CN102165140A - 可再张紧缆螺栓装置及相关方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种可再张紧缆螺栓及相关方法。在本发明的一个方面，螺栓包括用于连接到或紧固到线缆上的套管。套管包括具有钻孔的下端部，该钻孔适于容纳与张紧螺母关联的螺纹柄。沿着套管的外周部的多个平面产生在安装期间防止线缆在钻凿孔内旋转的角部。可以使用树脂将套管紧固到线缆上，这形成了本发明的另一方面。

Description

可再张紧缆螺栓装置及相关方法

技术领域

以下技术一般而言涉及支承地质结构中的通道的面，并且更具体地涉及一种可再张紧缆螺栓装置及相关方法。

背景技术

在最近几十年里，已经提出了多个建议以用于向地质结构中的通道的面、例如地下矿井中的顶部提供现场支承。典型的配置采用延伸进入到形成于面中的钻凿孔内并利用浆液填塞在合适位置的锚栓(anchor)，例如细长的顶部“螺栓”。与地下矿井安全有关的联邦法规要求在整个矿井通道中以较短的间隔放置这些螺栓。因此，就减少矿主的总体安装成本(当然，这直接关系到采矿操作的盈利能力)来说，制造和使用的容易性、以及可靠性是重要的考虑因素。

目前，用于顶部支承的流行方法是所谓的“缆螺栓”。该类型的螺栓包括插入到钻凿孔内并利用浆液填塞在合适位置的一段柔性金属线缆，并且可以是“被动的”或可张紧的。在一个可张紧的形式中，螺栓包括外螺纹张紧头，该外螺纹张紧头包括相对的、纵向延伸的用于与侧壁接合以防止旋转的抗旋转栓(例如，见Harding等人的美国专利No.3,077,809)。为了张紧螺栓，关联螺母前行抵靠至接合结构、例如平板，该接合结构以期望的方式支承对应的面。

不管多年来基本的可张紧方法的流行性如何，仍然保留着若干个基本的局限。举例来说，矿井通道附近的地层随时间下陷或偏移，这可能导致在初始安装期间最初施加的张紧力的变化。同样地，螺栓随时间可能经历由例如松弛或蠕动的因素引起的张紧力的损失。然而，大多数现有的方法不能够在初始安装后经受以任意可靠的方式进行再张紧。

此外，用于安装被动式缆螺栓的现有方法可能导致非期望的的“虚假”张紧和有害的“反冲”。具体地，线缆可以随着扭矩的施加而继续在钻凿孔内扭转。这可能导致安装者相信所施加的扭矩使缆螺栓张紧，但在实际上其只是导致缆螺栓扭转(并且因此别称为“虚假”张紧)。在某些情况下，该扭转甚至可能在累积的能量释放时导致螺栓反向旋转或“反冲”，这出于显而易见的原因是非期望的。

因此，存在着对能够克服现有技术中的前述局限的改进型螺栓装置的需求。具体地，螺栓的制造和安装应当是容易的和便宜的，其不需要在顶部线下方延伸的大铸造件。螺栓也将是可张紧的以便一旦安装后就挤压相邻的地层并为该地层提供牢固的、可靠的支承，而且以后在需求出现时可再张紧。

发明内容

根据本发明的第一方面，公开了一种用于安装在钻凿孔中的装置，该钻凿孔形成在矿井通道中与线缆相关联的面内。该装置包括用于紧固至线缆并具有下端部的细长套管，该下端部具有适于容纳螺纹柄的钻孔。沿着套管的下端部的外周部分的多个平面形成适于在安装期间与钻凿孔附近的地层接合的角部。

在一个实施方式中，钻孔延伸穿过套管并且包括用于与线缆的过大部接合的过小部。优选地，在钻孔内设置树脂以用于将线缆连接至套管。树脂可以包围过大部，并且可以通过位于套管中与钻孔连通的横向通道注入。

