CN101109276A - 岩石锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可用于采矿的岩石锚杆。本发明的岩石锚杆包括一个使岩石锚杆易于固定在钻孔中的机械锚固装置，以及使岩石锚杆能够自钻的钻头。岩石锚杆在第一方向绕岩石锚杆轴的转动使得钻头钻入岩石，并形成了接纳岩石锚杆的钻孔。然后，朝相反方向转动使机械锚固装置锚定岩石锚杆。

Description

岩石锚杆

技术领域

本发明涉及一种岩石锚杆，特别是但不限于用于采矿的岩石锚杆。

背景技术

用于矿场的例如通道顶部的支撑结构的岩石锚杆是众所周知的。岩石锚杆有许多不同的类型。岩石锚杆通常由一个长杆组成(长度大体取决于岩石锚杆要固定的材料)，该长杆具有一个远端或者“头端”(在使用中固定在岩石内部最深处的一端)，以及一个近端或者“尾端”(在使用中最靠近岩石表面的一端，事实上在很多情况下这一端从岩石表面伸出)。

岩石锚杆固定在岩石中钻出的长钻孔中(钻孔的宽度不远大于甚至略小于岩石锚杆的宽度)。在使用时，垫板固定在岩石锚杆的尾端，完全面对岩石表面。岩石锚杆和垫板总成用于支撑岩石。许多岩石锚杆可能用于支撑结构。例如在矿场，岩石锚杆可能用来支持通道。

安装通常要求使用钻机和钻钢(一根末端连接有钻头的长钢杆)来钻出钻孔。钻钢随后被从钻孔中移出。然后树脂(或“水泥浆”)被灌入钻孔中，随后岩石锚杆本身被面对垫板***并紧固。

一些岩石锚杆与点锚定机构一起使用，点锚定机构可以在岩石锚杆被***后***作，以与钻孔壁表面形成机械过盈，以有力地固定岩石锚杆。

在矿场操作高效的背景下，安装岩石锚杆的常规步骤可能是相对费时的。它要求许多需要时间和大量人力的独立任务(固定钻钢、钻出钻孔、移出钻钢、灌入树脂和***岩石锚杆、固定岩石锚杆)。在矿场情况下，矿井、通道等被很快地形成是很重要的(因为这直接影响矿场的经济运行)，这是一个缺点。此外，钻钢和钻头是耗材，这增加了安装岩石锚杆的成本。

“自钻”岩石锚杆是已知的。它通常合并钻头作为岩石锚杆头端的一部分或连接到岩石锚杆头端，尾端连接到钻机以钻出钻孔。一旦孔被钻出，岩石锚杆就保持在孔中。虽然自钻岩石锚杆在实施速度上是有优点的，灌水泥浆可能是困难的并且没有为任何点锚定机构预先采取措施来有力地固定岩石锚杆。

发明内容

根据第一方面，本发明提供一种岩石锚杆，岩石锚杆包括机械锚固装置和钻头以能够自钻。

本发明的至少一个实施例的优点是提供了可以机械地点锚定的自钻岩石锚杆。

在一个实施例中，机械锚固装置和钻头被这样设置，岩石锚杆绕岩石锚杆的轴在第一方向的转动导致钻头穿透岩石(或其他物质)并形成接受岩石锚杆的钻孔。然后，在相反方向上的转动促使机械锚固装置锚定岩石锚杆。

在一个实施例中，岩石锚杆的尾端加工成具有端部附件，该端部附件在岩石锚杆固定在钻孔中之后可相对于岩石锚杆轴向移动，以能够进一步紧固。例如，这可能对猛烈地破碎可压缩的岩石有用。在一个实施例中，端部附件在钻孔期间为钻机提供了一个接合表面，并且不会相对于岩石锚杆轴向移动。在这个实施例中，端部附件可以包括一个破裂机构，当岩石锚杆固定在钻孔中时该破裂机构能够破裂，然后可以轴向移动。端部附件可能是安装在带有相配螺纹的岩石锚杆尾端的带螺纹的螺母。在一个实施例中，破裂机构被取代，当正在钻孔时，固定挡块或螺纹变形可以防止螺母的转动。

