自钻孔岩石锚杆的制作方法

专利名称：自钻孔岩石锚杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种岩石锚杆，特别是一种可以用于采矿过程中的自钻 L岩石
锚杆，但其不仅限于此。
背景技术：
用于加固例如矿井中離顶板的结构的岩石锚杆是众所周知的。现在有很 多种不同类型的岩石锚杆。 一根岩石锚杆一般包括具有一个远点端(在使用中， 此端尽可能牢固的固定在岩石中)和一个近点端(在使用中，此端紧贴在岩石 的表面，在很多情况下，其实际上伸出岩石表面)或者说"尾端，的长形杆(杆 的长度取决于岩石锚杆要i呆护的材料)。
岩石锚杆固定于钻在岩石中的长形岩石钻孔中(岩石钻孔不比锚杆宽很 多)。在使用中， 一个衬板被固定在岩石锚杆的尾端以紧贴于岩石表面。锚杆 和衬板组合来实行对岩石的加固。很多岩石锚杆可以被用来加固各种结构。例 如，在矿井中岩石锚杆可以l細来加固髓。
锚杆的安装通常需要使用钻机和钻钢(一个在末端带有钻头的长钢棍)进
行钻孔。然后，钻钢被从钻 L中移开。树脂(或者7K泥浆)被注入钻 L，然后 岩石锚杆自身被插入孔中并相对于衬板被拉紧。
有一些岩石锚杆包括端部锚固机构，锚固机构可以被操作使岩石锚杆的后 部插入来机械地干涉钻 L壁，以此来保证岩石锚杆紧固安装。
安装岩石锚杆常规的过程包括使用钻钢钻孔，移开钻钢，注入树脂，插入 岩石锚杆并紧固岩石锚杆。"自钻孔"岩石锚杆同样是被熟知的。这种锚杆通常 在岩石锚杆的远点端结合有一个钻头作为其自身的一部分或使其连接在远点端 上，岩石锚杆的尾端连接在钻机上以此来使用岩石锚杆进行钻孔。孔钻好后， 岩石锚杆被保留在孔中。
一种这样的自钻孔岩石锚杆被申请人共同未决的澳大利亚专利号为 2006903922的专利申请所公开，其名称为"岩石锚杆"，申请日为2006年7月20日。这份临时专利申请的内容在这里作为参考。这份在先申请公开了一种包 括有端部锚固机构的自钻孔岩石锚杆。
岩石锚杆需要有较高的强度，典型的极限拉伸强度为超过30吨。典型的岩 石锚杆^3I过树脂粘合在钻孔的壁上。使岩石锚杆的表面扭曲是有利的，因其 可以在锚杆/树脂/岩石表面间产生高的粘合强度。
典型的自钻孔岩石锚杆具有带轴向延伸的中心通道的钢筋(高强度钢棍)， 中心通道的作用是作为水路(和后注浆)。制作这禾中空心钢棍的花费是相当高
的，并且其x寸很多地下矿井需要的大密度的岩石支撑来说是不经济的。
已经有人提出在钻孑L过程中使用具有外套作为水路的实心钢筋。然而，外 M常会降低钢筋和钻 L壁之间的粘合力。
同样有人提出使用具有有限表面扭曲变形的高强度管沐即使有的话，其
也是昂贵的并刖隹于在所需要的高5驢材料Jiit行加工。

发明内容
根据本发明的第一方面，本发明公开了一种岩石锚杆，包括长杆部分，长 杆部分由空心管状构件和加固装置组成，加固装置在使用时被用来加固空心管 状构件。
在一个实施例中，加固装置在其外表面同样可以具有扭曲变形，M;扭曲
变形来增强其在岩石锚m占孔中的结合强度。
在一个实施例中，力n固装置包括围绕空心管状构件的壁安装的加固材料。
在一个实施例中，力口固材料围绕空心管状构件的外壁安装。
在一个实施例中，加固装置是缠绕在空心管状构件的外壁上的绞线。在一
个实施例中，绞线是金属绞线，在一个实施例中，绞线是"予贩力混 肚"(PC) 用钢绞线。在一个实施例中，绞线自身为"螺旋状"PC线，其优点是在已经由绞
