一种底土层支承螺栓及其使用方法

专利名称：一种底土层支承螺栓及其使用方法
技术领域：
根据合同No.R01OHO7727，依照美国职业安全与健康研究所给予的经费，美国政府拥有本发明一定的权利。
本申请是基于2006年1月31日在美国专利商标局申请的在先专利申请No.60/763,370，在此作为参考将该美国专利包括在本发明中。
本发明涉及一种底土层支承螺栓及其使用方法。
背景技术：
在美国，地下开采是所有行业中重大伤害率最高的一种行业，与其它行业相比，是全国平均水平的五倍多。尽管有技术的发展和全行业的努力，矿井中冒顶仍将是地下开采中遇到的最大的安全隐患之一。在过去的十年，在地下开采中大约50％的重大事故是因为地面坍塌。而且，由于最容易开采的煤炭储备已被耗尽，被迫通过在更具有挑战性的地质及相关地面控制的条件下开采以满足对煤炭的需求。
灌浆锚固岩石螺栓和机械膨胀锚固岩石螺栓目前已经成为用于巩固和稳定矿顶和整体矿柱的最常见的方式，在美国，总共有超过99％的岩石螺栓用在煤炭开采中。一般地，岩石螺栓要么通过横梁框架建筑(将多个岩石层结合在一起以致它们作为更大的单个横梁完成任务)支承矿顶，使不牢固的断裂地面悬浮于更不易坍塌的地层、压力拱的形式或离散滑块的支承。灌浆锚固岩石螺栓和机械膨胀锚固岩石螺栓都支持在岩石上钻导向孔并在其他孔中建立锚固的技术。减少机械螺栓的使用而增加灌浆螺栓的使用是因为灌浆岩石螺栓在岩石上以更大面积地分布其锚固的载荷，因而一般有更好的锚固能力。然而，用于地面控制的灌浆岩石螺栓的应用不是没有问题，其中灌浆岩石螺栓使用在机械强度差的岩石中时，一些问题还会加剧。
图1A示出了灌浆岩石螺栓锚固技术的示意图。图1B示出了机械膨胀岩石螺检锚固技术的示意图。图1A中的示出的灌浆螺栓101是具有从导引孔108伸出的螺纹端109的钢筋螺栓。钢筋103周围涂有树脂或水泥浆105，并且配有通过螺母111固定的卡盘107。图1B中示出的机械锚固螺检102有一螺纹顶端106和螺纹终止端108。螺纹顶端106拧入在拧入过程中发生膨胀的机械锚件110内部。螺纹终止端108配有卡盘112、垫圈116和螺母114。这种螺栓的其他类型可以有形如螺母的锻造端(图2中的208)，而不是螺纹终止端108。
图2示出了具有锻造端208的典型灌浆岩石螺栓202的钝插入端206的圆柱几何结构。如图所示，岩石螺栓的端部206在与水泥浆材料相互作用方面没有以任何显著的方式对螺栓202进行改进。图3A至3C图示出了这种用于在矿顶313水泥浆锚固的岩石螺栓202的安装顺序(然而，这种步骤和螺栓可以用来巩固任何底土层)。
如图3A所示，在顶部313钻出深度和直径合适的导引孔318后，将两种水泥浆成分305的密封套320插入导引孔318中。然后矿顶螺栓202插入导引孔318中。然后迅速旋转矿顶螺栓202，同时将其进一步往导引孔318中插。在如图3B所示的螺栓插入点325，前进的钝端部206压住密封的水泥浆密封套320，从而膨胀密封套的包装材料322直到其完全填满导引孔318的末端。由于水泥浆密封套的包装材料322内在破裂力量和导引孔318的壁的限制，在密封套的包装材料322失效并释放出其容纳的水泥浆材料305之前，螺栓202可以穿透水泥浆密封套320所占据的空间几英寸，增大水泥浆305内有效的压力。一旦包装材料322爆裂，旋转的螺栓202继续向前穿过水泥浆305，混合其成分并将混合后的水泥浆沿螺栓202的长度向后推，穿过矿山螺栓202和导引孔318之间形成的窄环带315。
