CN104956031B - 岩石锚杆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石锚杆(1)，包括至少一个细长主体(4)，在所述细长主体(4)的一端包括至少一个第一外部圆锥部分(16)，所述至少一个第一外部圆锥部分(16)穿入至少一个圆柱形可胀开主体(5)的至少一个孔(12)中，在所述孔(12)轴向上含所述孔的那部分的孔(12)包括一个内部圆锥部分(15)，所述内部圆锥部分(15)用于与所述细长构件的外部圆锥部分(16)配合；当所述细长主体(4)和所述可胀开主体(5)在一个方向上相对运动时，即可使所述可胀开主体在径向上胀开。所述细长主体(4)和所述可胀开主体(5)的相对轴向运动由至少一个张紧装置(7)提供，所述岩石锚杆包括至少一个楔形装置(2)，在使用岩石锚杆时，所述楔形装置(2)连接到可胀开主体(5)的孔(12)中并至少部分插在第一部分(17)和至少第二部分(18)之间。所述岩石锚杆进一步包括至少一个连接装置(21)。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求所述的一种岩石锚杆。
背景技术
在采矿、在岩石中建造隧道和其他地下设施过程中，存在需要对岩顶、岩壁等进行加固以防止坍塌或进行记录的问题。为阻止山体部分随着时间会塌方，人们已开发出多种不同类型的加固山体的装置和工艺。
这些装置中较为现代的例子是不同类型的吸力岩石锚杆等等。岩石锚杆优选包括一个插入在岩石上钻出的锚孔中的细长主体。在将细长锚杆引入到岩石上的锚孔中后，再使其相对孔壁胀开。通过使用这种结构可以预防岩顶、岩壁等坍塌。
尽管现有岩石锚杆降低了坍塌和类似事件的风险，但现有类型的岩石锚杆仍存在一些问题。由现有锚杆构成的一个问题是，连接到山体上通常会很耗费时间。例如，现有岩石锚杆和类似装置要求(待安装的采煤巷道)用水泥、高分子材料等任一一种包封材料进行锚固。这些工艺的缺点是，需要花费时间来制备、浇筑和凝固，并且/或者使用上述工艺还会对建筑工人有健康危害。有些类型的灌封胶还会对环境产生其他类型的不良影响。
在采矿过程中，使用岩石锚杆还存在进一步的问题。在采矿作业中，岩石的运动会不断变化。岩石的动态运动随着深度加大而增强。
使用与铸件和岩石连接的现有岩石锚杆，引起的问题只是一定程度的岩石动态运动。因此，需要有一种施工时要考虑岩石动态变化的岩石锚杆。
在采矿作业中，锚杆的安装和构成应尽可能采用这种合理的工艺和锚杆。因此，用机器来安装岩石锚杆是较可取的。这就要求岩石锚杆的结构适合于实现这种目的。之前大多数已知结构的岩石锚杆都有无法用机器高效安装的缺点。因此，需要一种能用机器进行有效安装的结构。
现有种类的岩石锚杆还有一个问题是，它由多个部件组成，这就意味着生产过程复杂，因此生产成本较高，购买价格也就昂贵。这种已知的岩石锚杆还会导致安装时需要多种不同类型的设备。
在有想要模制类型的岩石锚杆的岩石的钢筋处，一般使用所谓的凸轮岩石锚杆，即，像混凝土的钢筋一样，每段实心钢杆设置采用径向延伸的凸轮(肋/翅片)形式的咬合装置或锚，以较短的横向延伸。该岩石锚杆插在一岩石材料漏失井中。所述钻孔预先填满灌封材料，使得凸轮岩石锚杆在钻孔中用包封材料封闭。在钻孔口处，给凸轮岩石锚杆装上端头配件，端头配件通常为螺母或垫圈，上述配件应用在钻孔口四周的岩石材料区域上并且通过其能向装有端头配件的岩石锚杆施加一定程度的拉力。