在另一更具体的实施方式中，多个平面设置成向外周部提供形成正多边形(并且最优选地，用于与地层接合的具有六个角部的六边形)的横截面。此外，角部中的至少两个间隔开比钻凿孔的直径更大的距离。角部由此抵抗套管在钻凿孔内的旋转。

根据本发明的另一方面，公开了一种用于安装在钻凿孔中的装置，该钻凿孔具有在矿井通道的面内形成的直径。该装置包括用于延伸到钻凿孔内的细长线缆，所述线缆具有过大部。套管包括用于容纳线缆的过大部的钻孔和用于将线缆紧固至套管的树脂。

在一个实施方式中，套管的外周部包括多个平面。优选地，平面向套管的外周部提供形成正多边形的横截面。最优选地，横截面是六边形的样式。在更具体的实施方式中，钻孔包括内螺纹部，该内螺纹部用于容纳承载有张紧螺母的螺纹柄，并且树脂将线缆的过大部保持在钻孔内。

根据本发明的又一方面，公开了一种形成螺栓装置的方法，该螺栓装置用于插入到形成于矿井通道中的钻凿孔内。该方法包括将线缆的过大部插入到套管的钻孔内并且利用树脂将线缆的过大部紧固在套管内。结果，树脂在张紧期间将线缆的过大部牢固地保持在套管内。

该方法还可以包括将线缆的过大部紧贴靠在钻孔的过小部上的步骤。紧固步骤可以包括将两种组分的树脂注入到线缆的过大部附近的钻孔内。该方法还可以包括将螺纹柄插入到套管内的步骤。

根据本发明的又一方面，公开了一种将缆螺栓安装在形成于矿井通道中的钻凿孔内的方法。该方法包括将线缆紧固至具有相对于钻凿孔的过大部的套管上、以及将线缆和套管紧固在钻凿孔内。该方法还包括将螺纹柄插入到形成于套管中的内钻孔内。

该方法还可以包括通过使张紧螺母沿着螺纹柄前行而张紧螺栓的步骤。套管的过大部可以包括产生角部的多个平面，在该情况下，紧固步骤包括将套管的过大部插入到钻凿孔内。紧固步骤还可以包括将树脂提供到钻凿孔中的线缆周围。紧固步骤可以包括使用树脂将线缆的过大部紧固至套管。

从下面的描述中，本发明的这些和其它的方面对于本领域的技术人员来说将变得显而易见，其中，只是作为示例示出了最适于实现本发明的模式中的一个的优选实施方式。如其将被实现的，本发明能够具有其它不同的实施方式，并且其若干细节能够在多个明显的方面进行修改而全都未偏离本发明。因此，附图和说明在本质上认为是示例性的而非限制性的。

附图说明

并入到说明书中并形成说明书的一部分的附图示出了本发明的若干个方面，并且与说明描述一起用于解释本发明的某些原理。在附图中：

图1是形成本发明的一个方面的缆螺栓装置的侧视图；

图2a、2b和2c是形成图1的缆螺栓装置的一部分的套管的侧视横截面图、仰视图和俯视图；

图3是套管-线缆界面的局部剖面侧视横截面图；

图3a是沿图3的线3a-3a截取的横截面图；

图3b是沿图3的线3b-3b截取的横截面图；

图4是部分插入到矿井通道中的钻凿孔内的缆螺栓装置的侧视示意图；

图5是类似于图4的侧视示意图，但是示出了整个套管都插入到钻凿孔内；

图5a是沿图5的线5a-5a截取的局部横截面仰视图；以及

图6是示出了完全安装在钻凿孔内的缆螺栓装置的侧视示意图。

现在将对本发明的优选实施方式进行详细地参照，在附图中示出了该优选实施方式的一个示例。

具体实施方式

现在对图1进行参照，其示出了可张紧缆螺栓装置的一个实施方式、或简称为螺栓10。如所示出的螺栓10意在安装在矿井通道的面F、例如顶部中，该面F具有形成于其中的钻凿孔H(见图4至6)。虽然螺栓10和相关的安装方法被描述成用于增强和维持由邻近的地层S(或者根据具体情况为多个地层)限定的矿井顶部——在其中竖直地形成有钻凿孔H(见图4至6)——但是应当理解的是本发明可以应用于支承通道的其它面中的任何一个(例如，侧壁)或者不同类型的地质结构而没有限制。

