专利名称：摩擦锚杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在岩层中使用的岩石锚杆，该岩石锚杆用来稳定岩层，以免其断裂或坍塌。本发明主要涉及在产业中作为“管缝式锚杆”或“摩擦稳定器”已知的岩石摩擦锚杆。这类岩石锚杆由纵向劈开的钢管组成，钢管被挤进钻入岩层内的孔中，以使得管外表面与孔内表面摩擦接合。从而将管以摩擦方式锚固在孔内。
背景技术：
上述类型的岩石锚杆在世界各地的地下采矿场所中很常见，这是因为其安装相比其他类型的岩石锚杆非常简单。安装此类岩石锚杆只需要在岩层内钻孔，然后将岩石锚杆锤击到孔内。相比之下，其他类型的岩石锚杆采用树脂或水泥浆将岩石锚杆锚固在孔内。就树脂锚固的锚杆而言，通常采用树脂筒，在将锚杆插入树脂筒之前，需要将筒插入孔内。由于巷道壁通常延伸至很大的高度，使得不便进入要在其中插入筒的孔中，因此有时很难插入树脂筒。此外，所采用的树脂相对较贵，并且具有有限的储存寿命。虽然灌注水泥的岩石锚杆比树脂锚固的锚杆便宜，但水泥的施用比树脂的施用更加困难。灌注水泥需要水泥搅拌设备，并且需要泵送和输送设备，以将搅拌后的水泥送入孔内。虽然存在树脂安装和水泥锚固的困难，但以两种方式中任一种锚固的锚杆通常在岩石加固或稳定方面要高效得多，这是因为相比岩石摩擦锚杆的摩擦接合，此类锚杆在树脂或水泥与孔壁之间具有明显更优的粘合力。因此，相比灌注树脂或水泥的锚杆，通常需要采用更多的岩石摩擦锚杆；或者作为另外一种选择，岩石摩擦锚杆需要比灌注树脂或水泥的锚杆长。存在与摩擦锚杆的使用相关的其他缺点，例如>相对较弱的剪切强度；>易于腐蚀；和>相对岩面支撑岩板的能力有限。为了克服上述一些缺点，常常在安装之后对摩擦锚杆进行后注浆操作。有利地，后注浆增加了剪切强度并防止腐蚀。除了后注浆之外，也可以用钢筋或钢缆加固岩石摩擦锚杆。在此类安装中，在泵入水泥浆之后，立即将钢筋或钢缆推入岩石摩擦锚杆的管内。虽然对传统岩石锚杆的上述每种修改形式改善了锚杆的性能，但应当理解，这些修改形式也显著增加了岩石锚杆的安装时间和费用。例如，假设通常通过泥浆软管引入水泥浆，泥浆软管的末端送入岩石锚杆的前端，随后在把水泥浆泵入岩石锚杆内时通过岩石锚杆的长度撤出软管，则后注浆可能是一个困难的过程。如果撤出软管时太快，则在管内可能形成空隙。此外，如果水泥浆混合物太稀，则水泥浆会流出管的后端，从而不会注满后端。另外，由于现有构造必然未提供对管已注满的指示，操作者总是不能明显知道水泥浆已充分泵入和注满管。因此，操作者的经验对于正确注浆很关键。本发明的一个目的是克服或至少减少与现有技术的岩石摩擦锚杆构造相关的一个或多个缺点。
发明内容
根据本发明提供了摩擦锚杆，所述摩擦锚杆用于摩擦接合钻入岩面的孔的内表面，所述摩擦锚杆包括伸长的、大致圆形且径向可扩张的管，所述管具有前端和后端；扩张机构，该扩张机构设置在管内，用于施加趋于使管的至少一段径向扩张的荷载；伸长的筋件(tendon)，该伸长的筋件纵向设置在管内，并且在筋件一端处或朝筋件一端与扩张机构相连，而在筋件的相对端处或朝筋件的相对端与一锚固装置相连，筋件可致动，用以扩张所述扩张机构并且在扩张机构被扩张的同时保持连接于扩张机构和锚固装置之间，扩张机构包括一对扩张元件，所述一对扩张元件中的第一扩张元件相对于管固定，所述一对扩张元件中的第二扩张元件固定到伸长的筋件，筋件的致动可操作用以在第一扩张元件和第二扩张元件之间产生相对移动，以使扩张机构扩张。相比某些其他的已知岩石锚杆，根据本发明的摩擦锚杆可以有利地允许在摩擦锚杆和将锚杆插入其中的孔的内表面之间更牢固或可靠地接合。此外，在管内包括伸长的筋件可以增加摩擦锚杆的剪切强度和抗拉强度，尤其是当筋件为刚性筋件例如金属杆、金属筋或刚性绳缆时。因此，筋件可以是刚性筋件例如金属杆、金属筋或刚性绳缆、非刚性绳缆， 或者可以是中空杆。此外，由于此类摩擦锚杆通常采用岩板，本发明的装置可以使得由摩擦锚杆支撑的岩石碎裂并向岩板施加荷载，岩板可被布置用于使筋件进一步致动，从而进一步扩张扩张机构，以增加管和孔内表面之间的摩擦接合。因此，根据本发明的摩擦锚杆可被布置用于在岩层破裂或断裂时增加其自身和孔的内表面之间的摩擦接合，而在这种情况下，某些现有技术摩擦锚杆则会被部分地或全部地从孔内拉出。因此，根据本发明的摩擦锚杆预计可提供更高的可靠度，以便在由摩擦锚杆支撑的岩层断裂或破裂的情况下离开孔。在根据本发明的摩擦锚杆中，管可以沿其长度的至少一部分但优选地沿其整个长度纵向劈开。裂口主要是为了有利于管径向收缩而提供，以使得插入管的孔可被钻成具有略小于管外径的内径。在该构造中，通过例如冲击锤强制摩擦锚杆进入孔中，使得通过闭合纵向裂口而径向收缩管。管的自然弹性使得管与孔壁摩擦接合。因此，在插入时和对扩张机构进行任何扩张之前，管的外表面与孔壁摩擦接合。扩张机构的扩张可能要么不使管径向扩张，要么使管产生可忽略不计的扩张，而是扩张机构的动作可用来增加管外表面和孔内表面之间的摩擦接合。裂口也可有利于管的径向扩张，但通常不需要径向扩张。在管包括纵向裂口的根据本发明的摩擦锚杆中，可以在管内设置伸长的大致圆形的内套管，该内套管与管内表面保持接合。在该构造中，内套管桥接或覆盖纵向裂口，并且基本上在裂口的长度上延伸。内套管可以纵向闭合，从而可以是圆形的，或者可以包括沿其长度的至少一部分但优选地其整个长度的调节部分，以允许其径向收缩和扩张。