岩石锚杆和锚定装置的制作方法

专利名称：岩石锚杆和锚定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及适于在采矿掘进业中用以提供顶和壁的支承的岩石锚 杆。本发明适用于例如煤矿中常见的硬岩以及软岩层应用，应当理解 的是，赋予此说明书使用的术语"岩石"广泛的意义，从而涵盖上述 两种应用。本发明本质上还涉及一种锚定装置。
背景技术：
顶和壁的支承在采矿掘进作业中至关重要。矿井和隧道的壁和顶 由必须加固以防止坍塌可能性的岩层组成。岩石锚杆被广泛用于加固 该岩层。
在常规岩层支承系统中，使用钻杆对岩石进行钻孔，然后移除该 钻杆，随之将岩石锚杆安装在所钻凿的孔内并通常使用树脂或水泥基 的灌浆而将该岩石锚杆固定在适当位置。
为了改进此处理工艺，已提出了自钻式岩石锚杆，借此还可将锚 杆用作钻杆。因而，有了自钻式岩石锚杆，可一次性钻孔和安装锚杆。
尽管自钻式岩石锚杆提供极大地改进岩石锚杆安装时间的可能， 但自钻式岩石锚杆未得以广泛使用。
能预期的是，岩石锚杆有时并不在预先钻凿的孔内进行锚定。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种岩石锚杆，其包括第一端和 第二端、在两端之间延伸的轴、沿着轴的邻近第一端的第一部分延伸的锚定装置，该锚定装置包括心轴和覆盖该心轴的至少一个扩展元件， 其中至少一个扩展元件在心轴和至少一个扩展元件之间的预定相对运
动时径向向外移位，其中至少一个扩展元件连接至连接器而形成锚组 件，所述锚组件被键接到心轴，且所述锚组件包括在锚定装置的转动 期间起作用的相对转动致动器装置。在具体形式中，上述连接器包括 上述相对转动致动器装置。在具体形式中，上述连接器包括本体部分 和至少一个连接腿，所述连接腿承载所述相对转动致动器装置。
在具体形式中，上述相对转动致动器装置为邻近上述腿的端部而 设置的附属片(tag)并与连接器成为一体，所述附属片适于在沿第一 方向转动期间不起作用，而在锚定装置的锚定期间在第二方向上起作 用。
在具体形式中，上述连接器包括两个腿，每个腿具有至少一个附
. 」属片。
在具体形式中，各附属片沿第二方向从上述腿突出。
在具体形式中，上述岩石锚杆为自钻式岩石锚杆，其中，第一端 具有在沿第一方向钻孔期间用于穿入岩石的钻头。
在一种形式中，心轴被安装到上述轴上的外螺纹和覆盖该心轴的 至少一个扩展元件，并且心轴与该外螺纹和扩展元件配合，其中至少 一个扩展元件在心轴和至少一个扩展元件之间的预定相对运动时径向 向外移位，其中，连接器被布置为松驰地保持在钻头和轴端的端部之 间，其中所述钻头或所述心轴和所述连接器包括相对转动止挡件。
在一种形式中，相对转动止挡件设置成用以阻止锚组件围绕钻柄 轴线旋转，从而防止心轴在沿所述第一方向钻孔期间沿着锚杆轴在一 个方向上轴向移动。在具体形式中，相对转动止挡装置包括位于钻头或心轴的肩部表 面上的凹面以及设置在连接器上的突起，所述凹面至少在钻孔期间容 纳所述突起。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于岩石锚杆的锚定装置，
该锚定装置设置成用于当位于所钻孔内时保持锚杆，该锚定装置包括
心轴和覆盖该心轴的至少一个扩展元件，其中至少一个扩展元件在心 轴和至少一个扩展元件之间的预定相对运动时在径向上向外移位，其
中至少一个扩展元件连接至连接器而形成锚组件，所述锚组件被键接
到心轴，且所述锚组件包括在锚定装置的转动期间起作用的相对转动
致动器装置。在具体形式中，上述连接器包括上述相对转动致动器装置。
