CN1046785C - 岩栓 - Google Patents
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Abstract
一种适于由水泥或化学树脂锚锚栓于岩层中孔内的岩栓(1)。该岩栓(1)包含芯体(5)，其上有齿廓，用于优化岩栓(1)的载荷传递特性和刚性，齿廓包含相对侧面(6)，一侧面或两侧面(6)包含至少二个级面(9、11)，第一级面(9)比第二级面(11)陡。
Description
本发明涉及一种岩栓，它适于由诸如水泥浆或化学树脂薄浆(以下称为薄浆)锚栓于岩层上钻的孔内。
这里所用的术语“岩栓系统”可理解为包括上述结构。
岩栓系统用于在多种情况下稳定岩层，例如地下和表面矿井、隧道中和采掘时，岩栓在矿业和土木工程工业都被广为接受。
在某一特定应用中，岩栓系统的目的就是要向岩层破裂部分施加紧固或约束作用，以控制破裂部分的变形并提高破裂部分的强度。换句话说，岩栓系统的目的就是要使载荷(力)从岩层的破裂部分通过薄浆转移到岩栓，并承受该荷(力)。
岩栓系统的性能取决于从岩层向岩栓传递载荷(力)的效率。传递载荷的效率取决于下面两个参数：
(a)岩层/薄浆界面和薄浆/岩栓界面所能承受的最大剪应力(岩栓系统的“载荷传递”特性)
(b)产生剪应力的速率(岩栓系统的“刚度”性能)
本发明的一个目的就是要提供一种用于岩栓系统的岩栓，与基于公知岩栓的岩栓系统比较，优化了载荷传递特性，增加从岩层到岩栓载荷的传递效率，从而可使岩栓系统的性能改善。
根据本发明，提供一种适于通过水泥锚或化学树脂锚锚栓于岩层的孔内形成岩栓系统的岩栓，该岩栓包含一芯体，芯体上形成有用于优化岩栓系统载荷传递特性和刚性的齿廓，齿廓包括相对两侧面，一侧面或两侧面包括至少两个级面，第一级面比第二级面陡。
本发明基于这样的认识，对基于岩栓的岩栓系统的载荷传递特性和刚性有影响的岩栓的结构需求是多样的。本发明还基于这样的认识，就这些特性而论，岩栓系统的性能可以通过在岩栓上形成齿廓进行优化，至少在齿廓一侧面该岩栓有至少两个级面，其中一个级面(“第一级面”)用于优化刚性，另一个级面(“第二级面”)用于优化载荷传递特性。
优选的芯体为大致圆柱形。
关于岩栓的芯体这里所用的术语“大致圆柱形”理解为包括，但不局限于：(ⅰ)芯体是圆柱形的结构；(ⅱ)除去纵向延伸平面或凹槽外，芯体是圆柱形结构。
优选的岩栓包含一实心芯体。
优选的齿廓相对两则面汇交成一脊(ridge)或一尖顶(apex)。
这里所用与齿廓有关的术语“脊”或“尖顶”理解为齿廓汇交面的交线。
应该注意，尽管理论上汇交面的交线是一条线，但实际上所形成的交线可以是弧形的或稍稍扁平的。
优选齿廓两侧面都包含第一和第二级面。
另一结构中优选齿廓只有一侧面包含第一和第二级面。
优选齿廓的一个或多个级面是平面。
优选齿廓的一个或多个级面是曲面。
优选齿廓的第一级面从芯体延伸至第一级面和第二级面的交线。
优选第一级面与岩栓纵轴交角取值在40°至80°的范围内。
特别优选角度取值在45°至65°的范围内。
优选第二级面与岩栓纵轴交角取值在10°至40°的范围内。
特别优选角度取值在10°至30°的范围内。
在齿廓两侧面都包含第一和第二级面的情况，优选第一级面为平面，成40°至100°夹角。
特别优选平角取值在50°至90°的范围内。
更特别优选夹角取值在55°至75°的范围内。
此外，在这种结构中，优选第二级面为平面，成100°至160°夹角。
特别优选夹角取值在120°至160°的范围内。
优选第一级面与芯体交线间测得的齿廓总宽度取值在2mm至10mm的范围内。
优选齿廓第二级面宽度为齿廓总宽度为40％至85％。
特别优选齿廓第二级面宽度为齿廓总宽度的50％至80％。
优选齿廓的脊或尖顶和芯体间测得的齿廓高度取值在0.75mm至5mm的范围内。
特别优选齿廓高度取值在1mm至3mm的范围内。
一种优选结构中，优选齿廓为沿岩栓长度的一系列肋(rib)。
