CN104769219A - 岩石锚定系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下岩石锚定系统，其包括岩石锚杆、支承板以及紧固构件，该岩石锚杆具有可操作地设置在钻入顶壁中的细长的直线型孔中的锚杆轴，以致锚杆轴的端部从该孔中突出，锚杆轴具有侧壁，该侧壁限定沿锚杆轴的至少部分长度延伸的中空内腔，该支承板适用于套在锚杆轴的突出的端部上，以用于支承抵住顶壁的岩石表面，并且该紧固构件用于拉紧支承板抵住顶壁的岩石表面。本发明还涉及其中使用这种系统的岩石锚定方法。

Description

岩石锚定系统和方法

本发明涉及岩石锚定方法。特别地，本发明涉及一种在地下环境中使用的岩石锚定系统。

本发明的背景

可以通过竖井或斜井来接近足以支持地下采矿操作的可采品位的矿体。为了进一步方便接近矿体，从竖井或斜井水平地挖出被称为平巷的水平掘进，而通常平行于平巷挖掘采场。

当工人在地下时，即，当站在采场中或站在不同的平巷上的同时底壁在他的脚下并且顶壁悬于他的上方时，采矿操作安全要求适当的措施必须到位，以保持挖掘区域的稳定并且防止地面朝工人坍塌。过去，已衍生出了试图解决这种需求的多种方法和设备，其中的一种是锚定锚杆或所谓的“岩石锚杆”，其形成岩石锚定系统的一部分。岩石锚定系统将负荷从顶壁的不稳定的外部传递到包围顶壁的、岩体的封闭的并且更稳定的内部。因此，岩石锚杆不仅广泛地被用于稳定斜坡或平巷，还提供锚碇和栓系位置。

已知的是，可以通过机械构件和/或形成凝固的环氧树脂剂来将岩石锚定系统固定在岩体的内部中。如此，孔被钻入顶壁中，以便容纳岩石锚杆的锚杆轴。当使用环氧树脂时，树脂灌浆产生的粘合优于例如由水泥灌浆产生的粘合。树脂灌浆的快速凝固因此是必要的，以容许在将锚杆轴安装到其中具有环氧树脂灌浆的钻孔中之后的几分钟内向岩层传递负荷。

普通的岩石锚定系统通常包括具有锚杆轴的岩石锚杆，当轴的主要部分被设置在钻孔中时，岩石锚杆的螺纹部从顶壁的岩石表面突出；套在锚杆轴上的支承板/垫圈；以及被螺纹连接到锚杆/轴的螺纹部上的螺母。螺母支承抵住支承板，该支撑板相应地支承抵住顶壁的岩石表面。

在一些例子中，钻入顶壁中的钻孔长达三米。因此，需要三米或更长的锚杆轴来装配到这些孔中且从中突出。锚杆轴进一步由固态金属或金属合金制造，并且因此具有相当大的重量，这阻碍了工人在平巷或采场中移动或携带岩石锚杆的能力。

现有的岩石锚定系统的进一步的问题是，尤其是在岩石爆破作业发生在附近时，这些系统趋向于从它们在顶壁中的设置位置处松开。

如此，有利的是引入一种岩石锚定系统，其具有容许工人等人在地下环境中轻松地搬运的特征。同样有利的是引入一种岩石锚定系统，其具有提高在包围顶壁的岩体中的这种系统的锚杆轴的拉应力的特征或提高在环氧树脂剂中的锚杆轴的拉应力的特征。

本发明的概述

根据本发明，提供了一种地下岩石锚定系统，其包括岩石锚杆，该岩石锚杆具有锚杆轴，该锚杆轴操作地设置在钻入顶壁中的细长的直线型孔中，以致锚杆轴的端部从该孔中突出，锚杆轴具有侧壁，该侧壁限定沿锚杆轴的至少部分长度延伸的中空内腔，支承板适用于套在锚杆轴的突出的端部上，以用于支承抵住顶壁的岩石表面；以及紧固构件，其用于拉紧支承板抵住顶壁的岩石表面。

在本发明的实施方式中，侧壁包括设置在其外部表面上的至少一个表面凹凸部，以提高侧壁和可操作地设置于孔中的树脂灌浆之间的拉应力。

至少一个表面凹凸部可为单一结构，并且与侧壁一体成型，例如，如随着其沿侧壁的长度延伸而被形成在侧壁中并且螺旋形地围绕侧壁延伸的细长的槽。可选地，可通过旋锻或扭转侧壁来形成表面凹凸部。