在一个形式中，连接器包括本体部分和至少一个连接腿，所述腿 承载所述相对转动致动器装置。
在具体形式中，上述相对转动致动器装置为邻近连接腿的端部而 设置并与连接器成一体的附属片，所述附属片适于在沿第一方向转动 期间不起作用，而在锚定装置的锚定期间在第二方向上起作用。在具 体形式中，连接器包括两个腿，每个腿具有至少一个附属片。具体而 言，每个附属片沿第二方向从上述腿突出。在具体形式中，心轴具有
内螺纹和覆盖该心轴的至少一个扩展元件，其中至少一个扩展元件在 心轴和至少一个扩展元件之间的预定相对运动时径向向外移位，其中 所述连接器包括相对转动止挡装置。在具体形式中，相对转动止挡装 置包括设置在连接器上的突起。在具体形式中，锚定装置适于连接至 自钻式岩石锚杆。


为了方便起见，下文将参照附图描述本发明的实施例。应将附图和相关描述的详细内容理解为并未取代本发明前述广泛性描述的概 要。
在附图中
图1是自钻式岩石锚杆的示意性透视图2A是图1自钻式岩石锚杆的第一端的分解图2B是图1自钻式岩石锚杆的第一端的另一分解图3是图1自钻式岩石锚杆的第一端的侧视图4是位于岩层中时图1自钻式岩石锚杆的第一端的剖面图5A是部分地处于坍缩状态下和部分地处于扩展状态下的图1
自钻式岩石锚杆的连接器的俯视图5B是部分地处于坍縮状态下和部分地处于扩展状态下的图1
自钻式岩石锚杆的连接器的侧视图6A是图1自钻式岩石锚杆的钻头的仰视图； 图6B是图1自钻式岩石锚杆的钻头的侧视图； 图7是图6A和图6B中的与图5A和图5B的连接器接合的钻头的
侧视图。
具体实施例方式
图1示出了自钻式岩石锚杆IO，其结合了第一(钻孔)端11、第二(螺 母)端12以及在相对端11和12之间延伸的轴13。通常由钢制成的轴 13沿其长度的主要(第二)部分为实心并结合有内部通道14 (参见图 4)，该内部通道沿着锚杆的邻近钻孔端的远端(第一)部分。该内部 通道经由横向端口 60和端部端口 61而在两个位置与轴的外部连通。
在使用中，将自钻式岩石锚杆10连接至钻孔和锚杆支撑设备(未 示出)并用作(参见图4)在岩层500中钻出孔100的钻杆。此后，如 以下将作更详细说明的，将岩石锚杆10固定到适当位置，从而为岩层 500提供支承。钻孔端11结合了钻头15和锚定装置23，该钻头15结合了位于 其一端的钻尖16，而该锚定装置23在使用过程中被布置成将锚杆保持 在所钻孔内。锚定装置23沿着锚杆的第一部分延伸并用于将锚杆10 保持在钻孔内，从而在将灌浆引入孔100以永久性地将锚杆固定在适 当位置和/或使得锚杆张紧以至于岩层500处于受压状态之前，将岩石 锚杆暂时固定在适当位置。
在图2A至图6B中最佳地看到钻孔端11的详细情况。
在钻孔作业期间，钻孔装置通常将右旋旋转引导至钻轴。为确保 钻头15在钻孔作业期间不会与轴分离，钻头15和轴13之间的螺纹连 接为右旋螺纹，从而趋向于在钻孔作业期间形成钻头与轴之间的螺纹 连接。
钻头15包括钻头本体17和钻头柄18，该钻头本体17包括位于 其外端的钻尖16，而该钻头柄18结合了诸如位于其外表面上的外螺纹 22之类的紧固装置。通道19从钻头柄18的末梢延伸至钻头本体17的 末端。通道19被布置为当将钻头15固定至轴端20时，与轴的内部 通道14的端部端口61流体连通(图4中清晰可见)。轴端20包括与 钻头柄18上的外螺纹22互补的内螺纹21 (参见图4)。因而，可容 易地将钻头15旋拧至轴13的轴端20上。