在只有齿廓一侧包含第一和第二级面的情况，优选齿廓沿栓长度重复，使第一和第二级面在每个肋同一侧。
另一种结构中，优选相邻肋成镜面映象，肋的第一和第二级面和相邻肋的第一和第二级面位于肋的相反侧。
优选肋的间距取值在5mm至20mm的范围内。
特别优选的间距取值在6mm至20mm的范围内。
优选肋形成一螺线。
该螺线可为：(a)连续的或断续的；
(b)左旋的或右旋的；
(c)单头的或多头的。
另一优选结构中，优选齿廓为环箍。
特别优选的多个环箍沿岩栓长度隔一定距离配置。
下面通过参照附图的例子对本发明作进一步描述，附图中：
图1是按照本发明岩栓优选实施例一长度段的平面图；
图2是沿图1中箭头A方向的端视图；
图3是图1中圆圈部分的放大视图；
图4是图1所示岩栓绕岩栓纵轴旋转90°后部分段平面图；
图5是按照本发明岩栓另一优选实施例一长度段的平面图；
图6是沿图5中箭头A方向的端视图；
图7是图5中圆圈部分的放大视图；
图8是图5所示岩栓绕岩栓纵轴转过90°后部分段的平面图；
图9是按照本发明岩栓另一优选实施例一长度段的平面图；
图10是沿图9中箭头A方向的端视图；
图11是图9中圆圈部分的放大视图；
图12是图9所示岩栓绕岩栓纵轴旋转90°后部分段的平面图；
图13是按照本发明岩栓另一优选实施例一长度段的平面图；
图14是沿图13中箭头A方向的端视图；
图15是图13中圆圈部分的加长放大视图；
图16是图13所示岩栓绕岩栓纵轴旋转90°后部分段的平面图；
图17与图3、7、11和15类似，是按照本发明岩栓另一优选实施例一长度段放大视图，图中详细示出了岩栓齿廓；
图18与图3、7、11、15和17类似，是按照本发明岩栓另一优选实施例一长度段的放大视图，图中详细示出了岩栓齿廓；
图19是申请人所做实验中检验的六种岩栓的每种沿长度方向的部分剖面；
图20是图19中所示六种岩栓每种的载荷-位移曲线图。
图中表示的本发明岩栓优选实施例特别适用于由水泥浆或化学树脂薄浆将岩栓固定于钻孔内的煤矿或金属矿，但不仅限于此。
参看图1至图4，图中所示岩栓1包括：
(a)一个具有相对的平面17的大致圆柱形芯体5；
(b)芯体5上的齿廓，该齿廓包含突出于芯体5的与岩栓1的横轴夹角为5°的单头右旋螺线3。
岩栓1可以用适当方法和适当材料制造。优选岩栓1用钢制造，螺线3通过热轧或适当冷成形工艺在岩栓1上形成。
当岩栓1由薄浆固定于钻孔内(未示出)时，为使岩栓1与螺母(未示出)配合以拧紧岩栓1，岩栓1可在一端带有一普通螺纹(未示出)。在已制造的岩栓1端部没加工普通螺纹的情况下，可以随后在岩栓1上冷成形或机加工出普通螺纹。
图1至4所示岩栓1优选实施例中螺线3包含相对侧面，全用数字6表示，它们汇交成脊或尖顶7。
此外，螺线3的每个侧面6包含第一平面级面9以优化基于岩栓1的岩栓系统的刚性，以及第二平面级面11以优化基于岩栓1的岩栓系统的载荷传递特性。
第一级面9比第二级面11陡。在图1至图4所示优选实施例中，第一级面9所成夹角为60°，第二级面11所成夹角为140°。
第一级面9、第二级面11的尺寸可按需要选择，只要在功能性目的方面可以有效地优化刚性和载荷传递特性。
实际上，螺线3具有多级齿廓，以通过薄浆控制岩层和岩栓1间的应力分布来控制从岩层到岩栓1的载荷传递。更具体地说，形成多级齿廓是为了通过改善薄浆的强度和改善薄浆/岩层界面和薄浆/岩栓界面的载荷传递来增强岩栓1内的载荷生成。
岩栓1可以有任何适当的尺寸。当用于煤矿或金属矿时，优选岩栓1根部直径为12mm至44mm，岩层中的钻孔(未示出)的环向间隙为1mm至5mm，一般为2mm。
下面是根部直径为28mm的图1至图4所示特别优选岩栓的尺寸和特征：
尺寸和特征 优选形式齿廓总高度(芯体5至脊或尖项7) 2.0mm芯体5至第一级面9、第二级面11交线间的齿廓高度 1.27mm齿廓顶部宽度(第二级面11总宽度) 4.0 mm齿廓底部宽度(第一级面9、第二级面11总宽度) 5.47mm齿距 9.5mm螺距(相邻螺线间距离) 4.03mm芯体直径 28.0mm外径 32.0mm第一级面9间夹角 60°第二级面11间夹角 140°