可选地或另外，至少一个表面凹凸部可通过设置在侧壁的光滑外部表面上的突起形成构件来成形。突起形成构件可为螺旋形地设置在外部表面上的金属片的隔开的细长条。可选地，突起形成构件包括以等距地分隔布置设置在外部表面上的多个球块。

应理解的是，侧壁通常包括金属管。

锚杆轴可进一步包括近端和远端，近端限定了以尖锐的尖头为终点的斜切的边缘，以用于刺穿可操作地设置于顶壁中的孔中的树脂灌浆包。

远端也可包括可操作为连接到大致中空的锚杆轴延长件的接合构件的连接构件，以便可操作地将延长件的近端连接到锚杆轴的远端，从而延长锚杆轴的长度。

岩石锚定系统进一步包括拉紧部件形式的紧固构件，在使用中，拉紧部件可操作为匹配地接合到且被摩擦安装到延长件的底壁面对端或连接构件。

拉紧部件可包括具有螺纹阳部的帽螺钉，以用于拧入延长件的底壁面对端的互补的螺纹阴部中或拧入连接构件中。可选地，拉紧部件包括具有螺纹阴部的螺母，以用于拧入延长件的底壁面对端的互补的螺纹阳部中或拧入连接构件中。

紧固构件可进一步包括扭矩指示部件，当由于抵住支承板紧固紧固构件而使得适量的扭矩被施加于锚杆轴时，扭矩指示部件可见地碎裂。在这种情况下，扭矩指示部件通常是垫圈的形式，在使用中，在被挤压在支承板的底壁面对表面和帽螺钉的头部之间之前，垫圈在帽螺钉的螺纹阳部上滑动。

可选地，扭矩指示部件是剪切销的形式，其位于锚杆轴或者锚杆轴延长件中，当由于抵住支承板紧固紧固构件而使得适量的扭矩被施加于锚杆轴或锚杆轴延长件时，剪切销断裂。

另外，本发明将锚杆轴和锚杆轴延长件设置为具有用于关闭中空内腔的入口的端帽。

本发明还涉及一种地下环境中将负荷从顶壁的不稳定的外部传递到包围顶壁的、岩体的封闭的且更稳定的内部的方法，该方法包括：

将包含树脂灌浆的包设置于钻入顶壁中的细长的孔中；

使用可旋转的装置将本文所述的岩石锚定系统的大致中空的锚杆轴设置在孔中，该锚杆轴包括尖锐的尖头；

迫使尖锐的尖头刺穿包含树脂灌浆的包；

旋转锚杆轴以混合树脂灌浆，直到树脂灌浆凝固在钻孔的内壁和形成在锚杆轴的外表面上的表面凹凸部之间；

将大致中空的锚杆轴延长件连接到锚杆轴；

将支承板设置在延长件上；以及

将包括扭矩指示部件的紧固构件紧固到延长件且使其抵住支承板，扭矩指示部件被配置为在由于紧固紧固装置而使得适量的扭矩被施加于锚杆轴时可见地碎裂或断裂。

附图简要说明

现在参考所附非限制性的图解的附图以举例的方式来描述本发明的实施方式。在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施方式的地下岩石锚定系统的三维分解视图；

图2示出了设置在顶壁中的钻孔中的、图1的系统的岩石锚杆的侧剖视图；

图3示出了根据本发明的进一步的实施方式的地下岩石锚定系统的三维分解视图；

图4示出了设置在顶壁中的钻孔中的、图3的系统的岩石锚杆的侧剖视图；并且

图5示出了说明根据本发明的进一步的实施方式的岩石锚定方法的侧剖视图。

附图详细说明

提出本说明是为了提供被认为是本发明的原理和概念方面最有用且最容易理解的说明。在这方面，并未试图以比对于本发明的基础理解所需的更多的细节示出本发明的结构细节，通过附图和说明一起使得可以如何在实践中实施本发明的多种形式中的至少一些形式对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

参考图1和图2，附图标记10主要表示根据本发明的岩石锚定系统。岩石锚定系统10包括岩石锚杆11，岩石锚杆11是长锚定锚杆，其用于在地下环境中，例如，如在采矿环境中稳定岩石掘进。

参考图2，岩石锚杆11可设置在位于岩石掘进的顶壁4中的细长的直线型钻孔2中。在岩石锚杆11被合适地设置之后，使用环氧树脂灌浆(未示出)来帮助将岩石锚杆11设置于孔2中。因此，岩石锚杆11，随之，岩石锚定系统10，被固定在靠近包围顶壁4的外岩石表面8的、岩体的封闭的且更坚硬的内部6的位置。

