KR20090117701A

KR20090117701A - 변형 가능한 암석 볼트

Info

Publication number: KR20090117701A
Application number: KR1020097015302A
Authority: KR
Inventors: 찰리 춘린 리
Original assignee: 다이나믹 록 서포트 에이에스
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-11-12
Also published as: MX2009006804A; NO342673B1; CN101720379A; BRPI0720592B1; AU2007338947B2; EP2094944B1; NO20110667L; EP2094944A1; ATE455933T1; JP5777282B2; JP2010513763A; KR101142635B1; US20100021245A1; NO20120439L; JP5825330B2; NO20070320L; NO332393B1; BRPI0720592A2; CN101720379B; ES2340341T3

Abstract

본 발명은 보어홀 내에 그라우팅되는 암석 볼트에 관한 것이며, 암석 볼트는 긴 원통형의 중실형 스템(1)으로서, 상기 스템(1)의 길이를 따라 간격(L3)을 두고 분포되는 일체형 앵커(2)들에 의해 분리되는 긴 길이의 스템부(1s)를 포함하고, 상기 앵커(2)들은 암석 변형으로 인해 발생되는 하중을 흡수하기 위해 국소 보어홀 벽 부분에 대해 국소 고정되고, 상기 스템부(1s)는 그라우트 또는 보어홀에 대해 미끄러지도록 구성되고, 따라서 각각의 상기 스템(1s)이 국소 고정된 선행 앵커(2a, 2b, ...)와 국소 고정된 연속 앵커(2b, 2c, ...)의 쌍들 사이의 국소 신장 변형을 흡수한다.

암석 볼트, 그라우트, 스템, 앵커, 보어홀

Description

변형 가능한 암석 볼트 {A DEFORMABLE ROCK BOLT}

본 발명은 느린 변형 또는 급작스러운 붕괴에 노출되는 암석의 보강을 위한 볼트 결합에 관한 것이다. 볼트 결합은 지하 굴착에 있어서 암석의 보강을 위해 가장 널리 사용되는 수단이다. 전세계에서 수 백만개의 암석 볼트가 매년 사용된다. 암석 볼트에 대한 기본적인 요구는 무거운 하중을 견딜 수 있어야 할 뿐만 아니라 볼트의 파손 전에 특정한 신장을 견딜 수 있어야 한다는 것이다. 큰 응력을 받는 암괴에 있어서, 연약한 암석에서는 큰 변형의 형태로 또는 단단한 암석에서는 암석 붕괴의 형태로 암석이 굴착에 대해 반응한다. 이러한 상황에서는, 우수한 암석 보강 효과를 달성하기 위해 변형을 허용할 수 있는(또는 에너지를 흡수할 수 있는) 볼트가 요구된다. 특히 채굴 산업에서는, 채굴 행위가 더 깊어지고 암석 변형 및 암석 붕괴의 문제가 점점 심각해지고 있기 때문에, 변형을 허용할 수 있는 볼트에 대한 요구가 다른 암석 분야에서보다 훨씬 강하다.

WO99/61749[퍼거슨(Ferguson): "암석 볼트 및 암석 볼트를 형성하는 방법(Rock bolt and method of forming a rock bolt)"]는 강철 바(bar)의 일부를 소성 변형시킴으로써 형성되는 만입부 형성 패들 섹션을 설명하며, 여기에서 변형은 강철 바에 편심 전단력을 가함으로써 만들어지고, 본원의 도 8에 도시된 것과 같은 패들을 형성한다. 퍼거슨의 암석 볼트의 목적은 패들이 혼합을 개선하고, 패들의 전단 형성이 볼트를 볼트의 축방향이나 측방향으로 소성 변형시키기 않도록 하는 것이다. 퍼거슨은 쉘을 팽창시켜 볼트 구멍의 벽에 대해 볼트를 로킹하기 위해 패들과 상호작용하는 반경방향 작용 웨지를 포함하는 팽창가능한 쉘을 제안한다. 퍼거슨은 또한 볼트의 범위를 따라 형성된 복수의 패들 섹션을 제안한다. 퍼거슨의 패들의 심각한 단점은, 편심 전단력을 가함으로써 볼트의 일부를 변형시키는 것을 수반하는 제작 방법은 패들 섹션이 연약 지점을 형성하여 만족스러운 고정 효과를 제공하지 않는다는 것이다.

미국 특허 출원 제2005/0158127A1호[퍼거슨, "항복 암층 볼트(Yielding strata bolt)"]는 텐던(tendon) 재료의 항복이 아닌 앵커를 통한 미끄러짐에 의해 항복할 수 있는 텐던을 가지며, 따라서 볼트가 배치되는 불안정한 암석의 이동을 제어하는 암석 볼트를 설명한다. 그러한 텐던은 와이어 스트랜드 또는 금속 바에 의해 구성될 수 있고, 그라우트(grout) 미끄러짐 기구로서 구성된 포위 튜브를 갖는다. 그라우트 앵커는 텐던에 클램핑되는 2개의 대칭 앵커 부품으로 구성된다(본원의 도 9 참조). US2005/0158127의 단점은 인장 요소가 변형될 뿐 직선부에 비해 강화되지 않으며, 따라서 특히 인장 요소가 중실체 바로 만들어지는 경우에 볼트가 앵커에서 파손되기 쉽다는 것이다. US2005/0158127의 다른 단점은 기능 암석 볼트를 형성하는데 필요한 구성품들의 수이다.