钻头15设置有与钻头柄18相连的肩部表面80。肩部表面80大 致与钻头柄相垂直地延伸。当已安装了钻头时，肩部表面朝向轴13。 肩部表面包括形成至少一个直立壁82的至少一个凹面81。凹面81以 相对于肩部表面的锐角a倾斜。该角度的大小大于形成于钻柄上的外 螺纹的螺旋角。角度a的大小比形成在锚杆轴13上的外螺纹38的螺 旋角至少大20%。换言之，凹面以近似于与图6B中的右旋螺纹相反的 左旋螺纹倾斜。直立壁82将形成部分相对转动止挡件(下面将作详述)。锚定装置23被布置在钻头15下方并包括一对扩展元件24，该对
扩展元件被设计为使其从附图所示的縮回位置向外移动至扩展状态
(未示出)，其中，扩展元件24接合钻孔100的壁101。
扩展元件24通过连接器或夹紧带(bail strap) 25互连。该连接 器通常由钢制成并包括大致为圆形的主体部分26和连接腿27。连接腿 27被铆接(或以其它方式固定)至扩展元件24的近端28。扩展元件 被连接至连接器，以形成锚组件。通过使得连接器25由钢制成，则其 能挠曲，借此提供允许扩展元件枢转的活铰链，从而扩展元件能够容 易地在其縮回位置和扩展位置之间移动。
本体部分26优选为大致为圆形并包括用以容纳钻头柄18的中心 孔84。本体部分26在朝向钻头15的表面上设置有至少一个突起或直 立榫舌83。优选为，在本体部分的中部区域位置，即孔84与本体部分 外围之间的一个位置处冲压出榫舌83。榫舌83具有如图5B中清晰可 见的大致V形，但也可具有任何其它适当的形状，例如U形或半圆形。 该榫舌的最大高度小于凹面81的最大深度。该榫舌包括引导缘85，即 连接器以左旋方向旋转情况下的引导缘。引导缘85基本上垂直于本体 部分26的平面。上述榫舌将由凹面81容纳并能在钻孔期间抵靠直立 壁82。因此，该榫舌将形成部分相对转动止挡件(下面将作详述)。
由于锚定装置可能会被卡于轴端20，所以各腿27承载相对转动 致动器装置或引导附属片42A、 42B，即连接器25在沿左旋方向或第 二旋转方向旋转情况下的"引导"。因此，各附属片42A、 42B沿第二旋 转方向从上述腿突出。附属片42A、 42B被设置为邻近腿的远离本体部 分26的那一端部并与连接器成为一体。在图5A和图5B中，出于说明 性原因，附属片42A显示为处于缩回状态，而附属片42B显示为处于 扩展状态。因此，附属片适于在钻孔(右旋旋转)期间不起作用，而 在锚定(左旋旋转)期间起作用或朝外弯曲。附属片的几何形状为任 选的，例如该附属片可为折叠(concertina)状。锚定装置23还包括心轴29,该心轴包括相对的斜面30和31。在 示例性形式中，心轴29包括头部32和两个悬垂腿33和34，且头部 32的相对面以及腿33和34的相对边缘表面形成相应的倾斜面30和 31。头部32可具有两个用以容纳连接器的腿的部分的相对凹槽。
心轴布置为使得斜面30和31为基本上平的并设计为与扩展元件 24的内表面35邻接，从而使得心轴朝着轴的螺母端12的相对运动使 得扩展元件从其缩回位置移动至扩展位置。
为了实现这种相对运动，将心轴联接至锚杆轴，所示例的布置结 构中，锚杆轴通过具有形成在心轴29的头部32中的内孔37中的内螺 纹36以及形成在锚杆轴13上的外螺纹38的螺纹连接来实现相对运动。
心轴29和锚杆轴13之间的螺纹连接为左旋螺纹，以便当岩石锚 杆(在轴的右旋旋转下)经受钻孔作业时，心轴和锚杆轴之间的任何 相对运动将使得心轴朝着钻孔端移动，从而确保扩展元件不会移至其 扩展状态。同时，自钻式岩石锚杆避免了心轴过紧地紧固于连接器和 钻头而使得心轴不能松开的问题。在可代替形式中，心轴可设置有直 接与钻头上的凹槽或突起配合的突起或凹槽，从而提供可替代第一转 动止挡件。
