专利名称：摩擦锚杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及到支护与稳定岩石或其他地理物质，如地下矿或隧道的顶部和围岩。 此类型产品也通常被称为岩石锚杆、顶部锚杆、摩擦锚杆或者分集锚杆。在下文中，我们将把本发明称作“摩擦锚杆”。本发明还解决了此类相似锚杆所遇到的安装困难的问题。不仅如此，本发明还就安装困难这个问题作出了相应的解决方法，提供了一套非常简易的安装方法。本发明在下文中被称作“摩擦锚杆”，但是本发明的应用不局限于摩擦锚杆上，它还有着其他的广泛应用。
背景技术：
在本发明介绍中，所有的单数与复数的描述均相同，即名词的单数描述也可以理解为复数，反之亦然。在发明者的介绍中，所有的单数和复数也均相同，即“发明者”可以理解为“发明者们”，反之亦然。摩擦锚杆常被用于加强对于地下穴洞或巷道中岩石或混凝土的稳定性。摩擦锚杆能够抑制岩石移动。例如，如果在两个岩石区域中间安装摩擦锚杆，此锚杆将会防止这两个石块的移动。通常，矿山中会用到摩擦锚杆来抑制一部分岩石的移动和滑落。锚杆的形状一般为一个截面大致为圆形的细长管，管身有一凹槽，与管长平行。锚杆通常安装在地下巷道中-当岩石的空隙直径小于锚杆的外沿直径。在安装过程中，锚杆由于管身与周围岩石的摩擦，受到径向压缩力，管身的凹槽使锚杆的直径得到减小，使锚杆的直径与岩石空隙间的直径相吻合。在使用此方法中，锚杆本身与周围岩石产生一定的摩擦。在实践中，锚杆有着不同的直径，每个不同直径的锚杆有着不同的负载承载能力。常见的锚杆通常有一个机械装置，此装置包括一个或多个扩张装置，从而使锚杆能够稳定地楔在孔中。比如，拥有机械扩张壳类的摩擦锚杆。通常，扩张装置由一个锥形楔和一个可扩张的外壳组成，使锚杆能够被钻入岩石孔中，并且稳定地卡在孔中。但是，这一类扩张型的锚杆只能在扩张装置周围有接触点的情况下起到支护作用。因此，除了有限的接触点，在岩石孔内很大一部分长度里，都没有和锚杆有着直接的接触。这些扩张类锚杆的成本也随着孔的直径的增大而增加。在此类扩张类摩擦锚杆安装之后，锚杆靠着本身扩张后的表面与岩石的摩擦来起到支护作用。此类摩擦锚杆，在高负荷或长时期的应用上，功效不大。在现有技术中，使用机械锚固定的锚杆，通常中间有一空心区。在这些锚杆被打入后，锚杆与岩石的空隙内可进行灌浆，然后密封。这一类锚杆的缺点是灌浆这一方法为一个额外步骤，如在安装过后，工人还需要重新回到安装的区域，对锚杆进行灌浆。所以，此类锚杆安装起来需要两个步骤。第一个步骤为收紧楔形装置来创建一个锚固点。第二个步骤为灌浆。通常在矿业内，这些安装步骤很费时，而且成本很高。不仅如此，一些扩张类的锚杆在应用上，并不能很好的填入岩石孔中。特别是在岩石孔的直径比较大的情况下。锚杆的大小可能只占岩石孔实际大小的一部分。并且，有些人通常可能没有意识到，在岩石中钻孔，在不同的深度，孔的大小都不一样。图-ι描述了这一问题。这表明了，在孔中还是会被留有一部分的空隙。如果这些缝隙需要被灌浆，需要大量浆液才能填补完空中的空隙。浆液通常以批次来准备，并且每批的强度都可能会有异。灌浆的强度取决于工人是否遵循了正确的浆液制备程序。比如，在一批浆液内，工人在制备过程中，可能添加了太多水，或没有很好地调和，这些都会影响浆液的强度，从而可能会使摩擦锚杆无法承受负载，造成事故。因而，浆液和锚杆之间的负荷转移并不能很好的完成。