这允许内套管在管需要收缩以插入孔内时与管一起收缩，并且还允许套管在扩张机构致动以扩张时根据需要随后扩张。扩张部分可位于管内的裂口处。在上述构造中，内套管的调节部分可以为向内延伸部分，该部分可以为V形。在该构造中，向内延伸部分可以压缩或变深，以径向收缩，并且可以扩张或变浅，以径向扩张。作为另外一种选择，内套管可以沿其长度纵向劈开，以限定可随着管的扩张和收缩而打开和闭合的纵向间隙。如果采用该形式的内套管，则内套管的裂口可以与管的裂口 (如提供)错开，并且各自的裂口可以大致在直径方向上相对设置。应当指出，可以采用具有纵向闭合的管以及纵向裂口的管的内套管。使用具有纵向闭合的管的内套管将提供保护位于管内的筋件使之不受水或湿气渗透的影响的优点。例如，如果管由可腐蚀材料制成，并且如果腐蚀达到穿透管壁的整个壁厚的程度，则根据本发明的摩擦锚杆的管会腐蚀，然后使得管内部的筋件将暴露在岩层周围的水或湿气中。因此， 内套管的采用可充当阻止水和湿气渗入管内部的屏障，即使是出现穿过管的厚度的任何严重腐蚀。由此可见，可以在采用或不采用如下文将要描述的后注浆操作的情况下使用内套管。内套管可由塑性材料形成，但也可以采用其他材料，例如柔性金属片或橡胶。根据本发明的摩擦锚杆可以被后注浆，并且通过采用桥接或覆盖纵向裂口的塑性套管可以防止管内部的灌浆介质逸出，同时又允许管在安装管的过程中和后注浆操作之前根据需要收缩和扩张。此外，虽然引入水泥浆本身就可以保护筋件不受腐蚀，但水泥浆通常会在岩层的压力下开裂，使得水或湿气能够透过裂缝进入筋件。因此，通过包括套管可以防止这种进入。在可选构造中，摩擦锚杆的管纵向闭合并包括在其至少一部分长度上但优选地沿其整个长度的调节部分，以允许管在必要时为了将摩擦锚杆插入孔内而径向扩张和收缩， 并允许管在扩张机构的影响下进行任何随后的扩张。调节部分可以是与上文结合内套管讨论的相同或类似的类型，因此调节部分可包括向内延伸部分，向内延伸部分可被成形为例如V形，从而可以在管径向收缩或扩张过程中收缩或扩张。当管纵向闭合时，可以在管内设置开口，以有利于将扩张机构组装在管内。例如， 扩张机构可包括一对楔形件，所述一对楔形件中的一个楔形件固定到管的内表面，而所述一对楔形件中的另一个楔形件固定到伸长的筋件。因此，可以设置穿过管壁的开口，以允许所述一对楔形件中的一个楔形件例如通过焊接固定到管表面。如上所示，扩张机构可包括一对扩张元件，所述一对扩张元件中的第一扩张元件以任何合适方式例如焊接或通过螺钉紧固件而相对于管固定，而所述一对扩张元件中的第二扩张元件例如通过焊接、螺纹接合或其他紧固机构例如筒和楔构造或通过销而固定到伸长的筋件。筋件的致动可以达到使第一扩张元件和第二扩张元件之间产生相对移动，以使得扩张机构扩张。第一扩张元件和第二扩张元件可以是楔形元件，使得元件之间的相对线性移动产生扩张或收缩，这具体取决于相对移动的方向。可以采用适合根据本发明的岩石锚杆的其他形式的扩张机构。优选的是，扩张机构朝管的前端布置，优选地在前端处或非常靠近前端处布置。在优选构造中，管的前端的末端渐缩以有利于将摩擦锚杆插入孔内，并且扩张机构布置在紧邻渐缩部分处。在一些构造中，锚固装置包括可与伸长的筋件螺纹接合的螺母，并且锚固装置还包括螺母所邻接抵靠的邻接件。螺母可以是任何合适形式的螺母，例如六角螺母或蝶形螺母。在该构造中，筋件或螺母均可相对于彼此旋转以致动筋件，以使扩张机构扩张。在一种构造中，螺母旋转并且通过在一个方向上旋转而使筋件在远离管前端的方向上回缩，以致动扩张机构。作为另外一种选择，锚固装置可具有筒形和楔形构造，并且通过将筋件拉动通过筒形和楔形构造而使扩张机构致动，使得筒形和楔形构造保持筋件的位置。后一种构造尤其适合绳缆形式的筋件。在可选构造中，锚固装置可包括螺母，螺母固定到筋件，使得螺母的旋转使该筋件也旋转。因此，采用通过合适的工具例如扳手或扳钳来接合的螺母，以使得筋件可以旋转。 在该构造中，筋件的旋转使扩张机构致动，这可以通过筋件和扩张机构之间的螺纹接合实现。螺母可通过任何合适的方式例如通过焊接或压接而固定到筋件。作为另外一种选择，可以将销插过螺母和筋件，或者螺母可以为盖螺母。此外，螺母可以例如通过锻造而与筋件一体地形成。在包括一对楔形元件的扩张机构中，筋件连接到所述一对楔形元件中的一个楔形元件，以使该元件相对于所述一对楔形元件中的另一个楔形元件移动。在锚固装置包括可与筋件螺纹接合的螺母的构造中，螺母在一个方向上的旋转将使筋件回缩，进而会使所述一对楔形元件中的一个楔形元件相对于另一个楔形元件回缩，以使扩张机构扩张。螺母在相反方向上的旋转将使扩张机构收缩。利用该构造，当要从孔内移除摩擦锚杆时，可以收缩扩张机构。特别是当把摩擦锚杆插入具有比锚杆的管的外径更大的直径的孔内时会发生这种情况。在该构造中，锚杆仅在扩张机构扩张以扩张管时摩擦接合孔壁，以使得扩张机构的收缩使管收缩并允许将锚杆拉出孔。在锚固装置包括固定到筋件的螺母且筋件螺纹接合扩张机构的楔形元件的可选构造中，通过旋转筋件将使所述一对楔形元件中的一个楔形元件相对于另一个移动，以便扩张或收缩扩张机构，从而取得相同效果。应当指出，虽然参照了包括一对楔形元件的扩张机构，但应当理解，扩张机构可包括不是楔形元件的元件，例如凸轮元件，或者可包括可选的扩张器构造。此外，虽然上述讨论关于单个扩张机构进行，但应当理解，可以在管内纵向采用不止一个扩张机构。