树脂注入抵座的制作方法

树脂注入抵座
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年2月13日提交的澳大利亚临时专利申请no.2019900457的优先权，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种用于安装岩石锚杆的抵座以及使用树脂和催化剂安装岩石锚杆、特别是自钻孔岩石锚杆以将岩石锚杆固定在矿井壁和矿顶中的相关方法。


背景技术：

4.岩石锚杆用于软的和硬的地下矿场中，以便为采矿挖掘提供地面支撑，并且特别是用于支撑矿井壁和矿顶。
5.传统的岩石锚杆的安装包括使用长形的钻孔工具(“钻钢”)以及附接至钻钢远端的钻头，在地层中钻出钻孔至期望的深度。一旦钻出孔，就从钻孔中移除钻钢和钻头。在第二步骤中，将具有包含可固化树脂组合物的一种成分以及包含固化剂(催化剂)的另一种成分的双成分塑料树脂筒/胶囊机械地或手动地插入钻孔中。在第三步骤中，将具有树脂混合装置和固定到岩石锚杆的螺母的岩石锚杆装载到呈钻孔/锚杆钻机机器(bolting machine)形式的岩石锚杆钻设备(rock bolting apparatus)上，其中机器的驱动器抵座与螺母接合。将机器与容纳有树脂筒的钻孔对准。操作机器以使岩石锚杆旋转，并且将旋转的岩石锚杆的自由远端缓慢地插入钻孔中，这使树脂胶囊破碎并且将树脂筒的两个部分混合在一起。混合的树脂成分固化和凝固，并将岩石锚杆结合/封装在钻孔中。
6.这种传统的安装过程具有许多缺点。首先，在差的地面状况下，或者在存在低质量岩体的情况下，当从钻孔移除钻钢时，钻孔经常坍塌。当这种情况发生时，将树脂胶囊和岩石锚杆插入坍塌的钻孔中是困难的，并且有时是不可能的，因此传统的岩石锚杆安装方法不能用于这种差的地面状况。
7.另一种安装岩石锚杆的常用方法包括使用自钻孔岩石锚杆，该自钻孔岩石锚杆使用附接至中空岩石锚杆上的牺牲式钻头(sacrificial drill bit)。这允许在差的地面状况下使用岩石锚杆，其中自钻孔岩石锚杆充当钻钢并且在钻完孔之后保持在钻孔中。使用这种方法，如果岩石锚杆没有适当地与钻孔接合或锁定到钻孔中，则通常难以将用于安装岩石锚杆的安装抵座从自钻孔岩石锚杆上分开。在钻孔是竖直的或者大于水平的情况下，如果岩石锚杆没有适当地与钻孔接合或锁定到钻孔中，则在使岩石锚杆从抵座上分离时，岩石锚杆具有从钻孔中掉出的趋势，从而出现继发的相关问题。
8.自钻孔岩石锚杆被水泥灌浆或树脂注入以将它们锁定到钻孔中，这涉及进一步步骤：连接适配器并设置附加泵送设备，以便用树脂或水泥注入自钻孔岩石锚杆，以将其锁定到钻孔中。
9.本发明寻求至少解决现有方法的一些缺陷，并提供高效且可靠的岩石锚杆安装。
10.本说明书中所包括的任何文献、法案、材料、装置、物品等的讨论不应被认为是承
认任何或所有这些事项形成现有技术基础的一部分，或者是与本发明的公开相关的领域中的公知常识，因为其存在于所附权利要求中的每一个的优先权日之前。


技术实现要素：

11.根据第一广义方面，本发明提供一种安装岩石锚杆的方法，包括：
12.使用自钻孔岩石锚杆在地层或岩石中钻出钻孔，自钻孔岩石锚杆经由抵座连接至锚杆钻机钻臂等；
13.在自钻孔岩石锚杆保持在钻孔中并且优选地保持与自钻孔岩石锚杆接合的同时，将灌浆经由抵座和自钻孔岩石锚杆注入到钻孔中；以及