有一种称作Kiruna的已知类型的锚杆，其区别特征是，它结合了凸轮岩石锚杆和在岩石中通过机械方式锚固的锚杆。上述锚杆用于注入钻孔中，并在径向上设置了在模制料中起到锚作用的延伸凸轮。上述Kiruna锚杆的前端进一步包括用在钻孔底部对锚杆进行机械锚固的端头紧固装置。在灌浆前，已有些偏置且承载一些荷载。
LKAB(瑞典卢基矿业公司)申请人的编号为SE5356927的专利公开了一种用于被模制在钻孔中的岩石锚杆的变体。所述结构在其前端部分包括机械式有效锚固装置，所述装置包括楔块，其结构的布置保证锚杆连接在一定程度上由扩大头锚杆支撑。所述结构进一步包括细长的中间部分，所述中间部分包括确定了避免与钻孔中模制料接触的中间段咬合装置的预定区域的屏障。所述结构存在一些缺陷，而且，还有需要花费时间安装的缺点。
申请人Neste OY的编号为EP0064362的专利描述了一种在其前端部分设置楔形结构的岩石锚杆变体。这种设计和本发明的结构有着本质上的不同。
编号为WO2006034208的专利描述了一种包括至少一个细长主体(比如杆体)的岩石锚杆变体。所述结构进一步包括至少一个用于将岩石锚杆锚固在岩石上的钻孔中的可胀开主体。所述结构进一步包括至少一个部分用于胀开所述主体也用于使岩石锚杆偏离岩石的夹紧装置。所述岩石锚杆包括至少一个第一锥体和至少一个第一楔形装置。上述专利所述的结构跟本申请所述的结构具有显著的不同。例如，根据该专利，缺少的结构是，用于使锚杆最初连接到钻孔上的可胀开楔形装置，以及之后当岩石锚杆偏离岩石时使锚杆在钻孔内胀开的第二可胀开楔形装置。编号为WO2006034208的专利中所述的结构更难安装机器，这意味着可能要手动安装。与根据本申请的、优选设计成用机器安装(安置)的结构对比，应能看出这一点。
该设计还有一个缺点是：包括对易受土壤等影响的螺纹。与根据本专利申请的发明相比，该结构效率较低。
根据编号为WO2006034208的专利所述的结构无法达到和本发明的结构同样的安全性，这是由该结构只包括一个使可胀开主体胀开的功能所致。
编号为WO2004001192的专利描述了由至少一个岩石锚杆组成的系统的变体。根据该专利所述的结构与根据本申请所述的结构具有显著的不同。比如，根据编号为WO2004001192的专利所述的结构很难机械化，因为这种设计可能需要使用包封材料将锚杆固定在山体上。
编号为US2007031196的专利描述了一种岩石锚杆的变体。该锚杆包括一个细长主体(在一个实施例中，该主体使用至少一个第一锥体)和使至少一个可胀开主体胀开的至少一个第二锥体。根据该专利所述的结构和根据本申请所述的结构具有显著的不同。该可胀开主体包括，例如，弹性材料(例如塑料材料)的可胀开主体，因此与根据本申请所述的岩石锚杆相比，该结构吸收力的能力大大减小。该结构进一步包括螺杆胀开器，与根据本发明申请所述的结构相比，所述螺杆胀开器易受锚孔中酯类物质的影响大大增大。
编号为US5185595的专利描述了一种用来测量岩石锚杆张力的装置的变体。该设计包括碟形弹簧，但根据该专利所述的设计在其他方面也与根据本申请所述的结构具有显著的不同。例如，该专利中没有描述与锚杆的其他设计有关的任何内容。另外，该设计还有一个重大的欠缺是，锚杆不是与钻孔壁平行地连接。此外，建造一个测量装置，会导致影响锚杆的力阻止该结构的机械装配(带测量装置的顶板锚杆)。