当在锚固装置和筋件之间或扩张机构和筋件之间螺纹接合时，可通过限制螺纹长度或使用邻接件或其他合适的屏障例如筋件的变形来控制筋件和锚固装置及扩张机构之间的相对旋转程度。锚固装置的邻接件可以是横跨管的后端延伸的板。板的尺寸可以达到与管端重叠的程度，并且在该构造中，板可以为固定到管的后端处或管的后端附近的环提供支撑，该环用来支撑摩擦锚杆穿过其中延伸的岩板。在该构造中，有利地，当岩板承受岩层的重负荷时，支撑板可以支撑环。因此，不太可能出现环的失效以及由此导致的岩板的破裂。可以采用其他的邻接件构造。例如，螺母或筒形和楔形构造可具有与管的后端邻接的尺寸，以使得支撑板变得多余，或者管的后端可以向内渐缩至允许与螺母或筒形和楔形构造邻接的直径。进一步可选地，邻接件可由配合到管的后端内的塞子提供，并且这种配合可以包括摩擦配合或螺纹配合或任何其他合适的配合方式。其他合适形式的锚固装置在本发明的范围之内。在本发明的一种形式中，采用基本上封闭管的后端的管端部接头。这种接头可以形成上述锚固装置的一部分，或者可以独立于锚固装置。在一种形式的管端部接头中，接头包括用于通过伸长的筋件的第一开口和用于使流动性材料通过进入管内部的第二开口。流动性材料可以是树脂或水泥浆，所述树脂或水泥浆被泵入管内部以用于防止管在来自岩层的负荷下被压缩。在该构造中，包括如上所述的内套管有利地方便将流动性材料输送到管前端。内套管通过形成用于将流动性材料向管前端的通道输送来做到这一点。在孔壁和套管之间的第二通道允许在第一通道内被流动性材料取代的空气逸出。第二通道可包括在管内的裂口以及在管外部和孔壁之间的空间。包括如上所述内套管也可以在管不包括纵向裂口时将从管内逸出的树脂或水泥浆的量最小化。端部接头的使用可以例如提供本发明的其中一个优点，即最小化或消除当水泥浆具有过低的粘度时水泥浆流出管的后端的可能性。在现有技术构造中，管端常常是开放的， 从而为水泥浆的流出留下大开口。在本发明的该实施例中，管的后端基本上是封闭的，从而限制了水泥浆经该开口逸出的可能性。此外，使用具有用于通过流动性材料的第二开口的端部接头意味着第二开口可被构造成与水泥浆输送喷嘴等对接，从而消除了将灌浆软管送入岩石锚杆前端的必要性。此外，由于水泥浆或树脂从管后端泵入管内，管将被朝前端流动的材料注满，并且水泥浆输送设备的操作者将收到管已注满的指示，这或者是由于输送喷嘴内的背压增加，或者是当管壁内设有调节部分且设有内套管时，水泥浆或树脂将在朝管后端处的岩板的方向上从管前端向后流动，当岩板处出现水泥浆或树脂时，操作者将收到视觉指示。因此，将水泥浆正确输送到摩擦锚杆所需的操作者技能显著降低。端部接头可具有任何合适的材料，例如橡胶或金属。端部接头可与锚固装置例如螺母配合。端部接头可包括两个部分，例如第一橡胶塞部分和第二金属盖或罩部分，其中的后者配合到橡胶端部接头上并通过锚固装置的螺母接合。在后一种构造中，端部接头的每个部分可包括用于通过伸长的筋件的开口和用于通过流动性介质的开口。端部接头的两个部分可以布置成例如通过螺纹接合或其他连接互相配合。在以上讨论的端部接头构造中，如果在摩擦锚杆内采用内套管，则内套管的后端可被布置成以端部接头密封，以便密封并防止流动性材料从管内流出。在一种构造中，端部接头包括狭槽，狭槽内可以接纳内套管的后端。端部接头狭槽对后端的接纳优选地通过滑动配合或紧密配合进行，并且可以采用胶水来进一步增强内套管和端部接头之间的密封性。端部接头的一种可选用途是将筋件正确定位在管内。端部接头的另一种可选用途是以防止筋件移动的方式摩擦接合筋件，筋件的移动将使扩张机构扩张并妨碍将摩擦锚杆装入孔内。可以采用单个端部接头来实现两种目的。通常，将筋件正确定位在管内预计需要在管内同心定位。因此，端部接头可以配合在管端内或管端上，并且可包括供筋件可延伸穿过的中央开口。如果需要将筋件非同心地定位在管内，则可以设置非同心开口。端部接头和筋件之间的接合可以是松弛或紧密的摩擦接合。在一些构造中，可以采用增加的摩擦接合来提供在将摩擦锚杆插入孔内的过程中轴向定位筋件的有益效果，尤其是在摩擦锚杆的管具有比孔的内径更大的外径的情况下。在这种情况下，管在被强制进入孔内时需要径向收缩，而要发生径向收缩，重要的是扩张机构脱离接合，以便管可以收缩。然而，如果筋件在安装过程中在管内自由移动，则其可以以使扩张机构接合的方式回缩或移动，从而防止或限制管的径向收缩。如果采用上述类型的摩擦接合，则可以限制或防止筋件的轴向移动，从而有利地防止扩张机构不利地接合。如果在筋件和端部接头之间采用上述摩擦接合，则施加到筋件的摩擦荷载不得高得阻止使扩张机构致动可能需要的筋件的旋转或轴向移动。对扩张机构的以上讨论主要涉及对这样的楔形元件的使用其中一个楔形元件相对于另一个移动，以扩张所述扩张机构。在这类扩张机构中，对于多数应用而言，使扩张机构扩张只需要可移动或“活动”的楔形元件的少量移动。然而，在一些应用中，特别是在脆弱的岩石中，活动的楔形元件的行程可能较大，并且潜在地可能足够大，以使活动的楔形元件完全经过固定或静止的楔形元件。在这种情况下，扩张机构将失效，而不能为管提供扩张荷载，因此将失去包括扩张机构的有益效果。因此，本发明提供了限制活动的楔形元件的行程或移动的装置，以确保当扩张机构被致动以扩张时楔形元件保持彼此靠近。在筋件和锚固装置的螺母之间采用螺纹接合的一些构造中，可以选择螺纹长度， 以限制筋件可以回缩以移动活动的楔形元件的程度。可以终止螺纹以限制筋件收缩，或者可以采用邻接件，例如延伸穿过筋件的销。