线构成的一有的外表面扭曲变形的基础上进一步增加了小尺度上的扭曲变形。 在一个实施例中，绞线可以是锯齿状的以增加额外的扭曲变形。
在一个实施例中，加固装置包括金属绞线，金属绞线可以l皮一个固定构件 固定在空心管状构件的末端，固定构件用来接收金属绞线的末端并将其固定在 空心管状构件上。在一个实施例中，固定构件是具有螺纹部分的螺母，其安装 在具有相应螺纹部分的空心管状构件上，固定构件还包括用来接收金属绞线末端的通道。在制造过程中，螺母可以通过在螺纹部分的旋转将金属绞线旋转到 围绕空心管状构件的位置并将其固定在空心管状构件上。为此目的，螺母可以 被设置在长杆部分的*末端。
在一个实施例中，i!A机构被设置用来固定金属绞线。
在一个实施例中，长杆(在一个实施例中，其构成了岩石锚杆的大部^: 度)由空心管子组成，其在商业上是实用的。在一可选的实施例中，管子可以 不是标准直径而是特别制作的。
根据本发明中实施例所述的使用方便的大批量生产的刚性空心管子和金属 绞线加固构件，其优点在于与当前使用的主要岩石支撑相比在拉伸强度相等或 者优于其拉伸强度的情况下降低成本。在实施例中，空心管子可以由低碳钢制
成(直径10-22mm)，其为刚性的并具有足够的弓破来钻独立的孔。当随后
岩石锚杆被树脂或机械的锚定在孔壁上时，力n固装置可以被拉紧以此M过给
岩石块加，鹏力来增加额外的岩石加固效果。
当加固装置为金属绞线时，达到95%甚至可能更多的负劍每被绞线承担。 在一个实施例中，岩石锚杆可以是一种自钻 L岩石锚杆，包括一根长杆，
在长杆一头的一^点端和在长杆另一头的尾端。岩石锚杆可以包括有一个尖
端锚固机构，其如前文所引用的申请人共同未决的申请戶;M。


本发明的特征和优点将通过下面的对实施例的描述予以说明，其仅仅是举
例，其引用的附图如下
附图1是本发明一个实施例中岩石锚杆的侧视附图2A是附图1实施例中固定装置的剖视附图2B是附图2A中固定装置固定插头的内表面的平面附图3是本发明另一个实施例中岩石锚杆的侧视附图4是附图3中岩石锚^端的端视附图5A， 5B和5C是本发明中实施例使用的可选的固定构件的细节描述;
附图6是附图3实施例中岩石锚杆远点端的细节描述；
附图7是附图6中沿XX线的剖视附图8是本发明另一个实施例中岩石锚杆的侧视图；附图9是附图8中岩石锚杆一端的视附图10是附图8中实施例加强构件的详细部件分解附图11A是本发明另一个实施例中岩石锚杆的侧视附图1 IB是附图11A实施例中岩石锚杆一部分的详细部件分解附图12是本发明实施例中岩石锚杆一部分的侧视附图13是本发明实施例中岩石锚杆长杆的咅舰图；禾口
附图14是本发明另一实施例中岩石锚丰怅杆的咅舰图。
具体实施例方式
下面将根据附图1 X寸本发明的一个实施例进行描述。
总地由附图iH己1所示的岩石锚tm括长杆2。在这个实施例中，长杆2 包括空心管状构件5和加固装置4。在这个实施例中，空心管状构件5具有沿 长杆2的长度方向纵向延伸的通道3。在这个实施例中，空心管状构件5是由 刚性空心管子构成的空心管。
加固装置4，其具有高强度，并具有扭曲变形的外表面，该外表面aa在