14.使自钻孔岩石锚杆从抵座上分离。
15.典型地，灌浆包括树脂和催化剂，并且方法进一步包括：
16.经由抵座中的树脂通路供应树脂；以及
17.经由抵座中的与树脂通路分开的催化剂通路供应催化剂。
18.优选的是，抵座中的树脂通路的直径为至少约10mm，并且树脂的粘度在100,000厘泊与400,000厘泊之间，并且优选地在125,000厘泊到225,000厘泊之间。
19.优选的是，树脂是聚酯树脂，优选地包括10重量％(重量百分比)至25重量％的惰性填料，诸如石灰石。
20.方法还可以包括在树脂已固化之后使岩石锚杆从抵座上分离并且经由抵座中的通路用水冲洗抵座的步骤。
21.在相关方面，提供了一种岩石锚杆抵座，其被布置成将自钻孔岩石锚杆连接至岩石锚杆钻设备，自钻孔岩石锚杆包括长形中空杆，长形中空杆限定有至少一个带外螺纹的端部，并且被布置成在将岩石锚杆安装在地层和岩石中期间将由岩石锚杆钻设备施加至抵座的冲击能量传递至岩石锚杆，抵座包括：
22.联接装置，其用于将抵座联接至岩石锚杆钻设备的输出轴；
23.冲击板，其包括端板和一体的侧壁，侧壁限定有带内螺纹的凹部，带内螺纹的凹部用于接纳岩石锚杆的带螺纹的端部，以便经由端板和带螺纹的侧壁将冲击载荷施加至岩石锚杆的长形中空杆；
24.主体部分，其在联接装置与冲击板之间延伸，并且将来自输出轴的力传递至冲击板；其中，
25.主体部分限定有用于使来自贮存器的灌浆通过岩石锚杆抵座并进入岩石锚杆中的至少一个通路。
26.优选地，主体部分限定有至少两个通路，一个通路用于将催化剂供应至岩石锚杆，并且一个通路用于将树脂供应至岩石锚杆。
27.用于供应树脂的通路的直径优选地为至少约10mm至20mm，最优选地为至少10mm至15mm。
28.主体部分还可以限定有用于将水供应至冲击板的通路。
29.灌浆可以经由旋转壳体被供应至主体部分中的通路，旋转壳体围绕主体部分延伸并且能够相对于主体部分旋转，并且旋转壳体被防止相对于输出轴旋转，以便为用于将灌浆供应至抵座的一个或多个软管提供非旋转连接点。
30.典型地，旋转壳体限定有环形通路，该环形通路与抵座的主体部分中的径向入口进行持续流体连接。
31.在主体部分限定有至少两个通路的情况下，一个通路用于将催化剂供应至岩石锚杆，并且一个通路用于将树脂供应至岩石锚杆，树脂和催化剂可以经由旋转壳体被供应至主体部分中的通路，该旋转壳体围绕主体部分延伸并且能够相对于主体部分旋转，并且旋转壳体被防止相对于输出轴旋转，以便为用于将灌浆供应至抵座的软管提供非旋转连接点。
32.在该实施例中，旋转壳体限定有第一环形通路和第二环形通路，第一环形通路与通向抵座的主体部分中的催化剂通路的第一径向入口进行持续流体连接，第二环形通路与通向抵座的主体部分中的树脂通路的第二径向入口进行持续流体连接。
33.有利地，本发明可以允许操作者使用单程安装方法，利用冲击能量将岩石锚杆钻入地层和岩石中，并将诸如两部分树脂(树脂和催化剂)之类的灌浆直接注入到岩石锚杆和钻孔中以将岩石锚杆封装在钻孔内，而不必使岩石锚杆与安装抵座脱离，直到安装过程结束。该方法不仅更可靠，因为它避免了已知现有技术安装方法中的钻孔坍塌和岩石锚杆脱离的问题，而且更高效和更快，因为安装步骤更少并且岩石锚杆仅附接至抵座/锚杆钻机一次和从其上拆下一次。
34.冲击板允许冲击力直接传递到自钻孔岩石锚杆的长形杆，以便高效且有效地钻孔。
35.树脂路径允许粘度大于聚氨酯树脂的聚酯树脂通过。