当筋件与所述楔形元件中的一个楔形元件螺纹接合时，可以应用相同的构造，从而限制筋件的旋转，以限制楔形元件的移动范围。本发明还提供了用于安装根据本发明的岩石摩擦锚杆的安装工具和安装此类岩石摩擦锚杆的方法。安装工具包括插槽，所述插槽被布置用于向根据本发明的摩擦锚杆的后端施加冲击荷载以将摩擦锚杆驱动进入已钻入岩壁内的孔中。插槽包括用于接纳筋件的后端的开口和围绕开口以用于施加冲击荷载的驱动表面。插槽开口的深度足以使驱动表面在未通过冲击而接合筋件的情况下接合摩擦锚杆的后端。应当理解，插槽的驱动表面可被布置成通过冲击而接合摩擦锚杆的后端的任何合适部分。因此，驱动表面可以接合摩擦锚杆的管后端的面对表面、或接合覆盖了管端的端板的面对表面或接合任何其他合适的摩擦锚杆表面。例如，驱动表面可以接合被附接或固定到筋件后端的螺母的面对表面，以使得冲击荷载可以仅施加到螺母上，或者除螺母之外还施加到摩擦锚杆后端的另外一个或多个表面上。在该构造中，冲击荷载可以施加到螺母和摩擦锚杆的管后端或覆盖后端的端板。插槽的开口可以被成形为接纳筋件后端，并且接纳被附接或固定到筋件后端的螺母，如有螺母的话。当螺母附接或固定到筋件后端时，开口可以为阶梯状，具有直径适于接纳筋件后端的第一部分和直径较大以接纳被附接或固定到筋件后端的螺母的第二部分。螺母可以为方螺母或六角螺母或其他形状的螺母，并且第二部分可具有与螺母形状互补的内表面。在开口的第一部分和第二部分之间可以形成肩部。虽然可利用该肩部向螺母的面对表面施加冲击荷载，但如果不需要这种荷载，则可以将肩部设置成在插槽的驱动表面与摩擦锚杆的后端接合时肩部与螺母脱离接合。同样，在插槽的驱动表面与摩擦锚杆的后端接合时，插槽开口内端可以与筋件的面对端表面间隔开。插槽可被布置用于向筋件和/或附接或固定到筋件后端的螺母施加偏压荷载，从而在通过插槽冲击而驱动摩擦锚杆的过程中，筋件可以保持在使扩张机构脱离接合的位置，以便在必要时，摩擦锚杆的管在被驱动进入具有相比管外径更小的直径的孔内时可以径向收缩。此外，偏压装置可用来防止筋件在驱动摩擦锚杆过程中来回移动。偏压装置可包括螺旋弹簧，该螺旋弹簧作用在筋件后端例如筋件端面上，或者可以是橡胶或弹性聚合物等。偏压装置也可作用在插槽开口内端上。偏压装置可以通过任何合适的方式固定到插槽开口内端，例如通过经插槽侧壁伸入插槽开口内的螺钉。因此，安装根据本发明的摩擦锚杆的方法包括在岩壁内钻孔；将摩擦锚杆的前端插入孔的开口内或将摩擦锚杆的前端与孔的开口对齐；将插槽施加到摩擦锚杆的后端， 该插槽具有用于接纳摩擦锚杆的筋件的后端的开口和用于接合摩擦锚杆的后端的驱动表面；以及冲击性地驱动插槽，以将摩擦锚杆驱动进入孔内。该方法可以包括钻出内径小于摩擦锚杆的管的外径的孔，以使得当摩擦锚杆在被驱动进入孔内时强制管收缩。为了更好地理解本发明并示出其实施方式，现在将结合附图仅以非限制性实例方式描述本发明的实施例。
图1是根据本发明的岩石摩擦锚杆的剖视图。
图IA是穿过图1的AA线的剖视图。
图IB是穿过图1的BB线的剖视图。
图2是根据本发明的另一个岩石摩擦锚杆的局部剖视图。
图3是穿过图2的AA线的剖视图。
图4是穿过图2的BB线的剖视图。
图5是图1的岩石摩擦锚杆安装在孔内时的剖视图。
图6是根据本发明的另一个岩石摩擦锚杆的剖视图。
图7是穿过图6的BB线的剖视图。
图8是穿过图6的AA线的剖视图。
图9是根据本发明的另一个岩石摩擦锚杆的剖视图。
图10是穿过图8的BB线的剖视图。
图11是根据本发明的另一个岩石摩擦锚杆的剖视图。
图12以局部剖视图示出了图1的岩石锚杆的后端，其中在后端上附接有安装工具。
具体实施例方式图1是根据本发明的一个实施例的岩石摩擦锚杆的剖视图。岩石锚杆10包括具有前端12和后端13的伸长的、大致圆形的管11。典型的岩石锚杆的长度可以在约Im至约 5m的范围内。管11沿其整个长度纵向劈开。图IA是示出裂口 21的管11的剖视图。扩张机构14设置在管11内并包括沿斜面17交界的一对楔形元件15、16。楔形元件16在管11的前端12处通过焊接固定到管11的内表面18，而楔形元件15则通过螺纹连接固定到伸长的筋件19的前端。筋件19可为刚性金属筋或杆，或者可以为绳缆。易于理解，楔形元件15和16之间的相对移动将引起扩张机构14的收缩或扩张，这具体取决于相对移动的方向。楔形元件15在朝管11的后端13的方向上的移动将引起扩张机构14扩张。管11的前端12渐缩，以有利于将岩石锚杆10插入钻入岩面内的孔中。前端12 包括在其相对侧的两个裂口，但在图1中只能看到一个裂口 20。裂口有利于在必要时压缩前端12以插入孔内。筋件19延伸超出管11的后端13并包括螺纹端21和22。六角螺母23在螺纹端 22附近固定到筋件19。螺母23固定到筋件19，以使得螺母23的旋转使筋件19旋转。螺母23可通过压接或焊接或任何其他合适的固定装置而固定到筋件19。螺母23的旋转使筋件19旋转，以使得楔形元件15在螺纹端21上轴向移动。楔形元件15充分的轴向移动将使斜面17结合到一起，并且将向管11的内表面18施加扩张荷载。螺母23为锚固装置的一部分，锚固装置还包括具有端板M形式的邻接件。端板 M覆盖管11的开放后端13，并且延伸至焊接到管11的外表面沈的环25附近。在安装时， 环25紧靠岩板(未示出)以使岩板相对岩壁面固定，并且当岩石锚杆承受重荷载时，端板 M为环25提供额外的支撑，以抵抗施加到岩板的荷载。