帶有樹脂螺母的可張拉螺旋錨杆和相關的方法

2023-12-01 20:45:11 1

專利名稱：帶有樹脂螺母的可張拉螺旋錨杆和相關的方法
技術領域：
本發明大體涉及為地質結構中的通道面提供支承，尤其是涉及與樹脂螺母相關聯 的、部分地佔據鑽孔的可張拉螺旋錨杆和相關的方法。
背景技術：
近幾十年來，已經提出了許多針對支承地質結構中的通道面(例如地下礦井中的 拱頂)的建議。通常的結構使用錨，例如細長的拱頂「錨杆(bolt)」，所述錨延伸進入形成 於所述面中的鑽孔中。適用於地下礦井安全的美國聯邦法規要求這些錨杆在整個礦井通道 內以頻繁的間隔布置。因此，從降低礦主的整體安裝成本的方面來說，易於製造和使用是關 鍵因素(這直接關係到採礦運營的盈利能力)。當然，降低這種錨杆的生產成本及安裝時間的主要方面之一包括減少多樣性、復 雜性及所需零件的總數。這包括取消對專用擴展外殼、外部螺母或者過去為實施適當張拉 所需的用於錨杆的其它附連件的需要。用於適應這些類型的擴展外殼或外部螺母所通常必 須的對錨杆軸的多方面處理也應取消，因為這種行為不僅增加製造時間和費用，而且也趨 向於削弱錨杆和由此產生的組件。因此，存在對克服現有技術的上述局限的改進的錨杆連接設備的需要。特別地，所 述錨杆應易於製造和安裝並且很廉價。所述錨杆也應為可張拉的，從而一旦安裝就壓緊相 鄰地層並為相鄰地層提供穩固可靠的支承。

發明內容
根據本發明的一方面，公開了一種安裝在形成於礦井通道面內的鑽孔中的設備。 所述設備包括細長的錨杆，該細長的錨杆包括用於定位在鑽孔內的螺旋軸部。固定的硬化 樹脂螺母形成在鑽孔的一部分內，用於包圍錨杆的螺旋軸部的至少一部分。因此，螺旋軸部 在硬化樹脂螺母內的旋轉用於在鑽孔內例如在張拉過程中使錨杆運動。在一種實施方式中，螺旋軸部包括大致圓形的橫截面，並且可以在縱向方向上包 括大約每英寸大約4至5個螺紋。為了便於在樹脂螺母內旋轉，螺旋部的至少一部分可以 包括潤滑劑或防鏽劑。優選地，著色劑也沿螺旋軸部的至少一部分施加以允許在與樹脂螺 母一起使用時識別錨杆。錨杆可以還包括頭部端和尾部端。用於推進入鑽孔中的所述尾部端可以包括尖錐 或尖端。優選地，所述錨杆的構造使得其由單件材料形成。還可以與頭部端相鄰地設置有 凸緣，該凸緣的一側用於接合與礦井面相鄰的板或類似結構，其相對側用於為用於旋轉錨 杆的裝置或機構提供承載面。根據本發明的第二方面，公開了用於安裝在形成於礦井通道面內的鑽孔中的設 備。所述設備包括細長的錨杆，所述錨杆包括用於定位在鑽孔內的部分(例如螺旋部)。還 設置有固定的硬化樹脂螺母，用於容納錨杆的一部分。所述設備還包括用於使錨杆相對於 硬化樹脂螺母旋轉的、優選地為鑽頭形式的裝置。
根據本發明的第三方面，提出了一種使用在鑽孔中的改進，所述鑽孔形成於礦井 通道面中，用於容納具有細長軸以延伸進入該鑽孔中的錨杆。所述改進包括形成在鑽孔的 一部分中的樹脂螺母，該樹脂螺母具有包圍軸的僅僅一部分的內螺紋。優選地，所述錨杆的 軸為螺旋形，由此使該螺旋軸相對於內螺紋旋轉以用於張拉錨杆。根據本發明的第四方面，提出了 一種用於插入在形成於礦井通道面內的鑽孔中的 拱頂錨杆。所述錨杆包括具有螺旋部的軸，所述螺旋部至少部分地具有從由潤滑劑、防鏽 劑、著色劑及其混合物組成的組中選擇的塗層。