锚定装置23还可包括未示出的环形带，可将该环形带布置在扩展 元件24的末端周围。该环形带通常由聚合材料或橡胶材料制成并设置 成仅在运输和开始钻孔期间将扩展元件24保持在一起。
连接器的附属片42A、 42B被布置为具有两种状态。图3示出了 第一状态，附属片42A、 42B朝着心轴29折叠。当附属片在钻孔作业 期间进行右旋旋转时，会出现上述情况。在图5A所示朝右的第二状态 中，附属片从连接器25的外围朝外弯折。在锚杆的相对转动期间会出现这种情况，且该情况由附属片引起，其中附属片在此转动的作用下 通过钻孔的壁表面101。在第二 (或扩展)状态下时，存在附属片接合 钻孔的壁表面的更大趋势。 一旦它们夹紧，则锚定装置就开始相对于 轴滑动，借此引起某些相对运动。此运动又致使心轴开始从上述轴转
下(winding down)，借此使得扩展元件朝外移位。
因此，连接器25能执行多种功能。第一功能是将扩展元件保持为 以设定距离轴向远离轴的端部。第二功能是将心轴和扩展元件旋转地 结合在一起。第三功能是提供孔，以便能将钻头旋入轴中。第四功能 是形成部分转动止挡装置，该转动止挡装置阻止心轴被过紧地螺旋到 钻头。第五功能是提供在锚定期间夹紧孔壁的附属片，借此使得锚定 装置相对于轴旋转。
如图l所示，岩石锚杆IO包括沿着轴13的主要部分的套筒62。 套筒62从锚定装置23附近穿过螺母端12并延伸至螺母端12附近。 套筒的用途是提供至少部分循环通路，从而允许流体从螺母端12经过 而到达钻孔端11。循环通路由形成在锚杆轴13与套筒62之间的通道 以及内部通道14提供。内部通道14经由横向端口 60而与形成在轴13 和套筒62之间的通道连通。
循环通路还包括形成在套筒62与钻孔100的壁101之间的外部通 道64。通过使得钻尖16以大于套筒62的半径的距离径向延伸而形成 该外部通道。
套筒62由套环66密封于其末端65。套环66能结合有内螺纹， 用以结合到外螺纹38上，该外螺纹在轴13的上部上被加工出来。
还通过使得套筒62的近端67与申请人的澳大利亚专利申请 No.200620778中详细描述的驱动联接器43内嵌接合来密封该套筒的近 端，此处通过引用将该申请并入本说明书中。可将支承板和球形垫圈72布置在轴13上，并由传动螺母43来卡 住支承板和球形垫圈。支承板被布置为抵靠岩层500的外面。
在操作之前，适当地将锚定装置23螺旋在轴13上，直到轴端20 抵靠连接器25的本体部分26的下侧。然后将钻头15旋入轴端的内螺 纹21，直到钻头柄端86接合内螺纹21的底部87为止。
在操作过程中，经由传动螺母43将锚杆10固定至钻孔装置，这 使得岩石锚杆沿第一方向旋转。在由轴与套筒62之间的通道形成的循 环通道、内部通道60和外部通道64周围泵送钻孔流体，以冲洗岩石 锚杆的岩石切割面。流体从冲洗的传动螺母43中的端口引入或排出。
在完成钻孔阶段时，钻孔装置随之使得锚杆沿相反的方向旋转。 当相对运动由扭矩销阻止时，传动螺母43与轴13 —起旋转。这使得 附属片42A、 42B朝外张开，以至于连接器夹紧壁表面101，从而使得 扩展元件24和心轴29开始相对于锚杆轴滑动。锚定装置与轴之间引 起的相对运动致使心轴从该轴的螺纹转下，以至于扩展元件径向地朝 外移位，从而接合钻孔的岩石表面。
当扩展元件与壁表面接合时，通过继续在第二方向上将扭矩施加 到传动螺母43而使得锚杆处于张紧。在特定点，扩展元件24受到强 大的作用力而抵靠岩壁表面，以至于心轴不能进一步从轴向下移动。 此时，可有效地限制锚杆，并且防止其进一步旋转。这将使得扭矩在 传动螺母43处聚集，直到该传动螺母到达将剪断扭矩销的点为止，借 此使得传动螺母相对于轴移动。然后，该相对运动致使螺母旋紧上述 轴。
