浆装置31上移，在上移过程中，主要通过灌浆管b33来喷射聚氨酯泡沫，在主管2内进行灌浆处理，也可附加使用灌浆管a32进行喷射，提高作业效率。聚氨酯泡沫不能从作业孔顶端溢出，聚氨酯泡沫顶端至作业孔顶端仍留有一段距离，该段距离可回填土壤，保证地表环境的统一。图4中只是示例性的表示伸缩管组处于钻头机构钻出的穿管孔内，伸缩管组实际上是由多个直径逐渐减小的侧管组成，其中，两两相邻的侧管之间滑动连接。

如图4和图5所示，灌浆装置31上呈圆环形均匀设置有多组定位导向组件，定位导向组件与导向条3一一对应，定位导向组件包括滚轮b34和轮架b35，滚轮b34上设置有能卡到导向条3上的滚槽b，滚轮b34转动设置在轮架b35上，滚轮b34沿竖直方向并排设置多个，轮架b35设置在灌浆装置31上。主管2内壁竖直设置的多个导向条3也可通过定位导向组件对灌浆装置31的吊放位置进行导向和定位，滚轮b34通过滚槽b在导向条3上沿竖直方向滚动，多组定位导向组件能同步滚动，保证灌浆装置31与主管2同轴分布，以准确的进行灌浆喷射作业。

如图1、图2、图4和图6所示，作业孔上部套放有防护管1，防护管1支撑在土层200顶面，防护管1外周面抵接在作业孔内壁，防护管1能撑紧在土层200作业孔处，防止该处土壤坍落。主管2包括由上至下依次同轴连接的主体管部、扩管部和探管部，主体管部与侧管连通，扩管部外径大于主体管部外径和探管部外径，扩管部外径小于防护管1内径，扩管部底端抵接在作业孔底部，探管部伸入至岩层100的孔洞内，能方便后续通过伸入至孔洞内的灌浆管b33进行灌浆喷射作业；伸缩管组在收缩状态下的最外端至主体管部中心轴的距离小于防护管1，伸缩管组在收缩的极限状态下能顺畅的下移穿过防护管1，不会产生干涉。

实施例二

如图1-图5所示，本实施例提出一种用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的方法，采用实施例一中用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置来实施，该方法包括如下步骤：

S1、使用现有的钻机预先在土层200上钻出作业孔至岩层100顶面，以与岩层100中的孔洞顶部连通，方便后续在孔洞内进行灌浆喷射作业；

S2、将主管2吊放至作业孔内，主管2底端伸入岩层100的孔洞内，伸缩管组随主管2下移，伸缩管组位于土层200的作业孔内侧；

S3、使用吊放装置将斜向钻孔装置吊放至主管2内，直至斜向钻孔装置中的钻头机构对准主管2和侧管连通处，吊放装置将斜向钻孔装置维持在该高度，利于钻头机构准确的进入伸缩管组，方便进行稳定的斜向钻孔作业；

S4、通过驱动装置驱动钻头机构向伸缩管组内移动，钻头机构从伸缩管组中最下方侧管伸出并抵接在该侧管上的限位环部处；

S5、启动钻头机构，驱动装置继续驱动钻头机构移动，钻头机构在土层200内进行钻进，并带动伸缩管组逐渐伸长，直至钻头机构钻进岩层100内；

S6、关停钻头机构，通过驱动装置驱动钻头机构反向移动，钻头机构穿过伸缩管组，并移动至初始位置，在钻头机构复位过程中，外壳会从最低端侧管中向上滑出，不会带动侧管收缩，多个侧管仍能维持在钻头机构停止向下钻进时的位置；此时，伸缩管组处于穿管孔内；

S7、通过吊放装置将斜向钻孔装置从主管2内向上吊出；

S8、将灌浆装置31与地表上设置的高压灌注发泡设备连通，将灌浆装置31吊放至主管2内，灌浆装置31同轴支撑在主管2内壁上，通过灌浆管a32和灌浆管b33将高压灌注发泡设备输送而来的能膨胀固结的聚氨酯泡沫喷射出去，灌浆管a32向伸缩管组内输送聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫还会对伸缩管组中的多个侧管产生挤压力，将最下方的侧管冲抵至穿管孔最深处，聚氨酯泡沫通过侧管上的喷射孔向土层200内和岩层100内扩散并形成放射状的固结防护层a，提高了固化后的承托效果，聚氨酯泡沫在伸缩管组内形成固结防护层b，在孔洞内壁形成固结防护层c，在形成固结防护层a、固结防护层b和固结防护层c后，将灌浆装置31上移，在上移过程中，灌浆管b33向主管2内壁喷射聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫在主管2内沿由下至上方向形成固结防护层d，固结防护层a、固结防护层b、固结防护层d和固结防护层c依次衔接，与遗留的主管2和伸缩管组共同作用，在岩层100的孔洞和孔洞上方形成盖状加固支撑结构；