如示出的，螺栓10优选的是包括一段多股的、柔性金属线缆12的细长结构。线缆12适于配合到钻凿孔H内，同时留有用于容纳树脂或灌浆G的环带A，该树脂或灌浆G用于将线缆12紧固在合适的位置(见图4至6)。线缆12可以是任一常规的类型，例如通过围绕中心线螺旋缠绕多根绞股线制成的。

线缆12还包括至少一个、优选的为多个扩大部或过大部。在图1的实施方式中，扩大部或过大部示出为包括形成于线缆12中的“球状”锚栓或“鸟笼”12a，例如以在美国专利Nos.5,344,256、Nos.6,820,657和国际申请公开No.WO/2005012691(它们的全部公开内容在此通过参考的方式并入)中所描述的方式形成。但是，可以替代地使用其它用于使线缆12的一部分扩大的技术，包括通过使用用于容纳一些或全部绞线股的套管或者提供“螺母罩”等。使线缆12的一部分扩大的具体方式被认为对于本发明的实践而言是不重要的。

线缆12的远端部还可以包括容置部12b。如在本领域中已知的，该容置部12b可以锻压在线缆12上，从而限定有翼部12c。因此，容置部12b不仅用于容纳形成线缆12的绞线股的端部并保持这些端部在一起，而且借助于翼部12c在螺栓10的安装期间帮助在钻凿孔H内混合未固化的树脂或灌浆G。

在第一端、下端处，线缆12紧固到套管14上。现在转向图2a至2c，更详细地示出了形成本发明的一个方面的套管14的一个实施方式。具体地，套管14优选地由具有细长本体14a的单件材料(例如金属铸件)形成，该细长本体14a具有内通道或钻孔14b。该钻孔14b开口在套管14的两个端部，并且至少沿着第一端、或下端车有内螺纹以用于容纳螺纹柄16的对应端。钻孔14b还包括在第二端、或上端附近的过小部或“缩小”部14c。

套管14还包括具有多个平直面或平面14d的外周部，该多个平直面或平面14d一起产生角部14e。具体地，每一对相邻的平面14d沿着套管14的第一端或下端相遇并且形成角部14e。优选地，至少设置五个平面14d，从而产生五个角部14e。在最优选的实施方式中，设置了六个平面14d，从而为套管14的该部分提供了大致六边形的横截面(图2b和图2c)。但是，可能的是设置更多或更少的平面14d，从而将导致横截面的对应变化(例如，三个平面将构成三角形、四个平面将构成正方形、八个平面将构成八边形等)。

图2b和2c示出了当套管14设置有形成正多边形的横截面时，任意两个相对的平面14d间的距离D₁优选地小于套管14将要插入到其中的钻凿孔H的直径M。但是，相对的角部14e间的距离D₂优选地至少等于或略大于钻凿孔H的直径。正如在查看随后的描述将更好理解的，这些角部14e在如此间隔开时为套管14提供了过大尺寸的下部，该过大尺寸的下部在一旦被放置到钻凿孔H中以及在随后的张紧期间帮助螺栓10抵抗旋转。

现在转向图3a至3c，公开了根据优选实施方式的将线缆12连接至套管14的一个方式。套管14套在线缆12上前行直到沿近端部的扩大部或过大部(例如，球状体12a)容纳在钻孔14b中(并且优选地紧贴成与过小部或缩小部14c接合，该过小部或缩小部14c具有比线缆12的过大部小的直径)。螺纹柄16然后可以与钻孔14b的开口端以钻孔的相对开口端因线缆12的存在而基本封闭的方式关联。