在一般情况下，应避免大量使用灌浆。此外，灌浆成本较高，也应避免大规模使用。其他的现有锚杆，如图- 和图_2b所示，详情将会在稍后描述。安装程序包括通过承受力的要求来决定锚杆的直径，在岩石中钻锚杆孔，把锚杆用工具强行推入。作为背景资料，比如在地下矿山中，锚杆通常为2. 4米长，直径通常约为44毫米， 其他的直径也有时被用到。钻孔标称直径为45毫米。如图1所示，孔的直径在44毫米到 46毫米之间，当岩石不稳定时(未在图中显示)，锚杆的直径将会与常用直径大大不同，从而防止岩石从钻孔两侧滑落。假设孔是对称的(仅为此背景讨论而做此假设)，如果直径为 45毫米的现有锚杆被装入此孔中(标称直径由虚线2表示)。锚杆将会被挤压进岩石壁上直径小于45毫米的孔中，如在第3点中显示。锚杆和岩石间将会有较好的摩擦，使锚杆能够承载一定的负荷。但是，在第4点中所示，如果直径大于45毫米，锚杆和岩石的摩擦面将会减小。在这些点上，锚杆的承载能力也将减小。如上所述，虽然一个直径为45毫米的锚杆能够承载高达4吨/埋入米。但如果钻孔内锚杆打入后与岩石的摩擦较弱，锚杆的承载强度也会大大减少。图加，2b，2c和2d通过横切面的显示，描述了上述所提到的一些例子。当一个中空的锚杆被打入岩石中，锚杆往往会因为岩石中钻孔的直径大小而变形。在锚杆安装后，孔内直径较小的部分会导致锚杆上凹槽闭合。但是，当锚杆通过孔内直径较小的区域后，锚杆会杆身会在一定程度上扩张。在这方面，由于孔内直径大小的变化， 锚杆的直径也会随着孔直径的变化而异。美国再版专利Re 30，256 (Scott)为一个和图2所示锚杆相似。这一锚杆有一个狭缝管，由边缘5和6所示，在安装前为独立的。在安装过程中，如果岩石孔里的直径小于锚杆的标称直径，边缘5和6将会被迫靠近(如箭头7所示)。如果岩石孔内的直径非常窄， 边缘5和6将会被对接在一起，防止锚杆收到更大的径向压缩。但是这会使锚杆的安装过程变得十分困难，在有些情况下，安装根本无法完成。在应用中，有时还发现边缘5和6的内缘和外缘会受潮(地下渗流)，并且时间久后会生锈，从而无法正常运作。美国专利4012，913 (Scott)为一个和图2b所示相似的锚杆。这一锚杆有着偏移边缘8和9，在安装前为独立的。在安装过程中，在孔内狭窄的部分，边缘8和9将会部分重叠，如箭头10所示。此类型发明的一个问题为，在此称作“切线空隙”，如图2c所示。图2C为图2B中的“A”标志的部分。如前面提到，由于锚杆安装在一个孔内，边缘8和9会重合。但是在边缘8附近总有一个空隙IOb (称作切线空隙)。此空隙由于边缘9向边缘8内侧重合而产生。此空隙存在于锚杆壁9和孔壁10a。这一空隙减少了锚杆和岩石的整体摩擦，因为在空隙IOb处没有任何摩擦。美国专利5，297, 900 (Witzand)为一个与图_2d相似的锚杆。此锚杆的边缘12和13在安装前为独立体。大部分锚杆杆身有一个V形形状。这一 V形形状在专利申请中，被描述与图- 和2b中有凹槽的锚杆相比，能够为锚杆和矿山顶壁提供更多摩擦。在安装过程中，在孔内直径小于锚杆标称直径的区域，边缘12和13将会被迫靠近 (如箭头14所示)。如加中的锚杆，如果孔内直径非常小，那么边缘12和13会被接在一起，防止锚杆收到其他的压力而变形。这会使安装此类锚杆变得十分困难，并且在有些情况下，根本无法安装。在实践中，还发现有些V形部分一直保持开张，暴露在孔中，所以很容易受到水的影响(地下渗流)，并且时间久了会生锈或失效。