36.本发明的相关方面提供一种利用抵座将自钻孔岩石锚杆安装在地层和/或岩石中的方法，自钻孔岩石锚杆包括长形中空杆，长形中空杆限定有至少一个带外螺纹的端部，方法在岩石锚杆安装在地层和岩石中期间，利用抵座将由岩石锚杆钻设备施加至抵座的冲击能量传递至岩石锚杆，其中，抵座包括：
37.联接装置，其将抵座联接至岩石锚杆钻设备的输出轴；
38.冲击板，其包括端板和一体的侧壁，侧壁限定有带内螺纹的凹部，带内螺纹的凹部用于接纳岩石锚杆的带螺纹的端部，以便经由端板和带螺纹的侧壁将冲击载荷施加至岩石锚杆的长形中空杆；
39.主体部分，其在联接装置与冲击板之间延伸，并且将来自输出轴的力传递至冲击板；其中，
40.主体部分限定有第一通路和第二通路，第一通路具有用于树脂通过岩石锚杆抵座并进入岩石锚杆的直径，并且第二通路用于催化剂通过岩石锚杆抵座并进入岩石锚杆，其中第一通路的直径为至少约10mm，方法包括以下步骤：
41.使用经由抵座连接至岩石锚杆钻设备的自钻孔岩石锚杆，在地层和/或岩石中钻出钻孔；
42.在自钻孔岩石锚杆保持在钻孔中的同时，经由抵座中的第一通路将树脂注入到钻孔和岩石锚杆中，并且经由抵座中的第二通路将催化剂注入到钻孔和岩石锚杆中，其中树脂包括粘度为100,000厘泊至400,000厘泊的聚酯树脂；以及
43.使自钻孔岩石锚杆从抵座上分离。
44.在整个本说明书中，词语“包括”或其变体诸如“包含”或“含有”应理解为暗示包括
所述的元件、整体或步骤或者元件、整体或步骤的组，但不排除任何其他元件、整体或步骤或者元件、整体或步骤的组。
附图说明
45.现在将仅通过实例并参考附图来描述本发明的具体实施例，其中：
46.图1是体现本发明各方面的抵座的透视图；
47.图2示出附接至改进的岩石锚杆安装设备(锚杆钻机钻臂(bolter boom))的抵座；
48.图3是与图2类似的视图，但示出了缩回的抵座；
49.图4a示出图4的冲击板壳体的立体图；
50.图4b示出穿过冲击板壳体截取的剖视图；
51.图5示出抵座的一部分，以红色表示输入轴；
52.图6a是图5所示输入轴的端视图，示出了剖切线j
‑
j；
53.图6b是在j
‑
j上截取的穿过输入轴的剖视图，示出了水冲洗路径；
54.图7a是图5的输入轴的端视图，示出了剖切线l
‑
l；
55.图7b是在l
‑
l上截取的穿过输入轴的剖视图，示出了催化剂路径；
56.图8a是图5的输入轴的端视图，示出了剖切线k
‑
k；
57.图8b是在k
‑
k上截取的穿过输入轴的剖视图，示出了树脂胶泥路径；
58.图9是示出树脂胶泥和催化剂流体通过抵座的路径的示意性3d视图；
59.图10是穿过抵座截取的剖视图，示出了水冲洗路径；
60.图11是穿过抵座截取的剖视图，示出了催化剂路径；
61.图12是穿过抵座截取的剖视图，示出了树脂胶泥路径；
62.图13a是用于将岩石锚杆附接至抵座的联接夹具的侧视图；
63.图13b是图13a所示联接夹具的立体图；
64.图14a至图14c示出树脂注入抵座联接壳体，其防止将树脂和催化剂供给至抵座的软管的旋转；
65.图15a至图15c示出抵座的移动定中器。
66.图16是附接有自钻孔岩石锚杆的杆的抵座的立体图；
67.图17是图16中所示抵座和杆的侧视图；以及
68.图18是在图17所示的a
‑
a线上截取的剖视图。
具体实施方式
