CN101711305B - 塑料岩石锚杆或销钉及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于强化地层或相类似物的纤维强化岩石销钉(10)，包括具有纵向轴线的大致圆柱形的杆(12)，并确定了从杆突起的一或多组混合叶片(16，18，20)和用于连接螺母(13)的螺纹端(14)。该销钉由大致沿纵向轴线延伸的内(21a)和外(21b)细丝强化。至少外部细丝沿大致螺旋路径延伸过销钉，其中外部细丝沿与螺纹端的螺纹相反的方向的螺旋路径延伸。该销钉通过如下过程制造，其中：连续纤维细丝(7)通过填充树脂的容器(6)拉至具有固定下部和活动上部加热模具的模压机(4)，使得当模压机关闭时，它采用称作″拉引成型″的过程模制销钉的形状，其中：附于细丝的固化销钉围绕其纵向轴线旋转，以将扭曲施加到模具(4a，4b)中的纤维。

Description

塑料岩石锚杆或销钉及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于加强地层的塑料岩石锚杆或岩石销钉，诸如在采煤中在地下开采和挖隧道中。 

背景技术

岩石锚杆用于采矿、挖隧道和一般用于稳定。岩石锚杆的一种用途是在采煤业，其中：为方便主开采操作挖掘地下通道或隧道。由于安全原因，隧道必须被加强。传统地，这通过称作岩石锚杆或岩石销钉的钢杆实现。这种加强可以是永久性或临时性的。在加强具有临时特性的情况中，被加强的地层可接着被挖掘/开采。 

然而，当钢岩石锚杆用于加强这部分地层时，对随后挖掘中使用的挖掘设备并且对运送开采的材料的设备会出现代价昂贵的损坏。 

因为钢岩石锚杆的这种问题，纤维强化合成物(FRP)岩石锚杆已变得流行，特别是对于临时性应用。这种材料具有比钢更低的剪切强度特性，并且将不易损坏挖掘或运送设备。FRP岩石锚杆也用于诸如″土壤打钉″的其它应用中，其中：当用于临时性目的时，如果需要，在随后的日期可容易地断裂或切割锚杆并去除锚杆。 

在采煤中，纤维强化销钉或锚杆的使用局限于进出隧道壁的挖掘侧或″随后开采″侧(称作肋)或通常被称作“可切割”侧的一侧。钢岩石销钉通常用于进出隧道的其它非“可切割”侧和顶部。 

在采煤中使用的典型岩石锚杆或销钉大致是直径20mm-22mm和长度从900mm-1800mm变化的杆，其被插入直径约28mm的预先钻的孔中，并封装在粘结剂材料中，所述粘结剂材料通常是一种两部分树脂材料。 

在许多情况中，该杆具有从孔突出的螺纹端部，在那里垫圈和螺母连接至杆。在封装后，该螺母被拧紧以对地层表面施加压力。 

销钉安装的顺序是：首先在地层中打孔至需要深度，然后钻头从钻头卡盘去除，并且由套筒扳手更换。在具有不同长度的柔韧封壳中包含的两部分树脂粘合剂被插入孔中。该封壳保持两种成份分离。然后，包括部分拧到螺纹端上的垫圈和螺母的销钉被部分地插入孔中。 

该螺母由钻头夹盘接合并剧烈旋转，同时被进一步推入孔中，从而破坏封壳并将两种树脂混合在一起。该螺母具有防止其在旋转操作期间被进一步拧到销钉螺纹的帽。然后，该销钉保持无运动数秒，这时已混合的树脂固化。 

当树脂硬化时，该螺母被进一步向下旋转到被刚性地保持的封装的销钉上，该销钉以预定扭矩值突破在销钉的端部的盖，并允许螺母上紧，从而在垫圈板和地层表面上产生力，直到取得期望的扭矩值。该值由钻机操作人员的技术决定。 

该扭矩值通常由猜测实现，由于工作条件通常很复杂，这可能十分困难。矿井趋向于昏暗，并且安装设备坚固和很结实。典型地，设备操作人员无法看到是否由于螺母上得过紧，他已损坏销钉，他也无法识别封装是否充分或成功。 