在安装后，此类锚杆还可能由于径向压力而产生其他问题。锚杆的外壁面积减少， 与岩石的摩擦面减少，与周围岩石之间的摩擦力也随之减少。这类锚杆在安装后所收到的径向压力可能会导致锚杆失效，从而产生安全隐患。此外，锚杆中的“V”部分，如图2d所示，在锚杆的内部，会阻止灌浆时浆液在内部的流通。在“V”部分的附近，也很难注入浆液。但是浆液的注入在此类锚杆运用上被视为极其重要，因为灌浆能够减少径向压力对于锚杆的损坏。如果以上描述的几类锚杆被安装在地下矿的顶壁，并且受到一定的压力，如果顶壁的承重力减弱，锚杆将会承载更大的压力，并且可能会由此滑落。由于锚杆在安装时承受着压缩和扩张，相同原理，锚杆也可能由于承载顶壁的压力而压缩和扩张。换言之，顶壁的压力可能把锚杆顶出岩石孔，使锚杆滑落。锚杆的变形由图2b中箭头10所示-锚杆由于顶壁压迫而通过孔内直径较小的区域。图3a描述了这一步骤。随着锚杆承受的加载从31 处增加，其承载能力由于向外滑落，在32处大大减少。在锚杆安装后在孔内部灌浆，锚杆的承载能力将会增加到大约12-18吨/埋入米。 浆液灌入后将会大大减少锚杆由于岩石内部的移动而所承受的径向压力。此外，任何能使锚杆滑落的压力，使锚杆直径较大的部分通过孔内直径较小的区域而滑落，会因为灌浆而减少。通常，灌浆会增加锚杆的承载能力。关于锚杆的另一个顾虑为，锚杆在突发地震的情况下会表现如何。在地震时，锚杆将会在短期承受更大的负荷。如图北中所示，锚杆的承重会在33处急速增加。锚杆的大部分杆身都为金属，如钢，但是钢的灵活性和扩展性较弱，如果承重超过了一定的限制，整个锚杆会因此整个内部结构失效，而非滑落。如果锚杆失效，结果将会非常严重，特别是在地下矿山，导致塌陷等重大灾难。在此文本中的任和讨论，对于任何上述提到的资料，知识以及各个发明，不应被视作对于这些澳大利亚境内外资料的真确性做出完全保证。
发明内容
本发明的一个宗旨为提供一个更稳定更易安装的锚杆支护。发明的目的为克服和减少至少一个以上所描述的现有锚杆的缺陷，或至少为现有的锚杆系统提供一个有用的替代产品。首先介绍的本发明的一个体现在于岩石孔中安装锚杆的方法和系统，提供和锚杆相联的填充物质，填充物质的运用，使锚杆与周围的摩擦小于锚杆的抗拉强度。其次，本发明提供一个锚杆安装方法或系统，在孔内安装锚杆的步骤，注入填充物质，并且填充物质的预定承载能力小于锚杆的最大承载能力。
然后，本发明提供一个套件，由锚杆和锚杆内部充填物质组成。填充物质的预定承载能力小于锚杆的最大承载能力。本发明还将提供一种填充物质，其预定的承载能力小于锚杆的最大承载能力。和本发明有联系的其他部分、规格介绍等都为本发明的一部分。简而言之，发明者认为，锚杆在安装后的承载能力取决于锚杆的物质(锚杆杆身的材料，如金属)以及锚杆与周围岩石的摩擦。本发明意在基于锚杆本身材料的承载能力， 增加锚杆的摩擦系数。本发明的诸个特点为通过锚杆和充填物质的运用，达到一个预定的承重能范围，锚杆在应用上的失效可能性将会减少。本发明中的充填物质将和锚杆一起使用，在应用中和周围的岩石或围岩摩擦，达到预定的承载能力，此预定承载能力将会小于锚杆的破坏载荷或抗拉强度。本发明的还有一个特点为，充填物质不会变得“过于”硬，这样的话锚杆便可以用小于其钢材抗拉强度的力被推入，或拉出。换言之，本发明的充填物质， 在承重将要超过锚杆的最大承重力之前，减少了锚杆所被承重的压力。