如图3C所示，此时水泥浆305至少部分地包围住完全插入的螺栓202，并在硬化之后，使螺栓与顶部材料313结合以达到增强整个矿顶313强度的目的。由于没有充分混合水泥浆材料305，而且用螺栓202运送水泥浆材料305，少于整个长度的螺栓202上可以被水泥浆材料305包围。相对光滑的表面，甚至质地粗糙的钢筋(图1A中的103)和钝端部206都不具有执行这种混合和运送的构造。
在地下煤矿中遇到的非常不牢固的顶部状况越来越多。例如，像Zhang等发表在2006SME年会和展览会专业介绍上的文摘“在非常不牢固的顶部状况下矿顶螺栓的设计根据”中讨论的，在此作为参考将该文摘包括在本发明中，发现在伊利诺伊州盆地，具有更有利的矿顶岩石的更容易开采的储备已经迅速耗尽了，而数量更多、含硫更低的煤炭与不牢固的分层矿顶岩石有很强联系。在地下煤矿顶部条件不利的情况下，矿顶螺栓经常遇到会困难，不仅是因为顶部具有非常低的固有机械强度而且它是由不同类型岩石的薄积层组成。
目前对矿井不牢固矿顶岩石的研究已经表明，由于在水泥浆材料容器的破裂之前，施加在水泥浆上的压力增大，采用标准的完全灌浆钢筋螺栓的传统螺栓连接程序可以引起矿顶岩石的水压破裂，如图3B所示。这种研究的例子包括Pile.J.等发表在2003年8月5-7日在美国西弗吉尼亚州召开第22届国际矿井地面控制会议的会议论文集上的“运行煤矿矿顶螺栓的短期压缩拉伸试验”；Compton.C.等发表在2005年8月2-4日在美国西弗吉尼亚州召开第24届国际矿井地面控制会议的会议论文集上的“对安装在现场(under in situ condition)的完全灌浆的矿顶螺栓的研究”；和Campbell.R.N.等发表在2003年8月5-7日在美国西弗吉尼亚州召开第22届国际矿井地面控制会议的会议论文集上的“对完全压缩的矿顶螺栓中的手套(gloving)和未混合的树脂的程度和机制的研究”，在此作为参考将该文摘包括在本发明中。
作为水压破裂的结果，水泥浆可能横向地喷入顶部导引孔的外部(也称之为水泥浆的迁移)，从而分离岩石层并缩短减小在水泥浆材料里的螺栓长度。
经由横向水泥浆的迁移而造成的水泥浆损失也会对减小水泥浆圆柱长度有影响，该水泥浆圆柱长度对设计假定和矿井开采的稳定性有影响。另外，由于水泥浆圆柱长度的缩短，具有减小封装的灌浆螺栓可以允许螺栓体进入与有矿顶支承系统腐蚀和最终退化潜能的矿井环境接触。在一些情况中，如在矿顶岩石固有的氢化硫为高水平的矿井中，强调腐蚀效果，和螺栓完全压缩的需求变得更重要。
发明人用不同的水泥浆类型、插入速度和环面尺寸进行的现场测试程序是特别针对表现标准的、钝端螺栓插入所需力量的特性进行设计的。测试包括均速地、不旋转地将带有钝端的螺栓推入矿顶(底土层)灌浆的导引孔中。一测压元件安装在钻头和螺栓之间来测量载荷。一伸长仪用来测量螺栓的位移。载荷和位移同时测量。
测试计划要求采用标准钢筋螺栓、两种水泥浆类型和两种插入速度的三螺栓连接系统。这些参数的12种组合是可能存在的，对每种组合将实施两组测试，总共是24组测试。螺栓系统是(a)a#6(直径是0.75英寸)螺栓插入直径是1.03″的孔中，(b)a#6(直径是0.75英寸)螺栓插入直径是1.25″的孔中，和(c)a#7(直径是0.875英寸)螺栓插入直径是1.375″的孔中，所有螺栓用六角长标准钢筋锚栓。测试的水泥浆类型是Minova LIF和Fasloc低粘性的，全部设定用2分钟的时间。每个系统配有适当长度、直径分别为0.9、1.125和1.25英寸的密封套。螺栓插入导引孔的速度分别是每秒钟4.5英寸和每秒钟7英寸。
