专利名称：带有树脂螺母的可张拉螺旋锚杆和相关的方法
技术领域：
本发明大体涉及为地质结构中的通道面提供支承，尤其是涉及与树脂螺母相关联 的、部分地占据钻孔的可张拉螺旋锚杆和相关的方法。
背景技术：
近几十年来，已经提出了许多针对支承地质结构中的通道面(例如地下矿井中的 拱顶)的建议。通常的结构使用锚，例如细长的拱顶“锚杆(bolt)”，所述锚延伸进入形成 于所述面中的钻孔中。适用于地下矿井安全的美国联邦法规要求这些锚杆在整个矿井通道 内以频繁的间隔布置。因此，从降低矿主的整体安装成本的方面来说，易于制造和使用是关 键因素(这直接关系到采矿运营的盈利能力)。当然，降低这种锚杆的生产成本及安装时间的主要方面之一包括减少多样性、复 杂性及所需零件的总数。这包括取消对专用扩展外壳、外部螺母或者过去为实施适当张拉 所需的用于锚杆的其它附连件的需要。用于适应这些类型的扩展外壳或外部螺母所通常必 须的对锚杆轴的多方面处理也应取消，因为这种行为不仅增加制造时间和费用，而且也趋 向于削弱锚杆和由此产生的组件。因此，存在对克服现有技术的上述局限的改进的锚杆连接设备的需要。特别地，所 述锚杆应易于制造和安装并且很廉价。所述锚杆也应为可张拉的，从而一旦安装就压紧相 邻地层并为相邻地层提供稳固可靠的支承。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种安装在形成于矿井通道面内的钻孔中的设备。 所述设备包括细长的锚杆，该细长的锚杆包括用于定位在钻孔内的螺旋轴部。固定的硬化 树脂螺母形成在钻孔的一部分内，用于包围锚杆的螺旋轴部的至少一部分。因此，螺旋轴部 在硬化树脂螺母内的旋转用于在钻孔内例如在张拉过程中使锚杆运动。在一种实施方式中，螺旋轴部包括大致圆形的横截面，并且可以在纵向方向上包 括大约每英寸大约4至5个螺纹。为了便于在树脂螺母内旋转，螺旋部的至少一部分可以 包括润滑剂或防锈剂。优选地，着色剂也沿螺旋轴部的至少一部分施加以允许在与树脂螺 母一起使用时识别锚杆。锚杆可以还包括头部端和尾部端。用于推进入钻孔中的所述尾部端可以包括尖锥 或尖端。优选地，所述锚杆的构造使得其由单件材料形成。还可以与头部端相邻地设置有 凸缘，该凸缘的一侧用于接合与矿井面相邻的板或类似结构，其相对侧用于为用于旋转锚 杆的装置或机构提供承载面。根据本发明的第二方面，公开了用于安装在形成于矿井通道面内的钻孔中的设 备。所述设备包括细长的锚杆，所述锚杆包括用于定位在钻孔内的部分(例如螺旋部)。还 设置有固定的硬化树脂螺母，用于容纳锚杆的一部分。所述设备还包括用于使锚杆相对于 硬化树脂螺母旋转的、优选地为钻头形式的装置。
根据本发明的第三方面，提出了一种使用在钻孔中的改进，所述钻孔形成于矿井 通道面中，用于容纳具有细长轴以延伸进入该钻孔中的锚杆。所述改进包括形成在钻孔的 一部分中的树脂螺母，该树脂螺母具有包围轴的仅仅一部分的内螺纹。优选地，所述锚杆的 轴为螺旋形，由此使该螺旋轴相对于内螺纹旋转以用于张拉锚杆。根据本发明的第四方面，提出了 一种用于插入在形成于矿井通道面内的钻孔中的 拱顶锚杆。所述锚杆包括具有螺旋部的轴，所述螺旋部至少部分地具有从由润滑剂、防锈 剂、着色剂及其混合物组成的组中选择的涂层。优选地，该涂层位于轴的具有用于插入到钻 孔中的尖端的远端处。