因此，环25由端板M支撑以防止失效。岩石锚杆10还包括端部接头27，端部接头27被成形为配合到锚杆10的开放后端 13内的塞子或衬套。端部接头27可以为塑料或橡胶衬套，并且旨在用作对于管11的内表面18的摩擦件。端部接头27包括供筋件19穿过延伸的中央开口，开口尺寸旨在产生对于筋件19的外表面的摩擦配合。端部接头27的功能为双重性的。首先，端部接头27使筋件19的锚固端与管11 保持同心。因此，管11关于管11侧向或径向移动受到限制。筋件19的同心定位也使端板 24横跨管11的开放后端13保持同心定位，以使得端板M保持其横跨管11的开放后端13 延伸的定位，以支撑环25。此外，端部接头27摩擦接合筋件19，以使得在将岩石锚杆10插入孔内的过程中筋件19的轴向移动受到限制。这一点对于以下方面来讲是重要的确保筋件19不在朝后端13的方向上轴向移动，避免引起楔形元件15和16之间接合并避免阻止管11在插入孔内时径向收缩。如上所述，岩石锚杆常常插入具有比锚杆外径小的内径的孔中，以使得锚杆的外径必须收缩，以允许将岩石锚杆插入孔内。通过将筋件19保持在图1所示位置处，楔形元件保持间隔，并且当把锚杆10插入直径减小的孔内时管11可以收缩。端部接头27的优点在于其为简单而低成本的部件，但又在操作锚杆10过程中提供了显著的优点。参照图lb，图中示出了穿过截面B-B的剖视图，并示出了与管11和筋件19摩擦接合的端部接头27。应当指出，筋件19的螺纹端22延伸超出螺母23并设置用于附接诸如丝网之类辅助岩石支承件。此类丝网可以在相邻锚杆之间延伸并设置用于捕集脱离岩壁的岩石碎片，而不允许碎片下落，这是因为下落的岩石会对在岩壁附近作业的工人造成危险。虽然图1的岩石锚杆10并未示出为包括内套管，但在认为合适时可以包括此类套管。在岩石锚杆10中添加内套管一例如在图5至7中用附图标记51表示或在图8和9 中用附图标记71表示的内套管——可以提供防止水进入管11内部的屏障，从而为筋件19 提供防水或防潮保护。如上文所指出的，岩石锚杆10提供了相比现有技术的多项优点，但具体地讲，岩石锚杆10为前端12在孔内提供了有效的锚固，同时通过包括筋件19而增加了锚杆的剪切强度和抗拉强度。另外，相比仅在灌浆之后将杆插入管内部的现有技术，将筋件附接到扩张机构显著提高了摩擦锚杆的抗拉强度，并且在相对较低程度上提高了剪切强度。上文已经讨论了通过添加端板M所带来的优点。图2为根据本发明的另一个实施例的岩石锚杆30的部分侧视部分剖视图。图3为沿A-A线截取的岩石锚杆30的剖视图，图4为沿B-B线截取的岩石锚杆30的剖视图。岩石锚杆30包括图1的岩石锚杆10的许多特征，因此采用相同附图标记来表示相同特征。岩石锚杆30包括如图3和4的剖视图所示纵向闭合的伸长管31。管31包括调节部分32，调节部分被成形为向内延伸的大致V形部分。虽然调节部分32仅可以在管31的一部分长度上延伸，但优选地其可以沿整个长度延伸。对于本领域的技术人员显而易见的是，在管31径向扩张之后，调节部分32将扩张并变浅；而当管31收缩时，调节部分32将收缩并变深。在岩石锚杆30内，提供了用于接合扩张机构14的可选构造。在岩石锚杆10内， 螺母23固定到筋件19，以使得在螺母23旋转时，筋件19也旋转。这种旋转相对于可螺纹连接到筋件19的楔形元件15而进行，以使得在筋件19旋转时，引起楔形元件15在管内轴向移动。相比之下，在图2中，螺母23螺纹连接到筋件19，同时楔形元件14固定到筋件19。 在该构造中，螺母23相对于筋件19旋转并引起筋件19轴向移动。由于该轴向移动，楔形元件14也轴向移动。在岩石锚杆10和30的每一个中提供了控制机构，该控制机构用于确保楔形元件 15朝锚杆的后端13的轴向移动不太大，以免完全经过固定的楔形元件16。参照图1，筋件 19的肩部观表现了楔形元件14沿筋件19的最大行程。因此，当楔形元件15的底端四接合肩部观时，楔形元件15不可能发生朝后端13的进一步轴向移动。因此，尽管管11可以进一步扩张，但扩张机构14不会产生进一步的扩张荷载。对于岩石锚杆30来说，螺纹端22延伸至无螺纹部分41处，在无螺纹部分这点处， 螺纹部分22的小直径小于无螺纹部分41的外径。利用该构造，当螺母23到达部分41时， 螺母23无法进一步旋转，从而终止了筋件19的进一步轴向移动。图5示出了在岩石43的主体内的孔42中处于安装状态的图1的岩石锚杆10。岩板44固定在锚杆10的环25和岩面45之间，但可以看到，扩张机构14的楔形元件15和16 已相对于彼此移动，以使得相应元件15和16的斜面17接合。由图5可清楚看出，螺母23 未相对于筋件19移动，而是螺母23的旋转已使筋件19旋转，并且使楔形元件15在螺纹端 21上移动。因此，在图5的视图中，楔形元件15已经相对于固定的楔形元件16向下移动， 从而将径向扩张荷载施加到管11的内表面18。