在一个实施例中，机械锚固装置包括膨胀组件，其包括膨胀轴套和相配的夹头。在操作时，夹头和膨胀轴套被设置为相对移动的，它们的相配的表面彼此滑动并使得膨胀轴套膨胀以使膨胀轴套的壁紧靠钻孔壁并使岩石锚杆被机械固定。在一个实施例中，膨胀轴套被设置为在钻进作业期间绕岩石锚杆旋转。在一个实施例中，膨胀轴套的外壁包括帮助与钻孔壁形成机械过盈的凸起。在一个实施例中，在钻孔期间凸起被设置为螺旋形以利于流体和残渣流动。

在一个实施例中，机械锚固装置设置在岩石锚杆的一端(头端)。在一些现有技术中，机械锚固装置包括延长到几乎岩石锚杆的全部长度的套筒。本发明的这个实施例不是这种情况，只要求岩石锚杆的头端安装机械锚固装置。在一个实施例中，机械锚固装置包括膨胀轴套，膨胀轴套安装在岩石锚杆的头端。

在一个实施例中，钻头安装在岩石锚杆的一端，并且作为一个挡块来防止夹头和膨胀轴套从岩石锚杆的一端脱落。在一个实施例中，挡块可以包含利于夹头不被卡住的表面。夹头(与档块)相配的表面可能同时被设置以利于夹头不被卡住。

在另一个选择性的实施例中，钻头通过机械锚固装置的夹头安装。这个实施例中的夹头包括位于岩石锚杆一端的凹槽，以相对于夹头轴向相对运动。在钻孔期间岩石锚杆一端的挡块防止夹头从岩石锚杆上脱落。

在一个实施例中，岩石锚杆上具有轴向延伸的中心通道，以能够将粘结材料引入到钻孔来灌浆。

根据第二方面，本发明提供根据本发明第一方面的岩石锚杆的安装方法，包括以下步骤：

在第一方向转动岩石锚杆以在地层中以自钻方式钻出孔，以及

在相反的第二方向转动岩石锚杆，使机械锚固装置固定在钻孔中。

在一个实施例中，该方法包括另外的步骤：通过向钻孔注入粘结材料进行杆灌浆。在一个实施例中，岩石锚杆具有轴向延伸的内部通道，粘结材料可以通过轴向通道的路径注入。

附图说明

通过下面对实施例的描述，仅仅是作为例子，并参考所附的附图，本发明的特点和优点更加明显，其中：

图1是根据本发明第一实施例的岩石锚杆的侧视图；

图2是图1中岩石锚杆头端的详视图；

图3是图1中岩石锚杆尾端的详视图；

图4是根据本发明第二实施例的岩石锚杆的侧视图；

图5是图4中岩石锚杆头端的详视图；

图6是根据图1到图3的实施例的岩石锚杆的侧面分解图；

图7是根据图4和图5的实施例的岩石锚杆头端的侧面分解图；

图8A和图8B是根据本发明选择性实施例的岩石锚杆的尾端的设置的详视图，以及

图9是根据本发明的一个实施例的岩石锚杆的头端的详视图。

具体实施方式

现在参照图1到图3描述本发明的第一实施例。

岩石锚杆，通常由附图标记1指示，包括一远的头端2，以及一近的尾端3。一杆4在头端2和尾端3之间延伸。头端2包括机械锚固装置5，在这个示例性实施例中其包括一相配的夹头6和膨胀轴套7。头端2也具有钻头8以能够自钻。在这个示例性实施例中，钻头8安装在岩石锚杆1的远端。

现在更详细地描述机械锚固装置5。朝向头端2，岩石锚杆1的杆4车有螺纹9。螺纹部分9延伸到钻头8。钻头8包括位于岩石锚杆远端的钻尖10和形成挡块11的底座，在此处螺纹部分9与钻头8会合。

