CN101305161A - 自钻岩锚杆 - Google Patents

Abstract

一种自钻岩锚杆(10)，其包括有轴(13)和锚固装置(23)。所述锚杆的第一端(11)具有用以穿透岩石的钻尖(16)，且第二端(12)适合于连接到钻凿设备，以使锚杆旋转并作用推力于锚杆。设置有循环通道，以允许流体到达钻尖(16)，在一种形式中，在轴(13)中形成有中心通道(14)，以形成所述循环通道的一部分。锚固装置(23)用于在定位于钻出的孔中时保持锚杆，并且它包括具有一个或多个倾斜的外表面(29，30)的心轴(29)和至少一个覆盖所述心轴的扩张件(24)，该心轴安装于轴(13)上或与轴形成一体。所述扩张件(24)在心轴(29)与该扩张件(24)之间发生预定相对运动时径向向外移动。

Description

自钻岩锚杆

技术领域

本发明涉及一种适合于用在矿业和隧道工业中、以提供顶面和壁面支撑的锚杆。本发明适合于用在硬质岩石场合以及较软的地层(诸如在煤矿中通常可见的)，因此应理解：本说明书使用的术语“岩石”具有涵盖上述两种应用场合的广泛含义。

背景技术

在采矿和隧道操作中，顶面和壁面支撑是至关重要的。采矿和隧道的壁面和顶面由岩层构成，必须对其进行加固以防止塌方的可能性。岩锚杆被广泛用于加固岩层。

在传统的地层支撑系统中，利用钻杆在岩石中钻出孔，然后将钻杆移开，接着在钻出的孔中安装岩锚杆并通常利用树脂或水泥基的浆料将岩锚杆固定就位。

为了对这一过程进行改善，已经提出了自钻岩锚杆，由此其也可以用作钻杆。这样，利用自钻岩锚杆，可以在单次通过中钻出孔并将该岩锚杆安装起来。

虽然自钻岩锚杆提供了显著改善岩锚杆的安装时间的机会，但是自钻岩锚杆主要由于它们的制造成本而没有得到广泛利用。

发明内容

根据本发明，提供一种自钻岩锚杆，其包括第一端部和第二端部，在该第一端部和第二端部之间延伸的轴，以及锚固装置，所述第一端部具有用以穿透岩石的钻尖且第二端部适合于连接到钻凿设备上，以使所述锚杆旋转并推动该锚杆，所述锚固装置用于在锚杆被定位在钻出的孔中时保持该锚杆，并且它包括有：心轴，所述心轴具有一个或多个相对于所述轴倾斜的外表面，所述心轴安装到轴上，或与轴一体地形成；以及覆盖楔形部分的至少一个扩张件，其中所述至少一个扩张件在所述楔形部分和所述至少一个扩张件之间发生预定相对运动时径向向外运动。

在一个特定的形式中，所述锚杆在钻孔操作中能够沿第一方向绕所述锚杆的轴线旋转并沿相反的第二方向旋转，以使所述心轴和所述至少一个扩张件之间产生预定运动，从而使得所述锚固装置可以用于将所述锚杆保持在钻出的孔中。

在一个形式中，所述心轴安装在所述轴上。另外，所述至少一个扩张件和心轴可以以使它们能够相对于所述轴绕所述锚杆的轴线旋转的方式连接到所述锚杆的轴上。另外，在至少一个形式中，所述至少一个扩张件的内表面和所述倾斜外表面成形为阻止所述至少一个扩张件和所述心轴之间产生相对旋转。这样，所述至少一个扩张件和所述心轴绕所述锚杆的轴一起旋转。

在上述布置的一个特定的形式中，当所述轴沿第二方向相对于所述锚固装置旋转时，所述至少一个扩张件被阻止沿所述锚杆的轴进行轴向运动，而所述心轴在一方向上沿着所述轴可轴向移动，该方向使所述至少一个扩张件向外移动。因此，通过这种构造，所述轴相对于所述锚固装置的旋转使得所述至少一个扩张件和所述心轴之间产生相对运动，从而导致所述至少一个扩张件的径向向外移动。

在一个特定的形式中，所述心轴经由包括在所述轴上的外螺纹和设置在所述心轴的内表面上的互补内螺纹的螺纹联接而被连接到所述轴上。这样，该螺纹联接在所述轴与心轴之间相对旋转时使得所述心轴在所述轴上产生轴向运动。在一个特定的形式中，所述心轴沿着所述轴(即，朝向所述第二端部)的运动使得所述至少一个扩张件径向向外移动。

