巖栓的製作方法
2023-10-20 00:57:07 1
專利名稱：巖栓的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種巖栓，它適於由諸如水泥漿或化學樹脂薄漿(以下稱為薄漿)錨栓於巖層上鑽的孔內。
這裡所用的術語「巖栓系統」可理解為包括上述結構。
巖栓系統用於在多種情況下穩定巖層，例如地下和表面礦井、隧道中和採掘時，巖栓在礦業和土木工程工業都被廣為接受。
在某一特定應用中，巖栓系統的目的就是要向巖層破裂部分施加緊固或約束作用，以控制破裂部分的變形並提高破裂部分的強度。換句話說，巖栓系統的目的就是要使載荷(力)從巖層的破裂部分通過薄漿轉移到巖栓，並承受該載荷(力)。
巖栓系統的性能取決於從巖層向巖栓傳遞載荷(力)的效率。傳遞載荷的效率取決於下面兩個參數(a)巖層/薄漿界面和薄漿/巖栓界面所能承受的最大剪應力(巖栓系統的「載荷傳遞」特性)(b)產生剪應力的速率(巖栓系統的「剛度」性能)本發明的一個目的就是要提供一種用於巖栓系統的巖栓，與基於公知巖栓的巖栓系統比較，它可使巖栓系統的性能改善。
根據本發明，提供一種適於通過水泥錨或化學樹脂錨錨栓於巖層的孔內形成巖栓系統的巖栓，該巖栓包含一芯體，芯體上形成有用於優化巖栓系統載荷傳遞特性和剛性的齒廓，齒廓包括相對兩側面，一側面或兩側面包括至少兩個級面，第一級面比第二級面陡。
本發明基於這樣的認識，對基於巖栓的巖栓系統的載荷傳遞特性和剛性有影響的巖栓的結構需求是多樣的。本發明還基於這樣的認識，就這些特性而論，巖栓系統的性能可以通過在巖栓上形成齒廓進行優化，至少在齒廓一側面該巖栓有至少兩個級面，其中一個級面(「第一級面」)用於優化剛性，另一個級面(「第二級面」)用於優化載荷傳遞特性。
優選的芯體為大致圓柱形。
關於巖栓的芯體這裡所用的術語「大致圓柱形」理解為包括，但不局限於(i)芯體是圓柱形的結構；(ii)除去縱向延伸平面或凹槽外，芯體是圓柱形結構。
優選的巖栓包含一實心芯體。
優選的齒廓相對兩側面匯交成一脊(ridge)或一尖頂(apex)。
這裡所用與齒廓有關的術語「脊」或「尖頂」理解為齒廓匯交面的交線。
應該注意，儘管理論上匯交面的交線是一條線，但實際上所形成的交線可以是弧形的或稍稍扁平的。
優選齒廓兩側面都包含第一和第二級面。
另一結構中優選齒廓只有一側面包含第一和第二級面。
優選齒廓的一個或多個級面是平面。
優選齒廓的一個或多個級面是曲面。
優選齒廓的第一級面從芯體延伸至第一級面和第二級面的交線。
優選第一級面與巖栓縱軸交角為40°至80°。
特別優選角度為45°至65°。
優選第二級面與巖栓縱軸交角為10°至40°。
特別優選角度為10°至30°。
在齒廓兩側面都包含第一和第二級面的情況，優選第一級面為平面，成40°至100°夾角。
特別優選夾角為50°至90°。
更特別優選夾角為55°至75°。
此外，在這種結構中，優選第二級面為平面，成100°至160°夾角。
特別優選夾角為120°至160°。
優選第一級面與芯體交線間測得的齒廓總寬度為2mm至10mm。
優選齒廓第二級面寬度為齒廓總寬度為40％至85％。
特別優選齒廓第二級面寬度為齒廓總寬度的50％至80％。
優選齒廓的脊或尖頂和芯體間測得的齒廓高度為0.75mm至5mm。
特別優選齒廓高度為1mm至3mm。
一種優選結構中，優選齒廓為沿巖栓長度的一系列肋(rib)。
在只有齒廓一側包含第一和第二級面的情況，優選齒廓沿栓長度重複，使第一和第二級面在每個肋同一側。
另一種結構中，優選相鄰肋成鏡面映象，肋的第一和第二級面和相鄰肋的第一和第二級面位於肋的相反側。