机械锚固装置5包括膨胀轴套7和夹头6。在这个例子中，膨胀轴套7具有纵向延伸瓣12、13(不止图中所示的2个，而是3个瓣)。注意，膨胀轴套7上瓣的数目是可以变化的。例如，瓣可以从2个到4个或更多变化。瓣12、13被设置为在膨胀轴套7膨胀时向外移动，并且具有多个外部凸起14，帮助抓牢钻孔壁以将岩石锚杆1固定在适当的位置。膨胀轴套7还包括孔15，以与螺纹部分9滑动配合。以螺母16形式存在的邻接部件安装到螺纹部分9上，其起作用以防止膨胀轴套7进一步向尾端3滑动。

夹头6具有螺纹孔(未示出)，以与螺纹部分9螺纹啮合。因此，岩石锚杆相对于夹头6的转动导致夹头6沿螺纹部分9轴向运动。夹头6包括锥形表面，与延伸瓣12、13的互补表面滑动锁配合，因此夹头6相对于膨胀轴套7向尾端3的轴向运动使得瓣12、13向外扩展并抓牢钻孔壁。夹头也包括延伸到瓣12、13之间形成的槽18的凸起17，并防止夹头6和膨胀轴套7彼此的相对转动。

挡块11由钻头8的底座形成，该挡块防止夹头6和膨胀轴套7移过岩石锚杆1的头端。

凸起14为螺旋形，以帮助钻孔期间流体的流动，并且有助于锉屑/切屑的清理。螺旋与螺纹方向相反，例如左旋螺纹用右旋螺旋。

现在特别根据图1到图3更详细地描述锚杆1的尾端3。尾端包括另一螺纹部分19，在这个实施例中其与螺纹部分9的螺纹(左手)方向相同。球形垫圈20、垫圈21和螺母22安装在另一螺纹部分19。在使用时，球形垫圈与安装台(未示出)邻接，当岩石锚杆被安装时，安装台紧紧与岩石面相对。

螺母包括扭矩破裂机构23。因此螺母22最初与螺纹部分19相对固定，并且该螺母可以被钻机的扳手夹住以旋转岩石锚杆以进行安装。然后，当机械锚固装置被锚定时，扭矩破裂机构23可能破碎以允许螺母22相对于螺纹部分19旋转，使附加的螺纹被紧固，例如在猛烈地破碎岩石时其可以被压缩以及部分关闭。

现在描述根据图1到图3的实施例的岩石锚杆的安装。

钻机和扳手通过可紧固的螺母22连接到岩石锚杆。通过岩石锚杆在顺时针方向的转动钻入岩石基质(在这个实施例中。应当意识到，反向螺纹设置可能要在逆时针方向旋转)。在钻进时，由于邻接钻孔壁，膨胀轴套7会抵抗转动，并且这将导致膨胀轴套7和夹头6相对于岩石锚杆1逆时针方向旋转。这将造成夹头6沿螺纹部分9向岩石锚杆的头端运动，其中岩石锚杆的头端靠***面11。一旦平面11与夹头6接合，然后膨胀轴套7和夹头6将与岩石锚杆1沿钻进方向继续旋转。

一旦岩石锚杆1已经形成要求长度的钻孔，钻机停止向前方的钻进并进行相反方向的(在这个实施例中为逆时针)转动。由于螺纹部分9的逆时针方向运动，夹头6现在将朝尾端3移动。当夹头6沿螺纹部分9移动时，与延伸瓣12、13的互补表面滑动锁接合的锥形表面，使膨胀轴套7向外扩展。瓣12、13外表面的凸起14与钻孔壁接合并将岩石锚杆机械地固定在适当的位置。

一旦膨胀轴套在钻孔中夹紧，逆时针方向的持续转动导致破裂机构23破裂，螺母22相对于另一螺纹部分19旋转，以相对于垫圈21、球形垫圈20和安装台(未示出)紧固。这在猛烈地破碎岩石时要求附加螺纹紧固的情况下是特别有利的，其可以被压缩以及部分关闭。岩石锚杆1的螺纹端24继续提供凸起部分，其可能用来允许固定连接灌浆管以实施杆灌浆。

