中空岩石锚杆、自钻式岩石锚杆及形成中空岩石锚杆的方法

摘要

一种中空岩石锚杆，包括轴，该轴具有从轴的外表面突出的螺旋形状，其中，该螺旋形状具有30°至60°之间的牙侧角。

说明书

技术领域

本发明涉及在采矿和隧道挖掘行业中用以提供顶部和壁部支承并防止岩石塌方的岩石锚杆。

背景技术

为了防止岩石塌方，使用了结合岩石锚杆的支承系统来执行硬岩石地层及软地层的加固。岩石锚杆被插入在岩石内钻取的孔中，且通过将树脂基或水泥基的浆料施加到孔中来将岩石锚杆紧固在该处。

为了将在岩石中钻孔然后将岩石锚杆插入钻孔中的单独步骤合并，使用了自钻式岩石锚杆。自钻式岩石锚杆可一次钻入岩石中并锚固于其中。

常规岩石锚杆和自钻式岩石锚杆两者均会出现的问题在于，岩石锚杆变得从浆料中松开，且变得不稳定。这是由于岩石地层运动或由于岩石支承系统施加在岩石锚杆上的负载而产生。在岩石锚杆变得不稳定的情况下，会出现危险，这是因为岩石锚杆有可能拉松岩石而可导致岩石塌方。改善岩石支承系统的安全性和避免岩石塌方是采矿和隧道挖掘行业的重要问题。

发明内容

根据本发明，提供了一种包括轴的中空岩石锚杆，该轴具有从轴的外表面突出的螺旋形状，其中，该螺旋形状具有在30°至60°之间的牙侧角。螺旋形状优选为由冷轧技术形成，冷轧技术会提高轴材料(通常为钢)的屈服强度。这继而又会提高岩石支承的刚度。

可通过观察螺旋形状的轮廓而看到的牙侧角优选为大约45°。使牙侧角在30°至60°的范围内，且优选为45°，在岩石锚杆为自钻式岩石锚杆时改善了钻凿动作，且在岩石锚杆灌浆到岩石地层内的孔中之后提供了锚杆与岩石地层之间的最佳固定能力。

螺旋形状优选为具有7mm至20mm之间的螺距和1mm至4mm之间的高度的螺纹。螺旋形状优选为右旋螺纹，其沿轴长度的大部分为连续的。轴长度通常在0.5米至5米之间。

在优选实施例中，岩石锚杆为自钻式岩石锚杆，其中，轴具有钻凿端、安装端和在钻凿端与安装端之间延伸的中空通道。钻尖设置在钻凿端处。

在钻凿端处或朝向钻凿端，轴具有螺距比螺旋形状的螺距小的左旋附接螺纹。附接螺纹用于接纳锚固装置，该锚固装置用于在灌浆之前将岩石锚杆锚固在钻孔中。岩石锚杆的钻凿端设有右旋内螺纹，用于接纳钻头。

在安装端处，岩石锚杆的轴还可设有安装螺纹，其所具有的螺距小于螺旋形状的螺距，以便允许通过驱动联接器安装岩石锚杆来将岩石锚杆附接到钻凿设备上。作为备选，驱动联接器可与轴成一体。

根据本发明，还提供了一种形成中空岩石锚杆的方法，包括使冷拉的中空轴通过第一螺纹滚轧机，以及冷成形从轴的外表面突出的螺旋形状，该螺旋形状具有30°至60°之间的牙侧角。

优选的是，在第二滚轧机组件和第三滚轧机组件中继续使用冷成形技术，以便在轴的钻凿端处形成具有与该螺旋形状相反的旋向的第一附接螺纹，以及在轴的安装端处形成具有与该螺旋形状相同的旋向的第二附接螺纹。