S9、向土层200的作业孔内回填并压实土壤，直至与地表平齐，保证地表环境的自然和统一。

本发明能在土层200和岩层100中进行斜向钻孔，并将伸缩管组伸入至钻出的穿管孔内，还能方便的收回钻头机构。钻孔完毕后，通过灌浆装置31、灌浆管a32和灌浆管b33在岩层100的孔洞处和孔洞上方灌浆喷射能膨胀固结的聚氨酯泡沫，在多个区域形成固结防护层，主管2和伸缩管组完整的留置，与固结防护层共同形成盖状的加固支撑结构，类似树根根系形式，一方面能封堵住孔洞上部，避免岩层100孔洞内地下水和上方土层200的直接接触，另一方面能对孔洞上方的土壤进行承托支撑，有效防止出现土壤塌陷情况。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

Claims (5)

1.一种用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置，其特征在于，包括：

主管（2），其竖直设置在预先在土层（200）上钻出的作业孔内，其底端伸入岩层（100）上与作业孔连通的孔洞内；

伸缩管组，其绕主管（2）均匀分布多组，其沿远离主管（2）方向倾斜向下分布，其包括沿远离主管（2）方向分布的多个依次滑动连接且直径逐渐减小的侧管，直径最大的侧管与主管（2）连通，侧管远离主管（2）的一端沿径向向内方向同轴设置有限位环部，侧管另一端沿径向向外方向同轴设置有挡环部，侧管上均匀分布多个喷射孔，侧管上的限位环部能通过另一侧管上的挡环部对另一侧管进行限位，防止另一侧管从侧管上滑脱；

斜向钻孔装置，其呈环形均匀分布多组，其与伸缩管组一一对应，其包括能伸出并抵接在伸缩管组中最下方侧管上的钻头机构，以及用于驱动钻头机构移动至伸缩管组内侧或从伸缩管组内侧移出的驱动装置，从而在土层（200）和岩层（100）内钻出斜向的穿管孔，多个侧管随钻头机构移动，钻头机构钻进完毕并回移复位后，多个侧管处于穿管孔内；

吊放装置，其能同轴支撑在主管（2）内壁上，用于将斜向钻孔装置吊放至钻头机构对准主管（2）和侧管连通处的高度；

灌浆装置（31），其在斜向钻孔装置和吊放装置从作业孔内撤出后能同轴支撑在主管（2）内壁上，灌浆装置（31）具有向伸缩管组进行灌浆的灌浆管a（32）以及向岩层（100）孔洞内壁和主管（2）内灌浆的灌浆管b（33）；

钻头机构包括钻头主体（9）、板状钻头（10）、移动驱动机构a（11）、铰接座（12）和动力装置a（13），钻头主体（9）为回转形结构，钻头主体（9）的最大直径小于伸缩管组中最下方侧管上限位环部的内径，钻头主体（9）上设置有供板状钻头（10）收入的收纳槽（901），板状钻头（10）外端轮廓与收纳槽（901）槽口轮廓吻合，板状钻头（10）底端通过铰接座（12）与钻头主体（9）铰接，板状钻头（10）外端具有多个钻磨凸台，板状钻头（10）内侧面设置有凹槽（101），移动驱动机构a（11）两端分别转动连接在收纳槽（901）内壁和凹槽（101）内壁上，移动驱动机构a（11）采用能进行直线形伸缩的结构，动力装置a（13）包括动力源和外壳，动力源设置在外壳内，动力源与钻头主体（9）驱动连接，外壳底端外边缘设置有导向斜面，外壳通过导向斜面抵接在伸缩管组中最下方侧管上的限位环部上，外壳外周面与该侧管内壁形状吻合且滑动连接，驱动装置驱动钻头机构沿倾斜向下方向移动时，钻头机构中的钻头主体（9）会穿过最下方侧管上的限位环部，直至钻头机构中的外壳抵接在该最下方侧管的限位环部上，此时，通过移动驱动机构a（11）驱动板状钻头（10）向外展开，板状钻头（10）展开后，最外端至钻头主体（9）中心轴的距离大于直径最大的侧管外径；