在一个实施方式中，所述锚固装置还包括绕着所述至少一个扩张件设置的带。在一个特定的形式中，所述带具有两个主要的作用：第一个作用是将所述扩张件保持在缩回状态，第二个作用是在所述锚杆沿第二方向旋转时促进使所述锚固装置和所述锚杆的轴之间产生相对旋转，从而使所述扩张件产生径向向外移动。

在一个特定的形式中，所述带包括一定成型面，其布置成当所述锚杆沿第一(钻凿)方向旋转时越过钻出的孔的岩石表面，并且其布置成在所述带沿相反的第二方向旋转时更趋于夹持住钻出的孔的壁面。在一个特定的形式中，所述带包括有带主体和多个垂片，所述多个垂片形成所述带的成型面并从所述带主体延伸出来。在这种布置中，当所述带的表面与钻出孔的壁面接合时，所述垂片在所述锚杆沿第一方向旋转时被偏置成相对于所述带主体折叠起来并在所述锚杆沿第二方向旋转时被偏置成向外延伸，以夹持住钻出孔的壁面。

在一个特定的形式中，所述带由聚合材料形成。

在一个形式中，自钻岩锚杆在所述轴内包括有内侧通道。所述轴通常由钢形成且这个通道形成循环通道的一部分，以允许在所述锚杆的第一端部处引入或抽出钻凿流体，并使得浆料能被泵送到钻出的孔中，从而将所述锚杆设置在适当位置。通常，所述循环通道包括第二通道，其形成在所述锚杆的轴和所述钻出的孔的壁面之间。

可以利用各种技术来形成这种中空的轴。在一个特定的实施方式中，所述轴由细长的金属型材形成，其被折叠成使所述金属型材的相对的纵向边缘相互接触，从而形成接缝。这种形式的中空杆由OneSteelPty有限公司制造和提供并采用型钢。这种中空轴的构造的优点在于，它能相对便宜地制造并因此非常理想适合于诸如锚杆用于单独使用的自钻岩锚杆的应用场合。

在另一形式中，所述轴沿着其长度的至少一部分为实心的且有一轴套布置成绕该部分延伸，从而在所述轴和轴套之间形成一个通道。这个通道又形成所述循环通道的一部分。在与本申请同一日提交的本申请人的相应的国际申请“自钻岩锚杆“中公开了这种布置，本文通过交叉引用的方式结合了该申请的内容。

在一个形式中，所述钻尖从锚杆的轴线径向延伸出来，延伸距离比所述轴更大，以在所述轴和钻出的孔的壁面之间形成通道。在一个形式中，所述钻尖直接位于所述锚杆的轴上，所述轴可以诸如通过铣削或锻造操作而被加工成接纳所述钻尖。

在一可选形式中，所述岩锚杆还包括钻头，其被连接到所述轴的一端并在其上包括有所述钻尖。在这种布置中，所述钻头通过一定联接而被连接到所述轴的所述一端，该联接布置成当所述轴沿至少一个方向旋转时从所述轴给所述钻头施加旋转。在这点上，所述联接可以为永久的，即，所述钻头可以被焊接到所述轴上，或者可选地，所述钻头可以是可拆卸的。在后一布置中，所述联接可以为允许施加旋转的相互配合的突起和凹槽形式，或者可选地，也可以采用螺纹联接，其中所述钻头包括具有外螺纹的钻柄和设置在所述轴的内表面上的互补内螺纹。

在一个形式中，所述锚固装置设置在所述第一端部的附近。在上述的布置中，当所述至少一个扩张件被限制沿所述轴进行轴向运动时，这个扩张件可以在该至少一个扩张件的一端处被限制，从而允许所述扩张件的其余部分向外径向延伸。在一个形式中，所述至少一个扩张件可以位于绕所述轴布置的槽中，或它可以被绕着所述轴设置的保持套环卡住。在一可选的形式中，所述扩张件可以设计成被卡在所述钻头和所述轴的端部之间，从而限制所述扩张件的轴向运动。

在一个形式中，所述扩张件从所述限制端部朝向所述锚杆的第二端部向下伸出。在另一形式中，所述扩张件朝向所述锚杆的第一端部向上伸出。在后一布置中，所述至少一个扩张件可定位在与所述第一端部间隔开的位置处的一个槽中，或支承抵靠在与所述第一端部间隔的位置处、设置在所述轴上的保持套环上。

在一个特定的形式中，设置有多个扩张件，它们在使用时关于所述轴线成角度地隔开。在一个特定的形式中，设置有连接器，其将所述扩张件相互连接起来，且其布置成与所述锚杆的轴接合，以防止所述扩张件沿所述轴的轴向运动。在一个形式中，这个连接器可以形成为多个部件，或者能发生变形，以绕所述轴中的凹槽延伸并定位在该凹槽中。