根据本发明的第五方面，公开了一种张拉锚杆的方法，所述锚杆包括在形成于矿 井通道面内的钻孔中的螺旋轴部。所述方法包括形成与至少锚杆的螺旋轴部相邻的固定的 硬化树脂螺母。所述方法还包括相对于硬化树脂螺母旋转螺旋轴部。优选地，所述形成步骤包括(1)在钻孔内设置与锚杆的螺旋轴部相邻的未固化 树脂；(2)在第一方向上旋转锚杆以使树脂基本上保持与螺旋轴部相邻；以及(3)允许树脂 基本固化并形成硬化树脂螺母。同样地，旋转锚杆的步骤优选地包括在树脂基本固化时在 与第一方向相反的第二方向上旋转螺旋轴部。在任何情况下，所述方法可以还包括向螺旋 轴部的至少一部分上施加润滑剂或防锈剂的步骤。根据本发明的第六方面，公开了一种在具有钻孔的矿井通道面内中安装具有头部 端和螺纹或螺旋部的细长锚杆的方法。所述方法包括将锚杆至少部分地插入到钻孔内，使 头部端与开口间隔开。所述锚杆至少部分地在钻孔内的未固化树脂内在第一方向上旋转， 以及允许树脂基本固化并形成螺母。所述锚杆在与第一方向相反的第二方向上旋转，从而 锚杆运动通过树脂螺母，头部端运动得更接近钻孔的开口。优选地，锚杆的头部端最初与 钻孔的开口端间隔开，在第二方向上旋转锚杆的步骤使锚杆的头部端朝向钻孔的开口端前 进。
图1是具有螺旋部的拱顶锚杆的一种可能实施方式的未按比例绘制的正视图；图Ia和Ib是分别沿图1中的Ia-Ia和Ib-Ib线的截面图；图Ic和Id显示了一种可选的螺旋锚杆；图2-4是显示图1的螺旋锚杆可以使用形成在钻孔中的树脂螺母来被张拉的方式 的示意图。
具体实施例方式现在参照图1，图1图示了一个用于安装在矿井通道面F中的锚杆10的实施方式， 该矿井通道面F为例如拱顶(见图2)，该拱顶具有垂直地形成在其内的钻孔H。虽然锚杆 10和相关的安装方法被描述为用于加强和支承矿井拱顶，但是应当理解到，本发明可以不 受限制地应用于支承通道的其它面中的任何一个(例如肋)或不同类型的地质结构。如图所示，锚杆10优选地为细长的单件结构，其包括头部端10a、细长本体或轴 IOb以及尾部端10c。如通过结合参照图1及Ia所可能获得的最佳理解，头部端IOa适于 被扳手、钻头夹盘(见图2)或类似的装置或机构接合以在安装过程中旋转锚杆10。尽管锚杆10的头部端IOa显示为具有大致正方形的横截面的(图la)的部分，但是应该理解到， 该锚杆10的头部端IOa可以采取其它横截面形状(例如六角形)，而不影响本发明以任何 有意义的方式实践。与头部端IOa相邻地还设置有环形凸缘11，用于为用于在其一侧和所 述面上旋转的装置或在其另一侧上的介入结构(例如板P，见图2)提供承载面。在一个实施方式中，锚杆10的轴IOb的横截面大致为正方形(见图lb)，但是该轴 IOb沿其长度被“扭转”或形成螺纹，从而形成螺旋或螺旋线。在图1图示的实施方式中，螺 旋沿轴IOb的整个长度延伸，性质上是左手的(但也可能是反向的)。虽然锚杆10的每线 性单位(英寸或英尺)的螺旋(扭转或螺纹)的数量或螺距对于本发明的实践不是实质性 的，但是该结构优选地在性质上为粗纹的(等于或大于每英寸约4个螺纹，最高为每英尺约 7个螺纹)。作为特定的例子并参照图Ic和ld，锚杆10的轴IOb显示为具有大致圆形的横截 面，并且包括由螺纹T形成的螺旋部。例如，螺旋轴IOb的每英寸优选地包括在约4至5个 之间的完整(例如360° )螺纹。最优选地，每个完整螺纹在纵向方向上占据约0.22英寸 的距离或长度，该距离或长度对应于每线性英寸约4. 