優選地，該塗層位於軸的具有用於插入到鑽 孔中的尖端的遠端處。根據本發明的第五方面，公開了一種張拉錨杆的方法，所述錨杆包括在形成於礦 井通道面內的鑽孔中的螺旋軸部。所述方法包括形成與至少錨杆的螺旋軸部相鄰的固定的 硬化樹脂螺母。所述方法還包括相對於硬化樹脂螺母旋轉螺旋軸部。優選地，所述形成步驟包括(1)在鑽孔內設置與錨杆的螺旋軸部相鄰的未固化 樹脂；(2)在第一方向上旋轉錨杆以使樹脂基本上保持與螺旋軸部相鄰；以及(3)允許樹脂 基本固化並形成硬化樹脂螺母。同樣地，旋轉錨杆的步驟優選地包括在樹脂基本固化時在 與第一方向相反的第二方向上旋轉螺旋軸部。在任何情況下，所述方法可以還包括向螺旋 軸部的至少一部分上施加潤滑劑或防鏽劑的步驟。根據本發明的第六方面，公開了一種在具有鑽孔的礦井通道面內中安裝具有頭部 端和螺紋或螺旋部的細長錨杆的方法。所述方法包括將錨杆至少部分地插入到鑽孔內，使 頭部端與開口間隔開。所述錨杆至少部分地在鑽孔內的未固化樹脂內在第一方向上旋轉， 以及允許樹脂基本固化並形成螺母。所述錨杆在與第一方向相反的第二方向上旋轉，從而 錨杆運動通過樹脂螺母，頭部端運動得更接近鑽孔的開口。優選地，錨杆的頭部端最初與 鑽孔的開口端間隔開，在第二方向上旋轉錨杆的步驟使錨杆的頭部端朝向鑽孔的開口端前 進。


圖1是具有螺旋部的拱頂錨杆的一種可能實施方式的未按比例繪製的正視圖；圖Ia和Ib是分別沿圖1中的Ia-Ia和Ib-Ib線的截面圖；圖Ic和Id顯示了一種可選的螺旋錨杆；圖2-4是顯示圖1的螺旋錨杆可以使用形成在鑽孔中的樹脂螺母來被張拉的方式 的示意圖。
具體實施例方式現在參照圖1，圖1圖示了一個用於安裝在礦井通道面F中的錨杆10的實施方式， 該礦井通道面F為例如拱頂(見圖2)，該拱頂具有垂直地形成在其內的鑽孔H。雖然錨杆 10和相關的安裝方法被描述為用於加強和支承礦井拱頂，但是應當理解到，本發明可以不 受限制地應用於支承通道的其它面中的任何一個(例如肋)或不同類型的地質結構。如圖所示，錨杆10優選地為細長的單件結構，其包括頭部端10a、細長本體或軸 IOb以及尾部端10c。如通過結合參照圖1及Ia所可能獲得的最佳理解，頭部端IOa適於 被扳手、鑽頭夾盤(見圖2)或類似的裝置或機構接合以在安裝過程中旋轉錨杆10。儘管錨杆10的頭部端IOa顯示為具有大致正方形的橫截面的(圖la)的部分，但是應該理解到， 該錨杆10的頭部端IOa可以採取其它橫截面形狀(例如六角形)，而不影響本發明以任何 有意義的方式實踐。與頭部端IOa相鄰地還設置有環形凸緣11，用於為用於在其一側和所 述面上旋轉的裝置或在其另一側上的介入結構(例如板P，見圖2)提供承載面。在一個實施方式中，錨杆10的軸IOb的橫截面大致為正方形(見圖lb)，但是該軸 IOb沿其長度被「扭轉」或形成螺紋，從而形成螺旋或螺旋線。在圖1圖示的實施方式中，螺 旋沿軸IOb的整個長度延伸，性質上是左手的(但也可能是反向的)。雖然錨杆10的每線 性單位(英寸或英尺)的螺旋(扭轉或螺紋)的數量或螺距對於本發明的實踐不是實質性 的，但是該結構優選地在性質上為粗紋的(等於或大於每英寸約4個螺紋，最高為每英尺約 7個螺紋)。作為特定的例子並參照圖Ic和ld，錨杆10的軸IOb顯示為具有大致圓形的橫截 面，並且包括由螺紋T形成的螺旋部。