CN105637180B - 自钻式锚杆组件和安装方法 - Google Patents

Abstract

一种自钻式锚杆组件(1)，包括在操作上彼此相关联且适用于将自钻式锚杆(200)稳固于岩层(2)中的钻头机构(100)和流体输送系统(300)。锚杆(200)具有杆体(210)，杆体(210)具有切割端(220)和驱动端(230)。钻头机构(100)具有与锚杆(200)的驱动端(230)可释放地接合的锚杆联接部(130)。其中锚杆联接部(130)的旋转使锚杆旋转。中央空心部(111)提供至锚杆的流体连接端口(232)的通路，且螺母联接部(120)与位于锚杆的杆体上的螺母元件(250)可释放地接合。其中螺母联接部的旋转使螺母元件旋转。流体输送系统(300)具有注射喷嘴(320)，注射喷嘴(320)与一个或多个流体源连通，用于将具有测定量的一个或多个流体输送至邻近于组件的预定位置。每个流体源包括与泵(313，314，315)流体连通的储存器(310，311，312)。泵与注射喷嘴流体连通，以使来自储存器的流体适合于被泵送至预定位置。由此在使用时，钻头机构通过在钻凿方向上以相同的速率旋转锚杆和螺母元件而驱动锚杆进入岩层中，使得螺母元件相对于锚杆的杆体保持在相同的位置。

Description

自钻式锚杆组件和安装方法

技术领域

本发明涉及自钻式锚杆组件和安装方法。具体地，涉及用于在连续采矿机、隧道掘进机、移动锚杆机、将建筑/建筑物锚栓于混凝土中的工具等上操作的半自动或全自动自钻式锚杆组件。

背景技术

锚杆在全世界较为常见，且通常钻进岩层中并保持在岩层中，以向给支撑结构提供辅助的岩层整体提供支撑。例如，锚杆可用于建筑物以及矿山、隧道、航道、运河、围墙、竖井、过道、进出通道、地道等。

在地下开挖隧道时，例如，通常沿着隧道以递进的间隔安装锚杆。在隧道的构建期间，由于高度危险的环境，所以期望提供易于以最小的人为干预稳固于岩层中的锚杆。

将锚杆稳固于岩层中的最常用方法是使用具有钻杆的钻机在岩层中钻孔。一旦钻好孔并从孔中取回钻杆，钻杆便从钻头夹盘去除。然后锚杆插入驱动小车中，该驱动小车是位于锚杆和驱动夹盘之间的接合器。然后将树脂胶囊插入钻好的孔中。随后将锚杆插入钻好的孔中，从而使得树脂胶囊破裂。之后锚杆旋转以促进树脂的混合和分散。一旦设置了树脂，则位于锚杆的端部上的螺母旋转且螺母与孔的颈部接触。扭矩施加至与钻孔的颈部接触的螺母，且螺母在尚未锚固至岩层的锚杆的长度上产生张力。其结果是，随后岩层处于受压状态，而牵制了岩层。

上述锚栓的方法具有诸多步骤并包括高水平的人工操作。该类重复的人工操作任务最终会引起事故和受伤。锚杆的安装速度受到操作者的熟练度控制，而这可能会大幅改变。生产需求要求用于岩层支撑的有效安装时间，但是该方法由于所包含的诸多步骤而费时。

开发了自钻式锚杆以克服上述缺点。它是以提供单一的钻凿和稳固功能而众所周知。这消除了钻孔、撤回钻杆和随后使用各种锚固方法将锚杆插入孔中的需求。

已经开发了空心、钢质的自钻式锚杆方案，以在岩石锚栓岩层时使所包括的循环次数最少。一种自钻式锚杆使用锚杆的中央孔作为在钻凿过程期间水的输送端口，以及使用渠道来泵送水泥浆和各类树脂，以锚固和封紧锚杆。自钻式锚杆然后邻近于锚杆环形部分的内外两侧被简单地填充，从而提供对岩层的销钉支撑。岩层中的锚杆的长度未被施加张力。

还可利用机械锚固的自钻式锚杆。它们可与水泥浆或树脂即利用机械锚固件锚固的插入支柱组合使用。然而，当邻近于钻孔的岩层弱且不能提供足以允许张紧的阻力时，机械锚固技术也可能失效。锚杆比替代选择更笨重，且由于用于完全封紧的支柱注浆步骤导致系统还较为缓慢。

另一自钻式锚杆系统使用空心棒，该空心棒具有已经置于棒中央内的化学树脂胶囊。水用作钻凿和冲洗介质并行进穿过锚杆的中部。一旦使用锚杆钻孔，则水输送至包含树脂胶囊的锚杆的腔体中。水迫使树脂胶囊在锚杆的环形部分环形流动之前进行分散和混合。当已经设置了化学树脂时，锚杆以销钉的形式加强岩层。该系统的缺点在于，由于锚杆内的内部配置，导致锚杆制造起来非常昂贵。另外，每个锚杆随后具有基于树脂盒有效期的贮存期。

除以上缺点外，现有的自钻式锚杆尽管在全世界被使用，但是其较为昂贵、安装费时、沉重、笨重且难以准确地安装。另外，对于安装传统的自钻式锚杆，尚未实现全自动化。机械锚固件、静态混合器、各种化学制品、弹簧等也使得公知的自钻式锚杆系统不可能自动化。在软岩层环境中，机械锚固件也可能失效，因此将不允许锚杆被预张紧。