如图1所示，岩石锚定系统10由细长的锚杆轴12构成，该锚杆轴12是基本上中空的并且可操作地设置于孔2中。系统10还包括基本上平面的支承板14，其具有正方形轮廓并且适用于通过使锚杆轴12穿过孔17来装配在锚杆轴12上。在使用中，如图2所示，支承板14支承抵住外岩石表面8。系统10进一步包括紧固构件16，其用于拉紧支承板14抵住顶壁4的岩石表面8。

如所示，锚杆轴12通常地、但是非必须地为任何合适长度的管状形式，并且优选地由诸如软钢的金属制造或由金属合金制造。锚杆轴12的侧壁18具有大约32mm的外部直径，并且限定了设置有表面凹凸部22.1的外部表面20。表面凹凸部22.1具体地设置为提高轴的侧壁18和孔2中的树脂灌浆之间的拉应力。

图1示出了金属片的隔开的细长条形式的表面凹凸部22.1，其足够柔韧，以容许表面凹凸部22.1螺旋形地设置或者缠绕在壁18的外部表面20上。随着金属片的条22.1围绕轴12被纵向地缠绕并固定，外部表面20的被称作沟26的区域保持可见。另一方面，与沟26相比，金属片的条22.1缠绕壁18以覆盖外表面20的部分的区域可被看作脊。如此，当金属片的条22.1被设置在外部表面20上时，金属片的条22.1起到突起形成构件或脊形成构件的作用。设想到的是，金属片的条22.1可被焊接或摩擦焊接到侧壁18上。

尽管附图未示出，但是应理解的是任何数量的表面凹凸部都可设置在外部表面20上。应进一步理解的是，在本发明的另一实施方式中，表面凹凸部或凹凸部可与侧壁18一体成型。例如，设想到的是，可通过纵向延伸的螺旋槽来形成表面凹凸部，以便限定填充开槽的区域之间的间隙的脊，例如，通过旋煅或扭转轴的侧壁18来设置该纵向延伸的螺旋槽。通常，将对于侧壁设置沿着轴的长度全部被等距地分隔的数个槽。

参考图3和图4，其示出了根据本发明的进一步实施方式的岩石锚定系统100，蚀刻的沟槽形式的表面凹凸部22.2被设置在外部表面220上。外部表面220不仅设置有蚀刻的沟槽22.2，而且还设置有被等距地分隔的多个球块或凸起22.3的形式的突起形成构件或表面凹凸部，该多个球块或凸起22.3通常被焊接在表面220上。这些表面凹凸部22.1、22.2和22.3被证明使得锚杆轴12、112更稳固地被保持在孔2中。

分别如图1和图2以及如图3和图4所示，每个锚杆轴12、112都具有近端13、113和远端15、115。

在图3和图4中，近端113被示出为包括尖锐的尖头160，以用于刺穿可操作地设置于顶壁的孔2中的树脂灌浆包162。尖头160形成了锥形的或斜切的边缘164的终点。

进一步，分别如图1和图2以及如图3和图4所示，每个锚杆轴12、112的远端15、115都包括连接构件28、128，连接构件28、128可操作地连接到大致中空的锚杆轴延长件30、130的接合构件32、132。如所示，接合构件32、132设置于延长件30、130的近端19、119。接合构件32、132分别是螺纹阳部件和螺纹阴部件的形式，其适用于匹配地拧入分别为互补成形的螺纹阳部和螺纹阴部的形式的连接构件28、128中，以便可操作地将延长件30、130的近端19、119连接到锚杆轴12、112的远端15、115，从而延长锚杆轴12、112的有效长度。

同样设想到的是，在本发明的其他实施方式中，诸如在钻孔长度小于1m的情况下，不具有延长件30、130的锚杆轴12、112可被使用于系统10、100中。在其他多数情况下，钻孔长度决定是否需要一个或多个延长件30、130，以将其接合到锚杆轴12、112且装配到孔2。锚杆轴12、112和延长件30、130通常为类似长度，但他们的长度也可以不同。设想到的是，锚杆轴12、112和延长件30、130的长度范围可在大约0.4m到大约1.8m之间。在顶壁8相对靠近底壁的情况下，例如，如相距1.5m的情况下，并且在顶壁的内部6中钻入了相对较深的孔2的情况下，锚杆轴12、112连接到一个或多个延长件30、130的可连接性是尤为有用的。在这种情况下，因为普通的锚杆仅容许有限的灵活性所以不能被使用。