優選肋的間距為5mm至20mm。
特別優選間距為6mm至20mm。
優選肋形成一螺線。
該螺線可為(a)連續的或斷續的；
(b)左旋的或右旋的；(c)單頭的或多頭的。
另一優選結構中，優選齒廓為環箍。
特別優選的多個環箍沿巖栓長度隔一定距離配置。
下面通過參照附圖的例子對本發明作進一步描述，附圖中
圖1是按照本發明巖栓優選實施例一長度段的平面圖；圖2是沿圖1中箭頭A方向的端視圖；圖3是圖1中圓圈部分的放大視圖；圖4是圖1所示巖栓繞巖栓縱軸旋轉90°後部分段平面圖；圖5是按照本發明巖栓另一優選實施例一長度段的平面圖；圖6是沿圖5中箭頭A方向的端視圖；圖7是圖5中圓圈部分的放大視圖；圖8是圖5所示巖栓繞巖栓縱軸轉過90°後部分段的平面圖；圖9是按照本發明巖栓另一優選實施例一長度段的平面圖；圖10是沿圖9中箭頭A方向的端視圖；圖11是圖9中圓圈部分的放大視圖；圖12是圖9所示巖栓繞巖栓縱軸旋轉90°後部分段的平面圖；圖13是按照本發明巖栓另一優選實施例一長度段的平面圖；圖14是沿圖13中箭頭A方向的端視圖；圖15是圖13中圓圈部分的加長放大視圖；圖16是圖13所示巖栓繞巖栓縱軸旋轉90°後部分段的平面圖；圖17與圖3、7、11和15類似，是按照本發明巖栓另一優選實施例一長度段放大視圖，圖中詳細示出了巖栓齒廓；圖18與圖3、7、11、15和17類似，是按照本發明巖栓另一優選實施例一長度段的放大視圖，圖中詳細示出了巖栓齒廓；圖19是申請人所做實驗中檢驗的六種巖栓的每種沿長度方向的部分剖面；圖20是圖19中所示六種巖栓每種的載荷-位移曲線圖。
圖中表示的本發明巖栓優選實施例特別適用於由水泥漿或化學樹脂薄漿將巖栓固定於鑽孔內的煤礦或金屬礦，但不僅限於此。
參看圖1至圖4，圖中所示巖栓1包括(a)一個具有相對的平面17的大致圓柱形芯體5；(b)芯體5上的齒廓，該齒廓包含突出於芯體5的與巖栓1的橫軸夾角為5°的單頭右旋螺線3。
巖栓1可以用適當方法和適當材料製造。優選巖栓1用鋼製造，螺線3通過熱軋或適當冷成形工藝在巖栓1上形成。
當巖栓1由薄漿固定於鑽孔內(未示出)時，為使巖栓1與螺母(未示出)配合以擰緊巖栓1，巖栓1可在一端帶有一普通螺紋(未示出)。在已製造的巖栓1端部沒加工普通螺紋的情況下，可以隨後在巖栓1上冷成形或機加工出普通螺紋。
圖1至4所示巖栓1優選實施例中螺線3包含相對側面，全用數字6表示，它們匯交成脊或尖頂7。
此外，螺線3的每個側面6包含第一平面級面9以優化基於巖栓1的巖栓系統的剛性，以及第二平面級面11以優化基於巖栓1的巖栓系統的載荷傳遞特性。
第一級面9比第二級面11陡。在圖1至圖4所示優選實施例中，第一級面9所成夾角為60°，第二級面11所成夾角為140°。
第一級面9、第二級面11的尺寸可按需要選擇，只要在功能性目的方面可以有效地優化剛性和載荷傳遞特性。
實際上，螺線3具有多級齒廓，以通過薄漿控制巖層和巖栓1間的應力分布來控制從巖層到巖栓1的載荷傳遞。更具體地說，形成多級齒廓是為了通過改善薄漿的強度和改善薄漿/巖層界面和薄漿/巖栓界面的載荷傳遞來增強巖栓1內的載荷生成。
巖栓1可以有任何適當的尺寸。當用於煤礦或金屬礦時，優選巖栓1根部直徑為12mm至44mm，巖層中的鑽孔(未示出)的環向間隙為1mm至5mm，一般為2mm。