有益的是向安装的锚杆施加预张紧，以提供对于任何岩层移动来说较大的阻力。这可通过以下来实现：一旦锚杆已经通过硬化物质稳固于岩层中达到沿着锚杆的预定距离，则向锚杆施加张力，从而有效地纵向拉紧锚杆；之后，利用抵靠钻孔颈部的螺母和螺纹将锚杆稳固于张紧状态。

因此，需要提供锚杆钻头机构、自钻式锚杆、流体输送系统和用于将自钻式锚杆稳固至岩层的方法，这样单独(或共同)提供了岩层的迅速、可靠和有效的支撑，增加了工作者的安全性，提供了有效的自动化，岩层可被预张紧，提供了用于与多种物质一起使用的多用途注射系统，降低了成本，增加了生产率，以及减少了人为干预的量因而提高了作业现场的安全性。

发明目的

本发明的目的在于，基本克服或至少改善现有技术的一个或多个缺点，或者至少提供有用的替代方案。

发明内容

在一种宽泛的形式中，本发明公开了一种自钻式锚杆组件，该组件包括钻头机构和流体输送系统，钻头机构和流体输送系统在操作上彼此相关联，且适用于利用预张紧力将自钻式锚杆经由注射且以化学方式稳固于岩层中；锚杆包括具有切割端和驱动端的杆体；该组件包括：

a.钻头机构，具有：

锚杆联接部，与锚杆的驱动端可释放地接合，其中锚杆联接部的旋转使锚杆旋转；

中央空心部，提供至锚杆的流体连接端口的通路；以及

螺母联接部，与位于锚杆的杆体上的螺母元件可释放地接合，其中螺母联接部的旋转使螺母元件旋转；

b.流体输送系统，具有：

注射喷嘴，与一个或多个流体源连通，用于将具有测定量的一种或多种流体输送至邻近于所述组件的预定位置，

每个流体源包括与起动泵流体连通的储存器，起动泵与容积式泵流体连通，容积式泵与注射喷嘴流体连通，以使来自储存器的流体适合于被泵送至预定位置；

清洁冲洗段，用于注射喷嘴内的每个独立的内通道，每个清洁冲洗段具有源自不同储存器压力源的清洁流体；

由此，在使用时，钻头机构通过在钻凿方向上以相同的速率旋转锚杆和螺母元件而驱动锚杆进入岩层中，使得螺母元件相对于锚杆的杆体保持在相同的位置。

优选地，螺母联接部驱动螺母元件的外表面。

优选地，锚杆联接部包括与锚杆的一个或多个对应的母连接器接合的一个或多个公连接器，公连接器驱动锚杆的内表面。

优选地，锚杆联接部包括主体，主体具有与钻头机构的中央空心对应的中央空心，其中一个或多个公连接器包括突起，突起在与中央空心的纵轴线平行的方向上从主体的顶表面延伸，并适于在锚杆的驱动端与母连接器操作地联接。

优选地，在第一位置，螺母联接部与螺母元件接合，且锚杆联接部与锚杆的驱动端接合，在第二位置，螺母联接部与螺母元件接合，且锚杆联接部与锚杆的驱动端脱离接合。

优选地，钻头机构通过在第二位置且在钻凿方向上旋转而使螺母元件沿着锚杆前进，从而张紧锚杆。

在又一形式中，本文公开了一种自钻式锚杆，该锚杆包括：

杆体，具有限定中央管道的空心部；

流体连接端口，包括流体密封件；

切割端，位于杆体固定有切割尖端的一端；以及

驱动端，位于杆体的另一端、适于操作地阴联接至钻头机构，其中钻头机构的旋转使杆体旋转；

其中杆体包括位于驱动端或朝向驱动端的外螺纹，驱动端与螺母元件接合，以使螺母元件相对于杆体的旋转使得螺母元件沿着杆体在轴向上运动。

优选地，中央管道在位于驱动端的流体连接端口和位于切割端的流体出口之间提供流体连通。位于中央管道的驱动端的流体连接端口中的密封件确保了，在流体连接处不存在流体泄漏且全部流体从切割端处的中央管道排出。

优选地，联接端包括邻近于流体连接端口径向布置的一个或多个槽，每个槽适于将钻头机构的锚杆联接部的公连接器容纳于其中。

优选地，切割尖端固定至锚杆，以使切割尖端创建用于将流体排出中央管道的流体出口。

优选地，组件进一步包括筛网，该筛网邻近于锚杆，以允许流体通过流经筛网而从邻近于锚杆的空隙排出，但是阻挡粘性更高的硬化物质流经筛网而从空隙排出。

优选地，流体包括以下中的一个或多个：缓凝硬化物质、快凝硬化物质、用于开始缓凝硬化物质和/或快凝硬化物质的硬化的催化剂、水、蒸汽、气体、空气、清洁流体和/或冲洗流体。