这些测试允许测量插入力量，并示范测试参数如何影响在螺栓端部前端产生压力。与预计的一样，将螺栓推入灌满水泥浆的凿洞所需力量随着插入深度的增加而增大。观察到的两种类型水泥浆的载荷曲线相似，测试中记录的载荷范围没有明显的不同。然而，在一些情况中，较高压力的早期产生引发顶部水压破裂，并伴随树脂的流失，树脂流失依次缩短螺栓压缩的观察长度。
每个测试用插入负载相对于插入深度的图表。如图4所示，所有图表展示出一个共同的行为，确定了三种截然不同的载荷区域。初始插入载荷以恒定的、相对低的速率增加，直到插入大约20英寸(图中的区域I)。在该点，载荷短期快速增加(图中的区域II)，之后载荷速度开始下降直到比初始观察到的速度略大一点(图中的区域III)。区域I在多数测试中很好确定，区域II和III显示出多样性，而且在一些情况下有交叉。
图4表明之后产生的影响。在区域I中，出现对具有密封套泊松效应的完好的水泥浆密封套的压缩。也就是说，当密封套的长度被缩短时，密封套在导引孔内延伸直到到达第一区域的跃迁。由于现在密封套已经充满导引孔，压力增加直到在第二区域跃迁点超过密封套包装材料的破裂强度。一旦包装材料破裂，水泥浆的液体流如同管子中的水流，虽然水泥浆比水的粘度大。由于插入速度保持恒定、载荷随着插入深度的增加相应增加，流速保持恒定。在一些情况下，较高压力的早期产生引发顶部水压破裂，并伴随树脂的流失，树脂流失依次缩短螺栓压缩的观察长度。
安装过程中降低水泥浆的粘度可能减小内在压力并不是实际情况，因为在安装过程中低粘度水泥浆能使导引孔渗漏从而否定效果。另外，低粘度水泥浆与粘度合适的水泥浆相比，容纳的最贵的水泥浆成分的百分率更高，因而不被认为是解决降低水泥浆压力问题的经济方案。
矿井已经采用特大型的导引孔来阻止压力的增大。然而，这种方案不是最佳的，因为必须增加水泥浆，而且降低了螺栓的锚固能力。因此需要一种方法和装置来克服现有技术的缺陷。

发明内容
本发明涉及一种对现有灌浆螺栓的设计和实践的改进，其目的是在所有环境中提高螺栓的锚固性能，特别是遇到岩石具有低压力强度或分层结构时。
本发明的示范实施例包括岩石螺栓首先插入导引孔的顶端具有改进的几何结构。改进的几何结构提供一种物质手段以便于经过螺栓末端的水泥浆的流动，促进水泥浆在螺栓和导引孔间形成的环面上的分布，和/或便于容纳在导引孔中的水泥浆材料的裂开。
在本发明的另一个示范实施例中，对灌浆岩石螺栓系统性能的改进是通过将岩石螺栓顶部改成螺旋状来实现的，该螺旋状通过提供更长的水泥浆柱以利于水泥浆在钻孔中的流动和混合来允许增加每个螺栓的锚固能力，通过螺栓在支承的顶部中的结合来增加结构的有效厚度，通过缩短螺栓暴露在矿井环境中的长度来降低螺栓腐蚀的潜能。
在本发明的另一个示范实施例中，岩石螺栓顶端改进的几何结构提供一种物质手段以便于密封的水泥浆密封套快速破裂，从而降低密封套内水泥浆增加的压力。降低螺栓安装过程中内部水泥浆压力允许降低矿顶岩石水压破裂的潜能，通过阻止水泥浆流失进入矿顶岩石来增加螺栓封装的有效长度，通过阻止由于内部水泥浆压力引起的密封套膨胀来减小螺栓“手套”(gloving)，和作为减小螺栓手套和增加螺栓封装的长度的结果提高了螺栓的锚固能力。
基于阅读下面的描述和附图可以更好的理解本发明的上述和其它结构、技术和优点。


图1A是灌浆岩石螺栓和锚固技术的分解示意图。
图1B是机械膨胀岩石螺栓和锚固技术分解示意图。
图2是传统灌浆螺栓的钝插入端的示意图。
图3A、3B和3C示出了在底土层如矿顶传统的安装灌浆锚固螺栓的步骤。