进一步，图1和图3分别示出了具有拉紧部件40、140的紧固构件16、116，在使用中，该拉紧部件40、140可操作为匹配地接合到且被摩擦装配到延长件30、130的底壁面对端21、121。

在图1所示的实施方式中，拉紧部件40是具有螺纹阳部44的帽螺钉，以用于拧入阴部件46的互补的螺纹部48中，该阴部件被内部地固定于且设置于由靠近底壁面对端21的侧壁18所限定的中空内腔35中。

在图3所示的实施方式中，拉紧部件140是螺母，其具有螺纹阴部141，以用于拧入延长件130的底壁面对端121的互补的螺纹阳部或螺栓中。另一方面，如果钻孔长度决定不需要延长件130，则拉紧部件140被使用为直接匹配地接合于且被摩擦装配于连接构件128。

紧固构件16、116进一步包括扭矩指示部件50、150。

在图1中，扭矩指示部件50是垫圈的形式，当由于抵住支承板14紧固紧固构件16而使得适量的扭矩被施加于锚杆轴12时，垫圈可见地碎裂。在使用中，在被挤压在支承板14的底壁面对表面52和帽螺钉40的头部之间之前，垫圈50在螺纹阳部44上滑动。

图3中，扭矩指示部件150是剪切销的形式，其至少部分地设置在锚杆轴延长件130中，或者如果不需要延长组件130(未示出)则部分地设置在锚杆轴112中。剪切销150还横向地延伸穿过螺母140。根据剪切销150的极限强度特征，即，根据其在断裂之前可承受的最大应力而具体挑选剪切销150。因此，当由于抵住支承板114紧固紧固构件116而使得适量的扭矩被施加于锚杆轴112时，销150的断裂表示锚定系统100被正确的固定于包围顶壁4的外岩石表面8的岩体的内部6。因此，在使用中，底壁面对端121的螺纹阳部或螺栓被部分地拧入延长件130的中空内腔135中，该延长件130具有长度比设置在螺栓上的螺纹的长度更短的、在底壁面对端121附近的内螺纹部(未示出)。应理解的是，由于在剪切销150将螺母140连接到螺栓的同时旋转螺母140，因此当销150断裂并且螺栓将垫圈固定以抵住支承板114并且将其自身锁定于此位置时，螺栓被旋入延长件130的中空内腔135中，直到到达延长件130的内螺纹部的端部。

配置为关闭细长的锚杆轴12、112的相对的端部的端帽冒(未示出)还可被设置为确保不会有不需要的材料进入锚杆轴12、112的或延长件30、130的中空内腔35、135。

如附图的图5所示，本发明还涉及一种在地下环境中将负荷从顶壁4的不稳定的外部传递到包围顶壁4的、岩体的封闭的且更稳定的内部6的方法200。

方法200包括将包含树脂灌浆的包162设置在钻入顶壁4中的细长的孔2中。随后，使用钻孔机(未示出)将本文所述的岩石锚定系统100的大致中空的锚杆轴112设置于孔2中，该锚杆轴包括尖锐的端部160。下一步包括迫使尖锐的端部160刺穿包含树脂灌浆的包162。随后是通常通过钻孔机来进行的锚杆轴112的旋转，以混合从包162中释放的树脂灌浆，直到灌浆凝固在钻孔的内壁和被形成在锚杆轴112的外表面上的表面凹凸部22.2和22.3之间。进一步，在支承板114被设置到延长件130上之前，大致中空的锚杆轴延长件130被连接到锚杆轴。最后，方法200包括将包括扭矩指示部件150的紧固构件116紧固于延长件130并且抵住支承板114，扭矩指示部件150被配置为在由于紧固紧固装置16而使得适量的扭矩被施加于锚杆轴112时断裂。

申请人认为，方法200或使用地下岩石锚定系统10、100来替代不是大致中空的传统系统将减少出现在平巷和采场中的氨气气体的浓度，该气体由在钻孔2中过度使用环氧树脂而产生。当地下环境中需要岩石锚定时，结合了树脂灌浆包的放置、刺穿以及树脂灌浆的凝固的方法200与岩石锚定系统10、100的安装一起还容许工人等人以比在此之前已知的速度更快的速度操作。

申请人还认为，本发明提供了一种具有提高的拉应力能力的简单的、灵活的地下岩石锚定系统。

Claims (17)