例如，螺旋軸IOb的每英寸優選地包括在約4至5個 之間的完整(例如360° )螺紋。最優選地，每個完整螺紋在縱向方向上佔據約0.22英寸 的距離或長度，該距離或長度對應於每線性英寸約4. 5個完整扭轉(參見圖Id中的表示螺 距的參照標記d)。當然，一旦樹脂螺母在鑽孔中形成且具有螺紋的螺旋錨杆10被以上文描 述的方式安裝，則在所述樹脂螺母中形成相應的螺紋。雖然在製造方面(例如通過簡單地將正方形的棒料扭轉或在圓形棒料上切削螺 紋)沿軸IOb的整個長度連續地設置一致的螺旋是較容易的，但是在閱讀下面的說明後應 當理解到，螺旋可以沿軸IOb的僅僅一部分設置。在這種情況下，螺旋優選地沿著尾部端 10c，或者說遠離頭部端10a。現在參照圖2，其雖然並非按比例繪製，但是其示意性地圖示了圖1的錨杆10安 裝在鑽孔H中的方式。具體地，錨杆10的尾部端IOc穿過鑽孔H的開口 0插入，所述開口 0優選地形成為具有接近螺旋軸IOb的寬度M(例如，對於1英寸直徑的鑽孔該M為3/4英 寸)的直徑。鑽孔H還優選地具有大於至少螺旋軸IOb的深度D，並且優選地比整個錨杆 10的長度(如圖1中的尺寸B)大至少1英寸。使用與錨杆安裝機或類似結構相關聯的起重吊杆將錨杆10推進到鑽孔H中，從而 頭部端IOa保持與拱頂的相鄰面間隔開等於或略小於鑽孔H的過量深度D的距離(例如約 2英寸)。如在圖2中以假象線示出的，板P通常與錨杆10的頭部端IOa相關聯，因此也與 面F間隔開。但是，一旦錨杆10以下文描述的方式被張拉，該板P接合面F並壓緊相關聯 的地層(參見圖4)。一旦錨杆10被部分地插入，則未固化樹脂(有時也被稱為「灌漿」)在相關聯的環 隙(出於說明的目的其在圖2中示出為顯著地加大了，但其通常在每一側上只有約1/8英 寸至1/4英寸)中與螺旋軸IOb的至少一部分相鄰地設置。最優選地，未固化樹脂在鑽孔 H的上部部分中佔據與錨杆10的尾部端IOc相鄰的環隙。雖然未固化樹脂可以從遠程源 (例如通過注射)提供，但是其最優選地以易碎料包(未示出)或習語中的樹脂「香腸」的 形式來提供。通常，這種類型的料包預先安裝在鑽孔H中並在錨杆10的插入過程中裂開， 從而導致快速固化樹脂佔據周圍的鑽孔H。這種「灌漿」通常包括兩種材料(例如聚酯樹脂 和催化劑漿)，這兩種材料只在料包破裂時接觸並反應。在樹脂例如通過錨杆10在鑽孔H 內的旋轉而被完全地混合時，其迅速地硬化。因此，硬化的樹脂或灌漿用於漿錨杆10穩固地保持在鑽孔H內。根據本發明的另一方面，至少部分地由未固化樹脂包圍的、具有螺旋軸IOb的錨 杆10進行旋轉，以例如通過使用任何常規類型的錨杆安裝機實現所期望的混合和/或硬 化。在圖示的實施方式中(其中螺旋在性質為上為左手的)，旋轉在相反(或者右手)方向 (見圖2中的運動箭頭)上進行。優選地，該旋轉在無需同時地使錨杆10在鑽孔H內前進 任何顯著的量的情況下完成，從而錨杆10保持與鑽孔H的開口 0間隔開。應當理解到，與螺旋軸IOb結合的該旋轉用於產生「泵送」作用，該「泵送」作用基 本上將未固化樹脂保持在適當的位置，並可能將該樹脂在鑽孔H內推進或「推動」得更深。 換句話說，錨杆10的螺旋軸IOb可以實質上起到帶有螺齒的螺鑽或螺杆的作用，該螺齒在 鑽孔H的上端內將樹脂保持在特定的位置。