编号为DE8535263U1的专利描述了一种在锚杆端头包括楔块功能的锚栓变体。根据该专利所述的结构与根据本申请所述的结构具有显著的不同。例如，该结构只能对有限的荷载胀开，这就意味着它无法应付较高的荷载。
编号为US3179082的专利描述了一种用于插入岩石、混凝土等上的锚孔中的锚杆变体。该结构包括一个能显示作用在锚杆上的应力的显示器。根据该专利所述的结构与根据本申请所述的结构具有显著的不同。该弹簧结构进一步考虑到了锚杆破裂释放的冲击能。该结构还易受它与锚栓接头的钻孔试验的影响。根据该本专利所述的结构也不适用于机械装配用途。当缺乏本岩石锚杆的双功能时，该结构还会受岩石中的裂缝的影响。
编号为US2725843的专利描述了一种用于插入岩石等上的锚孔中的锚杆变体。该结构包括一个能显示作用在锚杆上的应力的显示器。根据该专利所述的结构与根据本申请所述的结构具有显著的不同。例如，根据该专利所述的结构缺乏可靠性。这种设计可能需要模制成实心才能具有可靠性。进一步包括结构压缩弹簧，这在发生破损时会很危险。该结构也是几乎无法用机器安装。
附图说明
以下参考附图对本发明进行详细说明。以下附图清单简要地说明了这些附图。
图1显示了本岩石锚杆的第一实施例。
图2A-2C显示了本岩石锚杆的楔块功能的原理。
图3A显示了在受压较小模式下的力指示功能。
图3B显示了在受压较大模式下的力吸收功能。
具体实施方式
以下参考附图对根据本发明所述的岩石锚杆进行更加详细的说明。所述岩石锚杆优选用于加固隧道、度假区等处的地下设施的顶板和墙壁。所述岩石锚杆用于插入在岩石等上钻出的锚孔中。优选地，所述岩石锚杆用于插入边眼中。除适合的环境和应用外，所述岩石锚杆也可用在其他环境或应用中。所述岩石锚杆还优选包括能够检测到岩石中的运动和/或影响岩石锚杆的力的功能。
具体来说，本岩石锚杆包括使至少部分锚杆在径向上胀开的至少第一功能和至少使部分锚杆在径向上胀开的至少第二功能。上述功能可通过不同的技术实现。但在示例性实施例中，所述第一功能通过第一楔形装置2实现。所述第二功能通过第二楔形装置3实现(在附图中，这种楔入作用通过内外圆锥体位置的相对改变实现)。
所述第一功能(楔形装置2)用于使至少部分岩石锚杆在径向上胀开，意在：在所述第二可胀开功能以相对较大的力(与第一功能相比)将所述锚杆锁定在岩石中前，以相对较小的力将锚杆定位并支承在山体上。
上述功能能够实现的原因是，所述岩石锚杆包括至少一个细长主体(拉杆)4或类似装置、至少一个第一可胀开体5、至少一个楔形部分6和至少一个张紧装置7，并且还优选包括一个用于显示锚杆中由岩石中运动引起的力的显示装置8。
所述细长主体4优选为细长的形状。所述细长主体4的一端9设有至少一个截面积递减的部分10，另一端11设有至少一个张紧装置7。所述部分10在节(所述杆在使用时指向锚孔底部的那部分)的一端的截面积较大，而在指向另一端(在使用时指向孔口的那端)的截面积较小。较佳实施例中横截面递减的那部分为圆锥形并形成一个锥体(外圆锥体)。在本专利申请的保护范围内，附图中圆锥形部分的角度可以有所不同。附图中对内外圆锥体的举例说明并不用于限制本发明的保护范围。在替代实施例中，所述部分可以采用有该用途的其他合适的形式。
可胀开主体5优选包括至少一个孔12(为导通的空间或其他类似形式)，所述孔在可胀开主体纵向上从可胀开主体5的一端13延伸到可胀开主体5的另一端14。所述孔12的尺寸与所述细长主体4和可胀开主体5的直径相适应。所述孔12的至少一部分包括一个内部圆锥形部分(内圆锥体)，所述内部圆锥形部分在一个轴向(在使用时指向锚孔底部的方向)上的直径较大，在另一个方向(指向锚孔口的方向)上的直径较小。