在关于上述布置的可选布置中，所述扩张件可以形成为包括中心孔的单个部件。在这种布置中，在一个形式中，所述扩张件设计成定位于所述钻头和所述轴的端部之间，且所述钻头的钻柄布置成在形成于所述连接器的孔内延伸。在另一形式中，所述轴延伸穿过所述孔且所述扩张件通过一个或多个保持套环而被保持在适当位置。

在一个特定的形式中，所述岩锚杆还包括驱动联接件，其布置在所述第二端部附近并设计用于与所述钻凿设备相互接合。该驱动联接件还连接到所述轴上，以允许向所述锚杆的轴施加旋转和推动。

在一个特定的形式中，所述驱动联接件为驱动螺母的形式，其通过螺纹联接而与锚杆的轴连接，该螺纹联接包括位于所述轴上的外螺纹和位于所述驱动螺母内表面上的互补内螺纹。

在一个特定的形式中，设置有止动件，其用于禁止所述驱动螺母轴向运动超过所述轴上的预定位置。在一个特定的形式中，这个止动件为锁定螺母的形式，其被固定到所述轴上并通过螺纹联接而连接到所述轴上，该螺纹联接优选地具有与所述驱动螺母上使用的旋向相反的旋向的螺纹。

在一个形式中，设置有扭矩装置，用于限制驱动螺母沿着所述轴的轴向运动，直到向所述螺母施加了预定扭矩为止。在一个特定的形式中，这个扭矩装置为径向延伸穿过所述螺母并进入所述轴的扭矩销(torque pin)的形式，且其中所述扭矩销用于在对所述螺母施加了预定扭矩时剪断。在一个形式中，所述扭矩装置还可以作为止动件，以禁止所述驱动螺母轴向运动超过所述轴上的预定位置。

在所述自钻岩锚杆的一个特定实施方式的操作中，所述锚杆经由驱动螺母而被固定到钻凿设备上，所述驱动螺母使所述锚杆沿第一方向旋转。钻凿流体被泵送到所述第一端部，淹没所述岩锚杆的切割表面。当完成钻凿阶段时，所述钻凿设备然后使所述锚杆沿相反的方向旋转，导致所述锚固装置启动，且在一个特定的形式中，使所述心轴沿着所述锚杆的轴轴向运动，从而使所述扩张件扩张。

在一个特定的形式中，用于心轴和驱动螺母的螺纹联接具有相同旋向的螺纹。通过这种布置，当沿第二方向旋转时，由于通过所述扭矩销而防止产生相对运动，因此所述驱动螺母与所述轴一起旋转，从而使所述轴沿第二方向旋转。如果所述带绕着所述扩张件布置，则这个旋转会使得所述带的垂片向外张开，从而形成所述带，这又使得所述扩张件和心轴开始相对于所述锚杆的轴滑动。如果不设置带，则会使所述扩张件直接夹持住孔的壁面，以使所述扩张件滑动。在锚固装置和所述轴之间产生的这个相对运动使所述心轴旋开所述轴的螺纹，从而使所述扩张件径向向外移动，与所述钻出孔的岩石表面更紧密地相接合。

当所述扩张件牢固地与所述壁面接合时，所述锚杆被牢固地保持在适当位置。因此，如果需要的话，可以卸下所述钻凿设备，并且稍后可以将浆料注入所述孔中，从而将所述锚杆固定就位。

在此时，还可以通过持续沿第二方向对所述驱动螺母施加扭矩，使所述锚杆处于张紧状态中。在特定的点下，所述扩张件被压迫得抵靠于所述岩石壁面，使得所述楔形部分不能沿着所述轴再进一步移动。然后，这有效地约束了所述锚杆并禁止其再进一步旋转。这在所述驱动螺母处产生扭矩，直到扭矩到达将会剪断所述扭矩销而允许所述驱动螺母相对于所述轴移动的点为止。

一旦所述驱动螺母能沿着所述锚杆轴移动时，其将移动得与岩石层的外表面接合(直接地或通过支承板接合)，这使得所述锚杆随着所述驱动螺母与锚固装置之间的锚杆距离缩短而处于张紧状态中。这使得岩石层处于压缩状态下。一旦所述锚杆处在足够大的张紧作用下，则可以卸下所述钻凿设备，并且可以进行最后阶段，即通过将浆料引入通过所述锚杆的内侧通道而将所述锚杆固定就位。