绞线和孑L壁之间的粘性的泥浆/树脂提供高强度的负载传递。在这个待定的例子 中，加固装置由围绕在空心管状构件5的周围的加强绞线构成。在这个实施例 中，绞线4是缠绕在空心管状构件5外部的高拉伸^驢的"PC"钢绞线。绞线在 岩石锚杆1的远点端6处焊接在空心管状构件5上。绞线的特性形成了外表面 的扭曲变形，而并非平滑的外表面。和缠绕的绞线的特性麟扭曲变形表面一 样，额外的扭曲变形可由绞线上的压痕或者4OT"螺旋状"PC线来提供。
更具体地讲，在远点端6处，岩石锚杆1还包括安装在空心管状构件5上、 可以使岩石锚杆1自钻孔的钻头8。
为了将加强绞线6固定在一起以承受张力和负载，固定装置9被设置在岩 石锚杆1的尾端7处。该固定装置9包括内部有,体的圆柱体10。圆柱体和 楔状体围绕绞线6的夕卜表面安装，然后圆柱体变形到楔状体上，以使皿体咬
合绞线6以iti共进一步的固定。空心管状构mij期5向阻力，以便保持绞线在
抵抗糊犬体被径向向内压縮的位置上。
固定装置9在附图2A和2B中将显示更多细节部分。在圆柱体10内安装 有3个插头12，在这个实施例中，其并不是像这样的"糊犬"而是局部圆柱^S。附图2B显示了其中一个插头12的内表面的平面图的前面。在使用中，内表面
12与绞线6相抵。内表面12具有多^H居齿或齿13。可选地，这可采用螺纹13
的形式。
当圆柱体10压紧插头12时，锯齿/齿13插入或者干涉到绞线6中以固定 绞线6。所述压紧是M31岩石锚杆1制作过程中的机械操作来完成的。这是以 冲模的方式进行的端接头法。
一旦圆柱体10已经压紧插头12，在圆柱体10的外部上形成外部螺纹，用 于连接保持螺母ll。
对于局部圆柱術垂头，可选地是，可以采用皿插头。
圆柱体的外表面上具有螺纹以此来接收拉紧螺母11上对应的螺纹。在操作 过程中，当岩石锚杆到达合适的位置时，拉紧螺母ll可以相对紧贴在岩石表面 的安装板(未示出)拉紧。
为了安装岩石锚杆，长杆2的尾端7被安装在岩石钻机马达中。岩石钻机 旋转岩石锚杆l同时钻头8钻A^石中。在钻进过程中，7k或其它冷却液可以 ilil中心通道3提供。整个管状构件提供足够的强度来使钻头旋转/冲击以钻进 岩石中。当岩石锚杆SA至U岩石中到达足够深度时，粘性水泥^/树職主入到空 心管子中以使其从钻头中流出并沿着钻孔壁和加强绞线之间的锚杆流动。可选 地，水泥浆可以被向上魏到钻孔和岩石锚杆1的外部周围之间。在这种情况 下，通道3可以在水泥浆注入该空间时作为空气溢出的呼吸管。水泥浆把加强 绞线固化和固定到岩石上。然后，拉紧螺母相对安装板旋转以拉紧锚杆和紧贴 岩石表面的安装板。
加强绞线，当其通过树脂粘结到孔壁上时，其作用是提供岩石的加固。这 通过其具有整个表面/周边的扭曲变形以粘结到岩石上来和通过岩石运动负载 转移到加强部件所需的高强度实现。
下面将根据附图3和4描述另一个实施例。在这个岩石锚杆中所使用的和 附图1中的岩石锚杆一样的特征将采用相同的附图^i己并且将不X寸这些待征 估，一步的描述。
在这个实施例中，岩石锚杆20包括可选的固定构件来固定加固装置4。更 具体地讲，被设置在岩石锚杆20的尾端7处的固定构件包括驱动螺母21。该 驱动螺母21通过驱动螺母21内部和管状构件5的外部螺纹安装在空心管状构件2上。驱动螺母21还包括许多孔23以此来接收加固装置的绞线4。绞线在 其末端具有半圆头26以将其固定在孔23中。在岩石锚杆20的远点端6处的加 强螺母24被设置用来安装在远点端6的螺纹部分25上。在制Jtai程中，当驱 动螺母21以顺时针方向被拧动时，它将使原来直的绞线4扭曲变形成螺旋型的 形式。