优选地，组件进一步包括控制系统，以控制供应至锚杆的每种流体的比率和量以及钻头机构相对于岩层的运动。

优选地，注射喷嘴包括：

多个独立的内通道，多种流体能够通过多个独立的内通道流动；

长形的针部，具有适于与锚杆联接并包括用于将流体排出内通道的开口的一端；以及

基部，包括与内通道流体连通的流体入口。

优选地，注射喷嘴的基部包括多个独立的入口，其中这些入口中多于一个的入口能够与相同的内流体通道流体连通。

优选地，在钻头机构与锚杆联接时，注射喷嘴在使用时延伸通过钻头机构的中央空心而进入流体连接端口中，由此，在使用时，注射喷嘴不随着钻头机构和/或锚杆的旋转而旋转。

在又一形式中，本文公开了自钻式锚杆组件的安装方法，该方法包括以下步骤：

使用钻头机构使锚杆和螺母元件在钻凿方向上一起旋转，使得锚杆前进至岩层中；

通过流体输送系统输送硬化物质；

使锚杆旋转；以及

通过使螺母元件在钻凿方向上相对于锚杆旋转而张紧锚杆，以使锚杆锚固于岩层中。

优选地，该方法进一步包括以下步骤：

a.首先通过锚杆传送缓凝硬化物质，然后

b.通过锚杆传送快凝硬化物质；然后进行以下两者之一或两者

c.将缓凝硬化物质传送至锚杆的中央管道中；和/或

d.将清洁流体传送至锚杆的中央管道中，使得在快凝硬化物质硬化之后且在缓凝硬化物质硬化之前张紧锚杆。

优选地，钻头机构使锚杆和螺母元件以相同的速率在钻凿方向上旋转，使得锚杆钻进岩层中；然后钻头机构与锚杆脱离联接，但是仍然经由螺母联接部联接至螺母；以及钻头机构在钻凿方向上或与钻凿方向相反的方向上进一步旋转，以使得螺母元件沿着锚杆前进，从而使锚杆置于张紧状态。

优选地，流体输送系统根据控制系统所确定的，将多种不同的流体供应至组件上。

附图说明

通过结合附图所描述的、对本发明的优选的但非限制性的实施方式的详细描述，将更加充分地理解本发明，在附图中：

图1是示出为处于初始位置的、用于将自钻式锚杆组件200安装于试验物质3中的试验装置。

图2是示出为处于安装位置的、用于将自钻式锚杆组件200安装于试验物质3中的试验装置。

图3包括钻头机构的分解侧视图以及螺母和锚杆联接部的平面图；

图4包括在没有螺母元件的情况下的自钻式锚杆的剖视图，以及包括螺母元件和圆顶垫圈的自钻式锚杆的又一剖视图。另外，示出了螺母元件的正视图和平面图；

图5是包括注射喷嘴、钻头机构和自钻式锚杆的组件的剖视图，以及与平板垫圈一起锚固于岩石基质中的自钻式锚杆的剖视图；

图6包括注射喷嘴的剖视图和平面图；

图7是与注射喷嘴的示意性表示有关的流体输送系统的示意性布局；

图8是钻头机构、注射喷嘴、以及操作地联接至钻凿电机的自钻式锚杆的剖视图；以及

图9包括钻头机构的锚杆联接部的平面图、侧视图和仰视图，以及钻头机构位于第一位置和第二位置的两个剖视图，其中在第一位置，锚杆联接部与自钻式锚杆的母连接器接合，在第二位置，锚杆联接部不与母连接器接合，螺母联接部在两个位置均与螺母元件接合。

具体实施方式

在全部附图中，除非另外明确地指示，否则相似的标号将用于标示相似的特征。

在图1和图2中示出了用于将自钻式锚杆200安装于试验物质3中的试验装置。试验装置框架503承载试验物质3和在安装自钻式锚杆200和钻凿组件500时所引起的载荷。试验装置的铰接系统允许多个自钻式锚杆200安装于试验物质3中。在优选的但非限制性的实施方式中，如在图1、图2和图8中最好地看到的，本发明涉及自钻式锚杆组件1，自钻式锚杆组件1包括钻头机构100和流体输送系统300，钻头机构100和流体输送系统300在操作上彼此相关联且适用于将自钻式锚杆200稳固于岩层2中。具体地，钻头机构100安装自钻式锚杆200使之在张力作用下或者不在张力作用下。在优选的形式中，自钻式锚杆200安装处于张力作用下。

锚杆200通常用于在建筑物中支撑屋顶、墙壁和/或地板结构以及用于矿山、隧道、航道、运河、围墙、竖井、过道、进出通道、地道等的维护。如图4所示，多个自钻式锚杆200与组件1配合地使用。通过使用组件1安装锚杆200的速度将主要由所使用的自动化水平以及可从钻凿现场去除钻凿岩层的速度来确定。锚杆200包括纵向延伸的主杆体210、切割端220和驱动端230，其中主杆体210具有限定纵轴线X的中央管道211，在切割端220处固定有切割尖部221。主杆体210还具有外螺纹235，外螺纹235定位成朝向驱动端230，螺母元件250与外螺纹235接合，使得螺母元件250在相对于主杆体210旋转时沿着主杆体210的外部运动。锚杆200通常将由具有肋或平坦的外表面的钢制品制成，但是可由任何其它合适的材料制成。可使用的其它材料包括但不限于：碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉(Kevlar^TM)合成物、其它复合材料、塑料，或者除了钢制品、镀锌的防锈材料等之外的金属和合金。

根据钻凿材料，锚杆200的切割尖部221包括一块(或多块)碳化钨、硬化钢或一些其它合适的材料。在优选的实施方式中，该块安装在锚杆200的切割端220中的槽(未示出)中。该块通过烧结、焊接、穿过、拧紧、粘合地结合、弹簧锁式接合等而位于适当的位置。在优选的形式中，中央管道211恰好延伸至锚杆200的端部220、230，然而，由于切割尖部221延伸跨过锚杆200，所以切割尖部221将出口分成两个更小的开口225，每个开口位于切割尖部221的一侧上，如在图9中最好地看到的。可能存在若干替代的切割尖部设计，且这些切割尖部设计可形成单个流体出口或若干流体出口。例如，切割尖部221固定至锚杆200，以创建或提供一个或多个流体出口225。出口225可位于任何位置，诸如中央、侧面等。