一旦传动螺母能沿着锚杆轴移动，则该传动螺母将(直接或者通 过支承板)与岩层500的外表面接合，当锚杆在传动螺母与锚定装置之间的有效长度縮短时，该岩层的外表面将使得锚杆处于张紧。 一旦 锚杆处于足够的张紧下，则此时可移除钻孔装置，并且可能为了进一 步支承，进行经由传动螺母43中的端口引入灌浆而将锚杆安装在适当 位置的最后阶段。
应当理解的是，所要求的锚定装置25能用于非自钻式岩石锚杆，
即在插入锚杆之前需要预钻凿孔的岩石锚杆。
在所附的权利要求以及相对转动致动器装置的前述中，除了上下
文需要或由于表达语言或必然的暗示，将词语"包括(comprise)"或诸 如"包括(comprises)或"包括(comprising)"的变体用作包括的意思，艮P ， 表明所述特征存在但不排除发明各种实施例中存在或增加其他特征。
在不脱离本发明精神或范围的前提下可对前述部分作出变型和/ 或更改。
权利要求
1. 一种岩石锚杆，包括第一端和第二端、在所述端之间延伸的轴、以及沿着所述轴的邻近所述第一端的第一部分延伸的锚定装置，所述锚定装置包括心轴和覆盖所述心轴的至少一个扩展元件，其中所述至少一个扩展元件在所述心轴和所述至少一个扩展元件之间的预定相对运动时径向向外移位，其中所述至少一个扩展元件被连接至连接器，以形成锚组件，并且所述锚组件被键接到所述心轴，且所述锚组件包括在所述锚定装置的转动期间起作用的相对转动致动器装置。
2. 根据权利要求1所述的岩石锚杆，其中所述相对转动致动器装置布置在所述连接器上。
3. 根据权利要求1或2所述的岩石锚杆，其中所述连接器包括本 体部分和至少一个连接腿，所述腿承载所述相对转动致动器装置。
4. 根据权利要求3所述的岩石锚杆，其中所述相对转动致动器装 置包括一个或多个从所述至少一个腿延伸的附属片。
5. 根据权利要求4所述的岩石锚杆，其中所述附属片适于在沿第 一方向旋转期间不起作用而在沿第二方向旋转期间起作用，且其中所 述锚杆沿第二方向旋转，引起预定运动，从而实现所述锚定装置的锚 定。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的岩石锚杆，其中所述相对旋 转致动器装置被布置为在所述锚定装置沿第二方向的旋转时夹紧所钻 孔的壁表面，从而引起所述预定运动。
7. 根据权利要求5或6所述的岩石锚杆，其中，在所述附属片与 所钻孔的所述壁表面的接合时，所述附属片在沿第一方向旋转时被偏压而朝向所述锚定装置折叠，并且当所述锚杆沿第二方向旋转时，所 述附属片被偏压而向外延伸，从而夹紧所述所钻孔的所述壁表面。
8. 根据权利要求4至7中任一项所述的岩石锚杆，其中所述连接器包括两个腿，每个腿具有至少一个附属片。
9. 根据权利要求4或8中任一项所述的岩石锚杆，其中，每个附 属片沿第二方向从所述腿突出。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的岩石锚杆，其中所述岩石 锚杆为自钻式岩石锚杆，其中所述第一端具有钻头，用以在沿第一方 向钻孔期间穿入岩石。
11. 根据权利要求IO所述的岩石锚杆，其中所述心轴被安装到所 述轴上的外螺纹以及覆盖所述心轴的至少一个扩展元件，并且所述心 轴与所述外螺纹和所述至少一个扩展元件配合，其中所述至少一个扩 展元件在所述心轴与所述至少一个扩展元件之间的预定相对运动时径 向向外移位，其中所述连接器被布置为被松驰地保持在钻头与所述轴 端的端部之间，其中所述钻头或所述心轴和所述连接器包括相对旋转 止挡件。
