CN103967418A - 扩孔钻头及锚杆的锚固方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锚网支护领域，提供一种扩孔钻头，包括壳套、导杆以及开孔钻头，所述壳套的前端设有导杆孔，所述导杆插设在所述导杆孔中，所述导杆与所述导杆孔键连接，在所述壳套的外壁上开设有刀片槽，所述刀片槽的前端延伸至所述导杆孔的后端的内部，所述刀片槽中设有扩孔刀片，所述扩孔刀片铰接于所述刀片槽的后端，所述导杆的后端和所述扩孔刀片的前端的内侧的截面呈楔形；所述开孔钻头安装在所述导杆的前端；所述壳套的后端设有连接螺纹，用于连接钻杆。本发明在现有锚杆的锚固的基础上，使用发明扩孔钻头在初始孔段的内部切削出某一长度的直径大于初始孔段的扩展孔段，对锚杆外围粘接的锚固剂形成轴向支撑，提高了锚杆的锚固强度。

Description

扩孔钻头及锚杆的锚固方法

技术领域

本发明涉及锚网支护领域，特别涉及一种扩孔钻头及锚杆的锚固方法。

背景技术

锚网支护是煤矿巷道安全高效的主要支护方式，在我国煤矿巷道中得到大面积推广应用。锚网支护是将锚杆或锚索的一端锚固于岩体内，并在岩体外部对锚杆施加轴向预紧力，约束巷道围岩的变形离层、碎胀与滑移错动。

现有锚网支护施工中，锚杆的锚固过程一般为：首先使用与锚杆直径相匹配的钻头，在锚杆安装位置的岩体上打设直径统一的锚固孔，向锚固孔内注入一定深度的锚固剂，将锚杆推入锚固孔中。锚固剂搅拌后固化，并在锚固孔底部一定长度范围内将锚杆与围岩孔壁粘结，形成锚固段。

采用常规工艺施工的锚杆，锚固孔的直径统一，无变径特征，锚杆承受轴向拉力时，锚杆与锚固剂之间的粘合较为紧密，但锚固剂与锚固孔之间形成沿锚固孔轴向的剪应力，其粘结面处提供的剪应力足以克服锚杆轴向拉应力时，才能保证锚杆始终处于有效支护工作状态。但是，由于一些岩体的岩层松软，如煤系地层，大量巷道围岩松软，此类巷道采用常规工艺进行锚网支护时，锚杆安装锚固孔的孔壁强度不足，锚固剂与孔壁之间的粘结面，容易在剪应力作用下发生破坏，使锚固杆从粘结的围岩孔壁中脱离，导致锚固力下降，甚至使锚杆支护失效。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有的锚固孔的直径统一，无变径特征，锚杆与锚固孔之间的锚固效果差。

(二)技术方案

一种扩孔钻头，其特征在于，包括壳套、导杆以及开孔钻头，所述壳套的前端设有导杆孔，所述导杆插设在所述导杆孔中，所述导杆与所述导杆孔键连接，在所述壳套的外壁上开设有刀片槽，所述刀片槽的前端延伸至所述导杆孔的后端的内部，所述刀片槽中设有扩孔刀片，所述扩孔刀片铰接于所述刀片槽的后端，所述导杆的后端和/或所述扩孔刀片的前端的内侧的截面呈楔形；所述开孔钻头安装在所述导杆的前端；所述壳套的后端设有连接螺纹，用于连接钻杆。