参照图3，钻头机构100示出为分成三个主要组成部件。主要组成部件包括主体110、螺母联接部120和锚杆联接部130。主要部件可整体地形成为单个单元或者可以是在使用时在操作上彼此相关联的独立部件。图5、图8和图9示出了钻头机构100，其中三个主要组成部件处于用于安装自钻式锚杆200的装配状态。

如在图3至图5中最好地看到的，钻头机构100能够与螺母元件250和锚杆主杆体210的驱动端230两者联接。螺母联接部120安装在螺母元件250之上，且当螺母联接部120旋转时，螺母联接部120适于驱动螺母元件250的外表面255。螺母联接部120具有与螺母元件250的外轮廓255对应的内表面115。在本实施方式中，螺母元件250的外轮廓255是六边形的剖面，如在图4中最好地描绘的，该剖面与六边形轮廓的内表面115(见图3)对应。然而，将理解的是，可使用能够被驱动的任何合适的对应剖面。例如，三角形、八边形、正方形、矩形等。

螺母联接部120包括一个或多个孔125(如在图3中最好地看到的)，这一个或多个孔125穿过螺母联接部120的侧面121并提供与钻头机构100的锚杆联接部130的流体连通，以允许来自自钻式锚杆200的钻凿、锚固和张紧的过剩材料在重力辅助下从锚杆联接部130排出。该材料可以是流体、钻屑、碎片、过剩材料、气体、污垢等。

锚杆联接部130位于钻头机构100的中心轴线位置并包括公连接器131(如在图3中最好地看到的)，公连接器131与位于自钻式锚杆200的驱动端230处的对应母连接器231接合。在另一实施方式中，公连接器和母连接器131、231可颠倒。即，螺栓200的驱动端230可具有一个或多个公连接器和/或母连接器131、231。公连接器和母连接器131、231的数量可根据操作和需要而改变。

在当前实施方式中，锚杆联接部130包括呈两个耳部131形式的公连接器，然而可使用任何合适数量的耳部131。正如钻头机构100的主体110，锚杆联接部130具有对应的中央空心133，以在与钻头机构100操作地接合时允许进出自钻式锚杆200的流体注射端口232。耳部131布置成围绕中央空心133，并在平行于中央空心133的纵轴线Y的方向上，从锚杆联接部130的主体132的顶表面135突出。这允许耳部131安装在呈槽231形式的母连接器中，而槽231在锚杆200的驱动端230处围绕流体注入端口232布置。

至少如图5、图8和图9所示，当钻头机构100旋转时，锚杆联接部130旋转且公连接器131驱动母连接器231的内表面237。在优选的实施方式中，锚杆联接部130坐落于螺母联接部120内，使得锚杆联接部130可从端部230联接至锚杆200，且联接至螺母元件250的外部255的螺母联接部120还定位成朝向锚杆200的驱动端230。

钻头机构100还包括提供到达锚杆200的流体连接端口232的通路的中央空心部111。在当前实施方式中，这利用流体供应系统300的注射喷嘴320来实现。如在图6中最好地描绘的，注射喷嘴320包括长形的针部330，使得注射喷嘴320可延伸至中央空心部111中达到钻头机构100的长度。

图5示出了连接至锚杆200的钻头机构100，其中注射喷嘴320插入钻头机构100中并与流体连接端口232联接。流体连接端口232与中央管道211流体连通，从而允许流体输送至位于锚杆200的切割端220处的流体出口222。应理解的是，流体出口222的配置可形成为诸多方式并包括多种形状、尺寸和/或方位以适应流体，而流体可以是硬化物质、水、蒸汽、气体、空气、清洁流体、冲洗流体等。出口222还可用于允许材料从如上所述的组件1排出。

如图6所示，注射喷嘴320的端部335为锥形，以辅助与流体连接端口232的联接并匹配自钻式锚杆200的流体连接端口232的内部形状237。流体连接端口232的内部237还包括密封件233，密封件233可部分地嵌入内表面237上的槽236中或者以一些其它方式来保持。密封件233可以是标准O形环、在随着内压力的增加而辅助密封的同时允许容易插入的曲轴密封件、或者可适于这个目的的任何其它密封件或密封类设备。应理解的是，密封件233可位于槽236内(如图4所示)，或者可冲洗内表面237并朝向端口232的顶部238向上推密封件。

在优选的实施方式中，注射喷嘴320在插入并联接至自钻式锚杆200的流体连接端口232时，不随着钻头机构100的旋转而旋转。换言之，针330在锚杆200绕其旋转的操作期间仍然基本保持静止。在针330具有提供低表面速度的小直径时这是有利的。另外，由于针330在组件1的寿命期间使用多次，所以如果针330旋转，则针330(及其密封件)将报废，从而造成极大的附加维护、停工时间和开支。锚杆200只使用一次并保留在岩层2中的适当的位置。

参照图6，注射喷嘴320至少具有两个同心通道，这两个同心通道包括位于针部330中的中央通道332和外通道331。这允许同时供应至少两种流体，而且流体不会混合，一直到它们从注射喷嘴320排出(333，334)。因为硬化物质通常由两种成分组成，且硬化只发生在成分混合之后，所以这是有利的。然而，注射喷嘴320可具有可能同心或可能不同心的任何数量的内部通道331、332。

