专利名称：单通道钻孔装置，整个钻头的使用，用于单通道岩石锚固的方法和岩石锚栓的制作方法
背景技术：
根据独立权利要求前序部分，本发明涉及挖掘、道路台钻孔、台阶钻孔、管安装或箱体钻孔的强化和稳定化领域中的单通道钻孔装置、岩石锚栓、钻头的使用和单通道岩石锚固的方法。
用来强化挖掘的岩石锚栓的安装通常在两个不同的步骤中实现。通常，孔被钻出并且钻杆和钻头在锚栓被插入孔中之前抽出并被收紧或灌浆。单通道岩石锚固包括同时执行这两个步骤，并且还要将钻杆移除以插入被排除的锚栓。单通道锚固的好处包括使锚栓安装所需的时间最小化，与手工或半手工锚固相比提高钻孔设备操作者的安全性，并增强了这种方法全自动化的前景。另一好处是与手工或半手工锚固相比，提高了岩石锚栓的安装品质和精度。孔的直径在例如开口栓、锚栓的摩擦的情况下对岩石锚栓性能很关键。单通道锚固的另一好处是该孔在抽回钻头时不会坍塌，因为锚栓已经在该孔中了。这样由于锚栓总被安装而带来了更高的效率；例如将不会有废孔。
致力于单通道锚固的现有技术大体已经把创新型岩石锚栓作为目标，后者还作为钻杆，在其端部周围提供有钻头。这种装置通过旋转钻孔方法或旋转/冲击钻孔方法来使用，并且通常不适合于坚硬的岩底条件。硬岩底情况下岩石锚栓冲击后无法再利用，从而面临成本问题。存在多种顶板锚栓，并且一种特定形状下是管状(例如开口栓，Swellex，等)的，具有纵向穿过锚栓的中心孔。适合于穿过壳体抽出的钻头复杂而昂贵。在现有的单通道岩石锚栓中，由于专用岩石锚栓的采用以及每个复杂的可抽回钻头的排他性使用，钻孔速度成本竞争相对于钻头成本被复杂化。然而除此之外，自钻孔顶板锚栓的安装优势大于那些非自钻孔型。
发明目的本发明的钻孔装置、岩石锚栓、钻头的使用和方法的一个目的是基本克服以上提及的现有技术的有关问题，或者至少提供一种替换方案。
本发明的另一目的是提供用于顶板锚栓的单通道钻孔装置。
本发明的还有一个目的是提供可膨胀的管状自钻孔顶板锚栓。
本发明还有另一个目的是提供用于顶板锚栓的单通道钻孔装置，其使用成本比用上述类型的顶板锚栓更低，从而使得它们在采矿业的使用更有吸引力。
本发明还有一个目的是提供用于顶板锚栓的最佳单通道钻孔装置，它提供了与今天的机械化系统相比更简单更小巧的设备的使用。
本发明还有另一个目的是建议钻头在用于顶板锚栓的单通道钻孔装置中的使用，它使得钻头可以再利用。
整个说明书中，除非行文需要否则单词″包括″，或其变形体将被理解为包括所述元素或元素组，但并不排除其它元素或元素组的存在。
附图简要说明附图显示了前述这种本发明实施例的例子。这些附图的细节和相关说明不会使本发明的在先宽泛描述作废。
图1A-1G概略显示了采用根据本发明的装置进行的单通道顶板锚固序列。
图1H显示了类似图1D的孔中的钻孔装置的横截面。
图1K显示了类似图1E的孔中的钻孔装置的横截面。
图1L显示了根据本发明的钻孔装置的部件分解图。
图2A和2B显示了根据图1C的钻孔装置的侧视图和根据本发明的钻头的端视图。
图3A和3B以类似图1H和1K的视图显示了用于单通道锚固的钻孔装置的替换实施例。
图4A和4B以类似图1H和1K的视图显示了根据本发明的用于单通道锚固的钻孔装置的替换实施例。
图5A和5B以类似图1H和1K的视图显示了根据本发明的用于单通道锚固的钻孔装置的替换实施例。