附图说明

本发明将在附图中进行更为详细地描述，在附图中：

图1为根据本发明实施例的岩石锚杆的侧视图；

图2为岩石锚杆的截面侧视图；

图3为岩石锚杆螺纹部分的放大视图；

图4为穿过图3中的截面A-A截取的端部截面视图；以及

图5为在原地嵌入的岩石锚杆的侧部截面。

具体实施方式

附图示出了在孔中钻凿、胶合(cemented)或灌浆时具有改善锚杆的钻凿、固定和锚固能力的特征的自钻式岩石锚杆。应当理解的是，尽管如图所示的优选实施例为自钻式岩石锚杆，但本发明同样适于非自钻式的中空岩石锚杆，其为插入预先钻取的孔中的岩石锚杆。还应认识到的是，岩石锚杆可并非是从头到尾为中空的，而是可沿其长度的至少一部分为实心的。

如附图中所示的岩石锚杆10包括轴12，该轴12具有从轴的外表面13上突出的螺旋形状，其中，该螺旋形状相对于轴12的表面13的法向轴线N(即，垂直于轴12的表面13的法向轴线N)具有30°至60°之间的牙侧角α。

为了方便起见，将螺旋形状描述为固定螺纹14，这是因为螺旋形状的一个主要功能是将岩石锚杆10固定或锚固在已注入钻孔18内的浆料柱16(图5)中，而不论钻孔由岩石锚杆自身在自钻工作中形成，还是由单独的钻凿工作形成。

固定螺纹14通过浆料柱16形成了岩石锚杆与岩石地层19之间的机械锁定。在细致地示出固定螺纹14的轮廓的图3和图5中，可最佳地看到牙侧角α，其中，牙侧壁22与轴12的表面13上的法向轴线N形成角α。牙侧壁22形成固定螺纹14的牙顶15的上升壁和下降壁。

具有牙侧角在所述范围内的固定螺纹或螺旋形状的岩石锚杆具有多个优点。在自钻工作中，螺旋形状将岩石钻屑和切屑推离钻尖(drilltip)，而牙侧角有助于将钻屑推入环绕岩石锚杆的孔的环形空间中，从而有助于保持将碎屑从孔中移出和冲出。

在自钻工作和使用单独的钻凿工作来钻孔的情况这两者中，一旦岩石锚杆定位于孔18中，而浆料注入且凝固，则牙侧角所具有的优点在于，在岩石锚杆与岩石地层之间最佳地传递负载，当锚杆在使用中经受轴向拉力时最大程度减小固定螺纹上的剪切应力。

从在30°至60°之间的，而优选为45°的牙侧角上传递的力可最优化和均匀分布岩石锚杆与岩石地层之间的压缩力，从而最大程度减小固定螺纹上的集中力。这继而又通过浆料区块20(图5)在岩石锚杆与浆料之间提供增大的粘结力，且改善了岩石锚杆装置的结构整体性和强度。

为了提高岩石锚杆装置的结构整体性和岩石的自身强度，优选实施例中的岩石锚杆10通过与在轴的外表面上热加工螺旋形状相反的冷成形技术形成。当然，应当理解的是，尽管优选的是冷加工技术，但仍可使用热轧技术。

冷加工中空岩石锚杆将包括：开始冷拉无缝中空管或轴的工艺。有缝管也是可能的。冷拉无缝将具有最佳的强度和圆度公差。有缝管较弱，精度较差，但较为便宜。然后，进给中空轴或使中空轴通过螺纹滚轧机的第一组件，以在轴12的外表面13上冷成形螺旋构造(固定螺纹14)。如下文所述，可结合到轴上的其它螺纹通过使轴通过另外的冷滚轧机组件来冷成形。

用于冷轧成形的其它制造技术可用于形成具有所期望的牙侧角的固定螺纹，例如去毛刺加工。

如附图中所示的岩石锚杆10的长度通常为0.5米至5.0米。固定螺纹14具有至少7mm的螺距P，以及20mm的最大螺距。螺纹的螺距测量的是螺纹的牙顶15或牙槽17之间的距离。

具有至少7mm的螺距的固定螺纹可有助于在岩石锚杆10与浆料16之间实现适合的机械锁定。在一个实施例中，优选的螺距为大约10mm。螺纹的大螺距在钻凿期间还用作螺旋钻，从而有助于从孔中除去钻屑。