例如，在优选的实施方式中，缓凝硬化物质由缓凝树脂和催化剂组成，而快凝硬化物质由快凝树脂和催化剂组成，其中缓凝硬化物质和快凝硬化物质使用相同的催化剂。这意味着，可经由注射喷嘴320中的中央通道332输送单种催化剂，且可经由外通道331顺序地供应缓凝树脂和快凝树脂。可选地，可经由中央通道332输送树脂并经由外通道331输送催化剂。流体源的任何组合可供应任何数量的通道。可能存在通过独立的通道输送的若干不同的催化剂，以及通过独立的通道输送的若干不同的水或蒸汽或空气通道等。

参照图6，示出了流体注射喷嘴320还包括具有催化剂入口342和两个树脂入口341、343的基部340的示例。快凝树脂入口341通过内通道345连接至外通道331，而缓凝树脂入口343经由内通道346也连接至外通道331。两个进一步的入口348和347向中央通道332或外通道331输送水。

参照图7，流体输送系统300向注射喷嘴320输送各种流体。所示的实施方式包括呈快凝树脂和缓凝树脂形式的硬化物质，快凝树脂和缓凝树脂在催化剂存在的情况下硬化。附图中示出了缓凝树脂储存器311、催化剂储存器312和快凝树脂储存器310。起动泵317从与容积式泵314流体连通的缓凝树脂储存器311进行抽吸。类似地，起动泵318从与容积式泵315流体连通的催化剂树脂储存器312进行抽吸。类似地，起动泵316从与容积式泵313流体连通的缓凝树脂储存器310进行抽吸。水、气体、空气、蒸汽等经由两个不同的源319、321进行输送，它们中的每一个输送至注射喷嘴320。两个不同的源中的每个被引至外通道331或中央通道332。然而，可以存在两个以上的源。

图7的流体输送系统300中示出了多种阀和换能器，它们与控制系统350协调，以在给定的时间向注射喷嘴320供应精确体积的各种流体。需要精确体积以确保使锚杆200的正确部分与每种树脂锚固。另外，确保树脂与催化剂的精确比率至关重要，以提供充分的硬化和针对物质硬化所花费的预测时间。

流体输送系统300可选择性地包括不同催化剂的附加供应和/或一个或多个压力供应源319、321或替代液体、气体、空气、蒸汽、真空等，以在钻凿过程期间和/或在输送树脂和催化剂之后使用而用于清洁、维护等。例如，可使用惰性化学制品来冲洗系统。流体输送系统300还可根据钻凿过程和锚固过程中所需的流体的特定组合，去除或增加储存器和相关组件的任何组合。还可向系统提供正压或负压。

在优选的实施方式中，出于清洁的目的，在输送硬化物质和催化剂物质之后，从独立的水源向中央通道332和外通道供应水。然而，出于该目的，可在任何或全部通道中使用任何适当的流体。根据储存器尺寸，钻凿过程和锚栓过程可持续不断地提供连续的安装过程。

根据特定实施方式，还提供在岩层2中钻凿、锚固和张紧自钻式锚杆200的方法。该方法从钻凿操作开始，在钻凿操作中，如本文所述的钻头机构100联接至锚杆200和螺母元件250两者。当位于第一位置时，钻头机构100在钻凿方向(通常为顺时针方向，然而可以为逆时针方向)上的旋转使锚杆主杆体210和螺母元件250两者以相同的速率在钻凿方向上旋转。由于它们以相同的速率旋转，所以螺母元件250不会沿着锚杆主杆体210的螺纹235前进。

如图1、图2和图8所描绘的，钻头机构100通常联接至驱动电机400，驱动电机400使得钻头机构100旋转。驱动电机400和钻头机构100操作地联接至钻凿组件500的支柱502，其中机构能使驱动电机400和钻头机构100沿着支柱502的长度运动。当操作驱动电机400而使钻头机构100能够在钻凿方向上旋转时，钻头机构100和钻凿电机400可使支柱向上前进，从而使自钻式锚杆200钻进岩石基质2中。

在钻凿步骤期间，流体(如本文所述的，诸如水、气体、空气、蒸汽等)经由中央管道211供应至切割尖部221，用于冷却以及去除通过钻凿过程形成的颗粒材料。流体可经由注射喷嘴320或通过一些其它供应系统供应至中央管道211。在优选的实施方式中，流体经由注射喷嘴320的中央通道332进行输送。尽管水是用于该目的的常用流体，但是可使用任何其它合适的流体，诸如空气、蒸汽、溶剂、气体、真空等。换言之，钻凿操作可以为湿式钻凿过程或者干式钻凿过程并可包括正压或负压。如上所述，优选的是，注射喷嘴320在钻凿步骤期间不随着驱动头机构100旋转。

将自钻式锚杆200锚固于岩层2中的步骤包括：经由中央管道211将硬化物质等注入邻近于锚杆200的空隙4中。注射喷嘴320向流体连接端口232输送硬化物质，其中硬化物质流经中央管道211和位于主杆体210的切割端220处的出口222。合适的硬化物质可包括胶合剂、硬化成分、聚合物、催化剂、树脂、树脂硬化剂、聚合树脂、苯酚树脂、胶凝浆料或化学浆液、乙烯基甲苯等(但不限于此)中的一个或多个的组合。