图5至图8所示岩栓1优选实施例与图1至图4所示优选实施例除了几点微小差别外都相同。两种优选实施例的差别概括如下：
(a)图5至图8所示岩栓1包含一双头右旋螺线3(与图1至图4所示岩栓1的单头螺线不同)；
(b)图5至图8所示岩栓1各螺线3的第一级面9间夹角为80°(而不是60°)；
(c)图5至图8所示岩栓1中螺线3与横轴夹角为10°(而不是5°)。
图9至图12所示岩栓优选实施例中螺线3的齿廓与图5至图8实施例齿廓相同，只是螺线3宽度比图5至图8所示优选实施例中螺线宽度窄。具体请参照图11。
图13至图16所示岩栓优选实施例与图1至图4所示相同，只有几处微小区别。两种优选实施例的区别概括如下：
(a)图13至图16所示岩栓中螺线3与横轴夹角为7°(与图1至图4所示岩栓中的5°不同)；
(b)芯体5为圆柱形(与图1至图4所示岩栓1中带有平面17的圆柱芯体5不同)。
在图17和18所示岩栓优选实施例中，只有螺线3一个侧面6包含第一级面9和第二级面11，另一侧面6包含一个较陡面31。
在图17实施例的情况下，螺线齿廓沿岩栓1长度重复。在图18实施例的情况下，螺线3的相邻肋成镜面映像。
申请人实验发现，包括如图1至18所示多级齿廓岩栓1的岩栓系统和基于传统岩栓的岩栓系统相比性能好得多。
如上所述，岩栓系统的性能取决于通过薄浆从岩层到岩栓传递载荷的效率，效率本身又取决于岩栓系统的载荷传递特性和刚性。
岩栓系统的最佳理论性能可定义为岩栓迅速产生期望水平的载荷并保持该载荷尽可能长久的能力。申请人实验发现，通过在岩栓上形成多级齿廓，基于岩栓的岩栓系统可达到最佳理论性能。就此而论，虽然岩栓系统载荷传递特性和刚性与岩栓齿廓有关，但中请人所做的实验表明，通过将齿廓分为不连续的级面，即第一级面9和第二级面11，有可能使岩栓性能达到最佳。
请参照图19，申请人的实验是在图1至4所示类型试样岩栓1(图14中螺线A)、图1至4所示岩栓1的变形(螺线D)以及其它四种试样岩栓(螺线B、C、E、F)上进行的，其中一种是广泛应用的岩栓(螺线F)。
申请人的实验包括一短暂灌封推力试验，用于检测载荷传递机理，不存在现场试验中的不定因素。该试验最大优点是能测出峰值载荷传递特性，而不受试样屈服限制。与现场试验比较，该试验还能更准确地测量系统刚度。
该试验包括用树脂将70mm试样岩栓嵌入具有内(螺纹)表面的金属圆柱体内，以防止圆柱体/树脂界面上的过早断裂。树脂固化后，在应变控制下试样岩栓通过树脂被推出，记录整个载荷/位移历程。在图20一张图中示出了图19所示试样岩栓(螺线A至F)的载荷/位移历程。
由图20可清楚地看出按照本发明的岩栓(螺线A和D)工作性能大大优于其它四种岩栓，特别是优于广泛应用的岩栓(螺线F)。
在不背离本发明精神和范围情况下，可对参照附图描述的优选实施例作很多修改。
关于这一点，虽然本发明岩栓1的每个优选实施例都包含一两级齿廓，它的第一级面9比第二级面11陡，但容易看出，本发明不仅限于此，可扩展至有两个级面以上齿廓的岩栓。
此外，虽然本发明岩栓1的每个优选实施例包含第一平面级面9和第二平面级面11，但容易看出，本发明不限于此，只要形状和尺寸可有效地优化刚性或载荷特性，第一级面9和第二级面11可以是任何适当的形状，如曲面。
此外，虽然图1至12所示本发明岩栓1的每个优选实施例包含一带有相对平面17的圆柱芯体5，而图13至16所示每种实施例包含一不带平面17的圆柱芯体5，但容易看出，本发明不限于此，可扩展至任何适当形状芯体5，如卵形或椭圆形芯体5。
Claims (29)
1．一种岩栓，适于由水泥锚或化学树脂锚锚栓于岩层的孔内形成一岩栓系统，其特征在于，该岩栓包含一其上带有用于优化岩栓系统载荷传递特性和刚性的齿廓的芯体，所述的齿廓包括相对侧面，一例或两侧面包括至少两个级面，第一级面比第二级面陡。