在操作过程中，当岩石锚杆20已经钻入到钻孔中时，注浆可以和往常一样 舰中心通道3来执行。
在这个实施例中，"按钮彩詣"26可以被设置在加强绞线4的末端，以此来 把绞线固定在驱动螺母21的通道23中(同样在固定螺母24中)。
固定加固装置4的固定构件的变化将在附图5A， 5B和5C中被描述。
在这种可选的变化中，固定构件分为两部分。 一个部分包括圆柱形端子22， 其包括外部周围的孔23来接收加强绞线4的末端。端子22可以通过焊接或在 其内表面27的螺纹固定在空心管状构件5上。
参见附图5A，附图fei己26清楚的指示出在绞线4的每根3^线的末端的 锻造的半圆头。半圆头26在线穿过端子23上的通道23后被加工成型。
如附图5C所述，固定构件的另一部分包括拉紧螺母28，其包括具有圆柱 形凹进29的螺母28，凹进29被设置用来接收端子22使其进入凹进中。拉紧 螺母还包括沿绞线4的外部延伸的M35。在绞线4的这部分可以设置螺纹以 啮^1道35内部相应的螺纹。
在操作过程中，岩石锚杆20钻进到岩石中。在注桨以后，拉紧螺母29将 相对安装板(未示出)旋转以拉紧岩石锚杆20。
在可选的固定构件21的使用中，不需要进行事后拉紧并进行钻孔直到固定 构件21顶到岩石或安装板(未示出)，然后再进行注浆至U钻孔中。
附图6显示了附图3中岩石锚杆的远点端6的细节特征。固定螺母24具有 接收加强绞线4的孔36。绞线的该端不需要半圆头。如果需要的话，螺母24 和绞线4如果需要可以焊接在管状构件5上。因为锚杆20的此端6被注浆在岩 石内，其需要的强度比岩石锚杆20的近点端7需要的小。
下面将通过附图8， 9和10描述另一个实施例。同样的，在前述实施例中 已经说明的特征将使用同样的附图fe"i己，并且将不对这些特征估爐一步的描述。
在本实施例的岩石锚杆30中，可选的固定装置31被用来帮助固定加强绞线4和拉紧岩石锚杆30。加强构件31包括锥形的内部表面33和被设置用来相 对于锥形的内部表面33滑动的楔状体32。在操作过程中，当岩石锚杆30处于 钻孔中的位置时，加强构件31相对安装板拉紧。随着加强构件31相对安装板 拔出的负载，期各使楔状体咬合绞线4并将其固定。
在附图8和9的实施例中，有三个楔状体32。附图10显示了圆筒31和楔 状体32的部件分解图。同样，虽然没有在附图10中清晰的表示出来，但其具 有三个楔状体32。可以理解的是也可以有更多或更少的的楔状体。
在操作过程中，岩石锚杆30钻进到岩石中直到安装板禾嗰筒相对于岩石表 面拉紧并且圆筒31受力向后到楔状体32上来固定绞线4。然后，将实施注浆。
附图12显示了附图8中实施例的一部分，用断面形式显示了安装板39。 圆筒31位于安装板39的孔或者凹进38中。
附图11A和1 IB描述了另一个实施例。
附图11A中的岩石锚杆40包括机械锚定装置，总地如附图^H己45所示， 设置在岩石锚杆40的远点端6处。所述机械锚定装置45的结构与如前戶，的 临时专利申请2006903922中的机械锚定装置的结构相似。所述机械锚定装置 45用 行尖端锚定岩石锚杆40。
下面将进一步描述机械锚定装置45的更多的细节。朝向岩石锚杆40的远 点端6方向，管状构件5设置有螺纹49。螺纹部分49一直延伸至钻头8。钻头 8包括由塞子50组成的基部，螺纹部分49在塞子50处与钻头8相交。