驱动装置包括对称分布的两组链式机构和用于驱动两组链式机构同步伸长或收卷的工位可调式驱动装置；链式机构包括连接架（14）、链条机构、链轮（18）和用于收卷链条机构的卷链辊（23），连接架（14）一端与外壳连接，连接架（14）另一端连接在链条机构一端，链条机构绕接在链轮（18）上，链条机构另一端与卷链辊（23）连接，卷链辊（23）轴向两端设置有沿径向外延的挡板部，两组链条机构在链轮（18）和连接架（14）之间相互抵接的部分呈斜向下倾斜的直线形；

链条机构包括多组链条组件，每组链条组件包括一个抵接架（16）、两个连接辊（15）和两个连接板（17），连接架（14）与链式机构底端的抵接架（16）固定连接，连接辊（15）贯穿抵接架（16）并与抵接架（16）转动连接，两个连接辊（15）沿径向并排分布，连接板（17）与相邻两组链条组件中的两个相邻连接辊（15）转动连接，同组链式机构中任意两个相邻连接辊（15）之间形成供链轮（18）上的齿卡入的空间，两个连接板（17）分布在抵接架（16）外侧，抵接架（16）上设置有抵紧面（161）、承接面（162）、弧形面（163）和抵接面（164），承接面（162）为圆弧形曲面，抵接面（164）为平面，承接面（162）和抵接面（164）呈阶梯形分布，且承接面（162）位于阶梯的较低端；

同一组链条机构中，一个抵接架（16）的抵紧面（161）抵接在相邻抵接架（16）的承接面（162）上；

两组链条机构中，相对的两个抵接架（16）通过抵接面（164）抵接；

还包括通讯模块、控制终端和用于检测链轮（18）转动圈数的圈数传感器，圈数传感器与通讯模块通讯连接，通讯模块与控制终端通讯连接，控制终端与钻头机构和驱动装置分别控制连接；预设钻头机构钻进方向上岩层（100）和土层（200）交界处至钻进岩层（100）内的钻进终点距离为m，链轮（18）转动圈数为n，链轮（18）齿数为z，同组链条机构中相邻两个连接辊（15）的轴距为p，斜向钻孔装置在被吊放至钻头机构对准主管（2）和侧管连通处的高度时的位置为钻头机构初始位，钻头机构至作业孔底端的距离为H，作业孔底端为岩层（100）和土层（200）交界处，穿管孔倾斜角度为α，钻头机构初始位至钻进方向上岩层（100）和土层（200）交界处的距离为M，则：

，

；

通过上面两个公式可得：

；

工位可调式驱动装置包括齿轮e（28）、动力装置b（29）、移动驱动机构b（30）、安装罩（8）和对称分布的两组传动机构，传动机构包括齿轮a（19）、转动轴a（20）、齿轮b（21）、转动轴b（22）、齿轮c（24）、转动轴c（25）、齿轮d（26）和转动轴d（27）；两组传动机构中，两个齿轮b（21）啮合连接，两个齿轮d（26）啮合连接；移动驱动机构b（30）设置在安装罩（8）上，移动驱动机构b（30）输出端与动力装置b（29）连接，动力装置b（29）与齿轮e（28）驱动连接，齿轮e（28）与齿轮a（19）或齿轮d（26）啮合连接，链轮（18）和齿轮a（19）同轴设置在转动轴a（20）上，齿轮a（19）与齿轮b（21）啮合连接，齿轮b（21）设置在转动轴b（22）上，卷链辊（23）和齿轮c（24）同轴设置在转动轴c（25）上，齿轮c（24）与齿轮d（26）啮合连接，齿轮d（26）设置在转动轴d（27）上，转动轴a（20）、转动轴b（22）、转动轴c（25）和转动轴d（27）均转动设置在安装罩（8）内；安装罩（8）底部设置有供链条机构穿过的通道，通道处转动设置有托辊，托辊支撑在倾斜的链条机构的斜下侧；在放卷链条机构时，工位可调式驱动装置中，移动驱动机构b（30）驱动动力装置b（29）移动，使齿轮e（28）与齿轮a（19）啮合连接，动力装置b（29）驱动齿轮e（28）转动，齿轮e（28）带动齿轮a（19）转动，齿轮a（19）通过转动轴a（20）带动驱动链轮（18）转动，齿轮a（19）通过两个齿轮b（21）带动另一个齿轮a（19）转动，两个齿轮a（19）转动方向相反，另一个齿轮a（19）通过另一个转动轴a（20）带动另一个链轮（18）转动，则两个链轮（18）分别带动两组链条机构移动，将链条机构从卷链辊（23）上拉出，并使两组链条机构相互抵紧的部分呈直线形分布，推动钻头机构移动至伸缩管组内。