还可以明显看出，在螺纹端21的末端处，楔形元件15的底部边缘四已到达筋件 19的肩部28，以使得楔形元件15不能在筋件19上进一步移动。利用该机构，楔形元件15 只能移动至图5中的位置，而不能进一步移动。因此，该机构使得楔形元件15和16始终保持接合，并防止楔形元件15在锚杆的后端13的方向上移动经过楔形元件16。在图2的岩石锚杆30中，通过将水泥浆泵入管31的内部33中可以实现对锚杆的后注浆操作。为了有利于水泥浆进入内部33，岩石锚杆30包括端部接头34，端部接头34通过配合在端部接头34内形成的狭槽36中的管端35而配合到管31的后端上。管端35可通过摩擦接合、螺纹接合或者可以提供的其他合适的接合而配合到狭槽36内。接头34可以在后端13处将筋件19同心地定位于管11内，并且由于上文结合图 1的端部接头27所解释的原因而可以摩擦接合筋件19。接头34包括用于接纳筋件19后端的第一开口 37和用于输送水泥浆的第二开口 38。可以采用合适的水泥浆输送装置与开口 38对接，用以使水泥浆从开口中通过。对岩石锚杆30进行后注浆的有益效果在于固化的水泥浆防止管31被压缩，这种压缩往往发生在锚杆受到引起锚杆被拉出其已经被插入的孔的荷载的作用时。采用后注浆时的安装方法为将锚杆30插入钻入岩层内的孔中，然后通过旋转螺母23来致动扩张机构 13，以在朝管31的后端13的方向上回缩筋件19。一旦扩张机构14已根据需要扩张，即可将水泥浆泵入管31的内部。一旦水泥浆已到达岩石锚杆30的前端12处，水泥浆即可通过调节部分32朝后端13行进。水泥浆的回流部分可以与已将岩石锚杆30插入其中的孔的壁结合，以增加锚杆30在孔内的保持力。另外，在岩石锚杆30的后端出现水泥浆时，水泥浆输送装置的操作者将通过目测确认对锚杆30正确灌浆。图4以穿过B-B线的剖视图示出了将扩张机构14容纳在成形于调节部分32内的管31中的方法。可以看到，楔形元件15和16的尺寸和形状适于容纳在管31的内部，并位于扩张部分32的最内端的内侧。另外，图4示出了开口 39，通过开口 39可以对楔形元件 16的后表面进行焊接，以将该表面固定到管31的内表面。作为另外一种选择，可以在管31 的壁内制作开口 40(参见图2)，以提供用于例如通过在如图1所示相对两端处焊接楔形元件16而固定楔形元件16的通道。如未示出的可选构造那样，可以采用图2或4中所示的任一种开口构造。图6为根据本发明的另一个实施例的岩石锚杆50的剖视图。岩石锚杆50通过包括内套管51而有别于此前的岩石锚杆10和30。同样，与岩石锚杆10和30相同的特征保持图1中的相同附图标记。岩石锚杆50包括管52和纵向裂口 53 (参见图7)。裂口 53在管52的整个长度上延伸，并允许管52径向扩张和收缩。内套管51为大致圆形的，但包括成形为向内延伸的大致V形部分的调节部分M。 内套管51的外形类似于图2所示岩石锚杆30的闭合管31的外形，因此内套管51覆盖或桥接管52内的裂口 53。通过防止接近筋件或至少限制接近筋件而暴露在水或湿气中，内套管51有利地有助于对筋件19进行防腐保护。由图6中可以看到，图中未示出岩石锚杆50的整个长度， 而且可以了解，管52的整个长度只有一小部分不包括内套管51。因此，筋件19的绝大部分都受内套管51保护而不暴露在水和湿气中。
此外，由于内套管52桥接裂口 53，基本上防止泵入岩石锚杆50内部的水泥浆通过裂口 53逸出。正是水泥浆为筋件19提供了防止暴露在水或湿气中的主要保护，同时水泥浆还有助于将摩擦锚杆正确锚固在孔内。内套管51优选地为塑料的，但任何足够柔性的材料也是可以接受的，只要套管51 的调节部分M可以根据需要随着管52扩张和收缩即可。岩石锚杆50还包括用于基本上闭合管52的后端13的管端部接头，图6中所示端部接头为两件式接头，该接头包括第一塞部分阳和第二覆盖部分56。图8示出了沿图6的 A-A线截取的剖视图。如图6和8所示，塞子55包括用于通过水泥浆的三个开口 57和用于适合筋件19通过的中央开口 58。所示塞子55与内套管51紧密配合且在优选构造中，配合为摩擦配合，以使得塞子55对内套管51保持密封。覆盖件56通过被接纳到覆盖件56内的互补狭槽内的凸缘59而与塞子55互连， 并且覆盖件56经由台阶61附接到管端60。利用该构造，覆盖件56在管11上保持居中，这有助于使筋件19保持居中。覆盖件56优选地由金属材料制成。覆盖件56包括开口 62，开口 62用于接纳水泥浆供应装置的喷嘴，以使得经开口 62泵送的水泥浆流过塞子55的开口 57并进入锚杆50内部。在其他方面，岩石锚杆30和50以类似于图1的岩石锚杆10的方式操作，这在于 相应的岩石锚杆30、50插入孔内，并且扩张机构14通过螺母23相对于筋件19的旋转而致动。螺母的这种旋转在朝相应的锚杆30、50的后端13的方向上拉动筋件19，以使得扩张机构扩张并让管52牢牢抓住孔的内壁。随后，可以经相应的开口 38和62引入水泥浆并让水泥浆固化。图9示出了根据本发明的岩石锚杆的又一个实施例。图9的岩石锚杆70在构造上与图6的岩石锚杆50非常类似，这在于岩石锚杆70包括内套管71。类似于此前的附图，相同的部件给出了相同的附图标记。岩石锚杆70包括具有纵向裂口 73(图10)的伸长管72。岩石锚杆70还包括端部接头74，端部接头74类似于岩石锚杆30的端部接头34，但在图9的构造中，内套管71包括渐缩或张开的末端75，末端75延伸进入在端部接头74内形成的狭槽76，以便将套管71 密封在端部接头74内。为了增强密封性，可以在狭槽76内采用粘合剂。在其他方面，岩石锚杆70的构造与图2的岩石锚杆30类似，这在于提供了单个部件的端部接头74，并且水泥浆经端部接头74内的开口 77泵送至管72内部。插入和扩张所述扩张机构14的方法也与结合岩石锚杆30和50所描述的方法相同。就将水泥浆引入管内部而言，水泥浆输送设备可包括与图中的水泥浆罩对接的杯，而不采用喷嘴。杯将输送水泥浆，以通过水泥浆罩内的开口例如图2、6和9的开口 38、 62或77而将水泥浆送入管内部。图11示出了在大多数方面与图1的岩石锚杆10非常相似的另一个岩石摩擦锚杆 80。因此，对于相同的部件，采用了相同的附图标记。岩石锚杆80与岩石锚杆10的区别在于筋件81和锚固装置82，筋件81具有绳缆而不是金属筋或杆的形式，锚固装置82具有筒和楔形锚件的形式，而不是此前的附图中所示类型的锚件的形式。锚固装置82因而包括筒 83和供绳缆81延伸穿过的多个楔形件84。通过在锚杆80的后端13的方向上回缩筋件81 而使楔形元件15和16接合，同时通过接合筒83内的楔形件84而防止绳缆81往回移动。
