CN107820533A - 局部锚固的自钻式中空岩石锚杆 - Google Patents

Abstract

局部锚固的自钻式可变形中空岩石锚杆具有一个或多个中间局部锚固件16A，每个锚固件的两侧是两个相对可伸长的柄段14A、14B。在岩石锚杆处于钻孔中期间通过岩石锚杆的中空内部提供浆料后，每个锚固件16A将锚杆固定到岩体，而相邻的光滑柄段14A、14B可以变形并且甚至屈服以适应岩石断裂。与柄段相比，局部锚固件可以相对较短。中间锚固件16A中的一个或多个可以由将相邻的锚杆段连接在一起的联接件形成，和/或通过将锚杆成型而形成和/或通过提供外部锚固件而形成。岩石锚杆的最内端可由钻头形成或承载钻头。钻头可以具有钻孔和用作锚杆的最内锚固件的双重功能。

Description

局部锚固的自钻式中空岩石锚杆

相关申请的交叉引用

本申请根据35USC§1.119(e)要求于2015年5月8日提交的题为“LOCALLY ANCHOREDSELF-DRILLING HOLLOW ROCK BOLT”的在先美国临时专利申请第62/158,656号的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明一般涉及墙锚，更具体地说，涉及用于加固矿井巷道、隧道等的岩壁的自钻式中空“岩石锚杆”。本发明还涉及制造，组装和使用这种岩石锚杆的方法。

背景技术

采矿和隧道工程通常需要将形成矿井巷道或隧道的墙壁的岩石加固以抵抗岩石自重、缓慢变形和/或突然爆裂。锚杆是地下挖掘中最常用的岩石加固技术。全世界每年都消耗数百万个岩石锚杆。岩石锚杆的基本要求是，它们不仅必须能够承受重载荷，而且还必须在锚杆失效前承受一定的伸长。在高应力岩体中，岩石以在弱岩石中大变形的形式或在硬岩石中岩石爆裂的形式对挖掘作出反应。在这些情况下，需要可变形(或可吸能)锚杆，以实现良好的岩石加固并降低岩石坠落的风险。特别是在采矿业中，由于采矿活动越来越深，并且随着深度增加岩石变形和岩石爆裂的问题越来越严重，因此对可变形锚杆的需求比其他岩石分支更强。

然而，传统的岩石锚杆不具有锚固或承载能力与可变形性的良好组合。例如，完全灌浆的传统钢筋锚杆在失效前提供非常有限的伸长(大约30毫米)。传统的摩擦式锚杆虽然表现出高可变形性，但是对许多应用来说具有不可接受的低承载能力。

最近，已经开发出一种岩石锚杆，其被局部锚固在一个或多个离散位置处并且可在锚固件之间可变形。这种锚杆可从Normet商购获得，商品名为并且公开在美国专利第8,337,120号中，该专利的主题通过引用整体并入本文。该锚杆包括相对光滑的钢柱，沿着钢柱的长度具有多个离散的一体化的锚固件。该锚杆通过粘结性浆料或树脂锚固在钻孔中。该锚杆主要锚固在锚固件的位置处的周围浆料中，同时锚固件之间的光滑段可以在锚杆经受岩石膨胀时自由变形。该锚杆通过充分调动锚杆材料(通常是工程钢)的强度和变形能力来吸收岩石膨胀能。D-Bolt的光滑段独立地提供岩石加固功能，一段失效不影响该锚杆其他段的加固功能。

D-Bolt岩石锚杆提供可变形性和承载能力的极好组合。然而，它在一些应用中仍表现出一些缺点。

例如，D-Bolt岩石锚杆和其他岩石锚杆通常具有标准长度，这需要将所有钻孔都钻到相同的深度，或者需要手头具有不同标准长度的不同锚杆，以允许加固深度的一定多样性。

此外，D-Bolt通常必须分三步灌浆到先前钻出的钻孔中，包括钻孔、灌浆和插入岩石锚杆。将浆料灌入钻孔的通常方法是直接灌入钻孔或者将一个或多个填充有浆料的小圆桶插入钻孔中。当岩石锚杆随后插入钻孔时，这些小圆桶破裂。在任何一种情况下，浆料都要填充岩石锚杆和钻孔的内周表面之间的空间，并且当硬化时，将岩石锚杆锁定到局部锚固件处的岩石上。然而，如果岩石高度破裂，则碎片可能形成阻止浆料完全填充岩石锚杆和钻孔周面之间的间隙的障碍物。此外，一些浆料采用两部分树脂的形式，它们必须通过转动锚杆来混合。钻孔中的碎片可能会阻碍树脂充分混合。在极端情况下，在钻头移去后，钻孔实际上可能会塌陷，从而阻止随后的灌浆和/或岩石锚杆插入钻孔。