参照图9，一旦锚杆200钻进岩层2中达到预定深度并被锚固，则钻头机构100可在轴向上充分地移动而远离锚杆200的驱动端230，使得联接部130与锚杆200脱离接合，而螺母联接部120保持与螺母元件250的外表面255接合。虽然在第二位置，在优选的实施方式中钻头机构100可在相同的方向(即钻凿方向)上再次旋转，但是现在，由于锚杆200不再接合至钻头机构100而使得螺母元件250沿着锚杆200前进，从而相对于旋转的钻头机构100保持静止。此时，锚杆200也已经至少部分地粘合在适当的位置。螺母元件250前进，一直到它抵靠岩层2的表面然后压紧，从而使锚杆主杆体210置于张紧状态。然而，应理解的是，在特定的实施方式中，可在与钻凿方向相反的方向上进一步旋转。换言之，可应用顺时针旋转或逆时针旋转或其任何组合。

在图9中，除了螺母元件250之外，还示出了当螺母元件250在钻头机构100的第二位置前进时，也可使自钻式锚杆200的杆体210向上前进的圆顶垫圈260。如可从图3看到的，圆顶垫圈260可使支承板261向上前进，支承板261将由螺母元件250向上驱动自钻式锚杆200的杆体210而提供的力扩散至岩层2的表面上。

锚杆200可包括位于螺母元件250之上或邻近于螺母元件250的多种其它垫圈或其它组件，螺母元件250螺纹连接于锚杆主杆体210上，但是理想地不与螺纹235接合。例如，垫圈通常与板261一起使用，以将来自螺母元件250的载荷扩散至更大面积的岩层上。当岩层不垂直于锚杆200时，也可使用球底垫圈来允许载荷进行均匀的扩散。还可使用筛网(未示出)，从而在钻凿期间允许流体漏出，但是在邻近于锚杆200的空隙4中密封粘性更高的树脂、催化剂或其它硬化物质。换言之，筛网有助于阻止硬化树脂从锚杆孔或空隙4流出。筛网可沿着锚杆杆体210运动。

通常，首先将输送缓凝硬化物质。将输送足以填充约三分之二的空隙4的体积。随着硬化物质在切割端220处排出222，硬化物质将向下流至空隙4，使得首先从切割端220进行填充。然后将供应快凝硬化物质，从而填充空隙4的切割端220并迫使缓凝硬化物质下降至锚杆200的驱动端230。在优选的形式中，在快凝硬化物质之后输送一定量的缓凝硬化物质，这样提供了，在组件1的注射周期完成时没有快凝硬化物质留在钻头机构100或流体输送系统300中。

在一个实施方式中，硬化物质和适当的催化剂以预定的比率一起进行输送，且通常将在流经中央管道211时充分混合。然而，期望的是，在供应硬化物质之后立刻使锚杆200旋转(这通常被称为“旋转”锚杆200)。这将在第一位置利用钻头机构100来实现，如同钻凿步骤期间的那样。这将增进硬化物质的混合并且还生成对于开始和/或促进硬化物质的硬化反应来说可能是需要的热。

当快凝硬化物质已经硬化(通常在数秒内)时，锚杆200现在基本锚固于岩层中且随后可置于张紧状态。在这个阶段，缓凝硬化物质还没有在锚杆200的约三分之二的底部的区域上进行硬化。通常，设置缓凝硬化物质耗费几分钟的时间。正是该区域将置于张紧状态，这被称为张紧锚杆200。一旦锚杆200张紧，则缓凝硬化物质将硬化，从而保持锚杆200上的张紧。

在使用用于锚固锚杆200的树脂的一些现有技术的系统中，树脂被插入香肠状组件中的预钻孔中。香肠状组件可防止树脂和催化剂混合。例如，香肠状组件可在钻孔的一端处无意中被压缩或不对准，而使得锚杆遗漏了催化剂并留下未混合的树脂。

本发明消除了当推动/旋转通过化学制品盒时，由如活塞那样作用的锚杆引起的孔的任何可能背压，从而在锚杆的顶端形成可能的活塞环和未混合的树脂。该压力还可有助于钻孔岩层的水力压裂。当孔的后部承受巨大压力时，顶部岩层可能发生液力压裂或水力压裂。

至少在优选的实施方式中，本发明的主要优势之一在于系统自动化的可能性。除了成本优势之外，由于系统使用所处的环境的危害性，使得可期望自动化。

为了辅助自动化，螺母元件250在使用之前可临时固定至锚杆200。出于该目的，可使用橡胶圈212(在图4中最好地看到的)、蜡或其它类似物质，使得螺母元件250由于组件的振动或操作而无法简单地去除，而且在钻头机构100使螺母元件250旋转以张紧锚杆200时失效。将螺母元件250临时固定于适当的位置只允许在适当的位置轻微地运动，这可适应自动化过程。

下面陈述的以下但非限制性的实施方式提供了：包含于参考如本文之前所述的组件1的钻头机构100、自钻式锚杆200和流体输送系统300来安装自钻式锚杆200的自动或半自动方法中的步骤的示例。

在第一钻凿步骤中，如本文所述的自钻式锚杆200联接至驱动头机构100，其中锚杆联接部130接合于驱动头机构100中，且螺母联接部120与自钻式锚杆200的驱动端230接合。然后操作驱动电机400，从而使钻头机构230在钻凿方向上旋转。自钻式锚杆200由此通过钻头机构100旋转，并且可随着钻头机构100和附接的自钻式锚杆200朝向岩层2前进，而钻进岩层2中。