독일 특허 제DE 35 04 543호는 표면하 공동의 보어홀(borehole) 내로 삽입되어 그라우팅 또는 아교접착되는 앵커 로드를 한정한다. 앵커는 암석과의 연결을 위한 프로파일형 표면(profiled surface) 및 로드와 일체이거나 그것에 용접된 너트를 가진 단일 단부 나사부를 구비한 섹션을 가진 앵커 로드를 구비한다. 앵커 로드는 앵커 로드의 외부 나사부와 보어홀 내부 부분 프로파일형 부분을 분리하는 고정된 일체형 또는 용접된 앵커 플레이트를 구비하며, 따라서 보어홀 내의 앵커 로드를 사전 인장하는데 사용될 수 없다. 앵커 로드의 표면 윤곽은 둥근 단면을 가지며 원래 매끈한 로드의 종방향으로의 파동 형성을 통해 형성된다. DE 35 04 543의 로드는 보어홀에 안착되는 3개의 연속적인 섹션, 즉 매끈한 중간 섹션의 양 단부에 있는 로드의 파동형 부분으로의 전이부를 갖는 앵커 로드의 매끈한 무돌기 중간부를 구비하며, 전이부는 매끈한 중간 섹션으로부터 멀어지는 방향으로 증가하는 파동 진폭을 갖는 전이부를 구비하며, 매끈한 부분은 암석의 변형이 발생된 후에 일어나는 종방향 힘을 흡수하지만, 암석 볼트가 보어홀 내에서 사전 인장될 수 없다는 사실때문에 초기 암석 변형을 방지할 수는 없다.

해결해야 할 과제

고정 기구에 따르면, 모든 볼트 결합 장치는 3개의 카테고리, 즉 (a) 기계식 볼트, (b) 완전히 그라우팅되는 볼트, 및 (c) 마찰 볼트로 분류된다.

(a) 통상의 기계식 볼트는 개방 구멍에 두 지점에서 고정된다. 이들은 큰 암석 변형의 경우에는 신뢰할 수 없다.

(b) 완전히 그라우팅되는 볼트는 시멘트 또는 에폭시 수지를 이용하여 구멍에 그라우팅되는 리바(rebar) 볼트를 주로 지칭한다. 리바 볼트는 원통형 표면에 리브를 갖는 강철 바로 만들어진다. 이러한 타입의 볼트는 강성이고, 파손 전에 작은 변형만을 허용한다. 리바 볼트는 높은 응력을 받는 암괴에서는 파손되는 것으로 종종 관찰되었다(Li, 2006a).

(c) 마찰 볼트는 큰 변형을 견딜 수 있지만, 그것의 하중 지지 능력은 상당히 낮다. 예를 들어, 표준적인 스필트 셋(Spilt Set) 볼트는 약 50kN의 하중을 견딜 수 있을 뿐이다(Stillborg, 1994).

현재 사용가능한 상용 암석 볼트의 모든 대체예들 중에서, 암석 변형 및 암석 붕괴의 문제를 해결하는데 가장 적절한 볼트는 소위 사우쓰 아프리칸 콘 볼트(South African cone bolt)(Li and Marklund, 2004)일 수 있다. 콘 볼트는 크게 신장될 수 있고, 그와 동시에 상당히 높은 하중을 지지할 수 있다. 그러나, 이것은 시멘트가 채워진 구멍에 설치되는 다른 부분은 매끄러운 볼트의 내측 단부에 반전된 원뿔체를 갖는 2점 고정식 볼트이다. 표면 앵커는 볼트의 나선 가공된 외측 단부 상에 너트에 의해 유지되는 플레이트일 수 있다. 예를 들어, 벽 표면에 있는 앵커와 같은 앵커들 중 하나의 파손은 앵커의 암석 보강 기능의 완전한 상실을 초래할 수 있다.

높은 응력을 받는 암괴들에 있어서의 암석 보강과 관련하여, 현재 사용가능한 볼트의 단점들은 다음과 같다.

- 리바 볼트는 너무 강성이고 파손 전에 매우 제한된 신장(약 10mm)만을 허용한다.

- 마찰 볼트는 너무 낮은 하중 지지 능력을 제공한다.

- 콘 볼트는 2점식 고정 기구로 인해 충분히 신뢰할 만하지 못하다.