自钻式岩石锚杆是已知的，其不需要在插入岩石锚杆之前用独力的工具钻孔，消除了在岩石锚杆插入之前钻孔坍塌的风险，并且消除或减少了岩石锚杆周围钻孔坍塌的其他不利影响。典型的自钻式锚杆采用中空管的形式，其内端具有牺牲式钻头。管的直径小于钻头的直径，因此在钻入基体时，在锚杆周围形成钻孔。然后可以从其外端将浆料注入锚杆中，于是浆料轴向地流过锚杆，通过在锚杆内端或牺牲式钻头中的或附近的一个或多个通道向外流入锚杆和钻孔壁之间以填充间隙。

然而，现有的自钻式锚杆，包括现有的自钻式空心岩石锚杆，如上所述的其它传统岩石锚杆，在相对可伸长的锚杆段之间缺少局部锚固件。大多数自钻式岩石锚杆代之以螺纹或者具有沿其整个长度的相对较小的锚固件，因此缺少比其它段更可伸长或者就此而言提供更大锚固能力的段。因此传统的自钻式岩石锚杆不提供局部锚固或承载能力与可伸长性的可接受的组合。

因此，需要提供一种中空的自钻式局部锚固的可伸长的岩石锚杆。

另外还需要提供一种可调节长度的中空的局部锚固的自钻式岩石锚杆，从而增加对钻孔深度的更大通用性，而不增加库存要求。

另外需要提供一种简化的安装局部锚固的中空的自钻式岩石锚杆的过程。

发明内容

根据本发明的第一方面，通过提供一种中空的自钻式岩石锚杆来满足上述需要中的至少一个，该岩石锚杆具有至少一个中间局部锚固件，该锚固件的两侧是两个相对可变形的柄段。当该岩石锚杆在钻孔中时，通过该岩石锚杆的中空内部提供浆料，该岩石锚杆被灌浆到钻孔中。每个锚固件将该锚杆固定到浆料和岩体，而该柄段具有比所述局部锚固件低的锚固能力。以另一种方式来这种情况，与锚固件相比，这些柄段相对地“可脱粘”，因为它们可以比锚固件更容易滑动。这种滑动能力允许柄段伸长，甚至可能屈服以适应岩石断裂。该岩石锚杆在变形和承载两方面都具有很高的能力，而且是自钻式并且可以被灌浆到位。

该岩石锚杆的最内端可以由钻头形成或者可以支撑钻头。该钻头可以具有钻孔和用作锚杆的最内锚固件的双重功能。

与柄段相比，局部锚固件可以相对较短。例如，局部锚固件的轴向总长度与锚杆的总长度之比可以为1:2至1:50，更典型地为约1:10至1:25。在一个实例中，每个中间局部锚固件的长度约为40至80mm，每个柄段的长度约为500至2500mm，更典型地为900至1900mm。在另一个实例中，每个中间局部锚固件长度约为40至80mm，每个柄段长度约为1500至3500mm，更典型地为2500至2800mm。

每个局部锚固件可被构造成具有超过岩石锚杆的屈服载荷的“锚固”或“保持”力。

柄段中的一个或多个可以沿着其基本上整个轴向范围具有均匀的脱粘性。例如，柄段可以是光滑的，具有可能光滑的圆柱形性质。

或者，柄段中的一个或多个可以沿着其轴向长度具有不均匀的脱粘性，使得一个或多个部分比一个或多个其它部分更不易滑动，从而提供比局部锚固件所提供的锚固低的有限锚固。例如，柄段可以具有相对光滑的第一部分，以具有非常高的脱粘性和非常低的锚固能力，并且可以具有一个或多个被螺纹化，滚花化，弯曲成波形或者设置或承载有结构的部分，以在该部分中比相对光滑的部分中具有更大的锚固能力和更低的脱粘性。

为了提供锚杆长度的通用性，该锚杆可以包括由两个或更多个段或管状体彼此连接形成的管，每对相邻的段通过联接件连接在一起，例如通过套筒螺接到或装配到相邻段的端部。在这种情况下，每个联接件形成中间局部锚固件，并且在套筒或其它局部锚固件之间的管段形成柄段。