注入粘结材料的灌浆管可能随后被置于螺纹端24上以便粘结材料能够通过在岩石锚杆1上轴向延伸的通道25被注入。夹头6上的孔(未示出)允许粘结材料流入钻孔并下至平面。

作为选择地，水泥浆可以在钻孔和岩石锚杆的外圆周之间的部分之间注入。空的锚杆中心被用作当水泥浆填满空隙时允许空气离开的通气管。

现在特别根据图4和图5更详细地描述本发明的另一实施例。岩石锚杆100包括一些与图1到图3所示的岩石锚杆相同的特征。这些特征被标上相同的附图标记，并且不再进一步描述。图4和图5的实施例与图1到图3的实施例的主要区别在于岩石锚杆100的头端2和尾端3。

首先参见岩石锚杆100的头端2，虽然膨胀轴套7具有与图1到图3的实施例的膨胀轴套7相同的结构，夹头101具有不同的结构。在这个实施例中，夹头101直接将钻尖102安装在夹头的101的延伸部分103的***。延伸部分103围绕在夹头101内部延伸的中心孔104。夹头101包括包括锥形表面，该锥形表面与延伸瓣12、13的互补表面滑动锁配合，并且也包括延伸到瓣12、13之间形成的槽18的凸起17，并防止夹头101和膨胀轴套7彼此的相对转动。

然而在这个实施例中，螺纹部分9并不在支撑钻头的挡块处结束。而是固定挡块105安装于在内部中心孔104内延伸的螺纹部分9的端部106。在钻进钻进期间，这防止夹头101从螺纹部分9的端部掉下。形成于中心孔104底部的台肩107与固定挡块105邻接，以防止夹头的101移过挡块。

岩石锚杆100的尾端3被形成但没有任何螺纹部分。而是尾端3包括驱动端，其形式为与钻机接合的锻造端部108以进行钻进。垫圈21和球形垫圈20可滑动地安装在岩石锚杆100的杆4上。锻造端部108上还设有适合水喷射(water spickett)的洞(未示出)。

在该实施例的操作中，钻机与锻造端部108接合，并沿钻进方向(本实施例中为顺时针)旋转岩石锚杆100。钻尖102比膨胀轴套直径更大，并且以与使轴套膨胀的方向相反的方向定向运行。

顺时针方向的旋转开始时，夹头101相对于螺纹端9旋转并将沿螺纹端9向前移动直到台肩107碰到固定挡块105。钻头102于是将随钻机旋转，以钻出岩石锚杆100所用的钻孔。

完成钻孔时，钻进旋转随后被逆时针方向实施。这导致夹头101沿螺纹端9向远离固定挡块105的方向移动，并导致膨胀轴套7膨胀直到凸起14抓牢钻孔壁并且岩石锚杆100被安装就位。

夹头101的中心孔104允许螺栓端106在紧固期间移动到空隙并提供超速钻。这允许紧固端部108、压缩岩石、闭合地下的缝隙等等。这允许紧固锚杆，而不需孔壁上的任何尾部遗留悬挂。对于人员可以走动、机械经常打击并且损害锚杆尾部的矿壁/壁，这是个重要的特征。

与图1到图3的实施例相同，杆灌浆可以利用轴向通道25来实施。

作为岩石锚杆的破裂机构或锻造端的替代方案，图8A和8B所示的结构可以应用于上述实施例中岩石锚杆的尾端。螺母200安装在岩石锚杆的尾端。当在钻进方向转动时，螺母200向岩石锚杆的近端旋转，在此处挤压变形201防止螺母运动超过变形201。完成钻孔并且岩石锚杆反向旋转时，螺母脱离变形端并像图1的实施例中提到的那样运行。

代替卷曲变形，焊接环可以设置防止螺母200在钻孔时从岩石锚杆上掉下的挡块。螺母200为反向螺母。

也可以使用其他设置来防止螺母在钻孔时从岩石锚杆上掉下并且钻孔后能够移动。

在前面的实施例中，档块11和105的表面是平面的，是与那些实施例中夹头表面相配的相邻表面。在一些情况下，这可能导致卡住，由于钻进力可能导致夹头相对挡块卡住，这将妨碍膨胀轴套在反转期间开口或使其更困难。参考图9，在另一个实施例中，邻接的夹头表面210和挡块表面211设置为不是平面接触，而是只在特定的区域(例如212)接触，使用这种设置可以帮助不被卡住。也可以使用其他的表面设置来帮助不被卡住，并且该实施例不被限制于图9所示的设置。