5个完整扭转(参见图Id中的表示螺 距的参照标记d)。当然，一旦树脂螺母在钻孔中形成且具有螺纹的螺旋锚杆10被以上文描 述的方式安装，则在所述树脂螺母中形成相应的螺纹。虽然在制造方面(例如通过简单地将正方形的棒料扭转或在圆形棒料上切削螺 纹)沿轴IOb的整个长度连续地设置一致的螺旋是较容易的，但是在阅读下面的说明后应 当理解到，螺旋可以沿轴IOb的仅仅一部分设置。在这种情况下，螺旋优选地沿着尾部端 10c，或者说远离头部端10a。现在参照图2，其虽然并非按比例绘制，但是其示意性地图示了图1的锚杆10安 装在钻孔H中的方式。具体地，锚杆10的尾部端IOc穿过钻孔H的开口 0插入，所述开口 0优选地形成为具有接近螺旋轴IOb的宽度M(例如，对于1英寸直径的钻孔该M为3/4英 寸)的直径。钻孔H还优选地具有大于至少螺旋轴IOb的深度D，并且优选地比整个锚杆 10的长度(如图1中的尺寸B)大至少1英寸。使用与锚杆安装机或类似结构相关联的起重吊杆将锚杆10推进到钻孔H中，从而 头部端IOa保持与拱顶的相邻面间隔开等于或略小于钻孔H的过量深度D的距离(例如约 2英寸)。如在图2中以假象线示出的，板P通常与锚杆10的头部端IOa相关联，因此也与 面F间隔开。但是，一旦锚杆10以下文描述的方式被张拉，该板P接合面F并压紧相关联 的地层(参见图4)。一旦锚杆10被部分地插入，则未固化树脂(有时也被称为“灌浆”)在相关联的环 隙(出于说明的目的其在图2中示出为显著地加大了，但其通常在每一侧上只有约1/8英 寸至1/4英寸)中与螺旋轴IOb的至少一部分相邻地设置。最优选地，未固化树脂在钻孔 H的上部部分中占据与锚杆10的尾部端IOc相邻的环隙。虽然未固化树脂可以从远程源 (例如通过注射)提供，但是其最优选地以易碎料包(未示出)或习语中的树脂“香肠”的 形式来提供。通常，这种类型的料包预先安装在钻孔H中并在锚杆10的插入过程中裂开， 从而导致快速固化树脂占据周围的钻孔H。这种“灌浆”通常包括两种材料(例如聚酯树脂 和催化剂浆)，这两种材料只在料包破裂时接触并反应。在树脂例如通过锚杆10在钻孔H 内的旋转而被完全地混合时，其迅速地硬化。因此，硬化的树脂或灌浆用于浆锚杆10稳固地保持在钻孔H内。根据本发明的另一方面，至少部分地由未固化树脂包围的、具有螺旋轴IOb的锚 杆10进行旋转，以例如通过使用任何常规类型的锚杆安装机实现所期望的混合和/或硬 化。在图示的实施方式中(其中螺旋在性质为上为左手的)，旋转在相反(或者右手)方向 (见图2中的运动箭头)上进行。优选地，该旋转在无需同时地使锚杆10在钻孔H内前进 任何显著的量的情况下完成，从而锚杆10保持与钻孔H的开口 0间隔开。应当理解到，与螺旋轴IOb结合的该旋转用于产生“泵送”作用，该“泵送”作用基 本上将未固化树脂保持在适当的位置，并可能将该树脂在钻孔H内推进或“推动”得更深。 换句话说，锚杆10的螺旋轴IOb可以实质上起到带有螺齿的螺钻或螺杆的作用，该螺齿在 钻孔H的上端内将树脂保持在特定的位置。在任何情况下，螺旋轴IOb的旋转优选地为使 得其阻止未固化树脂朝向钻孔H的开口 0前进至任何显著的程度。由于该泵送作用，一旦 树脂固定或固化(通常在混合后的一段静止期之后)，则其在钻孔H内包围螺旋轴IOb的仅 仅一部分。