69.参考附图，图1示出用于利用冲击力来钻孔、安装和树脂注入岩石锚杆(未示出)的抵座(dolly)10。抵座10包括冲击板壳体12以及在其前端或远端16处的相关联的冲击板壳体端盖14，该冲击板壳体端盖在使用中与岩石锚杆(通常为自钻孔岩石锚杆)的一端接合并将其保持。冲击板壳体安装到主体部分18上，该主体部分呈输入轴22和相关联的轴主体部分20的形式。旋转联接壳体24围绕输入轴22延伸，并且防旋转臂26使用螺栓28等附接至旋转联接壳体。在抵座的近端处设置有联接夹具30a、30b，用于将抵座附接至呈锚杆钻机钻臂组件50形式的岩石锚杆钻设备的驱动轴上，如图2和图3所示。
70.图2示出附接至改进的锚杆钻机钻臂组件50(更具体地为，sandvik
tm
锚杆钻机钻臂
组件)的抵座10，但是应当理解，抵座可以用于其他型号和oem的钻孔机以及其他形式的岩石锚杆钻设备/岩石锚杆安装设备。图2示出为适应抵座而对原始锚杆钻机钻臂组件50进行的许多非标准修改，包括支架52、前定中器形式的固定前引导装置54、以及移动定中器形式的可动引导装置56，它们用于引导抵座，使得在岩石锚杆的钻孔和安装期间，岩石锚杆可以保持笔直并且处于正确的定向。图3示出与图2相同的组件。
71.图4a和图4b更详细地示出冲击板壳体12。可以看出，壳体12限定有圆柱形凹部40，冲击板42被容纳在该圆柱形凹部中。冲击板42的形状大致类似于烧杯，其为圆柱形且具有大致环形的横截面，其中一端44部分地被封闭且限定有孔46，该孔与延伸穿过壳体的孔48流体连通。未示出的密封件确保了冲击板42的孔与孔48之间的连接是水密的。冲击板的内侧壁47具有r32螺纹，并且其轮廓形成为与自钻孔岩石锚杆的柄的近(非钻孔)端接合。这确保了在使用中抵座与岩石锚杆之间的良好的连接和密封性。端盖16拧入壳体内的凹部的端部中，以将冲击板保持在壳体中。
72.包括用于接纳岩石锚杆的r32外螺纹端部的内螺纹内孔的冲击板除了允许旋转力之外还允许冲击力有效地传递至岩石锚杆。这允许安装过程更快且更高效。
73.岩石锚杆的螺纹端部简单地拧入冲击板中，从而在安装过程的后期阶段注入树脂和催化剂时形成了不需要密封件等的有效连接。
74.图5至图12更详细地示出了岩石锚杆抵座的主体部分18，并且特别地示出了用于将流体传输通过输入轴22的路径、以及用于使用联接夹具30a、30b将输入轴与各种不同的驱动轴联接的装置。在图5中，以红色示出输入轴22，并且特别地，可以看出，该轴的与岩石锚杆钻设备(诸如锚杆钻机钻臂等)的驱动轴接合的端部102限定有呈孔形式的圆柱形凹部104，该圆柱形凹部在远离中心孔106的一端处是封闭的。该凹部的内部是带螺纹的并且轮廓形成为与自钻孔岩石锚杆的柄的近(非钻孔)端接合。同样如图5中最佳地示出的，该轴的限定凹部的环形部分限定有纵向裂口108，使得当使抵座与驱动轴接合时，可以利用夹具将环形部分扩张和/或收缩，如在下面更详细地描述的。该夹持效果提供了与柄的牢固接合，从而允许利用抵座的左旋和右旋而不发生脱离。
75.图6a、图6b和图6c示出了输入轴22的端视图，示出了连接到轴主体部分20的远端或前端。该视图示出了用于将两个部件螺栓连接在一起的六个孔以及穿过输入轴的用于流体的三个单独的通路/路径的端部，即，水通路的端部110、催化剂通路的端部112和树脂通路的端部114。