附图说明

方便的是下面通过参照附图来描述本发明的实施方式。附图中的细节和相关说明应被理解为并不代替前文对本发明的广义描述的一般性。

在附图中：

图1是自钻岩锚杆的示意立体图；

图2是图1的岩锚杆的第一端部的展开图；

图3是图1的岩锚杆的第一端部的立体图；

图4是图1的岩锚杆的第一端部位于岩石层时的剖视图；

图5是图1的岩锚杆的锚固带处于收缩状态的细节图；

图6表示出处于展开状态的图5的锚固带；

图7是图1的岩锚杆的第二端部的分解图；

图8是图1的岩锚杆的第二端部的立体图；

图9是图8的第二端部位于岩石层时的剖视图；

图10是图1的岩锚杆的变型；

图11是自钻岩锚杆的第二实施方式的示意立体图；

图12是图11的岩锚杆的第一端部的分解图；

图13是图11的岩锚杆的第一端部的立体图；

图14是图11的岩锚杆的第一端部位于岩石层时的剖视图；

图15是图11的岩锚杆的锚固带处于收缩状态的细节图；

图16表示出处于展开状态的图15的锚固带；

图17是图11的岩锚杆的第二端部的立体图；

图18是位于图17的岩锚杆的第二端部处的灌注用驱动螺母的立体图；

图19是图17的岩锚杆的第二端部位于岩石层时的剖视图；以及

图20是图11的岩锚杆的变型。

具体实施方式

图1示出了自钻岩锚杆10，其包括第一(钻凿)端部11和第二(螺母)端部12，以及在相对的端部11、12之间延伸的轴13。轴13通常由钢制成，该轴为中空的并包括中心通道14(参见图4和图9)，该中心通道允许流体从螺母端部12流动经过，到达钻凿端部11。至少轴13的中心部分可以被穿孔有多个从中心通道14径向向外延伸的孔。使用时，自钻岩锚杆10连接到钻凿设备(未示出)并用作钻杆，以在岩石层500中钻出孔100(参见图4和9)。之后，如下面将要详细描述的一样，将岩锚杆10固定在适当的位置，从而为岩石层500提供支撑。

钻凿端部11包括在其远端处具有钻尖16的钻头15和锚固装置23，该锚固装置在使用时用于将锚杆保持在钻出的孔中。锚固装置23可用于将锚杆10保持在钻出的孔中，以在将浆料引入到孔100中、而永久地将锚杆固定就位之前临时地将所述锚杆固定就位，并且/或者用于使所述锚杆张紧，从而使岩石层500处于压缩状态下。

图2至图6最佳地示出了钻凿端部11的细节。

如在图2中最佳地示出的一样，钻头15包括在其外端包括钻尖16的钻头主体17和在其外表面包括有外螺纹22的钻头钻柄18。通道19从钻柄18的远端延伸穿过到达钻头主体17的远端。这个通道19设置成当钻头15固定于轴端20(如图4中最佳地示出)时与轴的通道14流体连通。轴端20包括内螺纹21(参见图4)，其与钻头钻柄18上的外螺纹22互补。这样，钻头15能以简单的方式螺纹连接在轴13的轴端20上。

在钻凿操作中，钻凿设备通常使钻轴右旋旋转。为了确保钻头15在钻凿操作中不会与轴分离，钻头15和轴13之间的螺纹联接为右旋螺纹，以便促使钻头和轴之间的螺纹联接在钻凿操作中紧固。

锚固装置23设置在钻头15的下方并包括一对扩张件24，该对扩张件设计用于从如图中示出的缩回位置向外运动到扩张位置(未示出)，在此扩张位置，扩张件24与钻出的孔100的壁101接合。

扩张件24通过连接器25相互联接起来。这个连接器通常由弹簧钢制成并包括主体部分26和连接支脚27。连接支脚27被焊接(或以其他方式固定)到扩张件24的近端28。通过用弹簧钢制成连接器25，其可弯曲，从而形成活动铰链，允许扩张件枢转，从而使得扩张件能够容易地在其缩回位置和其扩张位置之间运动。

在使用中，连接器的主体26布置成以使扩张件可绕轴的轴线20旋转但阻止它们沿锚杆的轴轴向运动的方式被卡在钻头15和轴端20之间。

锚固装置23还包括心轴29，呈示出形式的心轴包括相对的倾斜面30和31。心轴29包括头部32和两个悬垂支脚33和34，且头部32的相对面和支脚33，34的相对边缘面分别形成了倾斜面30和31中的一个倾斜面。

心轴布置成使倾斜面30和31设计为与扩张件24的内表面35抵靠，从而使心轴朝向轴的螺母端部12的相对运动使得扩张件从其缩回位置向其展开位置移动。

为了能够引起这个相对运动，心轴在示出的布置结构中通过螺纹联接而被连接到锚杆的轴上，该螺纹联接由形成在心轴29的头部32中的内孔37中的内螺纹36和形成在锚杆的轴13上的外螺纹38构成。

心轴29和锚杆的轴13之间的螺纹联接为左旋螺纹，从而使得当锚杆进行钻凿操作(在轴的右旋旋转的作用下)时，心轴和轴之间的任何相对运动将使心轴朝向钻凿端部移动，从而确保扩张件不会移动到它们的扩张状态。