此发明的优势如下 使得锚杆能够随着支护岩石所移动，而不破坏锚杆的制作材料(通常为钢)。这使得锚杆在承受很大压力时，能有一定的“控制性”和“稳定性” 使得锚杆在承重极大压力时，可以有所移动，而不是使锚杆整体因为大压强而失效 能量吸收，如在地震时 提供地层稳定性，如在地震时 和其他产品相比，安装简易 和其他产品相比，较为便宜 和其他产品相比，在操作中不容易产生安装错误 和其他产品相比，较容易生产本发明在运用中的其他优势和特点将会在下文详细介绍。但是请注意，以上介绍中的本发明的特点以及优势，仅为一部分的例证。本发明的精髓以及运用范围请见下文发明详细介绍。
本发明的进一步介绍，作用，优势和特点等将会被有着行业知识的人，通过插图的描述，更好地理解。插图仅为例证，不包括本发明的所有特点和优势图1为岩石孔的直径因孔的不同深度而有的变化； 2 (a),2(b),2(c)和2 (d)为以上提到的其他产品的截面图；图3a和北为以上提到的其他产品承载能力和位移的关系图；图4为以上提到的其他产品的一个安装特点；图5为本发明在安装上的一个特点；图6为本产品的承载能力和位移的关系图。
具体实施例方式图4为一个其他锚杆的特征。图4描绘了一个孔(41处)，其中安装了锚杆(42处)。锚杆的安装与产品的安装要求相符。锚杆被打入孔内后，锚杆随着孔中的形状而变形，从而于周围的岩石产生摩擦。在图4中，请注意41处孔和42处锚杆之间的空隙仅为做此描述而画出。在另一方面，图5描绘了本发明的一个特点。42处的锚杆在41处的孔内。锚杆会由于41处孔内的形状而少许地变形。在图5中，请注意41处孔和42处锚杆之间的空隙仅为做此描述而画出。图中的锚杆可以是任何类型的锚杆。可以是正在一起申请专利中的锚杆类型WQ2003014517。但是按照本发明，43处的锚杆的充填物质为注入到锚杆内部。不同于灌浆(之前提到过的其他产品运用的)的僵硬和不灵活，本发明中使用的充填物质具有一定的(但也有限的)可压缩性和灵活性。在操作上，如果锚杆承受很大重力，其他的产品往往在受压大于产品的最大承载能力后失效。但是在本发明中，在承受极大压力时，充填物质会产生少量的压缩(压缩大小取决于充填物质的特质)，这使得锚杆可以作少许的移动或变形，而不是整个失效。虽然充填物质能够使本发明中的锚杆能够有“稍许灵活性”，41处孔中直径的变化，使锚杆无法变形到一定程度而从孔中滑出。换言之，由于充填物质只能做有限的压缩，锚杆会重新与孔中的其他部位接触。在选取充填物质时，充填物质的承载能力应该取决于锚杆的变形特质。换言之，使充填物质压缩或变形的力应该小于锚杆的最大破坏负荷。化合物都有着浆液一样的强度， 并且加入了可变形的添加物，如扩张物质、不可扩张物质和/或颗粒物质。通常，该化合物的组成为有聚苯乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯或聚烯烃聚合所产生的扩张聚合物，非扩张聚合物和/或颗粒聚合物。扩张物质体积单位重量比均质扩张物质要小得多。扩张聚合物包括许多不同类型的物质，如发泡聚合物，发泡橡胶和其他扩张聚合物。例如，本发明中所使用的扩张物质可能为发泡聚苯乙烯，聚氨酯或聚丙烯类型的扩张物质。扩张聚合物的属性取决于聚合物的成分参数，包括聚合物、交联物和添加物的选择。因此，化合物可以根据所需的特质，如承载能力、压强力、剪切模量和摩擦系数来决定。