다양한 암괴들에 있어서의 볼트의 하중 패턴

연약한 암석에 있어서, 지하 개구 주변의 큰 체적의 암석은 높은 현장 응력을 받는 경우에 파손될 것이다. 암석 변형의 크기는 개구의 벽 표면에서 최대이고 암괴의 내부로 향할수록 감소한다. 이러한 타입의 암석 변형은 암석 볼트가 벽 표면에 근접한 영역에서 가장 심각한 하중을 받는 결과를 가져온다(Sun, 1984; Li and Stillborg, 1999). 이것은 왜 크게 변형된 암석에서 많은 리바 볼트의 나사부가 파손되는지를 설명한다(Li, 2006a). 종종, 벽 표면 뒤로 수 미터가량 큰 전단 균열이 성장할 수 있다(Li, 2006b). 이 경우에, 볼트는 깊은 곳에서 하중과 변형을 견디는 능력을 또한 갖는 것이 요구된다.

접합된 암괴에서, 볼트는 개방된 암석 접합부와 교차하는 곳에서 국소적으로 하중을 받는다(Bjornfot and Stephansson, 1984). 볼트의 길이를 따라 몇 개의 하중 피크(peak)가 존재할 수 있으며, 가장 큰 하중을 받는 볼트 섹션은 암석 내부에 깊게 위치할 수 있다. 이러한 타입의 암괴에 있어서는, 볼트가 그 전체 길이를 따라 양호한 하중 지지 능력 및 높은 변형 지지 능력을 갖는 것이 요구된다.

이상적인 볼트를 위해 요구되는 특징

크게 변형되는 암괴를 위한 이상적인 볼트는 큰 하중을 견딜 수 있을 뿐만 아니라, 긴 신장이 가능하여야 한다. 또한, 볼트의 고정 기구는 신뢰성이 있어야 한다.

상술한 문제는 암석의 보어홀 내에 그라우팅되는 암석 볼트인 본 발명에 의해 해결될 수 있으며, 상기 암석 볼트는

- 긴 원통형의 중실형 스템을 포함하고, 상기 스템은 상기 스템의 보어홀 표면부에 나사부를 가지며, 나사부에는 보어홀 내의 암석 볼트를 사전 인장하도록 구성된 하나 이상의 너트 및 하나 이상의 와셔, 쉬브(sheave) 또는 면판이 제공되고,

- 상기 스템은 길이가 긴 스템부를 3개 이상 포함하고, 각각의 스템부에 일체형 앵커가 이어지고, 상기 앵커는 상기 스템부의 범위에 비해 짧은 범위를 가지며, 상기 앵커에는 상기 스템의 길이를 따라 간격을 두고 분포되며,

- 상기 앵커는 암석 변형으로 인해 발생하는 하중을 흡수하기 위해 대응하는 국소 보어홀 벽 부분에 대해 국소적으로 고정되고,

- 상기 스템부는 그라우트 또는 보어홀에 대해 미끄러지도록 구성되고, 따라서 각각의 상기 스템이 국소 고정된 선행 앵커와 국소 고정된 연속 앵커의 쌍들 사이의 상기 스템부의 신장을 통해 국소 암석 변형을 억제하는 것을 특징으로 한다.

발명의 이점

본 발명은, 본 발명의 앵커가 암석 볼트의 가장 약한 요소가 아닌 가장 강한 요소를 구성하고, 따라서 하중 하에 변형 또는 파손되지 않으며, 따라서 만족스러운 고정 효과를 제공할 수 있다는 점에서 WO99/61749에 비해 이점을 갖는다.

본 발명은 또한 인장 요소가 암석 볼트 스템의 직선부에 비해 강화된 앵커를 형성하도록 개작되고, 따라서 볼트는 앵커가 아닌 스템부를 따라 항복된다는 사실에서 미국 특허 출원 2005/0158127A1에 비해 이점을 제공한다. US2005/0158127에 비해 기타 유리한 점은, 동일 블랭크로부터 형성되는 일체형 앵커를 가진 긴 강철 스템에 의해 형성되는 가장 단순한 실시예에 있어서, 기능 암석 볼트를 형성하는데 요구되는 구성요소(적어도 6개의 구성요소)들의 현저한 감소이다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시되어 있으며, 이들 도면은 발명을 설명하기 위한 것이며 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안되며, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 뿐이다.

도 1은 본 발명에 따른 암석 볼트의 측면도로서, 보어홀 내에서 경화될 때 시멘트 또는 수지에 고정되는 고르게 분포된 일체형 앵커부를 가진 스템만을 포함하는 기본적인 실시예를 도시한다.