在许多情况中，挖掘进出隧道的机器也同时安装加强销钉。这些机器具有定位在机器上的钻机，并且随着形成隧道的机器的前进，隧道的侧面和顶部由销钉加强。 

所述钻机由液压操作，并且基本被设计以安装钢岩石销钉。因此，当将FRP销钉安装在″可切割″侧时，由于钢销钉所需的钻机的高扭矩性能和FRP销钉的低扭矩值，会出现问题。 

安装钻机的强度和钢销钉与FRP销钉之间的剪切与扭矩值的明显差异导致FRP销钉容易被损坏，除非操作人员很有经验、技能高和极其小心。在极端情况中，销钉的头被拧掉。 

一些矿井将“自动锚栓冲击机(bolter)”安装在隧道掘进机上，因为钢销钉与FRP销钉之间的扭矩值差，其无法与FRP销钉在一起有效使用。 

因为操作人员看不见FRP销钉，它可能在操作人员不知情的情况下损坏。在过去，损坏的FRP销钉已导致壁坍塌，导致开采人员的严 重受伤。这些事故已促进由国家开采当局正式书写关于使用玻璃纤维或合成物销钉的安全警告。 

为克服这个问题，一些FRP销钉制造商已开发称作″推力″销钉的东西。这种类型的销钉具有扩大的螺母形状的头部，但不具有螺纹以将力施加于地层表面。安装钻机仅仅将销钉头猛烈地推入孔中，直到封装粘合剂固化。 

然而，当使用推力销钉时，操作人员无法识别是否在地层上存在充分负载，或更重要地，封装是否已满意地起作用，这对于开采人员的安全十分关键。因此，也存在关于使用推力销钉的安全问题。 

推力销钉的性能明显不如螺纹销钉之处在于：施加于地层表面的力小于螺纹销钉的三分之一。 

在销钉安装期间和之后，开采人员未关注到上述隐患意味着地层可能未被充分加强。这存在潜在的危险，并且是大家都知道的健康危害。 

对已包括在当前说明书中的文件、法令、材料、设备、文章或类似物的任何讨论仅用于为本发明提供背景的目的。其不应被看作承认任何或所有这些形成现有技术基础的一部分，或形成本申请的每项权利要求的优选权日之前存在的本发明相关领域的普通公知常识。 

发明内容

在第一广义方面中，本发明提供了一种纤维强化岩石销钉，用于强化地层或类似物，其具有具有纵向轴线的大致圆柱形的杆，该销钉限定螺纹端部，用于连接至具有左或右手螺纹的螺母，其中：该销钉由大致沿所述纵向轴线延伸的至少内部细丝和外部细丝强化，并且其中：至少外部细丝沿大致螺旋路径延伸经过具有外部细丝的销钉。 

最外部或外层细丝/纤维将比最内部细丝长。内部细丝和外部细丝典型地均将连续地(即未断裂)经过销钉的长度。 

优选地，但并不是必须地：完整的岩石销钉将在一个单次模制操作中由强化塑料制造；并且该塑料是热固性的，并且强化物是连续玻璃纤维。然而，纤维可以由任何适合的纤维或细丝构成，诸如钢或纤维/细丝的任何混合物。 

该销钉的制造方法在于：连续纤维细丝被拉过填充有树脂的容器，进入具有固定上部加热模具和下部加热模具的模压机，使得当模压机关闭时，它在称作″拉引成型(pulforming)″的过程中模制销钉的形状。 

典型地，一个或多个混合叶片将从杆突起。 

该岩石销钉强化系统还能够配置特制的玻璃强化塑料(FRP)螺母，该螺母当达到特定扭矩值时部分折断；该扭矩值比FRP销钉的扭矩值小，从而防止在安装过程中对销钉的损坏，如专利第2006100511号中所述。 

因为地下安装的困难条件，剪切螺母有效工作所需的扭矩值超过110ft/lbs，例如对于20mm直径的玻璃纤维销钉的极限扭矩值，扭矩值约为85ft/lbs-110ft/lbs。虽然在多数情况中，22mm直径销钉具有更高扭矩值，如果这些销钉具有混合叶片，这些销钉能够在安装期间阻塞在预钻的孔中。 

该销钉的扭矩值由热固性树脂与连续纤维强化物之间的结合强度决定，并且当纤维在与销钉相同的平面中对准时，扭矩应力能够以近似110ft/lbs相对容易地分离20mm直径的销钉。 