化合物中的颗粒物质可能为聚合物珠，如扩张聚合物珠，或再生塑料，并且随着安装后锚杆的变形特质来定制化合物。此特殊材料的性质取决于材料的成分参数和分子的物理特性，如其分散性和组装力。化合物中还可混有其他的化学物质，从而达到所需的抗压能力。不仅如此，作为一个替代，可以用一个插件(未显示)，由至少一个高分子材料组成，插入锚杆内部，如WQ200314517中所介绍。当打入孔中，这个插件将会先变形到锚杆内部的形状，在安装后，这个插件将会在变形中更具弹性，但如果承受很大的力，本发明中的此装置也会有所变形。填充化合物具有以下特质 在安装中具有韧性 安装后变为坚固，仅会有极小变形 价格较为便宜 能够很容易地从具有韧性变到具有坚固性 包装方便，在现场很容易被装入锚杆中
在安装本发明中的锚杆时，应按照以下步骤 锚杆可能如WQ2003014517中描述的一样，有一个具有插槽的管子。管子内部注有填充物质。 插槽被覆盖着，里面的填充物不会流走，或只会少量流走 锚杆被打入的岩石孔直径小于锚杆直径，使得锚杆内部的填充物变形眷填充物，在安装中很有韧性，然后变得十分坚固 在本发明中，充填物不会变得过于坚固，因此锚杆可以从空中用比锚杆本身抗拉强度小的力来从空中取出 在岩石移动时(或在地震时)，岩石受震动的力和锚杆一起移动，这是由于填充物较有韧性，因此锚杆不会断裂，与岩石一起移动或有可能从空中移出。图6通过图片来描述本发明的承载能力。在61处，承载能力增加，本发明中的锚杆可以承受的力达到62处所标示。预定的沉重力要小于锚杆的实际破损负荷(见图3b)。本发明还有一个特征，就是填充物可以只填锚杆内一部分，比如在锚杆的一段，而不是锚杆杆身的全部。这样的部分充填也可根据锚杆安装后的预定承重压力来决定，预定的承重压力小于锚杆的实际破损符合。在另一种情况下，充填物收到极大的压力，从而压缩，变得十分坚硬，也因此使锚杆本身变得十分坚硬。本发明在以上的介绍中有着诸多的特点。本发明还将被进行更多的调整。此申请意于包括一些使用或应用上的调整，涉及本发明的一些原则，和运用上的一些修整，并且也包括以上提到的此发明的主要特征。此发明在基于发明的原理上，有着几个不同的形式。此专利申请不仅仅局限于以上提到的不同的特质和形式，也广泛包括其他的由此发明设计原理建立的其他相关形式。 以上提到的形式仅为范例，不包括本发明的所有形式。此专利申请还包括了本发明的其他产品上的调整。因此，以上提到的本发明的不同形式仅为根据此发明的原理得出的范例。在以下的申请中，许多附加功能条款中，不仅仅包括与本发明相同的结构，也包括原理相同结构。比如，虽然钉子和螺丝未必在结构上相同，在一个钉子采用了圆柱形的表面，以确保木制件能够被钉在一起，而一个螺丝钉采用螺旋面，紧固木质件，所以，钉子和螺丝为原理相同结构。词语如“包括/包括着”在本申请中，意在形容一些规格、数量、步骤或其他组成部分，但是不排除其他的所相关的一个或多个功能、数量、步骤和其他组成部分。因此，除非在文中特意注明，在本专利申请的描述中，如“包括/包括着”等词语不应被理解为“仅包括”， 而是应理解为“包括这些，但不局限于这些”。
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权利要求
1.一种在需要支护的地方安装锚杆的方法，所述方法包括以下步骤提供和锚杆相联的填充物质，相联的物质，在和锚杆一起使用时，使锚杆与周围岩石接触时产生的摩擦小于锚杆本身的抗拉强度。