锚固装置23还包括锚固带39，其绕着扩张件24的远端40布置。锚固带39通常由聚合材料制成并包括带主体41和多个垂片42，这些多个垂片绕带主体41的周边布置，形成成型面43。

锚固带39的这个成型面43设置成采取两种状态，最佳如图5和图6中示出。在图5示出的第一状态下，垂片42相对于带主体41折叠。这个状态在带进行右旋旋转时出线，如在钻凿操作中的情况一样。在最佳如图6中示出的第二状态中，垂片42从带主体39向外伸出。这在锚杆的轴进行相反旋转的过程中出现，并且这通过带在该旋转作用下越过钻出的孔的壁面101而引起。当在此第二(或扩张)状态时，所述带有更大倾向接合钻出的孔的壁面101。一旦进行夹持，则锚固装置开始相对于轴滑动，从而引起一定程度的相对运动。这个运动又使得心轴开始沿着轴旋绕，从而使扩张件向外移动。

图10中示出了岩锚杆50，图10包括岩锚杆10的锚固装置23的变型。由于锚杆50包括了锚杆10的多个特征，因此相同的特征由相同附图标记表示。

在锚杆50中，设置有扩张组件51，其包括扩张件24和绕锚杆50的轴13设置的套环52。套环52的作用与前一实施方式的连接器25的作用相同并与扩张件24的近端28相互连接。

与前一实施方式相反，扩张组件51被定位成使扩张件的远端40面朝钻凿端部11，而不是如前一实施方式中一样面朝螺母端部12。为了防止扩张组件51朝向螺母端部12运动，将扩张组件51定位在一个保持装置53上，该保持装置包括轴向固定在锚杆的轴13上的止推环54和设置在止推环54与套环52之间的滑动环55。

在与前一实施方式一致的布置中，扩张组件51包括心轴29，该心轴布置成使其倾斜表面30和31设计为抵靠扩张件24的内表面35。这样，禁止了心轴29与扩张件24之间绕轴线的相对旋转。另外，心轴29朝向轴的螺母端部12的相对于运动使得扩张件从其缩回位置移向其展开位置。而且，心轴通过螺纹联接(未示出)而连接到锚杆的轴。心轴29和锚杆的轴13之间的螺纹联接为左旋螺纹，从而当岩锚杆进行钻凿操作(在轴的右旋旋转作用下)时，心轴和轴之间的任何相对运动将使得心轴朝向钻凿端部移动，从而确保扩张件不会移动到它们的扩张状态。在锚杆50左旋旋转的作用下，扩张件布置成开始旋转(虽然未示出)，锚固装置23也可以包括有用于促使该旋转的带39。由于心轴部分29和扩张组件51一起旋转，故而这个旋转被传递至心轴29，从而致动所述锚固装置23并使心轴朝向螺母端部12运动。

图7至图9示出了岩锚杆10的螺母端部12。驱动联接件43设置在端部12附近并设置用于和钻凿设备与轴相互接合，从而使得能够旋转和推进锚杆的轴。驱动联接件43的形式为通过螺纹联接而连接到锚杆的轴13上的驱动螺母，该螺纹联接由布置在轴13上的外螺纹44和布置在驱动螺母的内表面上的互补内螺纹45构成。

呈示出形式的螺纹联接为左旋螺纹，因此在钻凿操作中，施加于驱动螺母上的扭矩趋于使螺母放开轴13的第二端部。为了防止出现这种情况，设置止动组件46，它用于禁止驱动螺母轴向运动超过轴上的预定位置。在所示的形式中，该止动组件为锁定螺母47的形式，其固定于轴的末端部分48，所述末端部分的直径减小。锁定螺母47通过螺纹联接而连接到末端部分48上(即，末端上的外螺纹49和螺母上的互补内螺纹50)，该螺纹联接与驱动螺母的螺纹联接的旋向相反。

另外，驱动螺母47还通过扭矩销51连接到轴上，该扭矩销布置成限制驱动螺母的相对运动，直到有预定扭矩施加于螺母为止。扭矩销51径向延伸通过螺母47并进入轴13中(最佳如图9中示出)，并且它用于在有预定扭矩作用于螺母时剪断。如果扭矩销设计成具有足够的强度，则可以避免需要引入锁定螺母47。

虽然在示出形式中，显示出自钻岩锚杆10具有带中心通道的轴，但是应明白本发明并不限于这种布置。例如，岩锚杆可以包括沿其长度的相当大部分为实心的轴。图11至图20示出了这种布置。