在线缆12处于该位置的同时，将树脂22从源头注入到钻孔14b的包括有线缆12的过大部、或者在示出的实施方式中为球状体12a的部分中。优选地，树脂22通过位于套管14中并与钻孔14b连通的横向通道或管槽14f(也见图2)注入。但是，也可能的是在插入螺纹柄16前通过孔14b的开口端供应树脂22。

用于将线缆12连接至套管14的树脂22可以是具有两个组分的品种、包括聚酯组分和催化剂糊，其在混合时在数秒钟内固化和硬化(有时在行话中称为“灌浆”)。用于该目的的树脂22从而可以与用于使线缆12锚定的树脂相似或相同，但是优选地具有更高的粘度以确保其一旦被注入就保持在孔14b内。用于该目的的合适的树脂可以从米诺华国际有限公司获得。

无论所使用的树脂的准确类型或注入的方式为何、并且如通过察看图3a和图3b而可能最好理解的，树脂22包围线缆12。具体地，树脂22渗入到球状体12a内——如果存在，包围每一单独的线(见图3a的横截面图)——并且与钻孔14b的相邻部分内的任何内螺纹关联。随着固化和硬化，树脂22由此用于形成水泥状粘结剂，其不但将线缆12以很可靠的和很牢固的方式连接至套管14，而且抵抗任何的相对旋转。虽然螺纹柄16由于树脂22的存在而不能在钻孔14b内前行，但是在必要或需要时可以以非破坏性的方式移除或替换该柄。

现在对图4至6的渐进视图进行参照，虽然图4至6未按比例绘制，但是示意性地示出了图1的螺栓10安装在钻凿孔H中的方式。具体地，线缆12的远端部穿过钻凿孔H的开口O插入，该钻凿孔H优选地形成为具有与套管14的多个平面14d之间的距离D₁(例如，对于1.375英寸直径的钻凿孔来说距离D₁为1.375英寸，从而获得大约1.6英寸的相对的角对角距离D₂)相配的直径M。钻凿孔H还优选地具有比螺栓10略大的深度、例如大至少一英寸并可能更多。

利用与螺栓安装机(未示出)关联的提升吊杆或类似的结构，具有线缆12的螺栓10前行到钻凿孔H内，从而至少使套管14的下端保持与相邻面F间隔分开并且使包括平面14d的部分仍然未进入到开口O内。虽然图4示出了套管14部分地插入到钻凿孔H内，但是可以在线缆12前行时一开始将整个套管14保持在钻凿孔H外。为了防止线缆12缠绕或悬挂在钻凿孔H内，该前行优选地以较慢的、受控制的方式进行。

一旦螺栓10以该方式部分地插入，就将未固化树脂或灌浆G提供到线缆12的至少一部分附近的关联环带A中(见图5和图6)。最优选地，提供未固化树脂或灌浆G从而使其至少占据螺栓10的尾部或远端部附近的环带A、以及在钻凿孔H的上部内的环带A。虽然可以例如借助于注射从远距离的源头提供该未固化树脂，但是其最优选的是以易碎筒(未示出)或行话中的树脂“腊肠”的形式进行供应。

在使用该类型筒的情况下，其通常预安装在钻凿孔H内并在线缆12的插入期间破裂，从而导致快速固化树脂占据周围的钻凿孔H。该灌浆G或树脂也经常包括两种材料(例如，聚酯树脂和催化剂)，这两种材料只在筒破裂时接触和反应。随着充分地混合，例如通过钻凿孔H内的线缆12的旋转(利用提供混合辅助功能的任意关联结构)，树脂或灌浆G然后快速地硬化。硬化产品因此用于将线缆12牢固地保持在钻凿孔H内，并且使生成的螺栓10能够经受张紧并抵抗在纵向方向上的运动。