下面是根部直徑為28mm的圖1至圖4所示特別優選巖栓的尺寸和特徵尺寸和特徵 優選形式齒廓總高度(芯體5至脊或尖項7)2.0mm芯體5至第一級面9、第二級面11交線間的齒廓高度1.27mm齒廓頂部寬度(第二級面11總寬度) 4.0mm齒廓底部寬度(第一級面9、第二級面11總寬度) 5.47mm齒距9.5mm螺距(相鄰螺線間距離)4.03mm芯體直徑28.0mm外徑32.0mm第一級面9間夾角 60°第二級面11間夾角140°圖5至圖8所示巖栓1優選實施例與圖1至圖4所示優選實施例除了幾點微小差別外都相同。兩種優選實施例的差別概括如下(a)圖5至圖8所示巖栓1包含一雙頭右旋螺線3(與圖1至圖4所示巖栓1的單頭螺線不同)；(b)圖5至圖8所示巖栓1各螺線3的第一級面9間夾角為80°(而不是60°)；(c)圖5至圖8所示巖栓1中螺線3與橫軸夾角為10°(而不是5°)。
圖9至圖12所示巖栓優選實施例中螺線3的齒廓與圖5至圖8實施例齒廓相同，只是螺線3寬度比圖5至圖8所示優選實施例中螺線寬度窄。具體請參照圖11。
圖13至圖16所示巖栓優選實施例與圖1至圖4所示相同，只有幾處微小區別。兩種優選實施例的區別概括如下(a)圖13至圖16所示巖栓中螺線3與橫軸夾角為7°(與圖1至圖4所示巖栓中的5°不同)；(b)芯體5為圓柱形(與圖1至圖4所示巖栓1中帶有平面17的圓柱芯體5不同)。
在圖17和18所示巖栓優選實施例中，只有螺線3一個側面6包含第一級面9和第二級面11，另一側面6包含一個較陡面31。
在圖17實施例的情況下，螺線齒廓沿巖栓1長度重複。在圖18實施例的情況下，螺線3的相鄰肋成鏡面映像。
申請人實驗發現，包括如圖1至18所示多級齒廓巖栓1的巖栓系統和基於傳統巖栓的巖栓系統相比性能好得多。
如上所述，巖栓系統的性能取決於通過薄漿從巖層到巖栓傳遞載荷的效率，效率本身又取決於巖栓系統的載荷傳遞特性和剛性。
巖栓系統的最佳理論性能可定義為巖栓迅速產生期望水平的載荷並保持該載荷儘可能長久的能力。申請人實驗發現，通過在巖栓上形成多級齒廓，基於巖栓的巖栓系統可達到最佳理論性能。就此而論，雖然巖栓系統載荷傳遞特性和剛性與巖栓齒廓有關，但申請人所做的實驗表明，通過將齒廓分為不連續的級面，即第一級面9和第二級面11，有可能使巖栓性能達到最佳。
請參照圖19，申請人的實驗是在圖1至4所示類型試樣巖栓1(圖14中螺線A)、圖1至4所示巖栓1的變形(螺線D)以及其它四種試樣巖栓(螺線B、C、E、F)上進行的，其中一種是廣泛應用的巖栓(螺線F)。
申請人的實驗包括一短暫灌封推力試驗，用於檢測載荷傳遞機理，不存在現場試驗中的不定因素。該試驗最大優點是能測出峰值載荷傳遞特性，而不受試樣屈服限制。與現場試驗比較，該試驗還能更準確地測量系統剛度。
該試驗包括用樹脂將70mm試樣巖栓嵌入具有內(螺紋)表面的金屬圓柱體內，以防止圓柱體/樹脂界面上的過早斷裂。樹脂固化後，在應變控制下試樣巖栓通過樹脂被推出，記錄整個載荷/位移歷程。在圖20一張圖中示出了圖19所示試樣巖栓(螺線A至F)的載荷/位移歷程。
由圖20可清楚地看出按照本發明的巖栓(螺線A和D)工作性能大大優於其它四種巖栓，特別是優於廣泛應用的巖栓(螺線F)。
在不背離本發明精神和範圍情況下，可對參照附圖描述的優選實施例作很多修改。
關於這一點，雖然本發明巖栓1的每個優選實施例都包含一兩級齒廓，它的第一級面9比第二級面11陡，但容易看出，本發明不僅限於此，可擴展至有兩個級面以上齒廓的巖栓。
此外，雖然本發明巖栓1的每個優選實施例包含第一平面級面9和第二平面級面11，但容易看出，本發明不限於此，只要形狀和尺寸可有效地優化剛性或載荷特性，第一級面9和第二級面11可以是任何適當的形狀，如曲面。
此外，雖然圖1至12所示本發明巖栓1的每個優選實施例包含一帶有相對平面17的圓柱芯體5，而圖13至16所示每種實施例包含一不帶平面17的圓柱芯體5，但容易看出，本發明不限於此，可擴展至任何適當形狀芯體5，如卵形或橢圓形芯體5。