图12以局部剖视图示出了图1的岩石锚杆10的后端，且省略了端部接头27，使得图12示出了管11、环25和端板M。图中还示出了筋件19(被挡住)的螺纹端22和固定到筋件19的螺母23。图12还示出了安装工具的插槽90，安装工具的其余部件未示出。穿过插槽90的安装工具布置成向岩石锚杆10的后端施加冲击荷载，以将岩石锚杆10插入已经钻入岩壁内的孔中。插槽90包括容纳筋件19的螺纹端22和六角螺母23的开口 91。开口 91包括具有尺寸适合容纳后端22的第一直径的第一部分92和具有尺寸适合容纳螺母23的更大直径的六边形第二部分93。在第一部分92和第二部分93之间的交界处形成肩部94。插槽90还包括驱动表面95，驱动表面95为完全包围螺母23的六边形表面。驱动表面95旨在用于向端板M的面对表面施加冲击性驱动荷载，以将岩石锚杆10驱动进入已在岩壁内钻出的孔中。在图12的视图中，驱动表面95旨在用于提供与岩石锚杆10之间的唯一接触，以将锚杆驱动进入孔中。因此，驱动表面95和端板M的面对表面之间的空间需要小于肩部 94与螺母23的面对表面之间的空间。此外，开口 92的内端96需要与螺纹端22的面对端 97间隔开。利用该构造，当以冲击方式驱动插槽90时，插槽90和岩石锚杆10之间的唯一冲击接触点在驱动表面95和端板M的面对表面之间。开口 92内设置有螺旋弹簧98，但可以料到，在实践中，弹簧98将为橡胶或弹性聚合物块体或部件。弹簧以任何合适方式——例如通过延伸穿过插槽的壁的螺钉(未示出)——固定到插槽90的内端96，并且弹簧98的相对端接合螺纹端22的面对端97。利用该构造，弹簧98向螺纹端22施加偏压荷载，使得螺母23在将岩石锚杆10驱动进入孔内的过程中与端板M保持接触。有利地，利用该构造，筋件19保持在扩张机构处于脱离接合状态的位置处，以使得当岩石锚杆插入孔内时对岩石锚杆10的管11的径向收缩的抵抗力消失。由弹簧提供的偏压作用也有效防止筋件19在安装岩石锚杆10过程中乱动。通过将驱动作用直接施加到端板M，而不是通过螺纹端22或螺母23施加，图12 所示构造有利地减少了将岩石锚杆驱动进入孔内的过程中的能量损耗。然而，应当理解，如果需要不但通过驱动表面95和端板M之间的接合而且还有通过肩部94和螺母23之间的接合来驱动岩石锚杆10，则可以改变插槽90的尺寸，以便提供同时接合。这里所述的本发明易于出现除特别描述的那些之外的变型、修改和/或增加，还应当理解，本发明包括属于上述描述的精神和范围之内的所有此类变型、修改和/或增加。本专利申请要求优先权的澳大利亚临时专利申请第2009901030号和第 2009901031号中的公开内容以引用方式并入本文中。
权利要求
1.一种摩擦锚杆，所述摩擦锚杆用于摩擦接合钻入岩面内的孔的内表面，所述摩擦锚杆包括伸长的、大致圆形且可径向扩张的管，所述管具有前端和后端，扩张机构，所述扩张机构设置在所述管内，用于施加趋于使所述管的至少一段径向扩张的荷载，伸长的筋件，所述伸长的筋件纵向设置在所述管内，并且在所述筋件的一端处或朝所述筋件的一端与所述扩张机构相连，而在所述筋件的相对端处或朝所述筋件的相对端与一锚固装置相连，所述筋件能够致动用以扩张所述扩张机构并在所述扩张机构被扩张的同时保持连接于所述扩张机构和所述锚固装置之间，所述扩张机构包括一对扩张元件，所述一对扩张元件中的第一扩张元件相对于所述管固定，所述一对扩张元件中的第二扩张元件固定到所述伸长的筋件，且所述筋件的致动能操作成用以在所述第一扩张元件和所述第二扩张元件之间产生相对移动，以使所述扩张机构扩张。
2.根据权利要求1所述的摩擦锚杆，其中所述管沿所述管的长度的至少一部分纵向劈开，从而通过侧向扩张纵向裂口而有利于径向扩张所述管。
3.根据权利要求2所述的摩擦锚杆，其中所述管沿所述管的整个长度纵向劈开。
4.根据权利要求2至3中的任一项所述的摩擦锚杆，还包括设置在所述管内并与所述管的内表面保持接合的伸长的内套管，所述内套管桥接所述纵向裂口并在所述裂口的大致整个长度上延伸。
5.根据权利要求4所述的摩擦锚杆，其中所述内套管纵向闭合并包括沿所述内套管的长度的至少一部分的扩张部分，以便在所述扩张机构被致动用以扩张所述管时允许所述内套管径向扩张。
6.根据权利要求5所述的摩擦锚杆，其中所述内套管的所述扩张部分允许所述内套管在所述管径向收缩时径向收缩，用以将所述摩擦锚杆插入孔内。
7.根据权利要求1所述的摩擦锚杆，其中所述管纵向闭合并包括沿所述管的长度的至少一部分的扩张部分，以便在所述扩张机构被致动用以扩张所述管时允许所述管径向扩张。