도 2는 본 발명에 따른 암석 볼트의 측면도로서, 일체형 앵커부가 시멘트 또는 대안적으로는 수지에 경화된 그라우트에 의해 고정된 상태로 암석 볼트가 보어홀의 섹션에 배치된 것을 도시한다. 간략함을 위해, 앵커에 인접한 그라우트만이 도시되어 있다. 암석의 두 블록들 사이로 개방된 크랙에 걸쳐 있는 스템부가 도시되어 있으며, 스템부는 인접한 앵커들이 국소 보어홀 주연부에 대해 고정된 채로 유지되면서 연장되었다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 암석 볼트의 측면도로서, 도면의 좌측에 와셔 및/또는 면판과 너트를 가진 나사부를 도시하며, 또한 도면의 우측에 선택적인 단부 믹서를 도시한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 암석 볼트의 측면도로서, 암석 볼트는 구멍의 바닥과 암석의 표면에 있는 와셔 사이에서 그라우팅되어 배치된다. 간략함을 위해 앵커 둘레의 그라우트 부분만이 도시되어 있으며, 볼트 둘레의 전체 환형부는 일반적으로 그라우트로 채워질 것이다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 앵커의 상이한 실시예들을 도시한다. 도 5a는 스템의 짧은 부분이 넓은 일체형 앵커를 제공하기 위해 편평화된 앵커의 실시예를 도시한다. 편평화는 인접 스템부의 항복 강도보다 높은 상기 앵커의 항복 강도를 제공하기 위해 미소한 종방향 동시 업셋(upsetting) 하에 이루어질 수 있다. 도 5b는 스템의 짧은 부분이 종방향 업셋에 의해 짧아진 앵커의 다른 실시예를 도시한다. 도 5c는 양 단부를 향하는 전이 구역에 테이퍼 형상을 나타내는 3엽식 앵커의 도면이다. 도 5d는 눈 모양의 구멍을 가진 앵커를 구비하는 본 발명에 따른 암석 볼트를 도시한다. 도 5e는 도 5b의 업셋과 유사한 업셋에 의해 조형된 앵커의 실시예를 도시한다.

도 6은 본 발명의 암석 볼트의 바닥 구멍 단부에 선택적으로 배치될 수 있는 종래 기술의 단부 믹서의 대안적인 2가지 형태를 도시한다. 도 6a는 Y자형 스플릿 단부 믹서를 도시하고, 도 6b는 바의 바닥 구멍 단부에 용접되는 단부 믹서 플레이트를 도시한다.

도 7은 변형의 대부분이 앵커들 사이의 스템부의 신장시에 흡수되는 반면, 변형의 일부는 경화된 그라우트 내에서의 앵커의 비교적 짧은 종방향 활주 이동으로서 흡수될 수 있음을 도시한다.

도 8은 강철 바의 일부를 변형시킴으로써 형성되는 패들 섹션을 형성하는 만입부를 도시하는 퍼거슨의 WO99/61749로부터의 등각도로서, 변형은 바에 기계적 편 심 전단력을 가함으로써 이루어진다.

도 9는 2개의 부품으로 이루어진 클램핑 앵커에 의해 변형된 파이프 내의 인장 요소 또는 인장 와이어를 도시하는 퍼거슨의 US2005/0158127로부터의 종방향 단면도이다.

도 10은 단부 믹서의 두 가지 실시예를 도시한다.

본 발명에 따른 암석 볼트는 상술한 이상적인 볼트의 요구 품질을 제공하는 볼트에 접근한다. 변형 가능한 볼트는 단축하여 "D-볼트"라 부른다. 본 발명에 따른 변경 가능한 볼트는 보어홀 내에서 시멘트 또는 에폭시 수지로 그라우팅되도록 구성되는 다점 고정식 볼트이다. 도 1은 로드 스템의 길이를 따라 분포된 3개 이상의 일체형 앵커(2a 내지 2n)를 가진, 바람직하게는 매끈한 강철 로드 스템(1)을 포함하는 본 발명의 기본적인 실시예에 따른 볼트의 측면도이다. 달리 말하면, 본 발명은 보어홀(b) 내에서 그라우트(g)에 의해 그라우팅되는 암석 볼트를 포함하고, 암석 볼트는 긴 원통형의 중실형 스템(1)을 포함하고, 상기 스템(1)은 그 길이를 따라 간격(L_a)을 두고 분포되는 일체형 앵커(2)들에 의해 분리되는 긴 길이의 스템부(1s)를 포함한다. 앵커(2a)는 암석 변형으로 인해 발생하는 하중을 흡수하기 위해 국소 보어홀 벽 부분에 대해 국소적으로 고정되도록 구성된다. 스템부(1s)는 그라우트 또는 보어홀에 대해 미끄러지도록 구성되며, 따라서 각각의 상기 스템(1s)은 국소 고정된 선행 앵커(2)와 국소 고정된 연속 앵커(2)의 쌍들 사이의 국 소 신장 변형을 흡수한다.

일체형 앵커(2)를 가진 스템(1)을 포함하는 본 발명의 암석 볼트는 유리하게는 모두 강철로 만들어진다. 강하면서도 변형 가능한 다른 금속이 사용될 수도 있다.

본 발명에 따른 암석 볼트의 제1 응용예에 따르면, 스템부(1s)는 연약하고 무른 암석에서 발생하는 것과 같은, 굴착후 수일, 수개월 또는 수년 동안 발생할 수 있는 장기 암석 변형으로 인한 국소 신장 변형을 흡수하도록 구성된다.

