岩石锚杆的制作方法

1.本发明涉及一种岩石锚杆。
2.更具体地，本发明涉及一种具有锚固件的岩石锚杆，所述锚固件用于将所述岩石锚杆固定在岩体中的钻孔内。


背景技术：

3.岩石锚杆，也称为锚定锚杆或摩擦锚杆，在采矿业中用于支撑和稳定岩体以防止蠕变或坍塌。然后，使用岩石锚杆来定位支承板或推力板，以在岩层上施加压缩力，从而稳定岩体。还已知的是，使用岩石锚杆来支撑邻近岩石面的金属丝网，并在金属丝网上喷射可凝固混凝土以加强岩石面。
4.岩石锚杆具有许多不同的形式，并且基于各种因素进行选择，这些因素包括待加强的岩体的材料和质量以及特定岩体所共有的地质应力和运动的量。
5.岩石锚杆通常为细长元件的形式，例如管、缆线、杆或它们的组合，其能够装配到钻入岩体中的钻孔中，并且随后固定在该钻孔内。通常，通过机械或化学方法将岩石锚杆固定在钻孔中。一种类型的岩石锚杆是包括膨胀套筒的锚定锚杆，该膨胀套筒围绕岩石锚杆并且将附接到岩石锚杆的柱塞拉动或推动到套筒中。柱塞通过向外偏转以压靠钻孔中的岩体的侧面而使套筒膨胀，从而将岩石锚杆压紧就位并提供点锚定。
6.其它类型的岩石锚杆，例如摩擦锚杆，能够在载荷下逐渐屈服，以避免岩石锚杆的突然和灾难性的失效。这些类型的锚杆包括沿其长度纵向裂开的管，该管具有比其将插入的钻孔的半径稍大的半径。在插入期间，管被径向压缩以部分地或完全地闭合其中的裂缝。然后，由于管和周围岩体之间的摩擦接触，摩擦锚杆在钻孔中被保持就位。
7.通常，插入摩擦锚杆比插入锚定锚杆更容易且更快速。这是由于摩擦锚杆通过简单地将摩擦锚杆冲击锤击到钻孔中而被安装，即，这是一个一步过程。大多数锚定锚杆安装起来更耗时，因为它是两步过程，其中首先必须将锚定锚杆插入钻孔中，并且此后必须致动柱塞，例如通过旋拧螺杆以将柱塞拉入膨胀套筒中。
8.应当理解，如果在此引用任何现有技术公开，这种引用不构成承认该公开在澳大利亚或任何其它国家形成本领域公知常识的一部分。


技术实现要素：

9.根据本发明的第一方面，提供了一种在形成于岩体中的钻孔中用作锚定锚杆或摩擦锚杆的岩石锚杆，所述岩石锚杆包括
10.细长构件，该细长构件具有内部轴向通道并具有前端和相对的后端；
11.柱塞，其被构造成在所述细长构件的前端处由所述细长构件支撑；以及
12.冲头，所述冲头由所述柱塞支撑并且被构造成向外突出超过所述细长构件的所述前端，
13.其中，在使用过程中，所述冲头设置为抵靠所述岩体以将冲压力施加到所述柱塞
上并迫使所述柱塞进入所述细长构件的所述内部轴向通道中，从而使所述细长构件的一部分向外偏转(deflect)。
14.细长构件可以是具有沿其轴向长度延伸的槽的管，使得管在横截面视图中基本上是c形的。在一个实施例中，细长部件的靠近其前端的部分向内渐缩。
15.柱塞可以包括柱塞前端和柱塞后端，柱塞前端限定支承壁，支承壁在插入钻孔之前被构造成向外突出超过细长构件的前端，柱塞还包括从支承壁朝向柱塞后端延伸的渐缩的锥形鼻部，该鼻部被构造成在细长构件的前端处至少部分地容纳在内部轴向通道内。
16.柱塞后端可以包括圆柱形支柱，该圆柱形支柱被构造成在细长构件的内部轴向通道内轴向对准柱塞。在一个实施例中，细长部件的前端可以压合到(crimped onto)柱塞的鼻部上。在另一个实施例中，细长部件的前端可以与柱塞的鼻部紧密摩擦配合。