具体实施例方式
图1A-1G显示了根据本发明的单通道钻孔装置10。单通道钻孔装置10包括几个部件。长形钻杆11具有相对于钻孔方向F的前端12和尾端13。前端12具有包括螺纹15、未示出的锥形或卡口连接的连接部。整个钻头16具有岩石加工装置17和18。钻头16可通过包括螺纹20和未示出的锥形或卡口连接部连接于钻杆。单通道钻孔装置10还包括适于至少部分包围钻杆11的岩石锚栓21。钻头的最大径向尺寸小于岩石锚栓的最小直径。
该根据本发明的单通道钻孔装置10的基本思想是用包围钻杆的锚栓钻孔，然后毫无问题地抽出该钻头。不存在钻头部件的损耗。
钻头16可被设计为如下，参见图1K或者2A和2B。整个钻头16具有两个整体部分，即导向部14和扩孔部19，导向部14足够长以适当地引导整个装置10，其中该导向部14的轴线CL1与孔22的轴线CL3重合。该导向部14的中心轴线或中线CL1在钻孔期间与岩石锚栓的中心轴线大致重合，但在钻头抽回过程中不重合。扩孔部19的中心轴线或中线CL2与钻杆11的轴线重合，但与孔22的轴线CL3大致间隔开。应当注意的是，导向部和扩孔部二者的横截面均无需是圆形的，因此轴线CL1和CL2应理解为用作各个部分的平均中线的参考。
整个岩石钻头16包括主体25和硬质合金装置，即横刃和/或按钮17、18和17′、18′。钻头的主体由钢制成。主体25包括大致锥形的导向部14和大致锥形的扩孔部19。导向部14可具有如图2B所示的圆截面。导向部具有承载着径向延伸的横刃17或两个径向对置的前部按钮17′的前表面。扩孔部19可具有如图2B所示的圆截面。扩孔部具有承载着三个前部按钮18或四个前部按钮18′的前表面。该前表面可以是凸面的或大致平面的。按钮18、18′可在扩孔部上形成外围拱形。按钮18、18′可稍向扩孔部的外围外突出，从而在钻孔期间加工出直径比钢质主体稍大的孔。切屑通道或凹槽可提供在相邻扩孔按钮之间的区域内，冲洗介质可经由这里通过。岩石钻头通过未示出的连接部被连接于钻杆11或连接于未示出的潜孔锤驱动件，从而以惯常的方式传递转动运动。钻杆11包括输送冲洗介质的通道。用于冲洗介质的主通道提供在钻头内部。该主通道在其前端与许多在前端表面引出的分支通道连通。冲洗介质实际上是水、水泥或空气。导向部使得导向孔22A相对于孔22具有较小的直径和长度。尺寸的重要性在于RP是导向部14相对于孔的轴线CL3的最大半径。RR是扩孔部19的最大半径。1/2(RP+RR)是扩孔部19相对于钻杆11的轴线CL2的半径。DH是孔22的直径，它等于2×RR。管21的厚度由E表示。OFF是孔22的轴线CL3和钻杆11的轴线CL2之间的偏移量。DD是钻杆11的直径。DI是钻头16可自由活动的最小直径。DB是钻头16的最大直径尺寸。OD是岩石锚栓的外径。下列公式是适用的RR＝1/2DH，RP＜OD-RR-2E适用于岩石锚栓21和121或者2RR-E≤DI≤2RR-2E适用于岩石锚栓221和321，以允许钻头16可以穿过岩石锚栓抽出，DD＜RR+RP-2E允许钻杆11可以在锚栓21中偏心运动。
DB＝RP+RR例子下列尺寸可适合于锚固应用RR＝19毫米，RP＝14毫米，OFF＝2.5毫米且10毫米＜L＜60毫米。