这种用于销钉的扭矩值太低，以致不能应付在地下出现的条件的变化，即使在使用扭矩剪切螺母时。 

为克服这个问题并使销钉的扭矩值更高，销钉中的强化纤维用于加强销钉以抑制扭力。 

典型地，利用在销钉在加热模具之间模制前启动的旋转设备，在销钉制造期间，实现外部纤维以一定角度覆盖在内纤维上以抑制力。 

因此，在相关方面中，本发明提供了一种制造用于强化地层或类似物的纤维强化岩石销钉的方法，该销钉具有限定纵向轴线的大致圆柱形的杆，该销钉还限定用于连接至螺母的螺纹端部，所述方法包括步骤： 

将包括内部细丝和外部细丝的多个纵向延伸的涂敷有树脂的强化细丝拉入敞开的模具中； 

旋转细丝，使得至少外部细丝沿大致螺旋路径定向； 

关闭模具以形成销钉，其中：该销钉由大致沿纵向轴线延伸的内部细丝和外部细丝强化，其中：至少外部细丝按照大致螺旋路径延伸经过 销钉。 

特别重要的是：覆盖(外层)纤维的方向必需是与安装期间上紧螺母的方向相同的方向，使得：当例如利用右手螺纹的螺栓和螺母施加力时，覆盖纤维处于更大张力下，覆盖的方向必须从销钉头到尖端从右向左倾斜或采用与左手螺纹(左手螺纹路径)相同的方向，使得：覆盖纤维沿着直接张力方向以抑制扭力。 

该销钉的极限抗拉强度由纤维细丝的数目决定，当纤维旋转超过特定水平时，扭矩值增加，但另一效果是销钉的抗张强度减小。 

在设计销钉中，必须在抗张强度与抗扭强度之间进行折衷，以适合应用场合和用途。 

对于20mm直径销钉的完全旋转的理想数目约为每米长度3到4圈；低于这个数目，覆盖角不足以明显影响扭矩，最大值为每米长度约8圈。更少的最小圈数即3圈可提供一些改进。 

在这种旋转范围之间，该销钉的扭矩值能够比具有直纤维细丝的销钉的值增加两到三倍。 

与施加的张力有关的覆盖纤维的角度和深度对于销钉的未封装长度很重要。例如，以每米4圈，极外部层关于销钉的纵向轴线成约10度的角；理论上，随着层前进到销钉的中心，纤维/细丝与纵向轴线的角度在死点(dead centre)减小到近似为零。 

极外部层可能不足以抑制扭矩力，从而将存在与覆盖纤维的深度、销钉长度和施加的扭力的程度相关的角度的最佳平均。在这种情况中，极外层可能必须以比所需最优理论角度更大的角度覆盖。 

这种状况可能由于用于制造销钉的树脂粘合剂的弹性或塑性和未封装销钉的长度变得复杂，例如如果该未封装长度为200mm，对于600mm的未封装长度，最佳角度可能不同。 

该销钉的直径也在抑制扭矩力中起到明显的作用，由于这些力在圆周处比销钉的部件的任何其它部分更高，此外重叠的外部纤维必须比内更直纤维更长，其中在销钉的纤维内容中存在后续较小增加。 

这种制造方法的另一特征在于：在模制前，该旋转运动导致捕获在纤维捆的中心的树脂移动到纤维粗纱的未模制捆的外部。这种效果有利于 模压过程，和更容易地在销钉的表面上形成螺纹和变形。 

移动到纤维捆外部的树脂的效果改进产品，并颠倒粗纱捆拉经的喷嘴的效果，以排除当纤维运动经过树脂容器时的过剩树脂。 

附图说明

本发明的具体实施例将仅通过实例并且参照附图进行描述，其中： 

图1是岩石销钉、螺母和垫圈片的附图； 

图1a是图1的部分岩石销钉的正视图； 

图1b是图1a中所示的岩石销钉的侧面A的侧视图； 

图1c是图1a中所示的岩石销钉的侧面B的侧视图； 

图2显示了经过图1中所示的螺母的部分断面； 

图3是制造图1的岩石销钉用的机器的第一部分的侧视图；和 

图4是在图3中显示其第一部分的机器的旋转和夹紧系统的等大视图。 

具体实施方式

图1显示了在一个三维单制造操作中由拉引成型(pulforming)方法形成的典型岩石销钉10。该销钉具有杆12。图1还显示了垫圈片11和螺母13。该杆的一端14具有螺纹。三组突出混合叶片16，18和20沿销钉的杆12间隔。 