优选的，所述导杆孔的内壁设有键槽，所述导杆的外壁设有滑键，所述导杆通过所述滑键与所述键槽的配合滑动插设在所述导杆孔中。

优选的，所述键槽的前端设有封堵环，所述封堵环的内径小于所述滑键的外径。

优选的，在所述导杆孔中并位于所述键槽的后方设有弹簧槽，在所述导杆上并位于所述滑键的后方套设有弹簧，所述弹簧的两端分别抵在所述滑键的后侧壁和所述弹簧槽的后侧壁上。

优选的，在所述壳套的外壁上周向开设有环形槽，所述环形槽位于所述刀片槽长度方向的中前部；所述环形槽中设有弹性卡环，所述弹性卡环箍设在所述扩孔刀片的外围。

优选的，所述刀片槽为在所述壳套的周向分布的多个，每个刀片槽内分别设置一个扩孔刀片。

优选的，所述壳套的外侧壁上开设有多条平行于壳套轴线的沟槽，用于排出扩孔刀片和开孔钻头切削的岩粉。

一种锚杆的锚固方法，其包括以下步骤：

S1、使用直径与锚杆的直径相配合的钻头在被锚固岩体上开设初始孔段；

S2、采用上述任一项所述的扩孔钻头，在所述初始孔段的内部向岩体的深处开设孔径大于所述初始孔段的扩展孔段；

S3、向所述扩展孔段中装填锚固剂，所述锚固剂至少填满所述扩展孔段；

S4、将所述锚杆插入到所述初始孔段中，所述锚杆至少延伸至所述扩展孔段中，待所述锚固剂凝固后即完成锚杆的锚固。

优选的，步骤S2具体为：将所述扩孔钻头插入到所述初始孔段中，直至所述开孔钻头抵住所述初始孔段的孔底，所述开孔钻头向岩体的深部钻进，所述扩孔刀片径向展开并向前跟进，在初始孔段深部的岩体上切割出确定长度的扩展孔段。

优选的，所述初始孔段与所述扩展孔段的开设深度可调整。

(三)有益效果

本发明提供的一种扩孔钻头包括壳套、导杆以及开孔钻头，导杆插设在壳套的导杆孔中，开孔钻头设置在导杆的前端，使用时将导杆及开孔钻头插入初始孔段，当开孔钻头抵住初始孔段的底端时，继续推送扩孔钻头，导杆在推力的作用下向壳套中回缩，导杆的后端挤压铰接在壳套的刀片槽中的扩孔刀片，使扩孔刀片径向展开，从而通过钻机的带动在初始孔段的内部开设出一道直径大于初始孔段的扩展孔段，当锚固剂注入其中时能够形成阶梯状的环形台，增加了锚杆的轴向抗拉能力，提升了锚杆的锚固强度，且本发明的扩孔钻头结构简单，在初始孔段中开设扩展孔段的操作方便。

附图说明

图1是本发明实施例的一种扩孔钻头的半剖结构图。

图2是本发明实施例的壳套的半剖结构图。

图3是本发明实施例的导杆的结构图。

图4是本发明实施例的锚杆的锚固状态的示意图。

其中：1、壳套；11、导杆孔；12、刀片槽；13、键槽；14、连接螺纹；15、弹簧槽；16销轴孔；17、销轴；18、环形槽；19、封堵槽；2、导杆；21、滑键；22、钻头孔；3、扩孔刀片；4、弹簧；5、弹性卡环；6、封堵环；a、岩体；b、锚杆；c、初始孔段；d、扩展孔段；e、锚固剂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1、图2和图3，本发明实施例提供的一种扩孔钻头，包括壳套1、导杆2以及开孔钻头(图中未示出)，壳套1的前端设有导杆孔11，导杆孔11自壳套1的前端向其内部延伸，导杆孔11的内壁设有键槽13，键槽13位于导杆孔11的中部。在壳套1的外壁上沿轴向方向开设有刀片槽12，刀片槽12的槽宽小于导杆孔11的直径，刀片槽12自壳套1的外壁向其内部延伸，刀片槽12的前端延伸至导杆孔11的后端的内部，即刀片槽12的前端与导杆孔11的后端有交集；刀片槽12中设有扩孔刀片3，刀片槽12的后端设有销轴孔16，扩孔刀片3的后端也设有轴孔，使扩孔刀片3通过销轴17铰接于刀片槽12的后端，扩孔刀片3能够以销轴17为轴在刀片槽12中向外扩展转动；导杆2的前端设有钻头孔22，钻头孔22具有内螺纹，相应的开孔钻头具有外螺纹，钻头孔22用于连接开孔钻头，壳套1的后端设有连接螺纹14，用于连接钻机。

导杆2的外壁设有滑键21，导杆2插设在导杆孔11中，导杆2通过其外壁的滑键21与导杆孔11中键槽13的配合而滑动插设在导杆孔11中，从而使导杆2既能够在导杆孔11中滑动，又能随壳套1一同绕轴线旋转。较佳的，导杆2上的滑键21为花键，导杆孔11中的键槽13为花键槽，花键与花键槽的键连接具有更强的周向抗剪切能力，在较大扭矩和频繁多次的使用中不易磨损。导杆2的后端和/或扩孔刀片3的前端的内侧的截面为楔形，较佳的，导杆2的后端与扩孔刀片3的前端的截面皆为楔形，扩孔刀片3的内侧搭设在导杆2的后端的外侧，当导杆2的前端受力而向后缩回时，导杆2的后端楔入到扩孔刀片3的内侧，由于扩孔刀片3的后端与刀片槽12的后端铰接，使得扩孔刀片3向外扩展。在导杆孔11中并位于键槽13的前方设置封堵槽19，封堵槽19中设置封堵环6，封堵环6的内径大于导杆2的直径并小于滑键21的几何外径，从而将导杆2上的滑键21限制在键槽13后方的导杆孔11中，并且，导杆孔11的深度应满足：当导杆2的后端插入至导杆孔11的后端侧壁时，导杆2上的滑键21不从导杆孔11中的键槽13上脱离。