使可胀开主体5在径向上胀开的功能，例如，通过附图中所示的结构实现。
在附图中，显示了可胀开主体5的内部圆锥部分15和所述细长主体4的外部圆锥部分16。所述圆锥部分15在所述节的一端的直径较大，在顶着支架的另一方向上的直径逐渐减小。在替代实施例中，内部圆锥部分(圆锥体)15和外部圆锥部分16(圆锥体)可由具有三边、四边、五边甚至更多边的横截面的单元构成。在本专利申请的保护范围内，附图中圆锥形部分的角度可以有所不同。因此，附图中对锥形部分角度的举例说明并不用于限制本发明的保护范围。
可胀开主体5优选在横向上分为至少一个第一部分17和至少一个第二部分18。在所述第一部分和所述第二部分之间，形成在所述可胀开主体径向上至少一个第一中间空间26和至少一个第二中间空间，所述空间自所述通孔开始延伸并贯穿所述可胀开主体。
在最佳实施例中，可胀开主体包括至少一个第一部分(部分截面)17，至少一个第二部分(部分截面)18、至少一个第三部分(部分截面)19和至少一个第四部分(部分截面)20。在示例实施例中，四个分部通过单独冲压所述主体截面的各个可胀开部分形成，包括第一部分17和第二部分18之间的第一中间空间26，第二部分18和第三部分19之间的第二中间空间27，第三部分19和第四部分20之间的第三中间空间28，以及第四部分20和第一部分17之间的第四中间空间29。在示例实施例中，各个元件(17到20)构成圆形截面。各个部分17到20(部分截面)构成通孔中内圆锥体的一部分。
在最佳实施例中，上述锚杆也包括至少一个约束装置21。所述约束装置21用于在岩石锚杆插入锚孔中时抓紧可胀开主体5的各个部分。当可胀开主体径向胀开后，所述约束装置21的结合作用即被释放。所述约束装置可包括O形环、弹簧等类似环形元件。在用机械安装岩石锚杆时，可用焊点焊缝的统一整体实现，其中各个部分通过焊接固定在一起，因为机器的力随着安装的进行会降低。在替代实施例中，所述约束装置21包括用于该用途的其他合适的联合装置或类似物。
在替代实施例中，可胀开主体包括至少一个环绕可胀开主体四周的凹槽22。所述约束装置设置在所述凹槽22中。所述凹槽22的技术效果是对约束装置(例如，O形环、弹簧或类似物等)提供保护，以排除或降低所述约束装置21在插入锚孔过程中被损坏的风险。
所述第一可胀开功能在示例实施例中通过楔入作用实现，其中所述可胀开主体5的各个部分17-20在所述至少一个楔形部分6的作用下发生胀开，所述至少一个楔形部分6包括至少一个楔形部分并优选还包括至少一个第二楔形部分，锚杆在插入钻出的盲孔时受钻孔底部的作用被插进可胀开主体的各个部分17-20之间的缝隙中。所述楔形部分6使各个部分17到20之间的间距增大，从而使所述可胀开主体的外部尺寸增大(发生胀开)，且可胀开主体被向外压向钻孔壁，这样所述结构便被固定在孔壁上。优选地，所述楔形装置采用多个楔子的形式，即，是一种包括一个使其中两个相对部分胀开的楔形部分和一个使另外两个相对部分胀开的另一楔形部分的主体。