图4是代表一系列采用传统的岩石螺栓进行现场测试观察到的插入载荷相对于插入深度的图表。
图5示出了本发明的具有改进的几何结构的岩石螺栓。
图6示出了本发明的具有改进的几何结构的岩石螺栓。
图7示出了本发明的具有改进的几何结构的岩石螺栓。
图8示出了本发明的具有改进的几何结构的岩石螺栓。
图9示出了具有用来改善容纳能力的凸起的岩石螺栓，但不包括本发明的改进的顶端几何结构。
图10示出了本发明具有用来改善容纳能力的凸起和改进的顶端几何结构的岩石螺栓。
图11示出了显示控制因子相对于螺栓类型的图表，示出了传统的和本发明的岩石螺栓的改进的控制因子。
图12示出了本发明具有用来改善容纳能力的凸起和改进的顶端几何结构的岩石螺栓。
具体实施例方式
在下面的详细描述中，参照形成于此一部分并通过示意本发明可以实践的特定实施例的附图。对这些实施例进行了详细描述以使本领域技术人员能实施本发明，并且理解为可以利用其它实施例，可以有结构、逻辑和其它改变都不脱离本发明的实质和范围。描述的方法步骤的级数是本发明实施例的示范，然而，步骤的结果并不局限于此处提出的，并且除了必要的步骤有一定顺序，其它可以用现有技术替换。在这里术语“树脂”和“水泥浆”可以互换。同时本发明主要讨论的是有关矿顶环境，它适合加固或锚固任何可钻孔的底土层，因此尺寸上要相适应。
本发明的实施例设计由于加固底土层例如矿顶的岩石螺栓。矿顶螺栓首先插入导引孔的顶部具有改进的几何结构。改进的几何结构提供一种物质手段以便于经过螺栓末端的水泥浆的流动，促进水泥浆在螺栓和导引孔间形成的环面上的分布，和/或便于容纳在导引孔中的水泥浆材料的裂开。本发明的岩石螺栓和使用方法能与申请号为10/919,271的美国专利文献中描述的钻孔和岩石螺栓一起使用，在此作为参考将该美国专利包括在本发明中。本发明现在参照附图进行描述。
本发明不同的实施例去除典型灌浆螺栓的钝的插入端，并利用改进的螺栓顶端几何结构。在常规螺栓安装过程中当螺栓旋转进入孔中时，所述几何结构能在螺栓顶端提供较小的横截面面积、泵作用效果，或两者都有、类似螺旋造型。所述泵作用效果促进穿过岩石螺栓和导引孔间环面的水泥浆的流动，由此减小螺栓插入水泥浆材料时的压力梯度，从而使导引孔内总的最大压力最小化。
图5示出了根据本发明实施例具有螺旋造型顶端508的岩石螺栓502。在该顶端508旋转穿过水泥浆材料，螺旋造型迫使水泥浆材料混合并经过顶端508向下运送。当螺栓502旋转插入导引孔时，将水泥浆材料沿岩石螺栓502的长度方向推下去。岩石螺栓502的外端506有一减小的截面积。
本发明的另一示范实施例在图6中示出。虽然岩石螺栓的外端606同传统螺栓一样是钝的，但低于外端606的顶端608具有改进的几何结构，当顶端608插入水泥浆材料或进入容纳水泥浆材料的容器中时，这种改进的螺旋状开始起作用。一旦容器破裂，螺旋状顶端几何结构混合水泥浆并将其岩石螺栓602的长度方向沿推下去。
螺栓的实际引导边的几何结构、螺旋的螺距和这种螺栓的其它物质需要，如图5和图6所示，可以基于螺栓的直径、导引孔的直径，水泥浆的粘度、螺栓插入速度和螺栓旋转速度来构造。顶端几何结构构造的目的是关于这些工作参数来优化几何结构以使沿螺栓的水泥浆流最大化、在导引孔内的水泥浆压力增加的最小化。
图9示出了HRB-E岩石螺栓902，例如申请号为10/919,271的美国专利文献中描述的，在其顶端908具有用来切去导引孔沟槽的凸起910，但没有螺旋状的改进。HRB-E岩石螺栓902有一扁平外端906。当HRB-E岩石螺栓902插入钻孔中时，凸起910在钻孔壁上产生一个沟槽，并产生混入水泥浆的岩石碎片。