76.参考图6b，可以看到，水通路120从凹部104大致通过输入轴22的中部延伸到轴的前端。如图7b所示，催化剂通路122比水通路稍窄以考虑混合比，并具有从轴的周边径向延伸到轴的中心然后沿着轴的中心部分延伸到端部112的部分126。参照图8b，树脂通路124的直径大于水通路的直径，并且也具有从轴的周边朝向轴22的中心径向延伸然后沿着轴的中心部分延伸到轴的远端的部分128。
77.图9至图13更详细地示出了穿过抵座的用于水、树脂和催化剂的路径。特别地，这些图示出了旋转联接壳体24，该旋转联接壳体将输入轴的限定有催化剂和树脂通路的径向入口的那部分包围起来。水通路简单地直接沿着输入轴和冲击壳体的长度从一端延伸到另一端。特别参考图9和图10，树脂和催化剂经由旋转联接壳体24进入输入轴，该旋转联接壳体限定有两个轴向间隔开的内环部或圆形通路130、132，它们分别与催化剂的入口126和树
脂通路的入口128重合。注意，在使用中，借助锚杆钻机上的支架52与附接至旋转联接壳体的防旋转臂22的接合，防止旋转联接壳体24随轴旋转，并且由于通路130、132是环形的，所以它们总是与它们各自的入口流体连通。环形通路可以通过壳体中的通路134、136连接到壳体外部的接头140、142(如图5和图11和图12最佳所示)。接头通过柔性软管等分别连接到催化剂和树脂的供应部。泵可以用于泵送树脂和催化剂流体通过软管并进入通路。
78.特别如图11和图12所示，在通路的轴向侧与输入轴之间设置有自润滑密封件160，诸如o形圈等。
79.图14a至图14c示出了用于树脂和催化剂通过旋转联接壳体24的流动路径。
80.应当注意，通路的尺寸必须被设计成允许催化剂和树脂流体在由泵提供的压力下并且取决于流体的粘度流过这些通路。在这方面，注意到由j
‑
lok公司提交的两个未决pct申请wo2016/141008和wo2018/045277，以及美国专利公开no.us2020/0018165，其全部内容描述了用于泵送双成分树脂的系统，在此通过引用并入本文。在描述的实施例中，树脂/胶泥通路136和124的直径应至少为10mm，并且优选地可以更宽。通路124可以是10mm至20mm宽，更优选地在10mm与15mm宽之间，以确保通路足够宽以允许树脂流动，但不能宽到削弱抵座的结构完整性。抵座被设计成用于聚酯树脂，而不是与也用于采矿应用的粘性较小的聚氨酯树脂。
81.参考us2020/0018165，其描述了具有10％至25％惰性填料(诸如石灰石)的填充树脂。该树脂的粘度可以为约100,000厘泊至400,000厘泊，最典型地为125,000厘泊至225,000厘泊，这与粘度小于10,000厘泊的聚氨酯树脂形成对比。
82.催化剂具有低得多的粘度，约为10,000厘泊至25,000厘泊，因此可以被泵送通过窄得多的孔。
83.转到图13a和图13b，半环形联接夹具30a、30b允许抵座与各种不同的驱动轴(也称为“冲头柄(drifter shank)”)接合。如上所述，轴的环形部分限定用于接纳驱动轴的凹部，且限定有纵向裂口108使得当使抵座与驱动轴接合时，可以利用夹具30a和30b将轴扩张和/或收缩。使用螺母和螺栓等将夹具紧固在一起以挤压输入轴的环形端部102。当要使夹具脱离时，简单地松开螺母。
84.与驱动轴的接合是通过左旋驱动连接进行的。当树脂注入过程完成时(下面更详细地解释)，需要右旋以使抵座与驱动轴脱离。夹具22a和22b允许抵座夹紧到驱动轴上，同时允许当使用右旋时抵座与岩石锚杆脱离。因此，夹具允许分别通过使用左旋和右旋而使锚杆能够进行钻孔和与抵座分离。