2．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，所述的芯体大致为圆柱形。
3．如权利要求1或2所述的岩栓，其特征在于，所述的芯体为实心的。
4．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，所述的相对侧面汇交成一脊或尖顶。
5．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，所述的齿廓的两侧面都包含所述的第一级面和所述的第二级面。
6．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，只有所述的齿廓的一侧面包含所述的第一级面和第二级面。
7．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，所述的齿廓级面中的一个或多个面是平面。
8．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，所述的齿廓级面中的一个或多个面是曲面。
9．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，所述的第一级面从所述的芯体延伸至所述的第一级面和所述的第二级面的交线。
10．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，第一级面与岩栓纵轴交角取值在40°至80°的范围内。
11．如权利要求10所述的岩栓，其特征在于，所述的交角取值在45°至65°的范围内。
12．如权利要求10或11所述的岩栓，所述的第二级面与岩栓纵轴交角取值在10°至40°的范围内。
13．如权利要求12所述的岩栓，其特征在于，所述的交角取值在10°至30°的范围内。
14．如权利要求5所述的岩栓，其特征在于，所述的第一级面为平面，夹角取值在40°至100°的范围内。
15．如权利要求14所述的岩栓，其特征在于，所述的夹角取值在50°至90°的范围内。
16．如权利要求15所述的岩栓，其特征在于，所述的夹角取值在55°至75°的范围内。
17．如权利要求5所述的岩栓，其特征在于，所述的第二级面为平面，夹角取值在100°至160°的范围内。
18．如权利要求17所述的岩栓，其特征在于，所述的夹角取值在120°至160°的范围内。
19．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，所述的第一级面与芯体的交线间测得的齿廓总宽度取值在2mm至10mm的范围内。
20．如权利要求19所述的岩栓，其特征在于，所述的齿廓第二级面总宽度占齿廓总宽度的40％至85％。
21．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，所述的齿廓高度取值在0.75mm至5mm的范围内。
22．如权利要求21所述的岩栓，其特征在于，所述的齿廓高度取值在1mm至3mm的范围内。
23．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，所述的齿廓为一系列肋。
24．如权利要求23所述的岩栓，其特征在于，肋间距取值在5mm至20mm的范围内。
25．如权利要求24所述的岩栓，其特征在于，所述的肋间距取值在6mm至12mm的范围内。
26．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，所述的肋形成一螺线。
27．如权利要求26所述的岩栓，其特征在于，所述的螺线为；
(a)连续或不连续的；
(b)左旋或右旋的；
(c)单头或多头的。
28．如权利要求1所述的岩栓，其特征在于，所述的齿廓为环箍。
29．如权利要求28所述的岩栓，包括多个沿岩栓长度隔开一定距离的环箍。
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