본 발명에 따른 암석 볼트의 제2 응용예에 따르면, 스템부(1s)는 암석의 붕괴 또는 팽창으로 인한 동적 하중과 같은 단기 동적 하중을 흡수할 수 있다. 이것은 수 센티미터가량 해체 크랙 표면들을 분리하도록 개방되는, 도 2 및 도 4에 "c"로 표시된, 급격히 형성되는 크랙으로 인한 암석 볼트의 국소 신장이 본 발명에 따른 암석 볼트를 사용하면 약 50센티미터의 강철에 걸쳐 분포될 수 있다. 앵커들 사이의 스템부는 경화된 그라우트 또는 보어홀 주연부에 대해서 활주할 뿐이다. 이러한 효과는 모든 부분에 리브가 형성되고 따라서 그라우트 내에서 거의 모든 스템 섹션에 걸쳐서 국소적으로 고착되고, 수 센티미터에 걸친 국소 충격 신장(△L_a) 및 종래 기술에서 종종 발생하는 파손을 흡수하도록 힘을 받는 리바 암석 볼트를 사용하여서는 달성될 수 없다. 이러한 방식으로, 폭발과 같은 암석 붕괴와 유사한 동적 하중이 암석 볼트 파손 없이 흡수될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 볼트는 헤드 단부에 배치되고 와셔(3c) 또는 플레이트를 암석 표면에 대해 유지하기 위한 너트(3b)가 제공되는 나사부(3a)를 포함할 것이다. 일 실시예에 따르면, 보어홀과 관련하여 암석 볼트의 내측 단부를 구성하는 대향 단부에는 암석 볼트를 에폭시 수지 내에 삽입할 때 유용한 단부 믹서(4)가 제공될 수 있다.

2개의 인접한 앵커들 사이의 간격은 여기에서 L_a로 표시되며, 등간격일 수 있다. 따라서 볼트의 길이는 일 실시예에서 대략 L=n L_a이며, 여기서 n은 앵커들 사이의 로드 세그먼트의 수이다(또는 앵커의 수). 스템의 일부를 따라 고르지 않은 앵커의 분포가 사용될 수도 있다.

유리하게는, 본 발명의 암석 볼트에 있어서, 스템부(1s)들은 앵커(2)에 비해 단위 길이당 더 높은 변형 능력을 갖도록 구성된다. 또한, 본 발명의 암석 볼트에서, 일체형 앵커(2)는 유리하게는 경화된 그라우트 내에 고정되어 하중을 받는 동안 변형되는 것을 방지하기 위해, 그리고 경화된 그라우트 내에서 활주하는 경우에 마멸되는 것을 방지하기 위해 경화될(hardened) 수 있다. 달리 말하면, 앵커(2)의 최종 강도는 스템부(1, 1s)에 의해 구성된 스템의 항복 강도보다 높아야 한다.

스템부(1s)는 경화된 그라우트 또는 보어홀에 대해 미끄러지도록 구성되며, 따라서 상기 각각의 스템(1s)이 국소 고정된 선행 앵커(2)와 국소 고정된 연속 앵커(2)의 쌍들 사이의 국소 신장 변형을 흡수한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 볼트의 로드 스템(1)은 매끈하고 그리고 바람직하게는 원통형인 표면을 갖는다. 스템부는 화학적 연마 또는 전기 연마와 같은 기술에 의해 다소 정교하게 연삭 또 는 연마될 수 있다. 표면은 로드의 표면이 경화된 그라우트에 대해 접합력을 갖지 않거나 무시할 수 있을 정도로 낮은 접합력을 갖도록 더 처리될 수 있다. 이러한 목표를 달성하기 위한 하나의 수단은 로드 표면을 왁스, 래커, 페인트 또는 다른 비접착성 또는 윤활성 매체의 얇은 층으로 코팅하는 것이다. 인장 하중을 받으면, 2개의 인접한 앵커들 사이의 로드 세그먼트는 경화된 그라우트 주변에 결합되지 않고 다소 자유롭게 신장될 것이다.

신장 변형시에, 스템(1)은 소위 쁘아종 효과(Poisson effect)로 인한 직경 감소에 기인한 상기 경화된 그라우트에 대한 표면 분리에 의해 국소 보어홀 주연부에 대해 미끄러질 수 있다.

본 발명에 따른 암석 볼트는 상기 경화된 그라우트에 속박되지 않도록 표면 처리된 스템부(1s)를 가질 수 있다. 이것은 스템(1) 상에 금속 산화물 층이 추가되는 것과 같은 화학적 표면 처리를 통해 달성될 수 있다.

고정점에서, 볼트는 암괴에 결합된다. 앵커에 대한 기본적인 요구는 로드보다 더 강해야 한다는 것이다. 이것은 로드가 앵커의 파손 전에 항복에 도달하는 것을 의미한다. 앵커는 상이한 형상을 가질 수 있다. 도 1에 도시된 앵커의 형상은 앵커의 몇 가지 유용한 형상들 중 하나를 도시한다. 도시된 실시예에서, 앵커는 로드를 하나의 직경방향으로 편평화하고 직교 방향으로 치수를 늘림으로써 간단히 형성된다. 이웃한 앵커들은 현재의 앵커의 편평화 방향에 직교하도록 만들어진 동일하게 편평한 형상을 가질 수 있다. 유리하게는, 보어홀이 다소 직선형이고 매끄러운 벽을 갖는다면, 고르게 이격된 앵커들은 강철 로드가 보어홀의 벽과 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있고, 이것은 볼트가 그라우트에 의해 완전히 포락되는 것을 돕는다. 이것은 바닥 앵커 및 표면 앵커만을 가진 통상의 볼트에 비해 볼트 스템의 개선된 부식 보호를 제공할 수 있다.