在混合后、但在树脂或灌浆G完全硬化(再次地，取决于所使用的具体成分，其可能只需数秒钟)前，螺栓10在钻凿孔H内进一步前行，例如通过使用关联螺栓连接器的提升吊杆(图5)。这导致形成套管14的过大部的角部14e与邻近的地层S接合(图5a)并且基本上在其中形成凹槽。由于这些角部14e和关联平面14d，螺栓10牢固地和可靠地抵抗在钻凿孔H内的旋转，并且也产生坚固的密封从而使树脂或灌浆G不能渗漏并且不能接触螺纹柄16(包括在钻凿孔内的任何部分)。一旦树脂凝结或固化(在完成混合后，这通常只需数秒钟)，螺栓10就因此牢固地保持在钻凿孔H内并且也抵抗轴向或纵向方向上的运动。

螺栓10然后经受张紧以导致平板P接合面F并且压迫地层(图6)。在示出的实施方式中，该张紧涉及到旋转并且因此使与螺纹柄16关联的张紧螺母18前行。该操作可以完成直到任意的关联接合硬件、例如平板P与面F牢固地接合(这通常将需要不到一个完整的转动)。施加适量的扭矩(例如，250至275ft/lb)来确保螺栓10的完全张紧以及以期望的方式对地层的挤压和锚定。

许多优点因此可以从上述的螺栓10及相关的安装技术的使用中呈现。首先，缆螺栓10在以该方式安装时所具有的抵抗在孔H内的非期望扭转的能力消除了普遍存在于现有技术的配置中的有害的虚假张紧和反冲。因此产生了更可靠的安装，其中，安装者知道已经根据顶部控制计划施加了适当量的张力以便实现期望的地层压缩。

其次，对完全插入到钻凿孔H中的套管14和分开的螺纹柄16的组合使用消除了对于从矿井面F、例如顶部线中伸出的大铸造件或组件(例如，见Robertson，Jr.的美国专利Nos.6,637,980和Seegmiller的美国专利Nos.6,626,610)的需求。这在顶部由于较低的矿层高度而较小的情况下可能特别重要。将螺纹柄16从形成于套管14的下端中的钻孔14b内、包括钻凿孔H内移除的能力也认为是期望的，因为这允许为了具体的应用、并且特别是那些需要或期望低矮外形的应用而对螺栓10进行改型或定制。

再次、而且可能是最重要的，螺栓10在初始安装后是可再张紧的。具体地，柄16的螺纹位于树脂锚定区域外，并且套管14在向螺母18施加扭矩期间阻止线缆12旋转或扭转。因此，可以在初始安装后的数周，数月或者甚至数年内再次施加张紧力。这具有显著的优点，特别是在无意中碰撞到平板P、存在着随后在地层中的收缩或偏移、或者顶部的一部分直接脱离的情况下。

除套管14内的扩大部或过大部外，从图1中应当了解，可以沿线缆12的整个长度设置其它的扩大部。这可以以任何已知的方式、包括在以上参照的‘256和‘657专利中所描述的那些方式实现。最优选地，在线缆12以所描述的方式联接至套管14后进行任意的扩大操作。

前面已经出于示出和描述的目的展示了对本发明的实施方式的描述。其并不意在穷举或将本发明限制于所公开的确切样式。按照上述的教导，明显的修改或变型是可能的。例如，虽然使用树脂22将线缆12紧固至或连接至套管14是优选的，但是可以替代地使用锻压或螺纹接头，因为这能够配合截头圆锥表面(例如位于附接至线缆12的轭圈上并且沿着形成于套管14中的钻孔14b)。本实施方式被选择和被描述以便提供对本发明的原理及其实际应用的最佳说明，从而使本领域的普通技术人员能够利用多个实施方式中的本发明和适合于设想的特定用途的各种变型。所有这些修改和变型都在本发明的范围内。

Claims (24)

1.一种用于安装在形成于地层中的钻凿孔内的装置，所述地层产生矿井通道与线缆相关联的面，所述装置包括：

细长套管，所述细长套管用于容纳和紧固所述线缆的一端，所述套管具有：下端部，所述下端部包括适于容纳螺纹柄的内钻孔；和沿着外周部的多个平面，所述多个平面形成适于在将所述下端部安装在所述钻凿孔期间与所述地层接合的角部。