代替由联接件形成，中间局部锚固件可以由中空锚杆的一段形成，该段通过波纹化或膨胀而成型。外部锚固件也可以装配到锚杆上。这些可选锚固件中的任何一个可以单独使用或者与其他形式的可选锚固件和/或联接件组合使用。

根据本发明的另一方面，一种加固岩壁的方法包括：用在其内端具有钻头的自钻式中空岩石锚杆在壁中钻孔；然后使浆料流过岩石锚杆的中空内部并通过岩石锚杆和/或牺牲钻头中的一个或多个通道进入钻孔。在浆料硬化之后，岩石锚杆通过钻头和位于钻头与岩石锚杆的外端之间的至少一个中间锚固件局部地锚固到岩石。锚固的锚杆可以通过沿着在钻头与中间锚固件之间延伸的柄段伸长并且甚至可能屈服而变形。

该方法可以另外包括在钻孔操作之前或在多段钻孔操作之间经由联接件至少将管状体联接在一起。在这种情况下，在浆料硬化后，联接件形成中间局部锚固件。

通过下面结合附图的详细描述，本发明的各种其他特征，实施例和替代方案将变得显而易见。然而，应当理解，详细描述和具体实例尽管给出本发明的优选实施例，但是是通过说明而非限制的方式给出的。在不脱离本发明的精神的前提下，可以在本发明的范围内做出许多改变和修改，并且本发明包括所有这些修改。

附图说明

在附图中示出了本发明的优选示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同的部分，并且其中：

图1是根据本发明的实施例构造的自钻式中空的局部锚固的可变形岩石锚杆的示意性侧视图；

图2是图1的岩石锚杆的管状体的示意性剖面侧视图；

图3是图1的岩石锚杆的联接件的剖面侧视图；

图4是图1的岩石锚杆的钻头或钻头单元的示意性剖面侧视图；

图5和图5A是根据本发明的另一个实施例构造的自钻式中空的局部锚固的可变形岩石锚杆的部分的侧视图；

图6A和图6B分别是根据本发明构造的岩石锚杆的可选中间锚固件的剖面侧视图和剖面端视图；

图7A-图7C分别是根据本发明构造的岩石锚杆的另一可选中间锚固件的剖面侧视图、剖面平面图和剖面端视图；

图8A和图8B分别是根据本发明构造的岩石锚杆的另一个可选中间锚固件的剖面侧视图和剖面端视图；

图9是根据本发明的另一实施例构造的自钻式中空的局部锚固的可变形岩石锚杆的一段的剖面侧视图；

图10是用于将岩石锚杆安装在钻孔中的过程的简单流程图；

图11是示出安装在钻孔中并且在适当位置灌浆的图1-4所示的类型的岩石锚杆的剖面侧正视图；和

图12对应于图11，但示出了岩石破裂导致的岩石锚杆变形。

具体实施方式

现在描述中空的自钻式局部锚固的可变形岩石锚杆的各种实施例。本文所述的锚杆设计用于加固岩石，最典型的是地下矿井和隧道中的岩石壁。这些锚杆在变形和承载两方面都具有很高的能力。该锚杆特别适用于面临大的岩石变形或岩爆问题的民用和采矿工程应用。该锚杆不仅可以在连续岩石(软岩和弱岩体)变形的情况下，而且还可以在各个岩石节理(块状岩体)的局部开口的情况下提供良好的加固。单个岩石节理的开口位移将受到跨过该节理的两个锚固件约束。

因此，根据本发明构造的岩石锚杆具有一个或多个局部锚固件，每个锚固件两侧是相对可伸长的柄段。每个局部锚固件具有比相邻的杆段更高的锚固或保持能力。这些柄段可以具有比锚固件更高的每单位长度的变形(伸长)能力。

与锚固件相比，柄段可相对地脱粘，从而能够相对于钻孔中的硬化浆料滑动。这种滑动能力允许柄段在成对的锚固件之间发生局部伸长应变。当在应变下伸长时，由于所谓的泊松效应而直径减小，柄段表面脱离所述硬化的浆料，从而每个柄段可以相对于局部钻孔周边滑动。与锚固件相比，可以使用若干种技术来使柄段相对脱粘。