在图1和图2中所示的实施例中，固定螺纹14被提供为沿轴12的大部分的连续螺线形螺纹，在该实施例中是沿轴长度的至少一半。因此，碎屑的清除和岩石锚杆的固定属性沿轴的大部分提供。然而，应当理解的是，固定螺纹不必沿轴长度为连续的，而取而代之，可分成成段的螺纹区段，或另外取决于岩石锚杆所需的附加功能。

固定螺纹的深度可取决于岩石锚杆的长度、其在特定岩石地层中的具体应用、所使用的浆料类型、壁厚以及锚杆自身的直径和材料性质而变化。对于所具有的柄部长度为至少1米的岩石锚杆而言，可构想出固定螺纹的适合深度在1mm至4mm之间。

在所示的实施例中，自钻式岩石锚杆的固定螺纹为右旋螺纹。锚固附接螺纹24设置在轴的钻凿端28处，用于接纳锚固装置25，该锚固装置为自钻式岩石锚杆的一个优选实施例的特征，且在图1和图2中示出。朝向轴的钻凿端28的附接螺纹24通过间隙30与固定螺纹14间隔开。附接螺纹24为设置在岩石锚杆上的常规螺纹，其中，螺纹所具有的螺距大约小于5mm，通常为2.5mm至3.0mm。

如图1中所示，自钻式岩石锚杆10包括安装端26和钻凿端28。安装端26设有安装螺纹27，以便允许岩石锚杆10通过驱动联接器34来安装到钻凿设备(未示出)上，以便钻凿设备可将旋转和推力给予岩石锚杆10。安装螺纹27也具有小于5mm的螺距。

使用优选的冷轧技术来形成如上文所述的岩石锚杆，在单独的冷加工步骤中冷成形固定螺纹之前或之后，通过使管穿过滚轧组件，且单独地形成附接螺纹和安装螺纹，也通过冷加工冷拉无缝中空管而形成附接螺纹24和安装螺纹27。

在优选实施例中，附接螺纹24为左旋螺纹，其允许：一旦自钻式岩石锚杆已完成其钻凿工作，就启动锚固装置25。联接到附接螺纹24的锚固装置25在钻孔中启动，以便将岩石锚杆10锚固在孔中的适当位置上来准备灌浆。对于关于自钻式岩石锚杆的附加信息，将对共同待审专利申请WO 2007/053893进行参照，该申请的内容通过引用并入了本文中。为了避免钻凿期间启动锚固装置，附接螺纹24为左旋的，这将允许锚固装置随钻凿方向移动，且保持不启动。

如图4中所示，轴12包括沿纵向穿过其中的中空中心通路，其为冲洗通道32，以允许流体从轴的安装端26穿过而到达钻凿端28，用于在钻凿期间将钻凿出来的岩石冲离钻凿端。

钻凿端28结合了具有钻尖31的钻头29。钻头29在钻尖32的相对端处设有外螺纹33，用于将钻头连接到岩石锚杆的轴12上。在轴12的钻凿端28的末端处，冲洗通道32设有内螺纹35，其与钻头29的外螺纹33互补，以便钻头可拧到轴12的端部上。钻头还包含与冲洗通道32连通的内部通路36。

钻头与轴12之间的螺纹联接为右旋螺纹，以便在通常引起轴的右向旋转的钻凿工作期间，使钻头与轴之间的螺纹联接变紧。

如已经描述的，岩石锚杆不必为自钻式岩石锚杆。在此情况下，岩石锚杆可具有局部为实心的轴，且可不必设有除固定螺纹14之外的任何其它螺纹，这是因为岩石锚杆可手动地插入钻孔中。

本岩石锚杆具有牙侧角α在30°至60°之间的固定螺纹，导致了岩石锚杆与浆料柱中的浆料的粘结力的显著改善，且提高了锚杆的强度。这继而又改善了用于保持岩石的支承系统的结构整体性。冷成形岩石锚杆10还提高了锚杆的强度，而更具体而言是锚杆的屈服强度。

本发明所属领域的技术人员将认识到，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行许多改进。

本申请请求获得澳大利亚专利申请No.2007214341的优先权，该申请的公开内容通过引用而并入本文中。