2.如权利要求1中所述的装置，其中，所述钻孔贯穿所述套管延伸并且包括用于与所述线缆的过大部接合的过小部。

3.如权利要求1或2中所述的装置，还包括位于所述钻孔内的用于将所述线缆连接至所述套管的树脂。

4.如权利要求1或2中所述的装置，其中，所述套管包括用于将所述树脂注入到所述钻孔内的横向通道。

5.如权利要求1中所述的装置，其中，所述多个平面设置成向所述外周部提供形成正多边形的横截面。

6.如权利要求5中所述的装置，其中，所述角部中的至少两个间隔开比所述钻凿孔的直径更大的距离。

7.一种用于安装在钻凿孔中的装置，所述钻凿孔具有在矿井通道的面中形成的直径，包括：

细长线缆，所述细长线缆用于延伸到所述钻凿孔内，所述线缆具有过大部；和

套管，所述套管具有用于容纳所述线缆的所述过大部的钻孔和用于将所述线缆紧固至所述套管的树脂。

8.如权利要求7中所述的装置，其中，所述套管的外周部包括多个平面。

9.如权利要求8中所述的装置，其中，所述平面向所述套管的所述外周部提供形成正多边形的横截面。

10.如权利要求7，8或9中所述的装置，其中，所述钻孔包括内螺纹部，所述内螺纹部用于容纳承载有张紧螺母的螺纹柄。

11.如权利要求7中所述的装置，其中，所述树脂将所述线缆的所述过大部保持在所述孔内。

12.一种形成螺栓装置的方法，所述螺栓装置用于插入到形成于矿井通道中的钻凿孔内，包括：

将线缆的过大部插入到套管的钻孔内；和

将所述线缆的所述过大部紧固在所述套管内，包括通过使用树脂；

其中，所述树脂在固化或硬化时在张紧期间将所述线缆的所述过大部牢固地保持在所述套管内。

13.如权利要求12中所述的方法，还包括将所述线缆的所述过大部紧贴靠在所述钻孔的过小部上的步骤。

14.如权利要求12或13中所述的方法，其中，所述紧固步骤包括将两种组分的树脂注入到所述线缆的所述过大部附近的所述钻孔内。

15.如权利要求12中所述的方法，还包括将螺纹柄插入到所述套管内的步骤。

16.一种将缆螺栓安装在形成于矿井通道中的钻凿孔内的方法，包括：

将线缆紧固到套管上，所述套管具有相对于所述钻凿孔的过大部；

将所述线缆和所述套管以所述过大部与邻近地层接合的方式紧固在所述钻凿孔内；以及

将螺纹柄插入到形成于所述套管中的内钻孔内。

17.如权利要求16中所述的方法，还包括通过使张紧螺母沿着所述螺纹柄前行而张紧所述螺栓的步骤。

18.如权利要求16或17中所述的方法，其中，所述套管的所述过大部包括产生角部的多个平面，并且所述紧固步骤包括将所述套管的所述过大部插入到所述钻凿孔内。

19.如权利要求16或17中所述的方法，其中，所述紧固步骤包括对位于所述钻凿孔中的所述线缆进行灌浆。

20.如权利要求16或17中所述的方法，其中，所述紧固步骤包括使用灌浆液或树脂将所述线缆的所述过大部紧固至所述套管。

21.如权利要求7中所述的装置，其中，所述线缆的所述过大部限定有内腔室。

22.如权利要求21中所述的装置，其中，所述树脂穿透所述内腔室。

23.一种形成螺栓装置的方法，所述螺栓装置用于插入到形成于矿井通道中的钻凿孔内，所述方法包括：

将线缆的过大部设置在套管的钻孔内；

将树脂运送至所述钻孔，所述钻孔包括所述线缆的所述过大部；以及

在所述运送步骤后，将所述套管插入到所述钻凿孔内。

24.如权利要求23中所述的方法，还包括利用所述钻凿孔内的所述套管张紧所述螺栓装置的步骤。

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