在钻凿步骤期间，流体输送系统300向自钻式锚杆200的中央管道211输送呈冲洗材料形式的流体，以辅助钻凿过程。流体输送系统300的注射喷嘴320安装在钻头机构100的中央空心部111中，然而，注射喷嘴320在钻头机构100旋转时保持静止。冲洗材料可从可分别独立地输送至注射喷嘴320的外通道332和中央通道332的两个独立的源进行输送。应理解的是，可使用任何数量的源和通道，如本文所讨论的，且流体可以是诸多形式，诸如水、气体、空气、蒸汽、清洁流体、冲洗流体等。可存在应用于系统的正压或负压。

一旦自钻式锚杆200被驱动至岩层中达到足够深度，则钻凿步骤停止且锚固步骤开始。如上所述，锚固步骤包括：经由流体输送系统300使缓凝硬化物质注射通过自钻式锚杆200，使得缓凝硬化物质开始填充在岩层2内邻近于锚杆200的空隙4。流体输送系统300然后输送推动已输送的缓凝硬化物质的一部分快凝硬化物质，以使缓凝硬化物质朝向锚杆200的钻凿端220填充空隙4的底部，且快凝硬化物质留在空隙4的顶部，在自钻式锚杆200的切割尖部端221处。在又一实施方式中，又一部分的缓凝物质可输送至自钻式锚杆200，以确保没有快凝硬化物质留在自钻式锚杆200的驱动端230附近。在第二缓凝之后或作为第二缓凝的替代，水、空气或冲洗剂等在每次锚杆安装之后向上传送，以清洁流体输出系统和连接的管道。锚杆200然后旋转(进行“旋转”)持续一段时间(数秒)，以确保硬化物质与任何需要的催化剂混合。在第一位置，锚杆200通过钻头机构100旋转。一旦快凝硬化物质已硬化，则随后锚固自钻式锚杆200。应理解的是，可根据情况在钻孔中安装一个以上的锚杆长度200。换言之，组件1提供了自动联接或长久锚固的能力。

一旦自钻式锚杆200的锚固结束，则开始张紧步骤。在该步骤中，钻头机构100移动而远离自钻式锚杆200的驱动端230，使得锚杆联接部130不再与驱动端230接合，而螺母联接部120保持与螺母元件250接合。然后钻头机构100在钻凿方向(在优选的实施方式中还可与钻凿方向相反)上进行旋转，这样使螺母元件250旋转，但不使锚杆200的杆体210旋转，使得螺母元件250使锚杆200的杆体210向上前进，一直到向上抵靠岩层的表面并在被缓凝硬化物质围绕的锚杆200的长度上提供张紧。应理解的是，钻凿方向可以是顺时针的或逆时针的。

然后可留下自钻式锚杆200(或多个锚杆)，使得可允许缓凝硬化物质固化，从而提供自钻式锚杆200和结构支撑件相对岩层的充分封紧，以及第二自钻式锚杆200可遵循与上面描述的程序相同的程序，与钻头机构100接合并安装在不同的位置。在第二位置，在第二自钻式锚杆200的钻凿操作期间，注射喷嘴320可利用流体(水、蒸汽、空气、气体、清洁流体等)进行冲洗，其有益效果还在于：将来自之前的锚杆安装过程的锚固步骤的、来自注射喷嘴320的任何残留硬化物质清洁干净。

有利地，至少在优选的实施方式中，本发明提供了：自钻式锚杆组件1，其给自身钻孔并通过注射系统300提供锚杆200的完全装紧，其中由于不需要香肠状组件故不会发生套盖住(gloving)；提供联接的且短的锚杆安装的能力，从而在点锚固之后张紧锚杆200；多个不同的流体供应和向上敞开的注射器件；同时使用一系列流体的能力；在一个方向上使锚杆200自钻孔的能力，而无需静态混合器；包含在锚杆内的流体密封件，从而降低密封件的维护；以及使过程自动化的计算机控制系统，从而从操作现场调走工作者。该组件1可成为现有的钻凿设备的改型或者独立地应用。本发明还可与旋转和旋转冲击钻凿组合地使用。在不背离本发明的范围的情况下，诸多其它修改对于领域内技术人员而言将显而易见。

Claims (20)

1.一种自钻式锚杆组件，包括钻头机构和流体输送系统，所述钻头机构和所述流体输送系统在操作上彼此相关联，且适用于利用预张紧力将自钻式锚杆经由注射且以化学方式稳固于岩层中；所述锚杆包括具有切割端和驱动端的杆体；所述组件包括：

a.所述钻头机构，具有：

锚杆联接部，与所述锚杆的驱动端可释放地接合，其中所述锚杆联接部的旋转使所述锚杆旋转；

中央空心部，提供至所述锚杆的流体连接端口的通路；以及

螺母联接部，与位于所述锚杆的杆体上的螺母元件可释放地接合，其中所述螺母联接部的旋转使所述螺母元件旋转；

b.所述流体输送系统，具有：

注射喷嘴，与一个或多个流体源连通，用于将具有测定量的一种或多种流体输送至邻近于所述组件的预定位置，

每个流体源包括与起动泵流体连通的储存器，所述起动泵与容积式泵流体连通，所述容积式泵与所述注射喷嘴流体连通，以使来自所述储存器的所述流体适合于被泵送至所述预定位置；