종래 기술에서는 수지 그라우팅을 위해 단부 믹서로 불리는 혼합 기구가 볼트의 바닥 단부에 추가될 수 있다는 것이 알려져 있다(도 6 참조). 단부 믹서의 대체예는 로드 단부를 "Y"자 형상으로 분기시키는 것이다(도 6a 참조). 블레이드를 단부에 용접하는 것과 같은 다른 대체예가 또한 단부 믹서 대신에 가능하다(도 6b). 도 10은 에폭시 수지를 가진 보어홀에 사용하는데 유용한 단부 믹서의 두 가지 실시예를 도시한다.

본 발명에 따른 암석 볼트는 후술하는 바와 같은 방식으로 암석을 보강할 수 있다. 암석 변형은 주로 본 발명에 따른 볼트에 앵커를 통해 하중을 가할 것이다. 그에 따라, 로드, 즉 2개의 인접한 앵커들 사이의 볼트 스템부가 늘어나고 신장될 것이다. 극히 높은 하중 하에서, 로드는 항복에 도달할 것이다. 예를 들어 비교적 약한 그라우트와 같은 몇몇 경우에, 앵커는 보강의 현저한 손실 없이 그라우트 내에서 약간 활주할 수 있다. 이들 2개의 기구 때문에, 볼트는 큰 신장을 허용할 수 있는 동시에, 높은 하중을 견딘다. 사실상, 본 발명에 따른 볼트는 변형 능력 및 강도 모두에 있어서 강철 재료의 능력을 큰 범위까지 활용한다. 볼트의 암석 고정 효과가 앵커들 사이의 세그먼트 내에서 보장된다. 개별 앵커에서의 고정의 상실은 볼트의 보강 효과에 국소적으로만 영향을 미친다. 전체적으로, 볼트는 하나 이상의 앵커가 보어홀에 고정되어 있는 한 하나 이상의 개별 앵커의 상실에서도 여전히 잘 작동할 것이다. 예를 들어, 본 발명에 따른 볼트의 나사부가 파손되고 표면에서의 고정이 상실되었다고 가정하자. 종래 기술에 따른 이점식 앵커 볼트에서는 표면 고정의 상실이 볼트의 완전한 파손을 초래하지만, 본 발명 볼트에서의 표면 앵커 파손은 표면에 가장 가까운 제1 앵커와 나사부 사이의 볼트 세그먼트에서만 보강의 상실을 발생시킨다. 볼트의 나머지 부분은 나사부의 표면 세그먼트 파손에 의해 영향을 받지 않는데, 그 이유는 나머지 영향을 받지 않은 앵커들에 의해 암석에 여전히 잘 고정되기 때문이다.

나사부는 적어도 강철 로드만큼 강하거나 또는 심지어 더 강해야한다. 따라서, 나사부의 유효 직경이 로드의 직경과 동일하거나 또는 그보다 크도록 나사부의 공칭 직경은 로드의 직경보다 커야 한다. 본 발명의 다른 실시예는 나사부에 특수한 야금학적 처리를 행하여 그 강도가 로드보다 높도록 하는 것이다. 나사부의 변형 능력은 특별히 중요하지 않다. 나사부와 관련한 주요한 문제는 나사부와 제1 앵커 사이의 강철 로드가 항복에 도달할 기회를 갖도록 나사부가 강하게 만들어져야 한다는 것이다. 그리하면, 로드의 파손 전의 최종 변형이 현저히 클 것이다.

본 발명에 따른 암석 볼트의 예가 이하에 설명되고 도 3에 도시된다. 볼트의 변수는 다음과 같다고 가정된다.