例如，每个柄段可以具有光滑的圆柱形表面。每个柄段可以通过诸如化学抛光或电解抛光的技术或多或少地被精细地研磨或抛光。可以对表面进行进一步处理，使得柄段的表面与硬化的浆料没有或具有可忽略不计的低粘结。用于实现该目标的一种技术是用蜡、漆、涂料或其它非粘性或润滑的介质的薄层涂覆柄段表面。

然而，柄段不一定是光滑的，只要它与锚固件相比是可相对脱粘的即可。这种脱粘性可以是沿着段的长度不均匀的。例如，柄段的一部分或全部可以被螺纹化，滚花化，粗糙化，弯曲成波形等等，以提供比局部锚固件的保持能力低的有限锚固。在锚杆的最内端处提供一部分相对低的脱粘性并因此提供相对高的锚固能力可以补充钻头的锚固效果，或者可以在钻孔过程中钻头脱落时提供一些“后备(fall back)”锚固。在锚杆的其他地方提供这样的部分可以为高度断裂的岩石提供补充锚固。

局部锚固件可以提供超过锚杆的屈服载荷的锚固力，其通常与柄段的屈服载荷相同。例如，根据用于锚杆的钢、内径以及可能的其他因素，32mm外径的柄段的典型屈服载荷在200至300kN之间。锚固力应超过该屈服载荷。

为了提供真正的局部锚固，锚固件的轴向总长度，即各个锚固件的轴向长度的总和，应该远小于锚杆的总长度。局部锚固件的轴向长度与锚杆的总长度之比可以为1:2至1:50，更典型地为约1:10至1:25。

局部锚固件可以有利地被硬化，以防止固定在硬化的浆料中时因负载而变形，并且防止它们在硬化的浆料中滑动时被磨碎。局部锚固件也可以在外表面上被螺纹化，以增加锚固效果并且能够将螺母安装在锚杆的岩面端部，从而将面板等固定在适当位置。

在下面描述的每个实施例中，锚杆包括中空金属管，钻头螺接或以其他方式直接安装在锚杆的内端。钻头也可以用作锚固件，并且岩石表面上的螺母/板组件和相关螺纹也可以用作锚固件。在钻头和螺母/板组件之间提供至少一个离散的中间局部锚固件，并且也可以在锚杆的每个端部设置锚固件。在局部锚固件之间设置有相对可伸长的柄段。柄段优选具有较高的脱粘性，并因此具有比局部锚固件低的锚固能力。在将可能由几个锚杆段组成的整个锚杆安装在钻孔中之后进行灌浆。浆料通过管中的轴向孔，从管和/或钻头中的通道注入或泵入到管的长度的周围。在浆料硬化时，锚杆可以在岩石变形期间局部变形以吸收能量，但是提供了自钻式空心岩石锚杆的所有优点，最显著的是不需要在潜在的相对不稳定的岩石中钻孔，然后将分开的锚杆插入该钻孔中，然后将锚杆灌浆就位。

现在参考图1，示出了多段中空自钻式局部锚固岩石锚杆10。锚杆10包括：由多个管状段或管状体14A-14D形成的管12，其中的一些通过联接件16A-16C端对端地连接；设置在最内管状体14A的内端的钻头18；以及设置在最外管状体14D的外端的螺母/板组件20。所有这些部件都可以由碳钢如高碳钢制成。可能的合金的实例包括20Cr或ASTM CK-20。也可以使用其他坚固且可变形的金属。钻头18和联接件16A-16C都用作离散的局部锚固件。螺纹板组件20和其上安装有组件20并且嵌入在浆料中的相关螺纹部分形成第五离散局部锚固件。螺纹之间的每个管状体14A-14D的光滑部分形成柄段22A-22D。孔24从管12的内端到外端轴向延伸穿过管12以在安装过程中用于浆料流过。

每个柄段22A-22D具有比锚固件16A-16C、18和20低很多的锚固能力，或者说，高很多的脱粘性。这些段22A-22D可以光滑到它们没有螺纹或其他外突起或凹痕的程度。它们也可以被抛光以进一步降低它们的摩擦。例如，每个柄段22A-22D可以通过诸如化学抛光或电解抛光的技术或多或少地被精细研磨或抛光。表面可以被进一步处理，使得柄段的表面与硬化的浆料没有或具有可忽略不计的低粘结。用于实现该目标的一种技术是用蜡、漆、涂料或其它非粘性的或润滑的介质的薄层涂覆柄段表面。也可以对柄段进行表面处理以降低其对硬化浆料的粘结亲合力。例如，可以在柄段上沉积金属氧化物层。或者，一个或多个柄段中的一部分或全部可以具有超过光滑部分的锚固能力的有限锚固能力，但是充分低于由局部锚固件提供的锚固能力。下面结合图9讨论具有这种锚固能力的管状体。