单通道岩石锚固装置10的操作显示在图1A-1G中。钻头16通过例如螺接与钻杆11相连接。诸如凿岩钻架车这样的的钻床保持该钻杆。锚栓21优选绕钻杆自动进给，并且沿钻孔方向F定位在钻头16后面。在图1A中，扩孔部14首先将贴靠岩石，从而它将用环形内插法对岩石表面加工较短时间。然后该导向部14将找到其正确的中心并且开始中心钻孔，同时钻杆11开始绕导向部轴线CL1摆动，见图1B。然后扩孔部19与岩石表面接触，并开始扩大由导向部14钻出的孔。少顷，锚栓21到达孔且被压入孔中，如图1C和1H所示。通常锚栓21与钻头16轴向隔开。开口锚栓21可通过压缩来适应孔22的直径。钻头16将连续钻孔并扩大该孔22，而锚栓通过钻床的联接套管26被向前推动，见图1D，直到各部分的进给停止。孔22的深度大致由锚栓21的长度确定，即当位于锚栓尾端的垫圈23到达岩石表面或孔入口时，将停止进一步的进给，见图1E。钻床上存在岩石锚栓推动件。锚栓推动件是联接套管26或推拉工具27，后者由钻杆驱动，见图1L。该推拉工具27通常在插入期间与钻杆和锚栓一起转动。然而，有时锚栓会被保持从而它不会在插入期间(例如在机械地脚锚栓情况下)转动以避免钻孔期间不期望的壳体展开。推拉工具会在完全插入时扭转展开壳体的岩石锚栓。推拉工具还会沿钻杆滑动以使得机械壳式锚栓和灌浆锚栓更容易安装。图1E显示了完全插入的岩石锚栓，其带有完全插入的钻杆和钻头，以及推动垫板到岩石表面的推动件。垫圈是宽松的传统垫板，具有与锚栓尾端凸出部24配合的中心孔。然后钻头从导向孔22A中抽回，见图1F和1K。优选的是锚栓和钻头之间的轴向间距大于导向孔22A的深度，从而使得锚栓的前端不会与钻头的抽回干涉。钻头和钻杆可完全抽出并可再用于重复的钻孔操作。换而言之，单通道岩石锚固的方法包括下列步骤。
-提供单通道钻孔装置10，包括具有相对于钻孔方向F的前端12和尾端13的长形钻杆11，所述前端12具有连接部15，整个钻头16具有岩石加工装置17、18或17′、18′，所述钻头可连接于钻杆11，-用岩石锚栓21至少部分包围钻杆11，所述钻头16和所述岩石锚栓21被设计为允许钻头16可以在钻头抽回期间穿过岩石锚栓21，-在岩石中钻孔22的同时推动岩石锚栓进入所述孔，-穿过岩石锚栓21抽回所述钻杆11和所述钻头16。
驱动装置10的机床可以是顶端冲击钻机、回转机床或潜孔设备。为了避免由从扩孔部作用在导向部上的径向力引起的偏斜、磨损和孔径缩小，导向部的顶端可成形有与扩孔部径向相对的角，以抵消所述径向力。所述与扩孔部相对的作用力将有助于保持扩孔部在其径向最外部工作，并且它还允许导向部在扩孔一侧的磨损，但不允许在其正对远离扩孔部一侧上有太多磨损。导向部正对远离扩孔部的一侧可具有耐磨片。导向部在扩孔部一侧的磨损也将有利于保持孔径和部分补偿扩孔部外围磨损。这种几何结构将提供自研磨钻头。
图3A和3B以类似图1H和1K的视图显示了用于单通道锚固的钻孔装置的可选实施例。这一实施例不同于前面公开的那个，其中锚栓121具有不同的设计。岩石锚栓121由一根无纵向槽缝的钢管制成。岩石锚栓121具有比钻孔稍小的直径。当如上所述该孔已被钻成时，钻头和钻杆被抽回，见图3B，而锚栓121保留在孔中。钻头16的最大直径尺寸小于岩石锚栓121的最小直径尺寸D1。由于宽松保险器或由于岩石锚栓本体上的一体保险器，锚栓通过连接于钻孔装置的外部系统保留在孔中。