在任何情況下，螺旋軸IOb的旋轉優選地為使 得其阻止未固化樹脂朝向鑽孔H的開口 0前進至任何顯著的程度。由於該泵送作用，一旦 樹脂固定或固化(通常在混合後的一段靜止期之後)，則其在鑽孔H內包圍螺旋軸IOb的僅 僅一部分。供給樹脂的量當然取決於螺旋軸IOb和鑽孔H的相對尺寸，但是該量優選地足 以覆蓋與尾部端IOc相鄰的(或者說遠離頭部端IOa (當然，該頭部端IOa仍然保持與鑽孔 H的開口 0間隔開)的)軸IOb的約12-18英寸。一旦樹脂固定或固化(在混合後這通常需要僅僅數秒)，則固定的硬化樹脂「螺 母」 12由此在鑽孔H中圍繞螺旋軸IOb的至少一部分形成。應當理解到，該樹脂螺母12具 有與相鄰的軸IOb的螺旋螺紋相匹配的並由該螺旋螺紋佔據的內螺紋。在左手螺旋的情況 下，錨杆10可以在與第一方向(標註為運動箭頭L)相反且與螺旋的方向相同的方向上旋 轉。當如此旋轉時，螺旋軸IOb與樹脂螺母12之間的接合使錨杆10在鑽孔H內前進，從而 使頭部端IOa運動得更靠近相鄰的開口 0。然而，硬化樹脂螺母12由於與鑽孔H的側壁的 外圍接觸而保持固定。該旋轉可以直到任何相關聯的接合硬體(例如板P)與面F穩固地接合(這通常需 要少於一次完整旋轉)來完成。然後施加適量的扭矩以確保錨杆10被完全張拉，以及地層 被以期望的方式壓緊或錨定。如上所述，鑽孔H的深度D形成為至少略大於錨杆10的總長 度B，從而尾部端IOc可以在由張拉引起的最終推進過程中自由地前進而不會「接觸到底」。因此，通過使用上面描述的技術可以產生眾多優點。首先，優選實施方式中的錨杆 10可以只由單件材料製成，並且不需要為了有效而包括任何擴展外殼或外部螺母。因此， 無需「現場」裝配零件。這不僅顯著地降低了製造成本，而且也便於安裝且產生了更強的錨 杆。此外，需要鑽孔的僅僅部分注漿來有效地實踐本發明。因此，與鑽孔被完全注漿 的構造相比，顯著地減少了所需要的灌漿。並且總是產生材料成本的附隨節省(可能多達 75%)，以及減少了將灌漿運送到礦井中並將其保持在「備用」狀態的成本。錨杆10的完整安裝還有利地使得頭部端IOa定位成極靠近礦井拱頂的面F (見圖 4)。因此，與外部螺母螺紋旋擰到從面F上突出幾英寸的暴露頸柄部上的現有構造不同，幾 乎沒有安裝後的錨杆10的懸垂結構來接合經過的機器或人。這在由於低礦層高度而導致 的狹窄的礦井通道中尤為重要。此外，由於基本上錨杆10的整個軸IOb被拉入到鑽孔H中， 因此面F的整體外觀更規則且在美學上更令人愉快。最後，除了製成為單件，錨杆10還可以以相對容易且便宜的方式製造。任何適當
7寬度尺寸(例如對於1英寸的鑽孔可用1/2英寸、5/8英寸或3/4英寸)的正方形或圓形棒 料都可以簡單地加工到所需的螺距(無論是考慮每線性單位的扭轉或是螺紋與螺紋的間 距)以形成軸10b。頭部端IOa是通常鍛造的。便利地，螺旋也可以形成在相對長的料件 上，該料件然後可以被切割成與錨杆10的軸IOb相對應的段。在製造過程中，應用到棒料(通常由鋼製成)上的加工可以使得除去在熱軋處理 過程中產生的外表面氧化層或「氧化皮」。沒有氧化皮會使得棒料更快地氧化，尤其是當錨 杆10處於在製造與在礦井中的最終使用之間的期間存放在室外並暴露在自然環境中時。 