机械锚定装置45包括膨胀壳47和卡盘46。在这个例子中，膨胀壳47具 有纵向延伸的叶片52， 53 (注意只有两个显示在图形中但有三个叶片)。注意 膨胀壳47中叶片的数目是可以变化的。例如，叶片可以由两个变为四个。叶片 52， 53被设置用来在膨胀壳47膨胀时向外移动并具有tm个外部突起54以帮 助抓紧钻孔的i^人而将岩石锚杆40固定其应有^fi上。膨胀壳47同样具有孔 55用来与螺纹部分49滑动结合。邻接部分以螺纹螺母56的形式安装在螺纹部 分49上并用来防iU彭胀壳47滑出尾端7。
卡盘46具有螺纹孔(未示出)用来螺纹连接螺纹部分49。相对于卡盘46 转动岩石锚杆40将使卡盘沿着螺纹部分49轴向移动。卡盘46包括锥形表面， 其于伸展的叶片52， 53上的互补的表面滑动楔紧连接，这样卡盘46相对于膨 胀壳47的朝向尾端7的轴向移动将使叶片52， 53朝外分开并抓紧钻孔的壁。卡盘同样包括凸出物57，其延伸直到叶片52， 53之间的槽58中以此来防止卡 盘46和膨胀壳47互相之间的相对旋转。
塞子50由钻头8的基部构成，其用来防止卡盘46和膨胀壳47移动出岩石 锚杆40的远点端。
突起54成螺旋形，在钻孔过程中以利于液体流动，并利于清除锉屑/切屑。 螺旋采取与螺纹方向相反的方向，即右手向螺方叙寸应左手向螺纹。 下面将描述岩石锚杆40的安装。
钻机和扳手被连接到岩石锚杆上。通过顺时针(在本实施例中)旋转岩石 锚杆实施向岩石底层辦占进。可以理解的是，对相反的螺纹装置采用逆时针的 旋转方向。当钻孑说行时，因为膨胀壳47邻接于钻孔壁，其可能阻止住自身的 旋转，这将造劍魏长壳47和卡盘46相对岩石锚杆40逆时针旋转。这将使卡盘 46朝着岩石锚杆40远端点的方向沿着螺纹部分49移动，在远端点处期每与平 面50邻接。 一旦平面50与卡盘46连接在一起，膨胀壳47和卡盘46将随着岩 石锚杆40朝着钻进方向继续旋转。
一旦岩石锚杆40钻出了所需长度的钻 L，向前方向的钻进停止而钻机反方 向转动(在本实施例中为逆时针)。依靠螺纹部分49逆时针方向的移动，卡盘 46将朝尾端7的方向移动。当卡盘46沿螺纹部分49移动时，与伸展的叶片52， 53上的互补的表面滑动楔二魏接的锥形表面将j鹏胀壳47向外扩张。叶片52， 53上的突起54插入钻孔的壁中并机械的固定岩石锚杆40在原处同时向加强构
然后可以实行向岩石锚杆40注浆的工作，其过程如前所述。
附图11B显示了附图11A中岩石锚杆40头部的部件分解图，更清楚的显 示了尖職苗固机构的部件。
岩石锚杆40的尾端可以有任何固定，。在附图11A中，固定装置包括圆 筒31和楔状体32，其连接如图所示。
附图13和14显示了根据本发明中实施例中岩石锚杆的长杆的横截面。这 些图表说明可以使用不同宽度的加强绞线和不同尺寸的管状构件。例如，在附 图13中，绞线4可以为直径6mm，管子5的内径是12mm。相对彌粒的泥浆 可以在更大内径的空心管中使用。
另一方面，如附图14的布置，其具有更小直径的绞线4 (5.5mm)和更小直径的管子5 (12.7mm)，可以用于树脂注浆。
本发明中的岩石锚杆的尺寸并不仅限于附图13和14中的尺寸。这只是一 些举例的尺寸。