图10示出了具有根据本发明另一实施例改进的、用于运送水泥浆的螺旋状顶端的HRB-EP岩石螺栓1002。HRB-EP岩石螺栓1002也有凸起910和扁平外端部1006。
图11示出了对平均控制因子(GRIP FACTOR)(安装岩石螺栓的锚固力)和螺栓类型(如图9示出的HRB-E岩石螺栓902、图10示出的HRB-EP岩石螺栓1002、标准的DP103和DP125岩石螺栓)进行比较的图表。如图11所示，HRB-EP岩石螺栓1002有比其它岩石螺栓大的平均控制因子，例如1.01吨/英寸。图11表明根据本发明具有有泵特性的顶端1008的HRB-EP岩石螺栓1002比HRB-E岩石螺栓902展示出更一致的锚固能力，HRB-E岩石螺栓902与所述HRB-EP岩石螺栓1002相似，但其缺乏泵的特性。理论上不希望受到限制，看来测试过程中，泵特性以一种加强岩石碎片的混合和出示可观察到结果的方式指引水泥浆流。
根据本发明不同实施例，岩石螺栓的水泥浆泵特性可与其它改善水泥浆流和减小螺栓前部插入部分压力的增强型螺旋状岩石螺栓一起使用，所述压力可以导致水泥浆横向流失进入地层。这些增强型可以包括如下面讨论的增加水泥浆密封套的穿刺特性，和使用具有像促进水泥浆沿螺栓头流动和减小水泥浆内压力梯度式样的螺纹的钢筋。
根据本发明另一个实施例，通过用具有能使水泥浆密封套快速破裂的几何结构的外端的、改进的顶端置换典型灌浆岩石螺栓的钝的、类似活塞的端部，图4中示出的区域II的压力梯度减小或消失。密封套早一点破裂能减小图4中示出的区域II达到的最大压力，所述区域II是水泥浆增压最快速的间隔。使用新的几何结构有助于阻止水泥浆压力达到足以通过破裂钻孔内的水泥浆密封套来破裂周围岩石的量级。本发明在新墨西哥San Juan煤矿做的试验表明，早期密封套的破裂阻止了压力的增加并减少了岩石螺栓所插入的底土层的水压破裂的可能性，这将引起水泥浆的流失并影响完全压缩。
根据本发明一个实施例，图7所示的要是螺栓802的顶端几何结构是凿形的。这种形状有利于容纳在岩石螺栓所插入的导引孔中的水泥浆材料迅速破裂。这种结构保持了岩石螺栓顶端708可观的长度，并且不管是否旋转都能刺穿水泥浆容器。
图8所示的本发明另一个实施例。这个实施例中岩石螺栓802的顶部808的外端806具有用来破裂几何结构的多刺特性。这个实施例不管是否旋转都能刺穿水泥浆容器，但是在插入过程中最好旋转。
图7和图8中岩石螺栓的引导边的几何结构可以通过所测量的水泥浆材料密封套包装材料的力、密封套的直径、导引孔的直径、水泥浆的粘度、螺栓插入速度和制造特殊几何结构可利用的加工方法的能力来确定。本发明这些实施例的目的是是关于这些工作参数来优化螺栓端部几何结构的改进，以加快水泥浆密封套的破裂并使导引孔内最终的水泥浆压力最小化。
图12示出了本发明另一个实施例，图中示出了岩石螺栓1202，所述岩石螺栓1202配有具有用来运送水泥浆材料的环状顶端1208、具有用来破裂水泥浆材料容器的多刺特性的破裂几何结构的外端1206、和设置在其顶端1208用于在导引孔壁上形成沟槽的凸起1210。
上面已经描述了本发明的多个实施例。尽管已经参照特定实施例对本发明进行的描述，这些描述是用于例证目的而非限制目的。本技术领域中那些熟练人员可以在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的实质和范围的条件下对本发明进行修改和应用。
希望得到保护的专利范围由权利要求书限定。
权利要求