2.根据权利要求1所述的方法，填充物质为带有可变形添加物的浆液。
3.根据权利要求2所述的方法，所选的带有可变形添加物为一化合物，其中包括可扩张物质、不可扩张物质、颗粒物质或其中的任意组合。
4.根据权利要求3所述的方法，所提到的扩张物质、不可扩张物质、颗粒物质由聚苯乙烯，聚氨酯或聚烯烃制成。
5.根据权利要求3所述的方法，可变形添加物为一种可扩张聚合物，包括聚氨酯泡沫塑料、发泡聚乙烯、聚丙烯泡沫，或其中任意组合。
6.根据权利要求1所述的方法，锚杆为在PCT刊物编号W0200314517中所描述的锚杆。
7.一种在需要支护的地方安装锚杆的方法，该包括以下步骤将锚杆打入孔中，并且在锚杆能内部填入充填物质锚杆和所相联的充填物质具有的预定承载能力小于锚杆本身的最大承载能力。
8.根据权利要求7所述的方法，填充物质为一种带有可变形添加物的浆液。
9.根据权利要求7所述的方法，可变形添加物由可扩张物质、不可扩张物质、颗粒物质，或其中任意组合组成。
10.根据权利要求9所述的方法，可扩张物质、不可扩张物质和颗粒物质由聚苯乙烯、 聚氨酯或聚烯烃组成。
11.根据权利要求9所述的方法，此可变形添加物由聚氨酯泡沫塑料、发泡聚乙烯、聚丙烯泡沫，或其中任意组合组成。
12.根据权利要求7所述的方法，填充物质具有一个聚合物插件。
13.根据权利要求12所述的方法，聚合物插件中的聚合物由聚苯乙烯、聚氨酯或聚烯烃组成。
14.根据权利要求7所述的方法，锚杆为PCT刊物号W0200314517中描述的锚杆。
15.一套组件，包括一个锚杆充填物质-注入锚杆内部，充填物质的预定承载力小于锚杆本身的最大承载力。
16.根据权利要求15所述的一套组件，其中的充填物质为包含可变形添加物的浆液。
17.根据权利要求16所述的一套组件，可变形添加物为一种可扩张聚合物，如聚氨酯泡沫，或一个聚氨酯插件。
18.根据权利要求15至17中任一所述的一套组件，其中的锚杆为PCT刊号 W0200314517中所描述的锚杆。
19.适用于权利要求1至14中任一所述的方法的填充物质，与锚杆相联的填充物质具有以下特征眷在安装中具有韧性 在安装后会转变为较坚固 可以有少许变形 较为便宜 从柔韧变到坚固的转变过程较容易操作 包装简易，可以很方便地在现场或其他生产地安装进锚杆内 使锚杆和周围所受到的摩擦力小于锚杆本身的抗拉强度。
20.适用于锚杆的填充物中，此填充物的预定承载能力小于锚杆本身的最大承载能力， 此填充物具有以下特点 在安装时具有韧性 安装后转变为较为坚固 可以有少许变形 较为便宜 从柔韧到坚固的转变过程容易操作 包装简易，可以很方便地在现场或其他生产地安装进锚杆内 使锚杆和周围所受到的摩擦力小于锚杆本身的抗拉强度。
21.在本文中描述的方法。
22.在本文中描述的仪器，系统，锚杆，充填物，和/或设备。
全文摘要
一种在需要支护的地方安装锚杆的方法，该方法包括提供和锚杆相联的填充物质的步骤，该相联的物质，在和锚杆一起使用时，使锚杆与周围岩石接触时产生的摩擦小于锚杆本身的抗拉强度。
文档编号E21D21/00GK102405329SQ201080016770
公开日2012年4月4日 申请日期2010年4月15日 优先权日2009年4月16日
发明者加里·罗伯特·戴维森 申请人:盖斯米克私人有限公司