17.柱塞可以包括轴向孔，其中，孔的直径在柱塞前端处较大，并且沿着其长度朝向柱塞后端方向，孔的直径减小。该孔可以沿柱塞的一部分轴向长度渐缩。在这种情况下，孔可以具有莫氏锥度。或者，孔可以具有内部减小的台阶或槽口。
18.所述冲头可以是具有冲头前端和冲头尾端的细长杆，其中，在使用中，所述冲头前端被构造成抵接所述岩体，并且所述冲头尾端由所述柱塞支撑。冲头尾端的轮廓可以被构造成有助于冲头被柱塞支撑。
19.该冲头可构造成在使用中向柱塞施加临时撞击力，使得在超过反作用力阈值之后释放该撞击力。在一个实施例中，冲头由延展性材料制成，在使用中，该延展性材料能够经历塑性变形以便释放冲压力。在这种情况下，冲头可以被构造成通过柱塞的孔被挤压。在另一实施例中，冲头可由脆性材料制成，该脆性材料在使用中能够塌缩(collapse)或断裂。
20.根据本发明的第二方面，提供了一种将岩石锚杆安装在形成于岩体中的钻孔中的方法，该方法包括以下步骤：
21.在所述岩石锚杆的前端处支承柱塞，并且将冲头接合到所述柱塞，使得所述冲头向外突出超过所述岩石锚杆的前端；
22.将所述岩石锚杆插入所述钻孔中，使得所述冲头同轴地对准并定位于所述岩石锚杆的井下(downhole)；以及
23.迫使所述岩石锚杆进入所述钻孔中，使得所述冲头抵接所述岩体，以将冲压力施加到所述柱塞上，并迫使所述柱塞进入所述岩石锚杆的内部轴向通道中，从而使所述岩石锚杆的一部分向外偏转。
24.该方法可包括在冲头充分插入到岩石锚杆的内部轴向通道中之后释放由冲头施加的冲压力的步骤。在一个实施例中，冲压力可以通过冲头发生塑性变形而释放。在这种情况下，冲头可以被挤压为通过穿过柱塞延伸的轴向孔。在另一实施例中，冲压力可通过冲头断裂并破坏而被释放。
25.该方法可包括通过将前端压合到柱塞上而将岩石锚杆接合到柱塞的步骤。
26.根据本发明的第三方面，提供了一种用于在形成于岩体中的钻孔中与岩石锚杆或摩擦锚杆一起使用的柱塞，所述柱塞包括
27.主体，所述主体具有前端和相对的后端；以及
28.由所述主体支撑并被构造成向外突出超过所述前端的冲头，
29.其中，在使用过程中，所述冲头设置为抵靠所述岩体以将冲压力施加到所述本体
上并且迫使所述本体进入岩石锚杆的内部轴向通道中，并且由此使得所述岩石锚杆的一部分向外偏转。
30.主体可以包括轴向孔，其中，孔的直径在前端处较大，在后端处较小。该孔可以沿着主体的一部分轴向长度逐渐变细。在这种情况下，孔可以是莫氏锥度。或者，孔可以具有内部减小的台阶或槽口。
31.所述冲头可以是具有冲头前端和冲头尾端的细长杆，其中，在使用中，所述冲头前端被构造成邻接所述岩体，并且所述冲头尾端由所述本体支撑。冲头尾端的轮廓可被构造成有助于冲头被主体支撑。
32.冲头可以由在使用中能够产生塑性变形的延展性材料制成。或者，冲头可以由脆性材料制成，该脆性材料在使用中能够坍缩或断裂。
附图说明
33.通过参考作为示例给出的所附示意图的以下描述，上述和其它特征将变得更加明显。附图仅用于说明的目的，而不是以任何方式进行限制，其中：
34.图1是包括裂口式套筒摩擦锚杆和布置成提供锚固点的柱塞装置的岩石锚杆的透视图；
35.图2是图1所示柱塞装置的放大侧视图；
36.图3是图2所示柱塞装置的侧剖视图；
37.图4是示出了图1的岩石锚杆的使用的侧剖视图，其中岩石锚杆处于部分安装的非锚定位置；