图11示出了根据另一实施方式的自钻岩锚杆210，其包括第一(钻凿)端部211和第二(螺母)端部212，以及在相对的端部211、212之间延伸的轴。轴213通常由钢制成，该轴沿其长度的主要(第二)部分为实心的并包括有沿钻凿端部附近的锚杆的远端(第一)部分的内侧通道24(参见图14)。内侧通道通过侧向端口260和通过端部端口261，在两个位置处与轴的外部连通。

钻凿端部211包括有在其远端处有钻尖216的钻头215和锚固装置223，该锚固装置在使用时设置用于将锚杆保持在钻出的孔中。锚固装置223沿着锚杆的第一部分延伸并用于将锚杆210保持在钻出的孔中，以在将浆料引入到钻出的孔100中而永久地将锚杆固定就位之前临时地将所述锚杆固定就位，并且/或者用于使所述锚杆张紧，从而使岩石层500处于压缩状态下。

图12至图16最佳地示出了钻凿端部211的细节。

如在图12中最佳地示出，钻头215包括在其外端包括钻尖216的钻头主体217和在其外表面包括有外螺纹222的钻头钻柄218。通道219从钻柄218的远端延伸穿过，到达钻头主体217的远端。这个通道219设置成：当钻头215固定于轴端220(如图4中最佳地示出)时与轴的内侧通道214的端部端口261流体连通。轴端220包括内螺纹221(参见图4)，其与钻头钻柄218上的外螺纹222互补。这样，钻头215能以简单的方式螺纹连接在轴213的轴端220上。

在钻凿操作中，钻凿设备通常使钻轴右旋旋转。为了确保钻头215在钻凿操作中不会与轴分离，钻头215和轴213之间的螺纹联接为右旋螺纹，从而趋于促使钻头和轴之间的螺纹联接在钻凿操作中紧固。

锚固装置223及其操作的形式与前一实施方式的一致，因此相同的特征由相同的附图标记表示，但是前缀上数字“2”，以区分不同的实施方式。图20中类似示出了锚杆210的锚固装置223的变形，且其形式与图10中示出的一样，因此相同的特征由相同的附图标记表示，但是前缀上数字“2”，以区分不同的实施方式。

如在图11和图14中最佳地示出，岩锚杆210包括沿轴213的主要部分的轴套262。轴套261从锚固装置223(或扩张组件251)的附近朝向螺母端部212延伸并到达螺母端部附近。轴套的作用是形成循环路径的至少一部分，以允许流体在螺母端部212与钻凿端部211之间经过。通过形成在锚杆的轴213和轴套262之间的通道以及内侧通道214而形成了循环路径。如在图14中最佳地示出，内侧通道214与形成在轴213和轴套262之间的、穿过侧向端口260的通道263连通。由于轴套262不需要承受任何大的载荷，因此轴套可由诸如塑料等廉价的材料制成。用塑料来制造轴套的另一优点在于，其可以提供防水屏障，以抑制钢制轴在处于适当位置时的腐蚀。

循环路径还包括形成在轴套262和钻出的孔100的壁面101之间的外侧通道264。通过钻尖216径向延伸的距离大于轴套262半径而形成这个外侧通道。

轴套262在其远端265处由套环266密封。这个套环266在示出的形式下包括有内螺纹并螺纹连接到在轴213的上部上加工出来的外螺纹238。

轴套262的近端267还通过与驱动联接件243的相互接合而被密封起来，下面将详细描述驱动联接件。

图17至图19示出了岩锚杆210的螺母端部212，其包括有驱动联接件243。驱动联接件设置在端部212的附近并布置成与钻凿设备与轴相互接合，从而允许向锚杆的轴213施加旋转和推进力。驱动联接件243为灌注用驱动螺母243的形式(如在图18中最佳地示出)，其通过螺纹联接而连接到锚杆的轴213，该螺纹联接由设置在轴213上的外螺纹244和设置在驱动螺母243的内表面上的互补内螺纹245构成。

呈示出形式的螺纹联接为左旋螺纹，从而在钻凿操作中，作用于驱动螺母的扭矩趋于使其松开轴213的第二端部。为了防止出现这种情况，设置止动组件246，它用于抑制驱动螺母轴向运动超过轴上的预定位置。在所示的形式中，该止动组件为锁定螺母247的形式，其固定于轴的末端部分248，所述末端部分的直径减小。锁定螺母247通过螺纹联接(即，末端上的外螺纹249和螺母上的互补内螺纹250)而连接到末端部分248上，该螺纹联接与驱动螺母的螺纹联接的旋向相反。

另外，驱动螺母243还通过扭矩销251而连接到轴上，该扭矩销布置成限制驱动螺母的相对运动，直到有预定扭矩施加于螺母为止。扭矩销251径向延伸通过螺母247并进入轴213中(最佳如图19中示出)，并且它用于在有预定扭矩作用于螺母时剪断。如果扭矩销251设计成具有足够的强度，则可以避免需要引入锁定螺母247。