權利要求
1.一種巖栓，適於由水泥錨或化學樹脂錨錨栓於巖層的孔內形成一巖栓系統，該巖栓包含一其上帶有用於優化巖栓系統載荷傳遞特性和剛性的齒廓的芯體，該齒廓包含相對側面，一側或兩側面包含至少兩個級面，第一級面比第二級面陡。
2.如權利要求1所述的巖栓，其特徵在於，芯體大致為圓柱形。
3.如權利要求1或權利要求2所述的巖栓，其特徵在於，芯體為實心的。
4.如以上權利要求任一項所述的巖栓，其特徵在於，相對側面匯交成一脊或尖頂。
5.如以上權利要求任一項所述的巖栓，其特徵在於，齒廓的兩側面都包含第一級面第二級面。
6.如以上權利要求中任一項所述巖栓，其特徵在於，只有齒廓的一側面包含第一級面和第二級面。
7.如以上權利要求中任一項所述巖栓，其特徵在於，齒廓級面中的一個或多個面是平面。
8.如以上權利要求中任一項所述巖栓，其特徵在於，齒廓級面中的一個或多個面是曲面。
9.如以上權利要求中任一項所述巖栓，其特徵在於，第一級面從芯體延伸至第一級面和第二級面的交線。
10.如以上權利要求中任一項所述巖栓，其特徵在於，第一級面與巖栓縱軸交角為40°至80°。
11.如權利要求10所述巖栓，其特徵在於，角度為45至65°。
12.如以上權利要求中任一項所述巖栓，第二級面與巖栓縱軸交角為10°至40°。
13.如權利要求12所述巖栓，其特徵在於，角度為10°至30°。
14.如權利要求5所述巖栓，其特徵在於，第一級面為平面，夾角為40至100°。
15.如權利要求14所述巖栓，其特徵在於，夾角為50°至90°。
16.如權利要求15所述巖栓，其特徵在於，夾角為55°至75°。
17.如權利要求5所述巖栓，其特徵在於，第二級面為平面，夾角為100°至160°。
18.如權利要求17所述巖栓，其特徵在於，夾角為120°至160°。
19.如以上權利要求中任一項所述巖栓，其特徵在於，第一級面與芯體的交線間測得的齒廓總寬度為2mm至10mm。
20.如權利要求19所述巖栓，其特徵在於，齒廓第二級面總寬度佔齒廓總寬度的40％至85％。
21.如以上權利要求中任一項所述巖栓，其特徵在於，齒廓高度為0.75mm至5mm。
22.如權利要求21所述巖栓，其特徵在於，齒廓高度為1mm至3mm。
23.如以上權利要求中任一項所述巖栓，其特徵在於，齒廓為一系列肋。
24.如權利要求23所述巖栓，其特徵在於，肋間距為5mm至20mm。
25.如權利要求24所述巖栓，其特徵在於，齒距為6mm至12mm。
26.如權利要求23至25中任一項所述巖栓，其特徵在於，肋形成一螺線。
27.如權利要求26所述巖栓，其特徵在於，螺線為(a)連續或不連續的；(b)左旋或右旋的；(c)單頭或多頭的。
28.如權利要求1至23中任一項所述巖栓，其特徵在於，齒廓為環箍。
29.如權利要求28所述巖栓，包括多個沿巖栓長度隔開一定距離的環箍。
30.一種適於由水泥錨或化學樹脂錨錨栓於巖層孔內以形成巖栓系統的巖栓，該巖栓基本上如本文中參照附圖所作的描述。
全文摘要
一種適於由水泥或化學樹脂錨錨栓於巖層中孔內的巖栓(1)。該巖栓(1)包含芯體(5)，其上有齒廓，用於優化巖栓(1)的載荷傳遞特性和剛性，齒廓包含相對側面(6)，一側面或兩側面(6)包含至少二個級面(9、11)，第一級面(9)比第二級面(11)陡。
文檔編號E21D21/00GK1133079SQ94193714
公開日1996年10月9日 申請日期1994年8月9日 優先權日1993年8月12日
發明者溫頓·J·蓋爾, 米克茲勞·W·法博詹克茲克, 馬克斯韋爾·T·倫威克 申請人:布羅肯希爾有限公司