12. 根据权利要求IO所述的岩石锚杆，其中所述相对转动止挡件 设置成用以阻止所述锚组件围绕听述钻柄轴线旋转，从而防止所述心 轴在沿所述第一方向钻孔期间沿着所述锚杆轴在一个方向上轴向移 动。
13. 根据权利要求10至12中任一项所述的岩石锚杆，其中所述 止挡件限制所述锚定装置在所述轴上旋转，从而在钻孔期间保持所述 锚定装置的端面与所述钻头的端面之间的间隔。
14. 根据权利要求10至13中任一项所述的岩石锚杆，其中所述止挡件包括配合邻接面， 一个所述面布置在所述钻头上，而另一个所 述面布置在所述锚定装置上。
15. 根据权利要求10至14中任一项所述的岩石锚杆，其中所述 止挡件包括位于所述钻头的肩部表面上的凹面以及设置在所述连接器 或心轴上的突起，并且所述凹面至少在钻孔期间容纳所述突起。
16. —种用于岩石锚杆的锚定装置，所述锚定装置用于当位于所 钻孔内时保持所述锚杆，所述锚定装置包括心轴和覆盖所述心轴的至 少一个扩展元件，其中所述至少一个扩展元件在所述心轴和所述至少 一个扩展元件之间的预定相对运动时径向向外移位，其中所述至少一 个扩展元件连接至所述连接器，以形成锚组件，并且所述锚组件被键 接到所述心轴，且所述锚组件包括相对转动致动器装置。
17. 根据权利要求16所述的锚定装置，其中所述相对转动致动器 装置布置在所述连接器上。
18. 根据权利要求17所述的锚定装置，其中所述连接器包括本体 部分和至少一个连接腿，所述腿承载所述相对转动致动器装置。
19. 根据权利要求17或18所述的锚定装置，其中所述相对旋转 致动器装置包括从所述至少一个腿突出的一个或多个附属片。
20. 根据权利要求19所述的锚定装置，其中所述附属片适于在沿 第一方向旋转期间不起作用，而在所述锚定装置的锚定期间在第二方 向上起作用。
21. 根据权利要求19或20所述的锚定装置，其中所述连接器包 括两个腿，每个腿具有至少一个附属片。
22. 根据权利要求19至21中任一项所述的锚定装置，其中，每 个附属片沿第二方向从所述腿突出。
23. 根据权利要求16至22中任一项所述的锚定装置，其中所述 心轴具有内螺纹和覆盖所述心轴的至少一个扩展元件，其中所述至少一个扩展元件在所述心轴和所述至少一个扩展元件之间的预定相对运 动时径向向外移位，其中所述连接器结合了部分相对转动止挡件。
24. 根据权利要求23所述的锚定装置，其中所述部分相对旋转止 挡件包括设置在所述连接器上的突起。
25. 根据权利要求16至24中任一项所述的锚定装置，其中所述 锚定装置适于连接至自钻孔式岩石锚杆。
全文摘要
本发明涉及一种岩石锚杆(10)，其包括第一端(11)、第二端(12)、在两端之间延伸的轴(13)、以及沿着邻近所述轴的第一端的第一部分延伸的锚定装置(23)。所述锚定装置包括心轴(29)以及覆盖所述心轴的至少一个扩展元件(24)。所述扩展元件在心轴与扩展元件之间的预定相对运动时径向向外移位。所述扩展元件被连接至连接器(25)，以形成锚组件。所述锚组件被键接到心轴。所述锚组件包括在锚定装置的旋转期间起作用的相对旋转致动器装置(42A、42B)。本发明本身还涉及一种锚定装置(23)。
文档编号E21D21/00GK101535598SQ200780042547
公开日2009年9月16日 申请日期2007年10月23日 优先权日2006年11月15日
发明者史蒂文·韦弗, 约翰·霍斯, 达雷·韦伯, 马修·肯尼 申请人:山特维克知识产权股份有限公司