内纤维/细丝21a和外纤维/细丝21b显示为虚线。如所示，外部纤维21b以某一角度覆盖着内纤维。内和外纤维均是基本连续细丝，即不断裂并且从销钉的一端延伸到另一端。外部细丝按照与螺纹部14的相反方式的大致螺旋路径。如所示，螺纹部具有右手螺纹，因此细丝沿相反的左手螺旋延伸。 

邻近螺纹部14的突起混合叶片的第一组16的叶片20，22从销钉杆12突出约0.5mm-1mm，最优选地约1mm。叶片20，22从仅显示了一个的杆的直径相对平坦部24分开的销钉杆的相对侧延伸出来。从杆一侧延伸的叶片20偏离从杆的相对侧延伸的那些22。 

参照图1a到1c，可以看出：在杆的一侧或表面″A″上的混合叶片22与纵向轴线并不垂直，而是具有左手螺旋的部分螺旋/盘旋，使得：当杆围绕其纵向轴线顺时针方式旋转时，叶片22趋向于将材料推向杆的头。在杆的相反表面B上的混合叶片20也是部分螺旋/盘旋，但具有右手螺纹，使得：当杆围绕其纵向轴线顺时针方式旋转时，叶片20趋向于将材料推向杆的尖端。因此，在使用中，如在下面描述，叶片彼此抵消。 

在第一组16中有从轴的任一侧延伸的约10个叶片，然而叶片的具体数目并不关键并可改变。 

在杆上存在间隙12a，其中没有接着第二组叶片18的叶片。第二组的结构与第一组的结构大致相同，其中：叶片26和28关于彼此偏离并由相对平坦部24分开。该间隙12a的长度并不是关键的。叶片26，28的尺寸比第一组的那些更大，从杆突出约1.5到2mm。虽然在第二组中存在从轴的任一侧延伸的约10个叶片，叶片的具体数目并不关键并可改变。 

在柄上有间隙12b，其中：没有叶片接着位于杆远端或尖端处的第三和最后组叶片20。第三组的结构与第一和第二组的结构大致相同，其中：叶片30和32关于彼此偏离并由平坦部24分开。该间隙12b的长度也不是关键的。叶片30，32的尺寸比第二组的那些更大，从杆突出约2.5到3mm。第三组中叶片的数目应优选地局限于在杆的每侧上2和8个叶片之间。 

在所有组16，18和20中，每个区中叶片之间的间隙能够在10mm-30mm之间变化，但优选地约20mm。 

图2更详细地显示了螺母4。它包括圆形大致环形圆筒区120，其中：利用凹陷环形弱部123，平头半螺旋端部121被连接到同轴中空六边形区122。该中空六边形区122可以或可以不被内部加工螺纹。该圆筒区120具有内螺纹124。在旋转和混合阶段期间使销钉2旋转的突破帽126将圆筒区120的内部与六边形区122分离。该帽126将在设置扭矩水平破裂，其明显小于剪切弱123和分离六边形122和圆筒120所需的扭矩水平。还显示了在弱部123和凹陷130(参见图7)中的孔128，其组合以在所需的扭矩值使六边形区122从圆筒区120分离。

该突破盖126的位置接近六边形区122和圆筒区120的连接处123。这是优选的，其中：当这两个区部分与螺母4在最后位置中时，销钉的螺纹端2b的突出量将尽可能小。 

图3显示了用于制造销钉10的拉引成型模压机4。在图的左手侧上，多个大致平行连续纤维细丝粗纱7被拉入并经过填充树脂的容器6。当在容器中时，利用确定纤维穿过并且将细丝保持大致平行间隔开关系的孔排列的穿孔板，纤维以间隔开的关系保持。经过从细丝7去除过剩树脂的喷嘴6a，纤维细丝7被抽出/穿出容器6。 