本发明实施例的锚杆的锚固过程包括以下步骤：S1、使用直径与锚杆的直径相配合的钻头在岩体上开设初始孔段；S2、使用上述本发明实施例所述的扩孔钻头对初始孔段的内部进行扩孔，将扩孔钻头插入到步骤S1中所述的初始孔段中，直至扩孔钻头前端的开孔钻头抵住初始孔段的孔底，使钻机运转并继续向初始孔段中推送扩孔钻头，导杆2的前端由于受到阻力而向壳套1中回缩，弹簧槽15内的弹簧4被压缩，导杆2的后端楔入到扩孔刀片3的内侧，使扩孔刀片3径向展开，扩孔刀片3在向外扩展的同时，也会随壳套1相对于初始孔段轴向插入，在初始孔段深部的岩体上切削出一道直径大于初始孔段的扩展孔段，扩展孔段与其外侧的初始孔段的衔接处形成环形台，与此同时，开孔钻头也会将初始孔段开设得更深，待初始孔段和扩展孔段的长度达到预期目标时，将扩孔钻头向后撤回，导杆2会因为其前端开孔钻头与岩体之间的摩擦力以及导杆2的后端受到来自扩孔刀片3的挤压力而从壳套1中伸出，扩孔刀片3因受到初始孔段侧壁的挤压而向刀片槽12中转动，直至导杆2尾端全部从导杆孔11中退出时，扩孔刀片3全部缩回壳套1内，钻头复位，由此将扩孔钻头从钻孔中拔出。S2、向扩展孔段中注入锚固剂，锚固剂至少应填满所述扩展孔段；S3、将锚杆插入到初始孔段中，锚杆至少应延伸至扩展孔段中。由于锚固剂为粘稠胶体，锚杆周围的锚固剂会延展为扩展孔段和初始孔段的形状，此时使用钻机绕锚杆轴线转动锚杆，对锚固剂进行搅拌，待锚固剂凝固后，锚杆周围的锚固剂在扩展孔段和扩展孔段外侧的初始孔段衔接处形成阶梯状，当锚杆受到向外的拉力时，锚杆周围的锚固剂与锚杆充分粘合，锚固剂不仅与初始孔段和扩展孔段粘合，同时扩展孔段与其外侧的初始孔段之间的环形台还能够对阶梯状的锚固剂形成轴向的支撑，从而大大的提高了锚杆的锚固效果。根据岩体的类型，可适当的调整初始孔段和扩展孔段的开设深度，如岩体的表层松软，可适当延长初始孔段，使初始孔段开设进入较为硬质的岩体中，则初始孔段与扩展孔段之间的环形台由硬质的岩体构成，提升了其支撑能力；当需要较大的锚固力时，可适当延长扩展孔段的长度，或同时延长初始孔段和扩展孔段，以增大锚固剂与锚杆之间，以及锚固剂与岩体之间的粘合，同时初始孔段与扩展孔段之间的环形台也具有更强的支撑能力；当岩体质地较坚固时，可适当减小初始孔段与扩展孔段的开设深度，在达到良好的锚固效果的同时尽量降低操作人员的劳动强度。

较佳的，在导杆孔11中设置弹簧槽15，弹簧槽15位于键槽13的后侧，直径大于键槽13，在导杆2上并位于滑键21的后侧套设弹簧4，弹簧4的直径小于键槽13的直径，当导杆2插入导杆孔11中时，弹簧4的前端抵在导杆2上的滑键21的后侧壁上，弹簧4的另一端抵在弹簧槽15的后侧壁上，使弹簧4夹设在滑键21的后侧壁与弹簧槽15的后侧壁之间。当扩孔钻头从钻孔中拔出时，由于弹簧4的弹力作用，能够使导杆2更容易从导杆孔11中伸出。