로드 직경, d: 20 mm

앵커 간격, L_s: 0.55m

앵커 길이, L_a: 0.05m

나사부 길이, L_t: 0.10m

앵커의 수, n: 5

볼트 길이, L: 5×0.55=2.75m

볼트 파손 강도: 200kN

볼트 항복 강도: 150kN

파손시 항복 변형: 20%

예시한 볼트는 5개의 볼트 세그먼트를 가지며, 모든 세그먼트는 (L_s-L_a)=0.5m의 길이를 갖는다. 항복 신장을 고려하면, 모든 세그먼트는 (0.5m×20%)=10cm까지 연장될 수 있다. 따라서, 각각의 로드 세그먼트(0.5m 길이)는 10cm의 최대 신장을 견딜 수 있다. 동시에, 150 내지 200kN의 하중을 견딜 수 있다. 로드의 제1 세그먼트(나사부로부터 제1 앵커까지)는 다른 부분들보다 약간 짧을 수 있다. 예시적인 실시예에서는 약 0.4m(L_s-L_a-L_t)이다. 이 세그먼트의 최종 신장은 (0.4m×20%)=8cm이다. 리바 볼트의 경우, 동기 부여되는 것은 나사부의 변형 능력뿐이다(Li, 2006a). 나사부의 인장된 부분으로부터의 최종 신장은 최대 1cm로 추정된다. 더 강한 나사부에 의해, 벽 표면에서의 D-볼트의 최종 신장(8cm)은 통상적으로 나선 가공된 리바 볼트에 비해 현저히 개선될 것이다. 그러한 변형/하중 능력에 의해, 볼트는 크게 변형되거나 암석붕괴가 쉬운 암괴에서 만족스러운 암석 보강 효과를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 볼트는 0.02m 내지 0.03m 길이의 앵커를 3개 이상 가지며, 앵커의 각 쌍은 암석 상태 및 스템의 두께에 따라 약 0.3m 내지 2m로 그 길이가 상응하게 변할 수 있는 세그먼트에 의해 분리된다. 스템 부분의 길이 대 앵커의 길이의 비는 5 대 1 내지 40 대 1로 변할 수 있다. 암석 볼트 스템의 직경은 10mm 내지 40mm 또는 그 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 암석 볼트는 변형 및 하중을 견디는 능력이 모두 높다. 또한, 볼트 설치의 품질은 그것의 다점 고정 기구로 인해 신뢰할 만하다. 볼트는 특히 큰 암석 변형 또는 암석 파열의 문제에 직면하는 토목 및 채굴 엔지니어링에 적합하다. 볼트는 연속적인 암석 변형의 경우(연질 및 연약 암괴)뿐만 아니라 개별 암석 조인트의 국소적 개방의 경우(블록성 암괴)에도 양호한 보강을 제공할 수 있다. 단일 암석 조인트의 개방 변위는 조인트에 겹쳐있는 2개의 앵커에 의해 억제될 것이다.

앵커들은 몇몇 상이한 형태를 제공하기 위해 몇 가지 방법으로 형성될 수 있다. 도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 앵커의 실시예들을 도시한다. 도 5a는 스템의 짧은 부분이 단면에서 2개의 로브(lobe)를 갖고 스템 부분으로의 양쪽 전이부를 향해 테이퍼 형태인 폭이 넓은 일체형 앵커를 제공하도록 편평화된 앵커의 실시예를 도시한다. 편평화는 인접한 스템부의 항복 강도보다 높은 상기 앵커의 항복 강도를 제공하기 위해 약간 종방향으로의 동시적인 업셋 하에 발생될 수 있다. 도 5b는 스템의 짧은 부분이 종방향 업셋에 의해 짧아지는 앵커의 실시예를 도시한다. 도 5c는 양 단부를 향한 전이 구역에 테이퍼를 나타내는 3엽식(3-lobed) 앵커의 도면이다. 도 5d는 눈 모양의 구멍을 가진 앵커를 구비한 본 발명에 따른 암석 볼트를 도시한다. 암석 볼트의 축에 직각인 구멍 위의 앵커의 재료 단면적은 적어도 스템만큼 크다. 도 5e는 적어도 로드 스템의 두께를 갖는 넥에 의해 분리된 2개의 단부를 가진 형상인 앵커의 실시예를 도시한다. 업셋은 도 5b의 업셋과 유사하다. 이 실시예에서, 앵커는 3개의 로브를 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명은 짧은 앵커가 각각 뒤따르는 다수의 직선 스템부를 가진 암석 볼트를 제공한다. 이것은 짧고 비교적 단단한 앵커 및 높은 변형 능력을 가진 큰 길이 비율의 스템을 제공한다. 따라서, 암석 볼트는 로드를 따라 복수의 이격된 보어홀 벽 위치에 단단히 부착되어 암석 변형을 억제할 것이다. 사전 인장 특징은 초기 크랙 형성을 방지 또는 지연할 수 있고, 암석 맨틀의 조기 구속을 또한 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 암석 볼트는 장기 변형 및 암석 파열 모두에 기인한 암석 변형을 억제하는데 유용할 것이다.

참조

뵈른포트 에프.(Bjornfot F.)와 스티븐슨 오.(Stephansson O.)의 "경질 암석 채굴에 있어서 그라우팅된 암석 볼트의 필드 테스트 메카닉(Mechnaics of groued rock bolts - field testing in hard rock mining)"(1984. Report BeFo 53:1/84, Swedish Rock Engineering Research Foundation).

리 씨씨.(Li, CC.)의 "크게 변형되는 암괴를 보강하는데 있어서 나사형 리바 볼트의 실제적인 문제(A practical problem with threaded rebar bolts in reinforcing largely deformed rock masses)"(2006a. Rock Mech Rock Engng. ISSN 0723-2632. (in press) Available online)

리 씨씨.(Li, CC.)의 "압력 아치의 개념에 기초한 암석 지지 설계(Rock support design based on the concept of pressure arch)"(2006b. Int. J. Rock Mech. Min. ScL 43(7), 1083-1090.)