所述张紧装置7包括至少一个第一夹紧装置23和至少一个第二支架元件部分。在示例实施方式中，所述支架部分由所述细长主体4或类似物的螺纹部分构成。在替代实施例中，所述张紧装置7包括至少一个其他合适的夹紧装置23。在示例实施例中，所述第二夹紧装置(至少一个螺母或其他部件)包括至少一个内螺纹孔，每个第二张紧元件用于旋到所述细长主体(4)的螺纹部分上。所述张紧装置7也可包括可以实现所述杆相对于可胀开主体轴向运动的某种形式的快接联轴节或类似物。
在示例实施例中，可胀开主体5为圆形截面。在本发明的范围内，可胀开主体5的外部形状可以有所不同。例如，可胀开主体5的截面可为多边形、椭圆形或其他适合该用途的形状。在替代实施例中，可胀开主体5为另一种合适的横截面。
上述可胀开主体5具有这种功能，即在所述细长主体4相对于可胀开主体5在一个方向上运动时，所述可胀开主体5的直径或尺寸增大，并且在所述细长主体4相对于可胀开主体5在另一方向上运动时，所述可胀开主体5的直径或尺寸减小。
在替代实施例中，所述岩石锚杆包括至少一个力指示器、力指示装置或类似装置。所述力指示器或力指示装置包括至少一个吸力元件和/或力指示装置24。所述力显示装置可包括至少一个尺寸随压缩力相应变化的回弹装置。
在示例实施例中，所述结构的力指示器包括至少一个力接收元件24，例如，至少一个像板弹簧一样的类似装置25。
在附图中，力接收元件包括四个或更多的碟形碟簧。在示例实施例中，所述碟形弹簧应设置成使每一个第二个碟形弹簧都能相对或紧靠其余碟形弹簧转动180°。碟形弹簧优选采用不同的类型：至少一个碟形弹簧被预定力压缩，且至少一个第二碟形弹簧被比第一个碟形弹簧更大或更小的力压缩。
当把岩石锚杆连接到岩石上时，所述锚杆部分插入岩石中的孔。当所述锚杆的插入末端达到所述孔的底部时，楔形部分6撞击地面，从而被插入可胀开主体5的各个部分17到20之间，使可胀开主体5径向胀开，从而将所述岩石锚杆锁进(保持在)岩石中。当所述岩石锚杆可胀开主体被楔形部分6胀开而连接(牢固地挤压)到孔壁上后，通过上紧张紧装置，可胀开主体在细长主体外部圆锥部分和可胀开主体内部锥形部分的相对运动的径向上被胀开。胀开后，可胀开主体即被锁定在岩壁上。扭矩可根据主要条件和所述岩石锚杆的尺寸选择。
在对本发明的详细说明中省略了结构细节部分，因为这对所述装置相关领域的技术人员来说是显而易见的。仅仅包含了使本发明获得某一适当功能必需的明显的结构细节。虽然已对一些较佳实施例进行了详细说明，但对本发明相关技术领域的技术人员来说，显然可以对本方法和装置做出各种改变和修改。所有的这种修改和变体均视为在以下权利要求的范围以内。例如，所述结构可包括任何其他类型的张紧装置。在替代实施例中，内圆锥和外圆锥包括一个有三边、四边、五边或更多边的装置。
本发明的优点
本发明有很多优点。本岩石锚杆的一个优点是获得一种全机械式岩石锚杆。全机械式岩石锚杆意味着不使用包封材料即可把岩石锚杆锚固到孔中。省去了模制料凝固(对于使用模制料的设计)所需的时间。
本申请设计的另一个优点是易于使用。根据本专利申请所述的结构的进一步的优点是，各部件数目有限，使生产具有成本效益。更进一步的优点是所述岩石锚杆能应付岩石的动态运动。此外，根据本结构的岩石锚杆，优点是对锚杆上的荷载提供了直观显示。
Claims (10)