然后，泥浆或树脂从锚栓的里面或外面被装入，并且填充物被允许固化或固定。垫圈最好如上所述用于覆盖孔的入口。
图4A和4B以类似图1H和1K的视图显示了用于单通道锚固的钻孔装置的可选实施例。这一实施例不同于前面公开的那个，其中锚栓221具有不同的设计。岩石锚栓221由已被变形为具有深凹进部的钢管制造，从而它适合于基本缩小的直径，即该尺寸被缩小为大致是圆柱管的一半。可发生流体膨胀的管形岩石锚栓221具有内部的长形压力流体接收腔，它在其两端封闭但具有一个流体入口。套筒被压在外端上，从而它通过焊接或机械封闭而被密封。该锚栓被设计为大致U形，从而钻头16可穿过它。在图4B中的径向截面中，端部221A和221B彼此大致径向对置，即锚栓大致是半圆形的。岩石锚栓221进行至少部分修改以包围钻杆11。钻头16的最大直径尺寸DB小于岩石锚栓和孔22之间的最小间隔或直径尺寸。
钻孔操作如上所述而被执行。当如上所述岩石锚栓已被自动插入钻孔中且钻头16和钻杆已被抽出时，高压液体穿过通道被输送到一个穿过套筒导向管子内腔的孔，从而该管通过塑性变形展开，从而将岩石锚栓锚固在钻孔中。然后岩石锚栓被解除压力并变为锚固。对流体腔加压的主要功能被更详细地描述在US4423986A中。如上所述垫圈最好被用于覆盖该孔的入口。
图5A和5B以类似图1H和1K的视图显示了用于单通道锚固的钻孔装置的替换实施例。这一实施例不同于前面公开的那个，其中锚栓221具有不同的设计。岩石电缆锚栓321由多股钢质电缆制成。钻头16在一个钻孔操作中钻孔并扩孔。当该孔如上所述已被钻成时，钻头和钻杆被抽回，见图3B，而锚栓321保留在孔中。电缆锚栓321的最大直径DI是压在孔壁上时电缆和直径相对的孔壁之间的可用空间。
然后泥浆或树脂在锚栓的内部或外部被填充，且该填充物允许固化或固定。电缆锚固是用于接近表面的岩体和地下采石工程加固广泛采用的建造方法。电缆锚栓是长的，充分灌浆并且是非张紧的强化元件。电缆锚固的目的是提高岩体的剪切和拉伸强度。
根据本发明各个实施例的单通道钻孔装置包括适于在钻孔期间至少部分包围钻杆的岩石锚栓，并且该钻头的最大直径尺寸小于岩石锚栓的最小直径尺寸。
采用这种自钻孔锚栓的好处是-钻孔和固定同时执行。
-快速容易的安装降低锚固成本；-适于困难的地质条件，特别是有着不稳定钻孔的。
-灌浆时岩石固结。
-锚栓的选择取决于现场条件。
-用标准的凿岩钻架车钻孔和固定。
-无需专用设备。
-钻头可用于钻多个孔。
-钻头在抽回动作开始之前无需到位。
这里描述的本发明容易受到除那些明确描述的之外的变化、修改和/或添加的影响，并且可以理解的是，本发明包括所有这些落入权利要求范围之内的变化、修改和/或添加。不限制存在转动的撞击顶端锤。该原理对具有单纯的回转钻孔或还有DTH冲头均有效。导向部和扩孔部中的硬质合金按钮的数目可依赖于钻头具有多大直径来变化。该扩孔部可具有大致与其护套表面平齐的坚硬套筒或插入件，该护套表面旨在维持扩孔部直径并提高孔壁品质。还应理解的是，当要钻更深的孔时，钻杆和岩石锚栓可用一个或多个部件来延伸。
权利要求