供给树脂的量当然取决于螺旋轴IOb和钻孔H的相对尺寸，但是该量优选地足 以覆盖与尾部端IOc相邻的(或者说远离头部端IOa (当然，该头部端IOa仍然保持与钻孔 H的开口 0间隔开)的)轴IOb的约12-18英寸。一旦树脂固定或固化(在混合后这通常需要仅仅数秒)，则固定的硬化树脂“螺 母” 12由此在钻孔H中围绕螺旋轴IOb的至少一部分形成。应当理解到，该树脂螺母12具 有与相邻的轴IOb的螺旋螺纹相匹配的并由该螺旋螺纹占据的内螺纹。在左手螺旋的情况 下，锚杆10可以在与第一方向(标注为运动箭头L)相反且与螺旋的方向相同的方向上旋 转。当如此旋转时，螺旋轴IOb与树脂螺母12之间的接合使锚杆10在钻孔H内前进，从而 使头部端IOa运动得更靠近相邻的开口 0。然而，硬化树脂螺母12由于与钻孔H的侧壁的 外围接触而保持固定。该旋转可以直到任何相关联的接合硬件(例如板P)与面F稳固地接合(这通常需 要少于一次完整旋转)来完成。然后施加适量的扭矩以确保锚杆10被完全张拉，以及地层 被以期望的方式压紧或锚定。如上所述，钻孔H的深度D形成为至少略大于锚杆10的总长 度B，从而尾部端IOc可以在由张拉引起的最终推进过程中自由地前进而不会“接触到底”。因此，通过使用上面描述的技术可以产生众多优点。首先，优选实施方式中的锚杆 10可以只由单件材料制成，并且不需要为了有效而包括任何扩展外壳或外部螺母。因此， 无需“现场”装配零件。这不仅显著地降低了制造成本，而且也便于安装且产生了更强的锚 杆。此外，需要钻孔的仅仅部分注浆来有效地实践本发明。因此，与钻孔被完全注浆 的构造相比，显著地减少了所需要的灌浆。并且总是产生材料成本的附随节省(可能多达 75%)，以及减少了将灌浆运送到矿井中并将其保持在“备用”状态的成本。锚杆10的完整安装还有利地使得头部端IOa定位成极靠近矿井拱顶的面F (见图 4)。因此，与外部螺母螺纹旋拧到从面F上突出几英寸的暴露颈柄部上的现有构造不同，几 乎没有安装后的锚杆10的悬垂结构来接合经过的机器或人。这在由于低矿层高度而导致 的狭窄的矿井通道中尤为重要。此外，由于基本上锚杆10的整个轴IOb被拉入到钻孔H中， 因此面F的整体外观更规则且在美学上更令人愉快。最后，除了制成为单件，锚杆10还可以以相对容易且便宜的方式制造。任何适当
7宽度尺寸(例如对于1英寸的钻孔可用1/2英寸、5/8英寸或3/4英寸)的正方形或圆形棒 料都可以简单地加工到所需的螺距(无论是考虑每线性单位的扭转或是螺纹与螺纹的间 距)以形成轴10b。头部端IOa是通常锻造的。便利地，螺旋也可以形成在相对长的料件 上，该料件然后可以被切割成与锚杆10的轴IOb相对应的段。在制造过程中，应用到棒料(通常由钢制成)上的加工可以使得除去在热轧处理 过程中产生的外表面氧化层或“氧化皮”。没有氧化皮会使得棒料更快地氧化，尤其是当锚 杆10处于在制造与在矿井中的最终使用之间的期间存放在室外并暴露在自然环境中时。 表面的任何恶化都可以在安装过程中抑制轴IOb在树脂螺母12内的自由地旋转的能力。为了改进任何这样的问题，可以在制造后用润滑剂或防锈剂或二者涂覆螺旋轴 IOb的至少一部分(例如最上面的部分)。预期到部分地或全部地涂覆这种剂会通过在张 拉过程中使螺旋轴IOb相对于树脂螺母12更自由地旋转来使得安装容易。也考虑到提供 任何具有色彩(例如黄色颜料)的涂覆剂。