本实施例的锚杆10的长度约为3.5米，并且具有四个管状锚杆段或管状锚杆体14A-14D，每个的两端具有外螺纹。最外管状体14D的至少外端上的螺纹，优选所有螺纹，应至少与钢管一样坚固，甚至更坚固。因此，螺纹的公称直径应大于管状体的其余部分的直径，使得螺纹的有效直径等于或大于相邻柄段的直径。也可以对每个螺纹部进行特殊的冶金处理，包括在螺纹成型过程中发生的硬化过程，使得其强度高于相邻的柄段。螺纹本身的变形能力不是特别相关的。然而，希望螺纹有机会屈服。这会在故障之前增加柄段的最终变形。

本实施例的三个靠内的管状体1A-14C具有相同或相似的长度，并且最外的第四管状体14D要短得多。应当强调的是，在任何特定的安装中可以提供更多个或更少个管状体，从而允许在每个管状体的长度的各种倍数的钻孔深度中进行锚固。因此，可以简单地通过在例如管状体14C和14D之间添加另一个管状体到管12而在4.5米深的钻孔中使用锚杆10。或者，可以简单地通过从管12移除管状体如管状体14B而在2.5米深的钻孔中使用锚杆10。每个管状体14A-14D的长度以及因此每个柄段22A-22B的长度和/或局部锚固件16A-16C、18和20的长度可以基于设计者的偏好和预期的应用而显著不同，只要局部锚固件的总长度相对短于锚杆10的总长度即可。在所示的实施例中，包括联接件16A-16C、钻头18以及嵌入在浆料中的锚杆的螺纹外端的部分的轴向总长度为大约250mm。这导致锚固件长度与锚杆长度之比约为1:14。1:10和1:25之间，甚至1:2和1:50之间的比值也将在本发明的范围内。本实施例的每个中间联接件16A-16C的长度约为50mm，三个靠内的柄段22A-22C中的每一个的长度为约950mm，导致联接件16A和16B的每一个与两个相邻的柄段中的任一个的长度比为1：19。1:10和1:30之间，甚至1:2和1:50之间的比值都将在本发明的范围内。

参考图2，示出了管状体中的一个14B，应当理解，本描述同样适用于管状体14A和14C，管状体14D与管状体14A-14C不同之处仅在于其较短并且在其外端可具有较长的螺纹段。本实施例的管状体14B是圆柱形管状元件，具有25mm至40mm的外径和通常为柄段直径的约3/5的或约15mm至24mm的内部孔径。这些直径和比例可能根据设计者偏好和预期应用而显著不同。螺纹部分26A和26B设置在管状体14B的相对端上，以在其间限定柄段22B。每个螺纹部分26A和26B的长度应该是下面描述的对应的联接件16A、16B的长度的大约一半。在所示实施例中，每个螺纹部分26A和26B的长度为10mm至20mm，但是显著更长和更短的长度也落在本发明的范围内。

图3中示出了联接件中的一个16B，应当理解，本描述同样适用于联接件16A和16C。联接件16B采用硬化的圆柱形钢套筒的形式，具有外表面30、相对端部32A和32B以及轴向通孔34。外表面30可以是螺纹的，以增加联接件16B的锚固能力并且如果该联接件设置在岩壁表面之外，则接收螺母。通孔34是内螺纹的，以便可旋拧到两个相邻管状体14B和14C的螺纹端上。套筒16B可以具有20mm至40mm的长度，但是显著更长和更短的套筒也将落入本发明的范围内，只要套筒16B提供足够的强度和夹紧能力以用作局部锚固件即可。在本实施例中，其内径匹配相关管状体14B和14C的外径，或者为25mm至40mm。在本实施例中，外径可以例如是内径的1.3至2.0倍，更典型地约为内径的1.5倍或约为37mm至60mm。