较佳的，刀片槽12为多个，在导杆2上圆周分布，扩孔刀片3为多个，设置在多个刀片槽12中，多个刀片槽12分别延伸至导杆孔11的后端的内部，多个扩孔刀片3分别搭设在导杆2的后端的外围，导杆2的后端和多个扩孔刀片3前端的内侧皆为楔形，当导杆2的前端受力而向壳套1中缩回时，导杆2的后端楔入到各个扩孔刀片3的内侧，使各个扩孔刀片3径向展开。当扩孔刀片3在初始孔段中进行扩孔时，多个扩孔刀片3同时展开对初始孔段底部的侧壁进行切削，提高了扩孔效率，也相对减小了单个扩孔切片的磨损，同时由于多个扩孔刀片3在壳套1上圆周布设，使扩孔钻头在旋转的过程中径向受力均匀，不发生摆动，使操作更加平稳。刀片槽12优选为在壳套1周向相对设置的两个，两个刀片槽12形成一贯穿壳套1的通槽，两扩孔刀片3分别设置在通槽的两侧。在扩孔的操作中，两周向相对设置的扩孔刀片3同样能够使扩孔钻头在径向上受力平衡，使操作更加平稳，能在一定程度上提高扩孔的效率、减小对单个扩孔刀片3的磨损，并且通槽的结构简单，容易加工。

较佳的，在壳套1的外壁的周向上开设有环形槽18，环形槽18开设在刀片槽12的中前部，环形槽18横向贯穿刀片槽12。在刀片槽12中部设置弹性卡环5，弹性卡环5沉设在环形槽18中，不高出壳套1的外表面，从而不影响扩孔钻头插入到初始孔段中，弹性卡环5箍设在扩孔刀片3的外围，能够将扩孔刀片3弹性箍设在刀片槽12中。当扩孔钻头从初始孔段中抽离时，由于弹性卡环5的束缚，能够使扩孔刀片3更容易地转回刀片槽12中，并且，在扩孔钻头插入初始孔段的操作中，或在扩孔钻头闲置不用时，弹性卡环5能够将扩孔刀片3箍设在刀片槽12中，扩孔刀片3不会因自身的重力作用而从刀片槽12中转出，插入初始孔段前，不必另通过手动将扩孔刀片3转动回刀片槽12中。较佳的，在扩孔刀片3的外侧设置凹槽，弹性卡环5能够卡设在扩孔刀片3的凹槽中，使弹性卡环5能够更好地箍设在扩孔刀片3的外围。

较佳的，在所述壳套1的外侧壁上开设有多条平行于壳套1轴线的沟槽7，用于排出扩孔刀片3和开孔钻头所切削的岩体粉末。

本发明实施例锚杆的锚固过程：

如图4，根据岩体的类型，确定初始孔段c的预计开设深度及扩展孔段d的预计开设长度，首先使用直径与锚杆b的直径相匹配的钻头在岩体a上开设初始孔段c，将钻杆前端的钻头换下，将本发明实施例的扩孔钻头，通过壳套后端的连接螺纹连接到钻机的钻杆上，将开孔钻头安装在导杆的前端，然后将扩孔钻头插入到初始孔段c中，直至扩孔钻头前端的开孔钻头触碰到初始孔段c的孔底，继续将扩孔钻头向初始孔段c中推送，同时启动钻机，通过导杆上的滑键与导杆孔中键槽的传动配合，导杆随壳套一同转动，在向初始孔段c中推送扩孔钻头的过程中，导杆的前端受力而向导杆孔中缩回，导杆的楔形后端楔入到扩孔刀片的内侧，由于扩孔刀片的后端通过销轴铰接于刀片槽的后端，扩孔刀片会向外旋转而展开，扩孔刀片在逐渐向外展开和随壳套转动的过程中，扩孔刀片对扩展孔段d的岩体形成切削，在此过程中，导杆前方的开孔钻头也沿初始孔段c更深方向的岩体开孔，扩孔刀片相对于初始孔段c轴向深入切削，在初始孔段c的孔底附近内部的侧壁上及初始孔段更深方向的岩体内切削出一段扩展孔段d，扩展孔段d与其外侧的初始孔段c之间形成环形台，直至初始孔段c的开设深度和所开设的扩展孔段d的长度达到预设长度，停止钻机的运转，将扩孔钻头向外撤出，由于弹簧对导杆上的滑键的推力作用，以及扩孔刀片外围的弹性卡环通过扩孔刀片对导杆后端的挤压，使导杆更容易地从导杆孔中伸出，由于导杆的楔形后端从扩孔刀片的前端的内侧抽离，扩孔刀片在弹性卡环的作用下转动回刀片槽中，将扩孔钻头从初始孔段c中抽出。