在上述实施例中，力口固装置由强力材料(例如钢)帝喊的绞线构成。除钢 以外的其它材料也可以用来制作绞线。另外，除绞线外，加固装置也可以由其 它结构组成。例如，强力材料的织物可以组成加固装置。
所有上述实施例都涉及自钻孔岩石锚杆。本发明不仅仅只局限于自钻孔岩 石锚杆。传统的带空心管和加固装置的岩石锚杆同样落在本发明的保护范围之 内。
在上述实施例中，阐明并描述了多种装置用来在岩石锚杆的头部和尾部固 定加固装置。除已描述的装置外，其它装置也可以被使用。例如，在一个简单 的实施例中，绞线可以焊接在首端并同时焊接在尾端。
在上述实施例中，加固装置由金属材料的加强绞线组成，例如PC钢。加固 装置可以为其它的材料。例如，其可以由玻璃纤维或塑料构成。它可以包括玻 璃纤维或塑料绞线。其它任何誠的材料者阿以被j顿。
在上述实施例中，管状构件是空心钢管或其它金属材料。其可以是其它任 何誠的材料，例如玻璃纤维。
在本发明的实施例中，其优点是管状构件保持初始的张力，加固装置，在 例子中是加强绞线承受了当岩石锚杆通过例如注浆固定在钻 L中时的负载。
在下面的权利要求书和前面对发明的描述中，除了上下文的需要或者是明 确的魏或必须的暗示，词语"包含"或其变化例如"都包含"或者'包含着"是包括 的含义，例如在本发明的多种实施例中，其用来指定所述特征的存在而不是排 除现有的的或增加的另外的特征。
本领域技术人员可以理解的是，在不离开本发明所广泛描述的实质和范围 的情况下，可以对本发明的实施例做出大量的变化和修正。因此，现有的实施 例在任何情况下都将作为一种说明性的描述而不仅限于此。
权利要求
1. 一种岩石锚杆，所述岩石锚杆包括具有空心管状构件的长杆部分和用来加固所述空心管状构件的加固装置。
2. 如权利要求1戶脱的岩石锚杆，戶诚加固装置还被设置用来在外表 面上产生扭曲变形，以此来加强其与岩石锚丰fl占孔的结合。
3. 如权利要求i或2所述的岩石锚杆，所述加固装置包括围绕戶;M空心管状构件的壁安装的加强材料。
4. 如权利要求3所述的岩石锚杆，所述加强材料围绕0M空心管状构 件的外壁安装。
5. 如权利要求3或4所述的岩石锚杆，所述加强材料包括材料制成的 绞线。
6. 如权利要求5戶诚的岩石锚杆，戶腿绞线包括金属绞线。
7. 如权利要求5或6所述的岩石锚杆，所述绞线用来产生进一步的扭 曲变形。
8. 如权利要求6或7戶舰的岩石锚杆，戶腿金属绞线是螺旋状PC线。
9. 如权禾腰求5—8之一戶脱的岩石锚杆，戶腿金属绞线缠绕在空心管 状构件上。
10. 如权利要求5—9之一所述的岩石锚杆，还包括用来接收金属绞线的末端荆每其固定在空心管状构件上的固定构件。
11. 如权利要求5 — 10之一戶腿的岩石锚杆，"腿岩石锚杆通过增加缠 绕在戶腿空心管状构件上的绞线的缠绕张力实现可拉伸。
全文摘要
本发明涉及一种在采矿过程中使用的自钻孔岩石锚杆。典型的自钻孔岩石锚杆由带轴向延伸的中心通道的钢筋组成，其中心通道用来作为水的通路和后注浆。这种空心钢筋的价格相当昂贵。在本发明中，岩石锚杆由例如是钢管的空心管状构件和加固装置组成，其中加固装置使用预应力混凝土用钢绞线缠绕在空心管状构件的外部来构成。
文档编号E21D21/00GK101413397SQ20081018420
公开日2009年4月22日 申请日期2008年8月14日 优先权日2007年8月17日
发明者P·H·克雷格 申请人:简恩马股份有限公司