如在图18中最佳地示出，驱动螺母243包括环形凹槽268和套环268，套环设置成接纳套筒的近端267，从而将驱动螺母243密封于该近端。另外，驱动螺母243还包括有端口270，其允许流体被引入通道263或从通道263流出，该通道263设置在套筒262和轴213之间。

支承板271和球形垫圈272可以设置在轴213上并由驱动螺母243卡住。支承板271布置成支承抵靠岩石层500的外面501。

在操作中，锚杆10或210通过驱动螺母43，243而被固定于钻遭设备，该钻凿设备使锚杆沿第一方向旋转。钻凿流体被泵送通过锚杆的循环通道，淹过岩锚杆的切割表面。

当完成钻凿阶段时，所述钻凿设备然后使锚杆沿相反的方向旋转。由于扭矩销防止了相对运动，因此驱动螺母43，243与轴一起旋转。这个相反的旋转设置用于在扩张件24，224和心轴29，229中相对于锚杆的轴产生“滑动”。通过使带39，239进行旋转，从而使得带的垂片42，242向外张开，使带夹持住壁面101，可以促使所述滑动。在锚固装置和轴之间产生的这种相对运动使得心轴松开轴的螺纹，从而使扩张件径向向外运动，接合钻出的孔的岩石表面。

当扩张件与壁面接合时，锚杆被牢固地保持在适当位置。因此，如果需要的话，则可以卸下所述钻凿设备并稍后可以将浆料注入所述孔中，从而将所述锚杆固定就位。

在此阶段时，还可以通过持续沿第二方向对驱动螺母43，243施加扭矩而使所述锚杆处于张紧状态。在一个特定点下，扩张件24，224被压迫得抵靠于所述岩石壁面，使得所述楔形部分不能沿着所述轴再进一步移动。然后，这有效地约束了锚杆并禁止其再进一步旋转。这在驱动螺母43，243处产生扭矩，直到扭矩到达将会剪断扭矩销51，251而允许驱动螺母相对于轴移动的点为止。然后，这个相对运动会使螺母旋紧所述轴。

一旦所述驱动螺母能沿着所述锚杆的轴移动时，其将移动成与岩石层500的外表面102接合(直接地或通过支承板接合)，从而使得所述锚杆随着所述驱动螺母与锚固装置之间的锚杆的有效长度缩短而处于张紧状态。这使得岩石层处于压缩状态下。一旦所述锚杆处在足够大的张紧作用下，则可以卸下所述钻凿设备，从而可以进行最后阶段，即通过将浆料引入穿过所述锚杆的内侧通道而将所述锚杆固定就位。

在本发明的所附权利要求书以及前面的说明中，除了文中需要，或者由于表述语言或必须的含义，词语“包括”或诸如“包括有”的变形都是在包括的含义下使用的，即，限定存在有所述的特征，但并不排除在本发明的其他实施方式中的其他特征的存在或增加。

在不背离本发明的精神或范围的情况下可以对前述的部分进行各种变形和/或修改。

Claims (26)

1.一种自钻岩锚杆，其包括第一端部和第二端部，在该第一端部和第二端部之间延伸的轴，以及锚固装置，所述第一端部具有用以穿透岩石的钻尖，且所述第二端部适合于连接到钻凿设备上，以使所述锚杆旋转并推动该锚杆，所述锚固装置用于在锚杆定位在钻出的孔中时保持该锚杆，并且该锚固装置包括有：心轴，所述心轴具有一个或多个相对于所述轴倾斜的外表面，所述心轴被安装到所述轴上，或与所述轴一体地形成；以及覆盖所述心轴的至少一个扩张件，其中所述至少一个扩张件在所述心轴和所述至少一个扩张件之间发生预定相对运动时径向向外移动。

2.根据权利要求1所述的自钻岩锚杆，其中，所述预定相对运动是所述心轴相对于所述至少一个扩张件在沿着所述轴朝向所述第二端部的轴向方向上的运动。

3.根据权利要求2所述的自钻岩锚杆，其中所述心轴被安装在所述轴上，且通过所述心轴的倾斜表面与所述至少一个扩张件的内表面的接合，约束所述至少一个扩张件和所述心轴绕所述轴的轴线的相对转动。