由于锚固剂一般为袋装，一般通过锚杆将锚固剂顶入锚固孔中，再通过锚杆扎破袋装的锚固剂，进而锚固剂将锚杆与锚固孔粘合。本实施例中，锚固剂e应填满所述扩展孔段d，优选为溢出扩展孔段d，以保证扩展孔段与初始孔段之间的环形台能够对凝固后的锚固剂形成轴向支撑。再将锚杆b旋转搅动锚固剂e，促进锚固剂e的凝固，待锚固剂e凝固后，锚固剂e在扩展孔段d与扩展孔段d外侧的初始孔段c的衔接处形成阶梯状。当锚杆b受到向外的拉力时，锚杆b与锚固剂e之间能够紧密粘合，扩展孔段d与初始孔段c衔接处的环形台对锚杆b外围阶梯状的锚固剂e形成轴向支撑，相比现有的统一直径只靠锚固剂e粘合孔壁的锚固方法，其锚固强度大大提升，且使用本发明扩孔钻头的扩孔操作方便，扩孔效率高。另外，由于锚网的安装通常需要在岩体a上安装多跟锚杆，相应的需要打多个锚杆锚固钻孔，可先使用普通钻头在岩体a上按数量和位置开设直径统一的多个初始孔段c，再将本发明的锚固钻头装在钻机上，对多个初始孔段c进行逐一扩孔，避免了开孔与扩孔过程中频繁更换钻头的麻烦。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种扩孔钻头，其特征在于，包括壳套(1)、导杆(2)以及开孔钻头，所述壳套(1)的前端设有导杆孔(11)，所述导杆(2)插设在所述导杆孔(11)中，所述导杆(2)与所述导杆孔(11)键连接，在所述壳套(1)的外壁上开设有刀片槽(12)，所述刀片槽(12)的前端延伸至所述导杆孔(11)的后端的内部，所述刀片槽(12)中设有扩孔刀片(3)，所述扩孔刀片(3)铰接于所述刀片槽(12)的后端，所述导杆(2)的后端和/或所述扩孔刀片(3)的前端的内侧的截面呈楔形；所述开孔钻头安装在所述导杆(2)的前端；所述壳套(1)的后端设有连接螺纹(14)，用于连接钻杆。

2.根据权利要求1所述的扩孔钻头，其特征在于，所述导杆孔(11)的内壁设有键槽(13)，所述导杆(2)的外壁设有滑键(21)，所述导杆(2)通过所述滑键(21)与所述键槽(13)的配合滑动插设在所述导杆孔(11)中。

3.根据权利要求2所述的扩孔钻头，其特征在于，所述键槽(13)的前端设有封堵环(6)，所述封堵环(6)的内径小于所述滑键(21)的外径。

4.根据权利要求2所述的扩孔钻头，其特征在于，在所述导杆孔(11)中并位于所述键槽(13)的后方设有弹簧槽(15)，在所述导杆(2)上并位于所述滑键(21)的后方套设有弹簧(4)，所述弹簧(4)的两端分别抵在所述滑键(21)的后侧壁和所述弹簧槽(15)的后侧壁上。

5.根据权利要求1所述的扩孔钻头，其特征在于，在所述壳套(1)的外壁上周向开设有环形槽(18)，所述环形槽(18)位于所述刀片槽(12)长度方向的中前部；所述环形槽(18)中设有弹性卡环(5)，所述弹性卡环(5)箍设在所述扩孔刀片(3)的外围。

6.根据权利要求1所述的扩孔钻头，其特征在于，所述刀片槽(12)为在所述壳套(1)的周向分布的多个，每个刀片槽(12)内分别设置一个扩孔刀片(3)。

7.根据权利要求1所述的扩孔钻头，其特征在于，所述壳套(1)的外侧壁上开设有多条平行于壳套轴线的沟槽(7)，用于排出扩孔刀片和开孔钻头切削的岩粉。

8.一种锚杆的锚固方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、使用直径与锚杆(b)的直径相配合的钻头在被锚固岩体(a)上开设初始孔段(c)；

S2、采用权利要求1-7任一项所述的扩孔钻头，在所述初始孔段(c)的内部向岩体的深处开设孔径大于所述初始孔段(c)的扩展孔段(d)；

S3、向所述扩展孔段(d)中装填锚固剂(e)，所述锚固剂(e)至少填满所述扩展孔段(d)；

S4、将所述锚杆(b)插入到所述初始孔段(c)中，所述锚杆(b)至少延伸至所述扩展孔段(d)中，待所述锚固剂凝固后即完成锚杆的锚固。

9.根据权利要求8所述的锚杆的锚固方法，其特征在于，步骤S2具体为：将所述扩孔钻头插入到所述初始孔段(c)中，直至所述开孔钻头抵住所述初始孔段(c)的孔底，所述开孔钻头向岩体(a)的深部钻进，所述扩孔刀片径向展开并向前跟进，在初始孔段(c)深部的岩体(a)上切割出确定长度的扩展孔段(d)。

10.根据权利要求8所述的锚杆的锚固方法，其特征在于，所述初始孔段(c)与所述扩展孔段(d)的开设深度可调整。