85.图15a到15c更详细地说明了固定定中器端板54和移动定中器56。这些分别呈固定和可动环形环的形式，并且在钻孔过程中支撑和引导延伸的岩石锚杆，使得岩石锚杆沿着笔直轴线被向前驱动而没有显著的偏差。如图3最佳所示，移动定中器56被安装为在锚杆钻机钻臂的轨道200上滑动，锚杆钻机钻臂的冲击壳体210也安装在锚杆钻机钻臂的轨道200上。这些定中器足够大以允许抵座的前部穿过它们，直到到达旋转壳体为止，并且移动定中器向前移动，使得其抵靠固定定中器，如图2和图15c所示。这确保了可以实现足够的岩石钻孔深度，并减小了保持暴露的岩石锚杆的尾部长度。
86.在使用中，抵座10附接至锚杆钻机钻臂，诸如图2和图3所示。联接夹具30a、30b与锚杆钻机钻臂的冲击壳体210的驱动轴接合。夹具允许左旋和右旋。参考图16至图18，自钻
孔岩石锚杆300与抵座的前端或远端处的冲击板接合。岩石锚杆包括具有外螺纹(r32)端部的长形管状杆。近端带有螺母301。输入轴22和轴主体20将由锚杆钻机钻臂产生的冲击能量传递至冲击板42。将岩石锚杆拧入冲击板42中，并且旋转抵座和岩石锚杆组件并利用冲击能量和位于自钻孔岩石锚杆的端部处的钻头(未示出)将岩石锚杆冲击到岩石中，从而形成钻孔并将中空岩石锚杆钻入岩层中。在钻孔期间，水沿着抵座中的中心通路120被连续地向下泵送到岩石锚杆300中，并且特别地通过形成岩石锚杆主体的中空杆中的孔302，并且由此处进入钻孔中以从钻孔中冲洗碎屑。在此阶段期间，通过防旋转臂26和与防旋转臂26接合的配合支架52防止旋转壳体随着输入轴一起旋转。
87.当岩石锚杆300已经完全安装至正确深度时，抵座保持联接至岩石锚杆300以用于树脂注入。然后，将树脂和催化剂通过抵座中的通路注入到岩石锚杆的孔202中并进入钻孔中，在钻孔中它们混合并且硬化。此时锚杆300保持不动，并且位于岩石锚杆内部的静态混合器将树脂和催化剂混合在一起。冲击板和锚杆300的螺纹接合阻止了通过抵座泵送到岩石锚杆300的树脂和催化剂的泄漏。一旦树脂在树脂注入之后固化，就将抵座从岩石锚杆300上脱离并且利用水通路用水进行冲洗。岩石锚杆300利用固化的树脂保持被结合到钻孔上。然后对下一个自钻孔岩石锚杆重复该过程。
88.有利地，本发明可以允许操作者使用单程安装方法，利用冲击能量将岩石锚杆钻入地层和岩石中，并将诸如两部分树脂之类的灌浆直接注入到岩石锚杆和钻孔中以将岩石锚杆封装在钻孔内，而不必使岩石锚杆与安装抵座脱离，直到安装过程结束。
89.更具体地，该系统避免了在将树脂注入到岩石锚杆/钻孔中之前使岩石锚杆分离的步骤或需要。结果，安装更快且更高效。该系统更可靠，并且可以提供改进的质量控制和安装。水冲洗直接发生在锚杆连接点处。
90.该系统可以用于锚杆钻机和凿岩台车(jumbo drill rig)两者，并且可以被提供以适应各种oem钻机品牌。
91.有利地，抵座设计相对不复杂，仅需要用于树脂/胶泥的一个端口和用于催化剂的一个端口，因为水沿着抵座的中心被向下冲洗，正如在安装岩石锚杆中通常的那样。抵座也不需要任何内部控制阀，并且与标准锚杆钻机驱动轴兼容。
92.本领域技术人员将理解，在不偏离本公开的广泛的一般范围的情况下，可以对上述实施例进行许多变化和/或修改。因此，本发明的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。