8.根据权利要求7所述的摩擦锚杆，其中所述扩张部分允许所述管径向收缩，用以将所述摩擦锚杆插入孔内。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的摩擦锚杆，其中所述第一扩张元件和所述第二扩张元件为楔形元件，使得所述筋件的致动引起所述第二楔形元件相对于所述第一楔形元件移动。
10.根据权利要求9所述的摩擦锚杆，所述第二扩张元件通过螺纹连接而固定到所述筋件，以便通过使所述筋件相对于所述第二扩张元件旋转来致动所述筋件，以使所述第二扩张元件在所述螺纹连接上移动。
11.根据权利要求10所述的摩擦锚杆，所述第二扩张元件通过固定连接而固定到所述筋件，以便通过引起所述第二扩张元件的互补回缩的所述筋件的回缩来致动所述筋件。
12.根据权利要求11所述的摩擦锚杆，所述筋件具有远离所述第二扩张元件的螺纹端，所述锚固装置包括与所述螺纹端螺纹连接的螺母和所述螺母所邻接抵靠的邻接件，以便通过使所述螺母在所述螺纹端上旋转来回缩所述筋件。
13.根据权利要求12所述的摩擦锚杆，其中所述邻接件为横跨所述管的后端延伸的板。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的摩擦锚杆，其中所述伸长的筋件为刚性杆。
15.根据权利要求14所述的摩擦锚杆，其中所述刚性杆为中空杆。
16.根据权利要求1至12中的任一项所述的摩擦锚杆，其中所述伸长的筋件为绳缆。
17.根据权利要求1至16中的任一项所述的摩擦锚杆，其中所述管的所述前端为渐缩的。
18.根据权利要求1至17中的任一项所述的摩擦锚杆，还包括在所述管的后端处的管接头，所述管接头摩擦接合所述管的内表面并包括中央开口，所述筋件延伸穿过所述中央开口中且径向定位，且所述开口的尺寸被设定成用以摩擦接合所述筋件的外表面，以限制所述筋件在所述管内的轴向移动。
19.根据权利要求1至17中的任一项所述的摩擦锚杆，还包括用于基本上闭合所述管的后端的管端部接头，所述端部接头包括用于通过所述伸长的筋件的第一开口和用于使流动性介质通过进入所述管的内部的第二开口。
20.一种安装根据权利要求1至19中的任一项所述的摩擦锚杆的方法，所述方法包括在岩面内钻孔、将所述岩石锚杆插入所述孔内和扩张所述扩张机构。
21.根据权利要求20所述的方法，包括在所述扩张机构已经扩张之后，将水泥浆引入所述岩石锚杆的所述管内。
22.一种用于安装根据权利要求1所述的岩石摩擦锚杆的安装工具，所述工具包括插槽，所述插槽被布置成用以向所述摩擦锚杆的后端施加冲击荷载，以将所述摩擦锚杆驱动进入已钻入岩壁的孔内，所述插槽包括用于接纳所述筋件的后端的开口和围绕所述开口以用于施加所述冲击荷载的驱动表面，所述插槽开口的深度足以使所述驱动表面在尚未通过冲击接合所述筋件的情况下接合所述摩擦锚杆的后端。
23.根据权利要求22所述的安装工具，所述插槽的开口被成形为用以接纳所述筋件的后端和附接或固定到所述筋件的后端的螺母。
24.根据权利要求23所述的安装工具，所述开口为阶梯状，具有直径适于接纳所述筋件的后端的第一部分和直径较大以接纳附接或固定到所述筋件的后端的所述螺母的第二部分。
25.根据权利要求M所述的安装工具，在所述开口的所述第一部分和第二部分之间形成肩部，所述肩部被设置成在所述插槽的驱动表面与所述摩擦锚杆的后端接合时，所述肩部与所述螺母脱离接合。
26.根据权利要求22至25中的任一项所述的安装工具，还包括偏压装置，所述偏压装置用以向所述筋件施加偏压荷载，以便在将所述摩擦锚杆驱动进入孔内的过程中使所述扩张机构保持未接合状态。
27.根据权利要求沈所述的安装工具，所述偏压装置包括螺旋弹簧、橡胶或弹性聚合物。
28.一种安装根据权利要求1所述的摩擦锚杆的方法，所述方法包括在岩壁内钻孔； 将所述摩擦锚杆的前端插入所述孔的开口内或将所述摩擦锚杆的前端与所述孔的开口对齐；将插槽施加到所述摩擦锚杆的后端，所述插槽具有用于接纳所述摩擦锚杆的筋件的后端的开口和用于接合所述摩擦锚杆的后端的驱动表面；以及冲击性地驱动所述插槽，通过所述驱动表面与所述摩擦锚杆的后端接合而将所述摩擦锚杆驱动进入所述孔内。
29.根据权利要求观所述的方法，所述方法包括钻出内径小于所述摩擦锚杆的外径的孔；以及将所述摩擦锚杆驱动进入所述孔内，以使得强制所述摩擦锚杆在被驱动进入所述孔内时径向收缩。
全文摘要
一种摩擦锚杆(10)，用于摩擦接合钻入岩面内的孔的内表面。所述摩擦锚杆包括伸长的、大致圆形且可径向扩张的管(11)。所述管具有前端(12)和后端(13)。扩张机构(14)设置在所述管内，用于施加趋于使所述管的至少一段径向扩张的荷载。伸长的筋件(19)纵向设置在所述管内，并在所述筋件一端处或朝所述筋件一端与所述扩张机构相连，而在所述筋件的相对端处或朝所述筋件的相对端与一锚固装置(13)相连。所述筋件可致动，用以扩张该扩张机构并在所述扩张机构被扩张的同时保持连接于所述扩张机构和锚固装置之间。所述扩张机构包括一对扩张元件(15，16)，其中的第一扩张元件相对于所述管固定，其中的第二扩张元件固定到所述伸长的筋件，且所述筋件的致动可操作成用以在第一扩张元件和第二扩张元件之间产生相对移动，以使所述扩张机构扩张。
文档编号E21D21/00GK102414396SQ201080019643
公开日2012年4月11日 申请日期2010年3月9日 优先权日2009年3月10日
发明者米奇斯瓦夫·劳陶伊 申请人:山特维克知识产权股份有限公司