因此，安装者可以不仅确保涂层保持存在于轴 IOb上的适当部分上，而且还能够容易地将使用在的本发明的方法中的螺旋锚杆10与其它 的螺旋锚杆区分开。在安装过程中，有时也可以导致树脂不仅沿螺旋轴IOb的一部分固化，而且也在 钻孔H的一部分内固化(见图4中的虚线Z)，其中锚杆10在张拉过程中必须被推进入钻孔 H的该部分内。虽然不妨碍安装，但是使锚杆10的尾部端形成有如图示出的尖端或尖锥是 有帮助的。如果这是必须的，这将帮助锚杆推进入树脂螺母12内。虽然螺旋的螺距可以是不同的，但是还是期望确保在普通安装中使用的螺旋锚杆 10是一致的。这保持所要求的安装扭矩一致。同样地，螺旋轴IOb也应是一致的，以便一旦 树脂螺母12形成，则便于螺旋轴IOb穿过所述树脂螺母运动。螺旋的螺距也优选地使得在 安装过程中产生头部端IOa朝向钻孔H的开口 0的明显运动，从而给安装者视觉提示，即过 程正在按预期进行。也可以在头部端10a(或凸缘11)与任何相关联的结构(例如板P)之间使用常规 类型的垫圈(例如由特氟隆或其它抗摩擦类型的材料制成或涂覆有特氟隆或其它抗摩擦 类型的材料的那些垫圈)。然而，确信的是这种抗摩垫圈与该类型的构造一起使用没有比其 与常规的螺纹锚杆一起使用重要，这是因为常规的螺纹锚杆需要多次旋转以用于安装，从 而导致更大的摩擦和热以及低效的张力/扭矩比。出于说明和描述的目的已经提供了对本发明实施方式的上述描述。其并非旨在穷 举或将本发明限制在已公开的精确形式上。根据上述教导可以进行明显的修改或变型。选 择并描述本发明的实施方式以提供本发明原理的最佳阐释和实际应用，以由此使得本领域 的普通技术人员能够以各种实施方式和各种适于被考虑的特定使用的修改来使用本发明。 所有这些修改和变型均在本发明的范围内。
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权利要求
一种用于安装在形成于矿井通道面内的钻孔中的设备，包括细长的锚杆，所述细长的锚杆包括用于定位在所述钻孔内的螺旋轴部；以及固定的硬化树脂螺母，所述固定的硬化树脂螺母形成在所述钻孔的一部分内，用于包围所述锚杆的所述螺旋轴部的至少一部分；由此，所述螺旋轴部在所述树脂螺母内的旋转用于使所述锚杆运动。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述螺旋轴部包括大致圆形的横截面。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述螺旋轴部包括在纵向方向上每英寸约4至 5个螺纹。
4.如权利要求1、2或3所述的设备，还包括润滑剂或防锈剂，所述润滑剂或防锈剂沿所 述螺旋轴部的至少一部分施加以接触所述树脂螺母。
5.如权利要求4所述的设备，其中，沿所述螺旋轴部的至少一部分施加有着色剂。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的设备，其中，包括所述螺旋轴部的锚杆的尾部端包括 尖锥或尖端。
7.如权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述锚杆包括单件材料，并且还包括 与头部端相邻的凸缘。