参考图1和图4，本实施例的钻头18是硬化钢元件，具有内端40A和外端40B以及从其轴向外端40B向内延伸的内螺纹孔42。该孔42被拧到最内的管状体14A的内端上的外螺纹上。一个或多个通道44从孔42的内端大致径向地向外延伸到钻头18的外表面46，以允许从外端泵入管12的孔24中的浆料流过钻头18中的孔42，向外穿过通道44，并且最终沿着锚杆10的长度轴向向外以填充钻孔。如果需要，可以在沿着管12的长度的其它轴向位置处设置其它浆料排放通道(未示出)。例如，联接件16A-16C中的一个或多个可以设置通道，有用于管12的内孔中的浆料向外流出。

仍然参考图1和图4，钻头18在横截面上可以是大致截头圆锥形，在其内端40A的直径大约为在其外端40B的直径的1.2至2.0倍，更典型地约为1.4倍。在其被拧到直径为25至40mm的柄的端部上本特定实施例中，钻头18的直径从在其内端40A的约40mm至130mm减小到在其外端40B的约27mm至约90mm。

再次参考图1，垫圈、滑轮和/或面板组件20位于锚杆10的外端或头端。其包括通过拧到管12的最外管状体14D的外端上的螺母50夹紧在岩石表面上的一个或多个垫圈、滑轮以及面板52。如上所述，嵌入在浆料中的管状体14D的外端上的螺纹部分可被认为是由组件20形成的局部锚固件的一部分。

应当注意，可以不仅通过螺纹连接的方式将一个或多个联接件安装在管状体14A-14D上。例如，参考图5和图5A，示出了用于将两个管状体联接在一起的可选的两件式联接件。本实施例的每个联接件116A、116B等都包括第一和第二阳段和阴段160和162。图5中示出在同一个管状体114B的相对端上的两个联接件116A、116B的两段160和162，图5A中示出同一个联接件116A的两个配合段160和162。特别参考图5B，联接件段160具有外螺纹的阳突起164和与相关管状体114B中的孔124直径相同的内孔166。联接件段162具有阶梯状内孔，该内孔包括与管状体114A中的孔124的直径相同的相对小直径的内段168和接收联接件段160的阳突起164的有螺纹的相对大直径的外段170。与图1-4的实施例的较小直径的螺纹部分相比，相对大直径的螺纹部分164和170提供更牢固的连接。代替螺纹连接到相关管状体上，每个联接件段160或162的一端172或174例如通过摩擦焊接而焊接到相关管状体114B或114A的端部，使得内部孔16和168与管状体114A和114B中的孔对准。组装后的联接件116A可以具有约250mm的长度和约40mm的外径。与本文讨论的其它实施例一样，这些尺寸可以显著不同。

中间锚固件中的一个或多个可以采用除了将各个管状体连接在一起的联接件以外的锚固件的形式，从而以钻孔长度设计通用性降低和/或锚杆库存增加为代价而消除对多段式锚杆的需要。这些其他类型的局部锚固件中的一个或多个也可以设置在现有的联接件位置之间。这些其他类型的局部锚固件可以采用各种形式，并且可以在同一锚杆上提供不同类型的锚固件。

例如，可以通过简单地将管的一段波纹化或以其它方式成型而形成中间锚固件中的一个或多个。例如，如图6A和6B所示，可以通过使管状体214的一段膨胀而形成中间锚固件216A，导致在所有方向上锚固件216A都比与锚固件216A的每个端部相邻的形成连续柄段222A和222B的管状体214的相邻部分更宽。重要的是，孔224的直径不受该膨胀的不利影响。

或者，可以通过在一个方向上使管状体扁平化并且在与该方向垂直的方向上扩增来形成一个或多个中间锚固件。这种锚固件316A在图7A-7C中示出，其形成在管状体314中，与锚固件316A的每个端部相邻地形成柄段322A、322B。注意，在如图7A所示的平面中管状体314扩增，而在图7B所示的正面图中管状体314被扁平化。参考图7C，当使管状体314扁平化时，应该小心使孔324尽可能不坍塌，以防止阻碍浆料流过孔324。

作为另一个实例，中间锚固件中的一个或多个可以采用外部锚固件的形式。这种锚固件在图8A和8B中示出，其形式为锻造的锚固件416A卡在形成与锚固件416A的每个端部相邻的柄段422A和422B的管状体414的波纹段上。再次强调，在使管状体414波纹化时充分地使孔424不会坍塌，以防止阻碍浆料在其中流动。