리 씨씨.(Li, CC.)와 마클룬드 피.(Marklund, P.)의 "볼리덴 광산에서의 콘 볼트 필드 테스트(Field tests of the cone bolt in the Boliden mines)"(-l. 2004. Bergmekanikkdagen 2004, Oslo, 35.1-12. ISBN 82 91341 85 0.)

리 씨씨.(Li, CC.)와 스틸보그 비.(Stillborg, B.)의 "암석 볼트의 분석 ㅁ모델(Anlaytical models for rock bolts)"(1999. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 36(8), 1013-1029. ISSN 1365-1609.)

스틸보그 비.(Stillborg B.)의 "암석 볼트 결합의 전문 사용자 핸드북(Professional Users Handbook for Rock Bolting)"(Trans Tech Publications (2nd edition) (1994)).

선 엑스.(Sun, X.)의 "연질 주변 암석 또는 높은 응력을 받는 영역에서의 지하 엔지니어링에 사용되는 그라우팅된 암석 볼트(Grouted rock bolt used in underground engineering in soft surrounding rock or in highly stressed regions)"(1984. Proc. of Int. Symp. on Rock Bolting (edited by O Stephansson), A.A. Balkema, Rotterdam. 93-99.)

Claims

암석의 보어홀 내에 그라우팅되는 암석 볼트이며,

긴 원통형의 중실형 스템(1)을 포함하고, 상기 스템(1)은 상기 스템(1)의 보어홀 표면부에 나사부(3a)를 가지며, 상기 나사부(3a)에 보어홀 내의 암석 볼트를 사전 인장하도록 구성된 하나 이상의 너트(3b) 및 하나 이상의 와셔, 쉬브 또는 면판(3c)이 제공되고,

상기 스템(1)은 길이가 긴 스템부(1s)를 3개 이상 포함하고, 각각의 스템부에는 일체형 앵커(2a, 2b, 2c, ...)가 뒤따르고, 상기 앵커(2a, 2b, 2c, ...)는 상기 스템부(1s)의 범위에 비해 짧은 범위를 가지며, 상기 앵커(2a, 2b, 2c, ...)는 상기 스템(1)의 길이를 따라 간격(L_a)을 두고 분포되고,

상기 앵커(2a, 2b, 2c, ...)는 암석 변형으로 인해 발생되는 하중을 흡수하기 위해 대응하는 국소 보어홀 벽 부분에 대해 국소적으로 고정되고,

상기 스템부(1s)는 그라우트 또는 보어홀에 대해 미끄러지도록 구성되고, 따라서 각각의 상기 스템(1s)은 국소 고정된 선행 앵커(2a, 2b, ...)와 국소 고정된 연속 앵커(2b, 2c, ...)의 쌍들 사이의 상기 스템부의 신장을 통해 국소 암석 변형을 억제하는 것을 특징으로 하는

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 스템부(1s)의 길이 대 상기 앵커의 길이의 비는 5 대 1 내지 40 대 1인

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 앵커 간격은 약 0.55m이고 상기 앵커 길이는 약 0.05m인

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 앵커(2) 들의 간격(L_a)은 동일한 길이인

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 스템(1)은 강철로 만들어진 일체형 앵커(2)를 갖는

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 스템부(1s)는 상기 앵커(2)에 비해 단위 길이당 더 높은 변형 능력을 갖도록 구성되는

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 일체형 앵커(2)는 경화되는

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 앵커(2)의 제1 항복 강도는 상기 스템부(1s)의 제2 항복 강도보다 높은

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 스템부(1s)는 그라우트 또는 국소 보어홀 벽 주연부에 대해 미끄러지도록 매끈한 표면을 갖는

암석 볼트.
제9항에 있어서, 상기 볼트는 기계적으로 연마되거나 또는 전기 연마되는

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 스템부(1s)에는 미끄럼층(6)이 제공되는

암석 볼트.
제11항에 있어서, 상기 미끄럼층(6)은 왁스 또는 페인트인

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 스템(1s)은 상기 경화된 그라우트에 속박되지 않도록 표면 처리되는

암석 볼트.
제13항에 있어서, 상기 스템(1)의 표면 처리는 상기 스템(1) 상에 금속 산화물 층이 추가되는 것과 같은 화학적 처리인

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 앵커(2)는 큰 하중을 받을 때 인접한 그라우트를 변위 및 변형시킴으로써 에너지를 분산시키도록 테이퍼 형상을 갖는

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 나사부(3a)는 상기 스템(1)의 유효 직경과 동일하거나 또는 그보다 큰 유효 직경을 갖는

암석 볼트.
제1항에 있어서, 나사부(3a)는 경화되는

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 스템(1)의 바닥 구멍 단부에는 단부 믹서(4)가 제공되는

암석 볼트.
제18항에 있어서, 상기 단부 믹서(4)는 앵커(2)로 구성되는

암석 볼트.
제1항에 있어서, 상기 스템부(1s)의 길이 대 상기 앵커의 길이의 비는 10 대 1인

암석 볼트.