4.根据权利要求2或3所述的自钻岩锚杆，其中所述至少一个扩张件被限制沿着所述锚杆的所述轴进行轴向运动。

5.根据权利要求4所述的自钻岩锚杆，其中所述心轴经由螺纹联接而与所述轴连接，所述螺纹联接包括所述轴上的外螺纹和设置在所述心轴的内表面上的互补内螺纹。

6.根据前述任一项所述的自钻岩锚杆，其中所述锚杆在钻凿操作中沿第一方向绕着所述轴的轴线旋转，并且沿相反的第二方向旋转，以使所述心轴与所述至少一个扩张件之间产生所述预定运动，从而使所述锚固装置能够用于将所述锚杆保持在钻出的孔中。

7.根据权利要求6所述的自钻岩锚杆，还包括绕所述锚固装置设置的带，所述带包括成型面，该成型面布置成当所述带沿所述第二方向旋转时夹持住钻出的孔的壁面，从而使得所述轴相对于所述锚固装置发生旋转。

8.根据权利要求7所述的自钻岩锚杆，其中所述带的成型面设置成在所述锚杆沿所述第一方向旋转时越过岩石表面。

9.根据权利要求7或8所述的自钻岩锚杆，其中所述带包括有带主体和多个垂片，所述多个垂片形成了所述带的成型面并且从所述带主体延伸出来，其中，当所述带的表面与钻出孔的壁面接合时，所述垂片在沿所述第一方向旋转时被偏置成相对于所述带主体折叠起来，并且在所述锚杆沿所述第二方向旋转时，所述垂片被偏置成向外延伸，以夹持住钻出孔的壁面。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的自钻岩锚杆，其中所述带由聚合材料制成。

11.根据前述任一项权利要求所述的自钻岩锚杆，其中所述锚杆设置成当定位于钻出的孔中时允许流体在所述第一和第二端部之间经过。

12.根据前述任一项权利要求所述的自钻岩锚杆，其中所述钻尖径向延伸的距离大于所述轴的半径，以提供通道，以便在所述轴和钻出孔的壁面之间输送流体。

13.根据权利要求11或12所述的自钻岩锚杆，其中所述轴包括有内侧通道，用于允许流体在所述第一端部和第二端部之间经过。

14.根据前述任一项权利要求所述的自钻岩锚杆，还包括钻头，其连接到所述轴的一端并在其上包括有所述钻尖，所述钻头通过一定联接而被连接到所述轴的所述一端，该联接设置成当所述轴沿至少一个方向旋转时从所述轴给所述钻头施加旋转。

15.根据权利要求14所述的自钻岩锚杆，其中所述钻头和所述轴之间的联接包括螺纹联接，该螺纹联接具有位于所述钻头的钻柄上的外螺纹和设置在所述轴的内表面上的互补的内螺纹，该内螺纹限定出所述内侧通道。

16.根据前述任一项权利要求所述的自钻岩锚杆，其中所述锚固装置还包括连接器，并且所述至少一个扩张件悬于该连接器，且其中所述连接器被卡住，以防止所述至少一个扩张件沿着所述轴进行轴向运动。

17.根据权利要求16在从属于权利要求14或15时所述的自钻岩锚杆，其中所述连接器被卡在所述钻头和所述轴的所述一端之间。

18.根据权利要求16所述的自钻岩锚杆，其中所述连接器由设置在所述轴上的保持套环卡住。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的自钻岩锚杆，其中在所述连接器和至少一个扩张件之间形成有铰链，且其中所述至少一个扩张件设置成通过绕所述铰链的枢转而径向向外移动。

20.根据前述任一项权利要求所述的自钻岩锚杆，还包括设置在所述第二端部附近的驱动联接件，该联接件与所述轴连接起来，以允许使所述锚杆的所述轴旋转并对该轴施加推进力。

21.根据权利要求20所述的自钻岩锚杆，其中所述驱动联接件为驱动螺母的形式，其通过螺纹联接而被连接到所述锚杆的所述轴，所述螺纹联接由设置在所述轴上的外螺纹和设置在所述驱动螺母的内表面上的内螺纹构成。

22.根据权利要求20或21所述的自钻岩锚杆，还包括止动组件，其固定于所述轴并用于禁止所述驱动螺母超过所述轴上的预定位置的轴向运动。

23.根据权利要求22所述的自钻岩锚杆，其中所述止动组件为固定于所述轴的末端上的锁定螺母形式。

24.根据权利要求20至23所述的自钻岩锚杆，还包括扭矩装置，其用于限制所述驱动螺母沿所述轴的轴向运动，直到有预定扭矩施加于所述螺母为止。

25.根据权利要求24所述的自钻岩锚杆，其中所述扭矩装置为扭矩销形式，其径向延伸穿过所述螺母并进入所述轴中，所述扭矩销用于在预定大小的扭矩施加于所述螺母时剪断。

26.根据权利要求21当从属于权利要求5时所述的自钻岩锚杆，其中所述楔形部分和所述驱动螺母与所述轴的螺纹联接具有相同的旋向。

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