1.一种地下岩石锚定系统，其包括岩石锚杆、支承板以及紧固构件，该岩石锚杆具有锚杆轴，该锚杆轴可操作地设置在钻入顶壁中的细长的直线型孔中，以致锚杆轴的端部从该孔中突出，锚杆轴具有侧壁，该侧壁限定沿锚杆轴的至少部分长度延伸的中空内腔，该支承板适用于套在锚杆轴的突出的端部上，以用于支承抵住顶壁的岩石表面，并且该紧固构件用于拉紧支承板抵住顶壁的岩石表面。

2.根据权利要求1所述的岩石锚定系统，其中，侧壁包括设置在其外部表面的至少一个表面凹凸部，以提高侧壁和树脂灌浆之间的拉应力。

3.根据权利要求2所述的岩石锚定系统，其中，至少一个表面凹凸部为单一结构，并且与侧壁一体成型。

4.根据权利要求2所述的岩石锚定系统，其中，至少一个表面凹凸部通过设置在侧壁的外部表面上的突起形成构件来成形。

5.根据权利要求4所述的岩石锚定系统，其中，突起形成构件为螺旋形地设置在外部表面上的金属片的隔开的细长条。

6.根据权利要求4所述的岩石锚定系统，其中，突起形成构件包括以等距地分隔布置设置在外部表面上的多个球块。

7.根据前述权利要求中的任意一项所述的岩石锚定系统，其中，侧壁包括金属管。

8.根据权利要求2所述的岩石锚定系统，其中，锚杆轴包括近端和远端，近端限定了以尖锐的尖头为终点的斜切的边缘，以用于刺穿可操作地设置于顶壁中的孔中的树脂灌浆包。

9.根据权利要求8所述的岩石锚定系统，其中，远端包括可操作为连接到大致中空的锚杆轴延长件的接合构件的连接构件，以便可操作地将延长件的近端连接到锚杆轴的远端，从而延长锚杆轴的长度。

10.根据权利要求8或9所述的岩石锚定系统，其包括拉紧部件形式的紧固构件，在使用中，该拉紧部件可操作为匹配地接合到且被摩擦装配到延长件的底壁面对端或连接构件。

11.根据权利要求10所述的岩石锚定系统，其中，拉紧部件包括具有螺纹阳部的帽螺钉，以用于拧入延长件的底壁面对端的互补的螺纹阴部中或拧入连接构件中。

12.根据权利要求10所述的岩石锚定系统，其中，拉紧部件包括具有螺纹阴部的螺母，以用于拧入延长件的底壁面对端的互补的螺纹阳部中或拧入连接构件中。

13.根据权利要求1所述的岩石锚定系统，其中，紧固构件包括扭矩指示部件，当由于抵住支承板紧固紧固构件而使得适量的扭矩被施加于锚杆轴时，扭矩指示部件可见地碎裂。

14.根据权利要求11所述的岩石锚定系统，其中，扭矩指示部件是垫圈的形式，在使用中，在被挤压在支承板的底壁面对表面和帽螺钉的头部之间之前，垫圈在帽螺钉的螺纹阳部上滑动。

15.根据权利要求12所述的岩石锚定系统，其中，扭矩指示部件是剪切销的形式，当由于抵住支承板紧固紧固构件而使得适量的扭矩被施加于锚杆轴时，剪切销断裂。

16.根据权利要求9所述的岩石锚定系统，其中，锚杆轴和锚杆轴延长件具有用于关闭中空内腔的入口的端帽。

17.一种在地下环境中将负荷从顶壁的不稳定的外部传递到包围顶壁的、岩体的封闭的且更稳定的内部的方法，该方法包括：

将包含树脂灌浆的包设置于钻入顶壁中的细长的孔中；

使用可旋转的装置将权利要求9至16中的任何一项所述的岩石锚定系统的大致中空的锚杆轴设置在孔中，该锚杆轴包括尖锐的尖头；

迫使尖锐的尖头刺穿包含树脂灌浆的包；

旋转锚杆轴以混合树脂灌浆，直到树脂灌浆凝固在钻孔的内壁和形成在锚杆轴的外表面上的表面凹凸部之间；

将大致中空的锚杆轴延长件连接到锚杆轴；

将支承板设置在延长件上；以及

将包括扭矩指示部件的紧固构件紧固到延长件且使其抵住支承板，扭矩指示部件被配置为在由于紧固紧固装置而使得适量的扭矩被施加于锚杆轴时可见地碎裂或断裂。