1.一种底土层加固装置，包括具有顶端的螺栓，所述顶端包括构造成可从顶端沿螺栓的长度运送水泥浆材料的几何结构。
2.如权利要求1所述的底土层加固装置，其特征在于，所述顶端的几何结构促进水泥浆材料的混合。
3.如权利要求1所述的底土层加固装置，其特征在于，所述顶端的几何结构促进顶端周围的水泥浆材料的流动。
4.如权利要求1所述的底土层加固装置，其特征在于，所述顶端的几何结构促进水泥浆材料穿过形成于螺栓和导引孔壁之间的环的流动。
5.如权利要求1所述的底土层加固装置，其特征在于，所述几何结构包括螺旋造型。
6.如权利要求5所述的底土层加固装置，其特征在于，螺旋造型的形状和螺距构造成与螺栓直径、导引孔的直径、水泥浆材料的粘度，相对导引孔的螺栓插入速度和相对导引孔的螺栓旋转速度有关。
7.如权利要求1所述的底土层加固装置，其特征在于，所述几何结构进一步构造成使置于导引孔中的水泥浆材料容器破裂。
8.如权利要求7所述的底土层加固装置，其特征在于，所述几何结构包括其表面积比螺栓横截面小的外端。
9.如权利要求1所述的底土层加固装置，其特征在于，所述几何结构进一步构造成在导引孔壁上产生一沟槽。
10.如权利要求9所述的底土层加固装置，其特征在于，所述几何结构包括用来在导引孔壁上产生沟槽的凸起。
11.一种底土层加固装置，包括具有顶端的螺栓，所述顶端包括构造成使置于导引孔中的水泥浆材料容器破裂的几何结构。
12.如权利要求11所述的底土层加固装置，其特征在于，所述几何结构包括凿形。
13.如权利要求12所述的底土层加固装置，其特征在于，所述几何结构包括多个刺穿特征结构。
14.如权利要求11所述的底土层加固装置，其特征在于，所述几何结构在与容器接触时可促进容器内水泥浆材料的迅速释放。
15.如权利要求11所述的底土层加固装置，其特征在于，所述顶端的几何结构在与容器旋转式接触时可促进容器内水泥浆材料的迅速释放。
16.一种岩石螺栓，包括具有顶端的螺杆，所述顶端包括至少一个选自螺旋造型、表面积比螺杆横截面小的外端中的特征。
17.一种稳定底土层的方法，包括在底土层中提供导引孔；在导引孔中供应水泥浆材料；将螺栓插入导引孔中，并插入水泥浆材料中，所述螺栓具有顶端，所述顶端具有构造成从顶端沿螺栓的长度运送水泥浆材料的几何结构。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述顶端包括至少一个用于水泥浆材料的运送的螺旋造型。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以一定的插入速度将螺栓插入导引孔，同时以一定的旋转速度旋转螺栓，其中，螺旋造型的形状和螺距构造成与导引孔直径、水泥浆材料的粘度、螺栓插入速度和螺栓旋转速度有关。
20.一种稳定底土层的方法，包括在底土层中提供导引孔；在导引孔中供应水泥浆材料，水泥浆材料容纳在容器中；将螺栓插入导引孔中，并插入水泥浆材料中，所述螺栓具有顶端，所述顶端包括构造成使容器破裂来释放水泥浆材料的几何结构。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在插入过程中旋转螺栓。
全文摘要
一种具有改进的用于沿螺栓分散水泥浆材料或破裂水泥浆容器的顶端几何结构，或两者都有，和使用这种用于底土层支承的岩石螺栓的方法。
文档编号E21D21/00GK101029571SQ200710087910
公开日2007年9月5日 申请日期2007年1月31日 优先权日2006年1月31日
发明者L·B·吉拉尔多, S·A·科滕 申请人:雷西奥恩Utd公司