接下来，纤维细丝进入模压机4。该模压机具有活动加热上部模具4a和固定下部加热模具4b。该模具4由液压装置8封闭，并且销钉10形成在上部和下部加热模具4a和4b之间。模具确定了岩石销钉的外部形状，特别地螺纹端14和叶片组16，18和20。 

在模压机关闭前，利用在下面详细描述的旋转与夹紧系统，多个细丝7旋转。这导致外部纤维扭曲并趋向于覆盖最内部纤维。在旋转过程期间，外部纤维变得更紧(taught)，并将更多纤维7拉入模压机4。在销钉中心的最内部纤维未被拉长并覆盖。压模4a和4b的长度近似等于销钉10a的长度。 

当树脂凝固时，利用位于活动车架5上的夹紧装置9(参照图4)，该模压机4打开，并且硬化岩石销钉10a被夹紧并拉出模压机4。这自动将新长度的仍连接到硬化销钉10中的纤维的树脂浸透纤维7拉入模具4。这种车架夹紧系统9释放变硬销钉12并且然后返回到模压机4。 

图4显示了在活动车架5上安装的旋转和夹紧系统，其中：形成和硬化销钉10a由气动汽缸9夹紧。当车架运动离开模压机时，该旋转系统旋转硬化销钉10a多次。该硬化销钉仍附于纤维/细丝7，使得：该硬化销钉的旋转实现目前在模具中的细丝旋转。该旋转机构包括：齿条100；齿轮(未示出)；和汽缸110，其在加压时使齿条100侧面运动并旋转夹具。使夹具活动的空气压力经内和外空气环阀130恒定供应。 

旋转数目能够被改变以适合不同的应用。例如，包含膨胀外壳以锚定孔中的销钉的尖部或端部的端部锚定类型螺杆或销钉将需要比封闭销钉更多的旋转。 

很明显，可使用旋转硬化销钉/细丝的其它机构。 

在夹紧台后，在车架5上装配的锯(未显示)将销钉10a切到期望长度。 

虽然说明书描述了使用形成细丝的纤维玻璃粗纱，应该认识到：可使用其它纤维以形成诸如钢丝的细丝。在一个实施例中，细丝可包括极细钢丝捆。然而，玻璃纤维是优选的，特别地因为成本原因。如在这里使用，术语细丝包括一捆纤维/细丝的细丝，以及包括诸如单根金属细的单细丝的细丝。 

本领域的技术人员将理解到：如在特定实施例中，本发明可进行多种变化与/或修改，不会背离宽泛描述的本发明的精神或范围。因此，当前实施例将被认为在示意性、非限制性的所有方面中。 

Claims (6)

1.一种制造用于强化地层的纤维强化岩石销钉的方法，所述销钉具有限定纵向轴线的大致圆柱形的杆，所述销钉还限定用于连接至螺母的螺纹端部，所述方法包括步骤：

将包括内部细丝和外部细丝的多个纵向延伸的涂敷树脂的强化细丝拉入敞开模具中；

旋转细丝，使得至少外部细丝沿大致螺旋路径定向；

关闭模具以形成销钉，其中：所述销钉由大致沿所述纵向轴线延伸的内部细丝和外部细丝强化，其中：至少外部细丝按照大致螺旋路径延伸经过销钉，并且其中：所述螺纹端部具有左或右手螺纹，并且外部细丝的大致螺纹路径沿着与螺纹端的螺纹相反的方向定向。

2.根据权利要求1所述的制造纤维强化岩石销钉的方法，其中：

所述旋转细丝的步骤包括：夹紧位于模具外部的固化岩石销钉，将连续细丝延伸进入固化岩石销钉，以及旋转固化岩石销钉从而旋转模具中的细丝。

3.根据权利要求2所述的制造纤维强化岩石销钉的方法，其中：所述固化岩石销钉在每米销钉上旋转3到8圈以形成在模具中。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制造纤维强化岩石销钉的方法，其中：在进入模具前，细丝在树脂容器中被涂敷树脂。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的制造纤维强化岩石销钉的方法，包括步骤：在销钉的模制期间，形成从杆突起的一个或多个混合叶片。

6.根据权利要求4所述的制造纤维强化岩石销钉的方法，包括步骤：在销钉的模制期间，形成从杆突起的一个或多个混合叶片。

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