1.单通道钻孔装置，包括具有相对于钻孔方向(F)的前端(12)和尾端(13)的长形钻杆(11)，所述前端(12)具有连接部，整个钻头(16)具有岩石加工装置(17，18；17′，18′)，所述钻头刚性连接于钻杆，其特征在于，该单通道钻孔装置(10)还包括适于至少部分包围钻杆(11)的岩石锚栓(21；121，221；321)，其特征在于，该钻头(16)和该岩石锚栓(21；121，221；321)被设计为使得钻头(16)可以在钻头抽回期间穿过岩石锚栓(21；121，221；321)。
2.根据权利要求1的单通道钻孔装置，其特征在于，钻头(16)的最大直径尺寸(DB)小于岩石锚栓的最小直径尺寸(DI)，其特征在于，该整个钻头(16)包括具有间隔开的中线(分别是CL1和CL2)的导向部(14)和扩孔部(19)。
3.根据权利要求2的单通道钻孔装置，其特征在于，导向部(14)的中线(CL1)在钻孔期间与岩石锚栓的中心轴线大致重合。
4.根据权利要求2的单通道钻孔装置，其特征在于，扩孔部(19)的中线(CL2)与钻杆(11)的前端(12)的转动轴线大致重合。
5.在根据权利要求1所述的单通道钻孔装置中的包括具有间隔开的中线(分别是CL1和CL2)的导向部(14)和扩孔部(19)的整块钻头(16)的使用。
6.单通道岩石锚固的方法，包括下列步骤-提供单通道钻孔装置(10)，包括具有相对于钻孔方向(F)的前端(12)和尾端(13)的长形钻杆(11)，所述前端(12)具有连接部，整个钻头(16)具有岩石加工装置(17，18；17′，18′)，所述钻头刚性连接于该钻杆，-用岩石锚栓(21；121，221；321)至少部分包围该钻杆，所述钻头(16)和所述岩石锚栓(21；121，221；321)被设计为使得钻头(16)可以在钻头抽回期间穿过岩石锚栓(21；121，221；321)，-在岩石中钻孔同时将岩石锚栓推入所述孔中，-穿过所述岩石锚栓抽回所述钻杆和所述钻头。
7.根据权利要求6所述的方法，其中该方法还包括提供该钻头(16)作为包括具有间隔开的中线(分别是CL1和CL2)的导向部(14)和扩孔部(19)的整体钻头的步骤。
8.用于如权利要求1所述单通道钻孔装置的岩石锚栓，所述岩石锚栓(221)具有部分管状的主体，该主体具有前端和尾端，所述尾端具有垫圈和垫圈挡止装置，所述岩石锚栓(221)可流体膨胀，其特征在于，该岩石锚栓(221)为大致半圆形并且设计为大致U形以接通刚性连接于钻杆的钻头的通道。
9.如权利要求8所述的岩石锚栓，其特征在于在岩石锚栓的径向横截面中，端部(221A，221B)相对于彼此大致径向对置。
全文摘要
本发明涉及使挖掘强化和稳定化的单通道钻孔装置、岩石锚栓、钻头的使用以及单通道岩石锚固方法。单通道钻孔装置包括具有相对于钻孔方向(F)的前端(12)和尾端(13)的长形钻杆(11)。前端(12)具有连接部。采用具有岩石加工装置(17，18；17′，18′)的整个钻头(16)。该钻头可连接于钻杆。单通道钻孔装置(10)还包括适于至少部分包围钻杆(11)的岩石锚栓(21；121；221；321)。钻头(16)的最大直径尺寸(DB)小于岩石锚栓的最小直径尺寸(DI)。
文档编号E21B7/20GK1930362SQ200580007718
公开日2007年3月14日 申请日期2005年2月18日 优先权日2004年3月10日
发明者皮埃尔·拉瓦 申请人:山特维克知识产权股份有限公司