2.根据权利要求1所述的用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置，其特征在于，主管（2）内壁竖直设置有导向条（3），导向条（3）绕主管（2）中心轴均匀分布多个；吊放装置包括滚动组件、吊放机构（6）和安装架（7），滚动组件呈圆环形均匀设置多组，滚动组件与导向条（3）一一对应，滚动组件包括滚轮a（4）和轮架a（5），滚轮a（4）上设置有能卡到导向条（3）上的滚槽a，滚轮a（4）转动设置在轮架a（5）上，滚轮a（4）沿竖直方向并排设置多个，轮架a（5）设置在吊放机构（6）上，安装架（7）设置在吊放机构（6）底部，安装罩（8）设置在安装架（7）上。

3.根据权利要求1所述的用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置，其特征在于，主管（2）内壁竖直设置有导向条（3），导向条（3）绕主管（2）中心轴均匀分布多个；灌浆装置（31）上呈圆环形均匀设置有多组定位导向组件，定位导向组件与导向条（3）一一对应，定位导向组件包括滚轮b（34）和轮架b（35），滚轮b（34）上设置有能卡到导向条（3）上的滚槽b，滚轮b（34）转动设置在轮架b（35）上，滚轮b（34）沿竖直方向并排设置多个，轮架b（35）设置在灌浆装置（31）上。

4.根据权利要求1所述的用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置，其特征在于，作业孔上部套放有防护管（1），防护管（1）支撑在土层（200）顶面，防护管（1）外周面抵接在作业孔内壁；主管（2）包括由上至下依次同轴连接的主体管部、扩管部和探管部，主体管部与侧管连通，扩管部外径大于主体管部外径和探管部外径，扩管部外径小于防护管（1）内径，扩管部底端抵接在作业孔底部，探管部伸入至岩层（100）的孔洞内；伸缩管组在收缩状态下的最外端至主体管部中心轴的距离使得伸缩管组在收缩的极限状态下能顺畅的下移穿过防护管（1）。

5.一种用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的用于预防基岩孔洞上方土层塌陷的装置来实施，该方法包括如下步骤：

S1、使用钻机预先在土层（200）上钻出作业孔至岩层（100）顶面，以与岩层（100）中的孔洞顶部连通；

S2、将主管（2）吊放至作业孔内，主管（2）底端伸入岩层（100）的孔洞内，伸缩管组随主管（2）下移；

S3、使用吊放装置将斜向钻孔装置吊放至主管（2）内，直至斜向钻孔装置中的钻头机构对准主管（2）和侧管连通处，吊放装置将斜向钻孔装置维持在该高度；

S4、通过驱动装置驱动钻头机构向伸缩管组内移动，钻头机构从伸缩管组中最下方侧管伸出并抵接在该侧管上的限位环部处；

S5、启动钻头机构，驱动装置继续驱动钻头机构移动，钻头机构在土层（200）内进行钻进，并带动伸缩管组逐渐伸长，直至钻头机构钻进岩层（100）内；

S6、关停钻头机构，通过驱动装置驱动钻头机构反向移动，钻头机构穿过伸缩管组，并移动至初始位置，此时，伸缩管组处于穿管孔内；

S7、通过吊放装置将斜向钻孔装置从主管（2）内向上吊出；

S8、将灌浆装置（31）与地表上的高压灌注发泡设备连通，将灌浆装置（31）吊放至主管（2）内，灌浆装置（31）同轴支撑在主管（2）内壁上，通过灌浆管a（32）和灌浆管b（33）将高压灌注发泡设备输送而来的能膨胀固结的聚氨酯泡沫喷射出去，灌浆管a（32）向伸缩管组内输送聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫通过侧管上的喷射孔向土层（200）内和岩层（100）内扩散并形成放射状的固结防护层a，聚氨酯泡沫在伸缩管组内形成固结防护层b，在孔洞内壁形成固结防护层c，在形成固结防护层a、固结防护层b和固结防护层c后，将灌浆装置（31）上移，在上移过程中，灌浆管b（33）向主管（2）内壁喷射聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫在主管（2）内沿由下至上方向形成固结防护层d，固结防护层a、固结防护层b、固结防护层d和固结防护层c依次衔接，与遗留的主管（2）和伸缩管组共同作用，在岩层（100）的孔洞和孔洞上方形成盖状加固支撑结构；

S9、向土层（200）的作业孔内回填并压实土壤，直至与地表平齐。