在上述实施例中，与钻孔(14)壁接触的凸起被设置为螺旋形。虽然这是有利的，但是本发明并不限于螺旋形凸起。凸起可以是非螺旋形的。凸起可以是与钻孔壁接触的任何形式。

所属技术领域的专业人员能够理解，可以对本发明所示的具体实施例做出许多的变化和/或修改，它们并没有脱离本发明描述的宽的精神或范围。因此，现有的实施例在各个方面都将被认为是说明性的与非限制的。

Claims (20)

1.一种岩石锚杆，包括机械锚固装置和钻头以使锚杆能够自钻。

2.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其特征在于，机械锚固装置和钻头被设置为，岩石锚杆绕岩石锚杆的轴在第一方向转动实现了钻孔动作。

3.根据权利要求2所述的岩石锚杆，其特征在于，其中机械锚固装置和钻头被设置为，岩石锚杆绕岩石锚杆的轴在与第一方向相反的第二方向转动使机械锚固装置固定岩石锚杆。

4.据权利要求1、2或3所述的岩石锚杆，其特征在于，包括端部附件，该端部附件可相对于岩石锚杆轴向移动，以便在岩石锚杆固定在钻孔中之后进一步紧固。

5.据权利要求4所述的岩石锚杆，其特征在于，端部附件为钻机提供了一个接合表面。

6.据权利要求5所述的岩石锚杆，其特征在于，端部附件包括一个在使用中当岩石锚杆被固定时能够破裂的破裂机构，允许端部附件轴向移动以进一步紧固。

7.据权利要求6所述的岩石锚杆，其特征在于，端部附件是安装在带有相配螺纹的岩石锚杆尾端的螺母。

8.根据前面任一权利要求所述的岩石锚杆，其特征在于，机械锚固装置包括膨胀组件，其包括膨胀轴套和相配的夹头。

9.根据权利要求8所述的岩石锚杆，其特征在于，夹头和膨胀轴套被设置为相对移动的，使用时它们的相配的表面彼此滑动并使得膨胀轴套膨胀以使膨胀轴套的壁紧靠钻孔壁，并使岩石锚杆被机械固定。

10.根据权利要求9所述的岩石锚杆，其特征在于，膨胀轴套被设置为在钻进作业期间绕岩石锚杆旋转。

11.根据权利要求10所述的岩石锚杆，其特征在于，膨胀轴套的外壁包括帮助与钻孔壁形成机械过盈的凸起。

12.根据权利要求11所述的岩石锚杆，其特征在于，在钻孔期间凸起被设置为螺旋形以利于流体和残渣在钻孔过程中的流动。

13.根据权利要求8-12之一所述的岩石锚杆，其特征在于，钻头安装在岩石锚杆的一端，并且岩石锚杆包括挡块以防止夹头和膨胀轴套从岩石锚杆的一端脱落。

14.根据权利要求8-12之一所述的岩石锚杆，其特征在于，钻头通过夹头安装。

15.根据权利要求14所述的岩石锚杆，其特征在于，夹头包括一凹槽，岩石锚杆一端位于凹槽内，以相对于夹头轴向相对运动。

16.根据权利要求15所述的岩石锚杆，其特征在于，挡块位于岩石锚杆的一端，使用时该挡块防止夹头在钻孔期间从岩石锚杆上脱落。

17.根据权利要求14或15所述的岩石锚杆，其特征在于，岩石锚杆的一端被设置为移入凹槽中，以帮助锚杆紧固，而不留下锚杆凸起的任何尾部。

18.根据前面任一权利要求所述的岩石锚杆，其特征在于，包括轴向延伸的中心通道，以能够将粘结材料引入到钻孔。

19.一种根据权利要求1-18中任一项的岩石锚杆的安装方法，包括以下步骤：

在第一方向转动岩石锚杆以在岩石材料中用钻头以自钻方式钻出孔，以及

在相反的第二方向转动锚杆，使机械锚固装置固定在钻孔中。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包括步骤：通过向钻孔注入粘结材料进行灌浆。

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