8.一种用于安装在形成于矿井通道面内的钻孔中的设备，包括 细长的锚杆，所述细长的锚杆包括用于定位在钻孔内的部分；固定的硬化树脂螺母，所述固定的硬化树脂螺母用于容纳所述锚杆的一部分；以及 用于使所述锚杆相对于所述硬化树脂螺母旋转的装置。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述用于使锚杆旋转的装置包括钻头。
10.如权利要求8或9所述的设备，其中，所述锚杆的所述部分包括螺旋部。
11.在形成于矿井通道面内的用于容纳锚杆的钻孔中，该锚杆具有用于延伸到该钻孔 中的细长轴，改进包括树脂螺母，所述树脂螺母形成在钻孔的一部分中并且具有包围轴的 仅一部分的内螺纹。
12.如权利要求11所述的发明，其中，所述锚杆的所述轴为螺旋形，由此使所述螺旋轴 相对于所述内螺纹旋转用于张拉所述锚杆。
13.一种用于插入到形成于矿井通道面中的钻孔内的拱顶锚杆，包括具有螺旋部的 轴，所述螺旋部至少部分地具有从由润滑剂、防锈剂、着色剂及其混合物组成的组中选出的涂层。
14.如权利要求13所述的锚杆，其中，所述涂层位于所述轴的具有用于插入到所述钻 孔中的尖端的远端处。
15.一种张拉锚杆的方法，该锚杆包括在形成于矿井通道面内的钻孔中的螺旋轴部，该 方法包括形成与所述锚杆的至少所述螺旋轴部相邻的固定的硬化树脂螺母；以及 相对于所述树脂螺母旋转所述螺旋轴部。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述形成步骤包括在所述钻孔内与所述锚杆的所述螺旋轴部相邻地设置未固化树脂； 在第一方向上旋转锚杆以基本上使所述树脂保持与所述螺旋轴部相邻；以及 使所述树脂基本上固化并形成所述硬化树脂螺母。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述旋转锚杆的步骤包括在所述树脂基本固化 时在与第一方向相反的第二方向上旋转所述螺旋轴部。
18.如权利要求15、16或17所述的方法，还包括将润滑剂或防锈剂施加到所述螺旋轴 部的至少一部分上的步骤。
19.一种将具有头部端和螺纹或螺旋部的细长的锚杆安装在具有钻孔的矿井通道面内 的方法，包括将所述锚杆至少部分地插入到所述钻孔内，使所述头部端与开口间隔开；在第一方向上并至少部分地在所述钻孔内的未固化树脂内旋转所述锚杆；使所述树脂基本上固化并形成螺母；以及在与第一方向相反的第二方向上旋转所述锚杆，从而使得所述锚杆运动穿过所述树脂 螺母，所述头部端运动成更靠近所述钻孔的所述开口。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述锚杆的所述头部端最初与所述钻孔的开口 端间隔开，所述在第二旋转方向上旋转锚杆的步骤使所述锚杆的所述头部端朝向所述钻孔 的所述开口端前进。
全文摘要
本发明的一方面中，用于安装在形成于矿井通道面内的钻孔中的设备和相关方法包括细长的锚杆，所述细长的锚杆包括用于定位在钻孔内的螺旋轴部。形成在钻孔的仅一部分内的、优选地与钻孔的远端间隔开的树脂螺母容纳所述锚杆的螺旋轴部。因此，所述螺旋轴部在硬化树脂螺母内的旋转用于在钻孔内例如出于张拉的目的使锚杆运动。
文档编号E21D21/00GK101983277SQ200880127770
公开日2011年3月2日 申请日期2008年3月5日 优先权日2008年3月5日
发明者威廉·G·福克斯 申请人:犀牛技术公司