表面的任何惡化都可以在安裝過程中抑制軸IOb在樹脂螺母12內的自由地旋轉的能力。為了改進任何這樣的問題，可以在製造後用潤滑劑或防鏽劑或二者塗覆螺旋軸 IOb的至少一部分(例如最上面的部分)。預期到部分地或全部地塗覆這種劑會通過在張 拉過程中使螺旋軸IOb相對於樹脂螺母12更自由地旋轉來使得安裝容易。也考慮到提供 任何具有色彩(例如黃色顏料)的塗覆劑。因此，安裝者可以不僅確保塗層保持存在於軸 IOb上的適當部分上，而且還能夠容易地將使用在的本發明的方法中的螺旋錨杆10與其它 的螺旋錨杆區分開。在安裝過程中，有時也可以導致樹脂不僅沿螺旋軸IOb的一部分固化，而且也在 鑽孔H的一部分內固化(見圖4中的虛線Z)，其中錨杆10在張拉過程中必須被推進入鑽孔 H的該部分內。雖然不妨礙安裝，但是使錨杆10的尾部端形成有如圖示出的尖端或尖錐是 有幫助的。如果這是必須的，這將幫助錨杆推進入樹脂螺母12內。雖然螺旋的螺距可以是不同的，但是還是期望確保在普通安裝中使用的螺旋錨杆 10是一致的。這保持所要求的安裝扭矩一致。同樣地，螺旋軸IOb也應是一致的，以便一旦 樹脂螺母12形成，則便於螺旋軸IOb穿過所述樹脂螺母運動。螺旋的螺距也優選地使得在 安裝過程中產生頭部端IOa朝向鑽孔H的開口 0的明顯運動，從而給安裝者視覺提示，即過 程正在按預期進行。也可以在頭部端10a(或凸緣11)與任何相關聯的結構(例如板P)之間使用常規 類型的墊圈(例如由特氟隆或其它抗摩擦類型的材料製成或塗覆有特氟隆或其它抗摩擦 類型的材料的那些墊圈)。然而，確信的是這種抗摩墊圈與該類型的構造一起使用沒有比其 與常規的螺紋錨杆一起使用重要，這是因為常規的螺紋錨杆需要多次旋轉以用於安裝，從 而導致更大的摩擦和熱以及低效的張力/扭矩比。出於說明和描述的目的已經提供了對本發明實施方式的上述描述。其並非旨在窮 舉或將本發明限制在已公開的精確形式上。根據上述教導可以進行明顯的修改或變型。選 擇並描述本發明的實施方式以提供本發明原理的最佳闡釋和實際應用，以由此使得本領域 的普通技術人員能夠以各種實施方式和各種適於被考慮的特定使用的修改來使用本發明。 所有這些修改和變型均在本發明的範圍內。
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權利要求
一種用於安裝在形成於礦井通道面內的鑽孔中的設備，包括細長的錨杆，所述細長的錨杆包括用於定位在所述鑽孔內的螺旋軸部；以及固定的硬化樹脂螺母，所述固定的硬化樹脂螺母形成在所述鑽孔的一部分內，用於包圍所述錨杆的所述螺旋軸部的至少一部分；由此，所述螺旋軸部在所述樹脂螺母內的旋轉用於使所述錨杆運動。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述螺旋軸部包括大致圓形的橫截面。
3.如權利要求1或2所述的設備，其中，所述螺旋軸部包括在縱向方向上每英寸約4至 5個螺紋。
4.如權利要求1、2或3所述的設備，還包括潤滑劑或防鏽劑，所述潤滑劑或防鏽劑沿所 述螺旋軸部的至少一部分施加以接觸所述樹脂螺母。
5.如權利要求4所述的設備，其中，沿所述螺旋軸部的至少一部分施加有著色劑。
6.如權利要求1、2、3、4或5所述的設備，其中，包括所述螺旋軸部的錨杆的尾部端包括 尖錐或尖端。