38.图5是描述图1的岩石锚杆的使用的侧剖视图，其中岩石锚杆处于部分安装的锚固位置；以及
39.图6是示出了图1的岩石锚杆的使用的侧剖视图，其中岩石锚杆处于完全安装的锚固位置。
具体实施方式
40.参照图1，示出了在形成于岩体中的钻孔中用作锚定锚杆或摩擦锚杆的岩石锚杆10。在图4至图6中示出了岩石锚杆10的安装和使用，其中示出了岩石锚杆10在设置在岩体14中的钻孔12内的连续的部分和完全安装位置。
41.钻孔12在岩石面18处具有开口16，并且具有远离岩石面18的钻孔基部20。为了下面描述的目的，应当理解，术语“前”和“后”指的是相对于钻孔12的操作钻凿位置或岩石锚杆插入位置。因此，这里使用的“前”指的是钻孔12内更深的位置，或者指的是岩石锚杆10的最远或远离开口16的特征或部分。相反地，“后”指的是最靠近开口16的位置，或者指的是岩石锚杆10的最靠近或接近开口16的特征或部分。
42.岩石锚杆10包括形式为具有内部轴向通道的空心杆或管30的承载伸长部件。管30具有管前端32和相对的管后端34。管30被构造成插入并固定在钻孔12中，其中管前端32位于钻孔12内的仰孔(uphole)，而管后端34从钻孔12突出超过岩石面18。在本示例中，管30具有沿其轴向长度延伸的槽36，导致管30在横截面或端部视图中基本上为c形，即管30是本领域中通常已知的裂口类型。然而，在其它示例中，可以设想管30可以以管的形式完全封闭。
43.管30通常由金属例如钢制成，以便其具有适当高的抗拉强度。可以理解，管30的外径以及其侧壁的厚度和其固有的压缩弹性可以预先选择，使得岩石锚杆10能够在围绕其所插入的钻孔12的岩体14上施加所需的向外压力。在大多数情况下，这是通过使管30的外径(预安装)略大于钻孔12的直径来实现的。因此，当管30插入钻孔12中时，管30在周向被压缩，这导致槽36的完全或部分闭合。在一些示例中，管30可形成有滚花的外表面，以增加其与岩体14的摩擦系数。
44.管30沿其轴向长度靠近管前端32的部分向内逐渐变细，这种逐渐变细有助于在使用过程中将管30插入钻孔12中。
45.环或套环38在管尾端34处围绕管30焊接，在使用时，套环38被构造成将支承板40压靠在岩石面18上。在一些实施例中，金属的小突起39可以位于套环38的内部以桥接槽36，该突起39使得套环38能够围绕其整个圆周焊接到管30上，从而加强套环38与管30的接合。
46.岩石锚杆10还包括柱塞42和冲头44，在一些示例中，柱塞42与管30分开设置，并布置成当管30插入钻孔12中时与其接合。在示例性实施例中，柱塞42从开始就接合到管30。
47.柱塞42和冲头44在图2和图3中被更清楚地示出。
48.柱塞42包括本体46，轴向孔48穿过该本体46延伸。柱塞42具有柱塞前端50和柱塞后端52，本体46在靠近柱塞前端50的部分长度上基本上是圆柱形的，该部分被构造成在使用中用作支承壁54；主体46的前中部具有渐缩锥部56；主体46的后部中间部分58在其长度的一部分上基本也是圆柱形的；并且朝向主体46的后端设置有圆柱形的支柱60，中间部分56、58和支柱60被构造成用作突出部62，而穿过支柱60的孔48的开口被构造成在使用中用作喷嘴。因此，柱塞42在柱塞前端50处具有较大直径的支承壁54，在柱塞52的中间部分56、58处具有较小直径的腰部，并且在柱塞后端52处具有较大直径的支柱60。