清洁冲洗段，用于所述注射喷嘴内的每个独立的内通道，每个所述清洁冲洗段具有源自不同储存器压力源的清洁流体；

其中在使用时，所述钻头机构通过在钻凿方向上以相同的速率旋转所述锚杆和所述螺母元件而驱动所述锚杆进入岩层中，使得所述螺母元件相对于所述锚杆的杆体保持在相同的位置。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述螺母联接部驱动所述螺母元件的外表面。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述锚杆联接部包括与所述锚杆的一个或多个对应的母连接器接合的一个或多个公连接器，所述公连接器驱动所述锚杆的内表面。

4.根据权利要求3所述的组件，其中，所述锚杆联接部包括主体，所述主体具有与所述钻头机构的中央空心对应的中央空心，其中所述一个或多个公连接器包括突起，所述突起在与所述主体的中央空心的纵轴线平行的方向上从所述主体的顶表面延伸，并适于在所述锚杆的驱动端与所述母连接器操作地联接。

5.根据权利要求4所述的组件，其中，在第一位置，所述螺母联接部与所述螺母元件接合，且所述锚杆联接部与所述锚杆的驱动端接合，在第二位置，所述螺母联接部与所述螺母元件接合，且所述锚杆联接部与所述锚杆的驱动端脱离接合。

6.根据权利要求5所述的组件，其中，所述钻头机构通过在所述第二位置且在所述钻凿方向上旋转而使所述螺母元件沿着所述锚杆前进，从而张紧所述锚杆。

7.根据权利要求1所述的组件，与自钻式锚杆在操作上相关联，所述锚杆包括：

所述杆体，具有限定中央管道的空心部；

所述流体连接端口，包括流体密封件；

所述切割端，位于所述杆体固定有切割尖端的一端；以及

所述驱动端，位于所述杆体的另一端，适于操作地阴联接至所述钻头机构，其中所述钻头机构的旋转使所述杆体旋转；

其中所述杆体包括位于所述驱动端或朝向所述驱动端的外螺纹，所述驱动端与所述螺母元件接合，以使所述螺母元件相对于所述杆体的旋转使得所述螺母元件沿着所述杆体在轴向上运动。

8.根据权利要求7所述的组件，其中，所述中央管道在位于所述驱动端的所述流体连接端口和位于所述切割端的流体出口之间提供流体连通。

9.根据权利要求8所述的组件，其中，所述驱动端包括邻近于所述流体连接端口径向布置的一个或多个槽，每个槽适于将所述钻头机构的所述锚杆联接部的公连接器容纳于其中。

10.根据权利要求7所述的组件，其中，所述切割尖端固定至所述锚杆，以使所述切割尖端创建用于将流体排出所述中央管道的流体出口。

11.根据权利要求10所述的组件，进一步包括筛网，所述筛网邻近于所述锚杆，以允许流体通过流经所述筛网而从邻近于所述锚杆的空隙排出，但是阻挡粘性更高的硬化物质流经所述筛网而从所述空隙排出。

12.根据权利要求1所述的组件，其中，所述流体包括以下中的一个或多个：

缓凝硬化物质；

快凝硬化物质；

用于开始所述缓凝硬化物质和/或快凝硬化物质的硬化的催化剂；

水；

蒸汽；

气体；

空气；

清洁流体；和/或

冲洗流体。

13.根据权利要求1所述的组件，包括控制系统，以控制供应至所述锚杆的每种流体的比率和量以及所述钻头机构相对于岩层的运动。

14.根据权利要求1所述的组件，其中，所述注射喷嘴包括：

多个独立的内通道，多种流体能够通过所述多个独立的内通道流动；

长形的针部，具有适于与所述锚杆联接并包括用于将流体排出所述内通道的开口的一端；以及

基部，包括与所述内通道流体连通的流体入口。

15.根据权利要求14所述的组件，其中，所述注射喷嘴的基部包括多个独立的入口，其中多于一个的所述入口能够与相同的内流体通道流体连通。

16.根据权利要求15所述的组件，其中，在所述钻头机构与所述锚杆联接时，所述注射喷嘴在使用时延伸通过所述钻头机构的中央空心而进入所述流体连接端口中，由此，在使用时，所述注射喷嘴不随着所述钻头机构和/或所述锚杆的旋转而旋转。

17.一种如权利要求1所述的自钻式锚杆组件的安装方法，所述方法包括以下步骤：

利用所述钻头机构使所述锚杆和所述螺母元件在所述钻凿方向上一起旋转，使得所述锚杆前进至岩层中；

通过所述流体输送系统输送硬化物质；

使所述锚杆旋转；以及

通过使所述螺母元件在所述钻凿方向上相对于所述锚杆旋转而张紧所述锚杆，以使所述锚杆锚固于岩层中。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

a.首先通过所述锚杆传送缓凝硬化物质，然后

b.通过所述锚杆传送快凝硬化物质；然后进行以下两者之一或两者

c.将缓凝硬化物质传送至所述锚杆的中央管道中；和/或

d.将清洁流体传送至所述锚杆的中央管道中；使得在所述快凝硬化物质硬化之后且在所述缓凝硬化物质硬化之前张紧所述锚杆。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述钻头机构使所述锚杆和所述螺母元件以相同的速率在钻凿方向上旋转，使得所述锚杆钻进岩层中，然后所述钻头机构与所述锚杆脱离联接，但是仍然经由所述螺母联接部联接至所述螺母元件；以及所述钻头机构在所述钻凿方向上进一步旋转，以使得所述螺母元件沿着所述锚杆前进，从而使所述锚杆置于张紧状态。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述流体输送系统根据控制系统所确定的，将多种不同的流体供应至所述组件上。