1.一种岩石锚杆(1)，用于连接到岩石上的锚孔中，包括至少一个细长主体(4)，在所述细长主体的一端包括至少一个第一外部圆锥部分(16)，所述至少一个第一外部圆锥部分(16)穿入至少一个圆柱形可胀开主体(5)的至少一个孔(12)中，在所述孔(12)轴向上含所述孔的那部分的孔(12)包括至少一个内部圆锥部分(15)，所述内部圆锥部分(15)用于与所述细长主体(4)的外部圆锥部分(16)配合；所述可胀开主体(5)包括至少一个第一部分(17)和至少一个第二部分(18)，所述至少一个第一部分(17)和至少一个第二部分(18)将可胀开主体(5)的截面分成多个子部分，在所述细长主体(4)的外部圆锥部分(16)与所述孔(12)中内部圆锥部分(15)相互轴向运动时，会使所述可胀开主体(5)的各个所述子部分的位置发生变化；所述细长主体(4)和所述可胀开主体(5)之间的相对轴向运动通过至少一个张紧装置(7)提供，其特征在于，所述岩石锚杆(1)包括至少一个楔形装置(2)，在使用岩石锚杆时，所述至少一个楔形装置(2)连接到可胀开主体(5)的孔(12)中并至少部分插在第一部分(17)和至少第二部分(18)之间，所述至少一个楔形装置(2)被设置成在至少第一部分(17)和第二部分(18)之间移动以分离至少第一部分(17)和第二部分(18)；所述岩石锚杆包括至少一个约束装置(21)，所述约束装置在插入锚孔中后抓住可胀开主体(5)的各个子部分并在可胀开主体(5)胀开后裂开；所述岩石锚杆包括至少一个力指示装置(24)，用于显示岩石锚杆(1)中由岩石中运动引起的力；
当所述可胀开主体(5)插入锚孔中时，所述至少一个楔形装置(2)被导入所述锚孔中并撞击所述锚孔的底部，所述至少一个楔形装置(2)被压迫在至少第一部分(17)和第二部分(18)之间，再通过张紧装置(7)使所述细长主体(4)相对于所述可胀开主体(5)进行轴向运动，以在锚孔中进一步分离至少第一部分(17)和第二部分(18)。
2.根据权利要求1所述的岩石锚杆(1)，其特征在于，可胀开主体(5)包括第一部分(17)、第二部分(18)、第三部分(19)和第四部分(20)，每个部分都包括内圆锥体的一部分。
3.根据权利要求1所述的岩石锚杆(1)，其特征在于，所述至少一个楔形装置(2)包括第一楔形部分(6)和至少一个用于插入各个部分(17到20)之间的第二楔形部分。
4.根据权利要求3所述的岩石锚杆(1)，其特征在于，所述可胀开主体(5)包括至少一个环绕在可胀开主体四周的凹槽(22)。
5.根据权利要求3所述的岩石锚杆(1)，其特征在于，力指示装置包括不同类型的碟形弹簧，其中，一个碟形弹簧被预定力压缩且至少一个第二碟形弹簧被比第一碟形弹簧更小或更大的力压缩。
6.根据权利要求3所述的岩石锚杆(1)，其特征在于，所述张紧装置(7)包括至少一个第一夹紧装置(23)和至少一个第二张紧装置。
7.根据权利要求6所述的岩石锚杆(1)，其特征在于，所述第一夹紧装置(23)包括所述细长主体(4)的螺纹部分，所述第二张紧装置包括至少一个螺丝或包括有至少一个内螺纹孔的螺母或其他部件，所述第二张紧装置用于旋在所述细长主体(4)的螺纹部分上。
8.根据权利要求1-7任一项所述的岩石锚杆(1)，其特征在于，所述约束装置(21)包括一个环形构件，所述环形构件在受到可胀开主体(5)胀开产生的预定大小的力时会破裂。
9.根据权利要求1-7任一项所述的岩石锚杆(1)，其特征在于，所述约束装置(21)为有弹性或有回弹力的环形构件。
10.根据权利要求1-7任一项所述的岩石锚杆(1)，其特征在于，所述约束装置(21)包括点焊缝。
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