49.在示例性实例中，孔48的入口与柱塞42的外部具有类似形状，即在柱塞前端50处具有较大的圆柱形开口，具有中间圆锥形或渐缩的渐缩部分，然后该渐缩部分再次变成圆柱形并延伸通过至柱塞后端52处的较小开口。然而，在其它实例中，孔48可包括内部渐缩台阶或槽口以替代前述渐缩部分。
50.柱塞42通常由比制成管30的材料更硬的材料制成。在当前示例中，柱塞42也由钢制成。
51.冲头44为细长杆的形式。在一些示例中，冲头44沿其整个长度基本上是圆柱形的。在其它示例中，冲头可以是非圆柱形的形状，例如，可以是方形杆。在示例性实例中，冲头44是圆柱形的，并且具有与孔48的形状一致的轮廓尾端。冲头44被构造成具有一定的外径，以便通过将冲头尾端插入孔48中而使冲头44能够与柱塞42接合，从而使其牢固地保持在适当位置。因此，冲头44较大的外径等于孔48的直径，以使得当冲头44插入孔48中时，将与其紧密配合。
52.在一个示例中，孔48的锥度和冲头44的锥度一致并被构造成莫氏锥度。
53.冲头44构造成在使用中向柱塞42施加临时撞击力，但在超过反作用力阈值之后释放该撞击力。这通过在孔的锥形部分处抵靠柱塞42(或抵靠内部减小的台阶)的冲头44来实现。
54.在示例性实施例中，冲头44由延展性材料制成，使得在使用中，冲头44最初是刚性的并且能够将冲压力施加到柱塞42上，但是在冲压力超过阈值之后，冲头44经历塑性变形，
使得冲头44被挤压穿过孔48并且由此释放冲压力。在一些示例中，冲头44由塑料材料制成，例如但不限于高密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龙或其组合。这种塑料材料可以用纤维增强。在其它示例中，冲头44由金属制成，诸如铜、铝、镁或铁或它们的延展性合金。
55.在其它实施例中，冲头44可由脆性材料制成，使得在使用中，冲头44最初是刚性的，并且能够将冲压力施加到柱塞42上，但是在冲压力超过阈值之后，冲头44塌缩或破裂并破碎以释放冲压力。在一些示例中，冲头44由脆性塑料材料制成，例如聚碳酸酯或木材。
56.现在参照图4至图6，在使用中，钻孔12被钻入到岩体14中至期望的深度。如果尚未如图1所示地进行组装，则将冲头44插入柱塞42中，然后通过将其鼻部62插入管前端32中而将柱塞42结合到管30，使得柱塞42和冲头44与管30轴向对准。在柱塞42插入到孔48中之后，圆柱形支柱60帮助保持柱塞42与管30轴向对齐。然后，管30的前端在支柱60上压合到柱塞52的中间部分56、58的腰部上。在支柱60的外圆周和管30的内圆周之间存在微小的间隙，使得支柱60仍然容易在管30内纵向移动。理想地，在支柱60周围的范围具有大约0.5
‑
1mm间隙，使得总的径向间隙大约为1
‑
2mm。
57.然而，在其它实施例中，管30的前端可以与支柱60紧密摩擦配合，使得不需要将管30压合到柱塞60。
58.然后，将岩石锚杆10插入钻孔12中，柱塞42和冲头44位于管30的井下(downhole)。该插入通常通过将岩石锚杆10冲击锤击到钻孔12中直到支承板40抵靠岩石面18来执行。在该插入期间，管30被周向地压缩并以摩擦配合的方式与岩体14接合。