7.如權利要求1至6中任一項所述的設備，其中，所述錨杆包括單件材料，並且還包括 與頭部端相鄰的凸緣。
8.一種用於安裝在形成於礦井通道面內的鑽孔中的設備，包括 細長的錨杆，所述細長的錨杆包括用於定位在鑽孔內的部分；固定的硬化樹脂螺母，所述固定的硬化樹脂螺母用於容納所述錨杆的一部分；以及 用於使所述錨杆相對於所述硬化樹脂螺母旋轉的裝置。
9.如權利要求8所述的設備，其中，所述用於使錨杆旋轉的裝置包括鑽頭。
10.如權利要求8或9所述的設備，其中，所述錨杆的所述部分包括螺旋部。
11.在形成於礦井通道面內的用於容納錨杆的鑽孔中，該錨杆具有用於延伸到該鑽孔 中的細長軸，改進包括樹脂螺母，所述樹脂螺母形成在鑽孔的一部分中並且具有包圍軸的 僅一部分的內螺紋。
12.如權利要求11所述的發明，其中，所述錨杆的所述軸為螺旋形，由此使所述螺旋軸 相對於所述內螺紋旋轉用於張拉所述錨杆。
13.一種用於插入到形成於礦井通道面中的鑽孔內的拱頂錨杆，包括具有螺旋部的 軸，所述螺旋部至少部分地具有從由潤滑劑、防鏽劑、著色劑及其混合物組成的組中選出的塗層。
14.如權利要求13所述的錨杆，其中，所述塗層位於所述軸的具有用於插入到所述鑽 孔中的尖端的遠端處。
15.一種張拉錨杆的方法，該錨杆包括在形成於礦井通道面內的鑽孔中的螺旋軸部，該 方法包括形成與所述錨杆的至少所述螺旋軸部相鄰的固定的硬化樹脂螺母；以及 相對於所述樹脂螺母旋轉所述螺旋軸部。
16.如權利要求15所述的方法，其中，所述形成步驟包括在所述鑽孔內與所述錨杆的所述螺旋軸部相鄰地設置未固化樹脂； 在第一方向上旋轉錨杆以基本上使所述樹脂保持與所述螺旋軸部相鄰；以及 使所述樹脂基本上固化並形成所述硬化樹脂螺母。
17.如權利要求16所述的方法，其中，所述旋轉錨杆的步驟包括在所述樹脂基本固化 時在與第一方向相反的第二方向上旋轉所述螺旋軸部。
18.如權利要求15、16或17所述的方法，還包括將潤滑劑或防鏽劑施加到所述螺旋軸 部的至少一部分上的步驟。
19.一種將具有頭部端和螺紋或螺旋部的細長的錨杆安裝在具有鑽孔的礦井通道面內 的方法，包括將所述錨杆至少部分地插入到所述鑽孔內，使所述頭部端與開口間隔開；在第一方向上並至少部分地在所述鑽孔內的未固化樹脂內旋轉所述錨杆；使所述樹脂基本上固化並形成螺母；以及在與第一方向相反的第二方向上旋轉所述錨杆，從而使得所述錨杆運動穿過所述樹脂 螺母，所述頭部端運動成更靠近所述鑽孔的所述開口。
20.如權利要求19所述的方法，其中，所述錨杆的所述頭部端最初與所述鑽孔的開口 端間隔開，所述在第二旋轉方向上旋轉錨杆的步驟使所述錨杆的所述頭部端朝向所述鑽孔 的所述開口端前進。
全文摘要
本發明的一方面中，用於安裝在形成於礦井通道面內的鑽孔中的設備和相關方法包括細長的錨杆，所述細長的錨杆包括用於定位在鑽孔內的螺旋軸部。形成在鑽孔的僅一部分內的、優選地與鑽孔的遠端間隔開的樹脂螺母容納所述錨杆的螺旋軸部。因此，所述螺旋軸部在硬化樹脂螺母內的旋轉用於在鑽孔內例如出於張拉的目的使錨杆運動。
文檔編號E21D21/00GK101983277SQ200880127770
公開日2011年3月2日 申請日期2008年3月5日 優先權日2008年3月5日
發明者威廉·G·福克斯 申請人:犀牛技術公司