59.在插入的初始阶段，如图4所示，柱塞42和冲头44被保持在钻孔12内的中心，并且不接触岩体14。因此，在插入的这个阶段，仅管30经受周向压缩。这种周向压缩不足以消除围绕支柱60的间隙，因此，在这个阶段，柱塞42仍然相对容易地在管30的内部轴向通道内轴向移动。
60.随后，如图5所示，当岩石锚杆10接近其完全插入位置时，冲头44在钻孔12的井下端处接触基部20，冲头44抵靠基部20并在基部20和柱塞42之间用作支撑体，以阻止柱塞42进一步向井下运动，即，冲头44开始将冲压力施加到柱塞42上并迫使柱塞42进入管30的内部轴向通道。因此，当管30进一步插入钻孔12时，管前端32滑过并经过柱塞42，使得该柱塞42进入管30的内部轴向通道。这样，锥形的管前端32被迫“骑在”由柱塞的锥形部56形成的斜面上并向外偏转，使得管前端32膨胀并楔入柱塞的支承壁54和岩体14之间。
61.可以理解，当管30在柱塞42上进一步滑动并与支承壁54的较大长度接合时，存在于管30与柱塞42和岩体14之间的摩擦力(f
f
)将增加。在插入期间的某一阶段(如图6所示)，摩擦力f
f
将使柱塞42楔入管30内，使得管30将不再能够在柱塞42上滑动并经过该柱塞，即，柱塞42将不再进一步移动到管30的内部轴向通道中。当岩石锚杆10完全插入钻孔12中时，柱塞42将与管30一起移动。柱塞42的该最终移动将挤压冲头44。在压力超过阈值之后，冲头44呈现塑性变形并开始挤压通过钻孔48，从而释放撞击力。
62.根据用于冲头44的材料类型以及钻孔12的尺寸，可以设想，在一些实施例中，冲头44可以在将岩石锚杆10插入钻孔12中的较早阶段开始挤压穿过孔48，即在柱塞42完全楔入管30内之前开始挤压。然而，即使这样，冲头44仍将能够将足以迫使柱塞42进入管30的内部轴向通道中的冲压力施加到柱塞42上，使得管前端32最终变得楔入在柱塞的支承壁54与岩体14之间。
63.一旦完全插入，岩石锚杆10就用作锚定锚杆和摩擦锚杆的组合，即，围绕柱塞42的管30的摩擦固定用作锚定锚杆的点锚定，而岩体14沿着管30的长度的摩擦接合用作摩擦锚杆。
64.因此，从以上描述中，应当理解，岩石锚杆10能够在单个步骤过程中插入锚定锚杆(即，具有锚定点的岩石锚杆)，例如通过仅使用冲击锤击。此外，冲头44的使用及其塑性变形的能力避免了将钻孔12精确地钻到指定深度以及指定径向公差内的需要。这是由于只有在摩擦力f
f
达到与锚固件正确地摩擦接合岩体14相关的阈值时，冲头44才经历塑性变形。
65.本领域技术人员将理解，在不偏离如广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对如具体实施方式中所示的岩石锚杆进行多种变化和/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。
66.例如，应当理解，使用没有中心孔延伸穿过其中的实心柱塞可以实现相同的功能。这种柱塞将仅在柱塞的前端具有用于接收和保持冲头的凹部。在使用期间，一旦屈服应力超过阈值，冲头将仍然能够塑性变形、坍缩或断裂；塑性变形将仅发生在不同的位置，例如邻近基部20。
67.在所附权利要求书和前述说明书中，除了上下文由于表达语言或必要的暗示而另外需要的情况之外，词语“包括”或诸如“包含”或“含有”的变型以包含的意义使用，即，指定所述特征的存在，但不排除岩石锚杆的各种实施方式中的其它特征的存在或添加。