如上所述，特定管状体的柄段不需要沿其整个长度都是光滑的。相反，使柄段的一部分或全部具有有限的锚固能力可能是期望的并且甚至是优选的，尽管该有限的锚固能力小于局部锚固件所提供的锚固能力。最典型地，这种类型的柄段将沿其轴向长度显示出非均匀的脱粘性，因此具有非均匀的锚固能力。

图9中示出一个这样的管状体514。管状体514是在管状体14B的相对端部上形成螺纹部分526A和526B，以在它们之间限定柄段522。本实施例的管状体514是圆柱形管状元件，具有25mm至40mm的外径和典型地为柄段直径的约3/5或约15mm至24mm的内孔直径。与前面的版本一样，这些直径可根据设计者偏好和预期应用而显著不同。与图1所示的管状体相比，管状体514相对较长，具有大约2000至3500mm的典型柄段长度，更典型地为2500至2800mm，最典型地为约2700mm，其为所示柄段522的长度。每个螺纹部分226A和226B长度应为上述对应联接件16A、16B的大约一半。在所示实施例中，每个螺纹部分526A和526B的长度为10mm至20mm，尽管显著更长和更短的长度也落入本发明的范围内。

柄段522沿其长度具有不均匀的脱粘性。也就是说，柄段522中的至少一部分具有比柄段的一个或多个其它部分0更低的脱粘性和所导致的更高的锚固能力，以便例如补充现有的局部锚固件的锚固效果，在没有局部锚固件的情况下作为后备，并且/或者为高度断裂的岩石提供补充锚固。本实施例的柄段522具有脱粘性不同的三个部分。脱粘性最大并因此锚固能力最小的中间部分522A布置在与部分522A相比脱粘性较弱并因此锚固能力较强的两个部分522B和522C之间。部分522B和522C每一个被螺纹化，滚花化，弯曲成波形，和/或设置或承载有结构，使得在该部分中比在光滑部分522A中具有更大的锚固能力。在该特定实例中，部分522B和522C被弯曲成波形。在管状体514被设计成在其内螺纹部分上承载钻头的本示例性实施例中，靠内部分522B被设计成具有显著的锚固能力(尽管远远小于上述局部锚固件的锚固能力)，以便补充钻头的锚固效果或者在钻孔过程中钻头脱落时提供一些“备用”。因此部分522B延伸到柄段522的长度的很大一部分。在所示的柄段522长度为2700mm的实例中，部分522B可以具有1000mm至2000mm的典型长度，更典型地约1300mm。柄段522的靠外部分522C被提供用于补充将被安装到管状体514的螺纹内端526B上的联接件的锚固效果。因此，与部分522B相比，相对较短，约为200mm至400mm，在本实施例中具体为300mm。在所示实施例中，中间部分522A为柄段522的长度的剩余部分或者为1100mm。

必须强调的是，落入本发明的脱粘性不同的部分的样式、数量和范围实际上是没有限制的。

可以使用图10示意性示出的过程600来安装如上所述构造的多段式岩石锚杆或根据本发明构造的其它岩石锚杆。将结合图1-4的岩石锚杆10描述该过程。应当理解，本描述同样适用于具有图5A-5B中所示的联接件的岩石锚杆、图6A-8B中所示的任何或全部类型的中间锚固件、图9中所示的管状体或者落入本发明范围内的任何其他多段式岩石锚杆。

过程600开始于框602，在此通过将钻头18装配到管12的第一管状体14A的内端来组装岩石锚杆10，并且可以通过利用联接件16A将至少一个附加的管状体连接到管状体14A而将锚杆10组装到期望长度。第二管状体可以是对应于图1的最外面的管状体14D的相对短的管状体。或者可以具有与第一管状体14A的长度相同或更长的长度。可以以相同的方式添加额外的管状体，得到具有N个柄段的锚杆，每个柄段设置在相应的管状体上，该锚杆具有在钻头和该锚杆的外端之间的M个中间联接件，其中N至少为2，M至少为1。中间联接件也可以通过上面结合图5和图5A所讨论的焊接或者通过其他技术完全地连接到相邻的管状体，并且/或者锚杆10可以设置有一个或多个其他类型的中间锚固件，例如上面结合图6A-8B讨论的那些中的一个或多个。锚杆的各段典型地也可以在将锚杆的前一段已经被钻入之后再组装(见下一节)。例如在隧道形貌限制所使用的锚杆的长度的情况下，或者在锚杆的较短段更容易钻入的情况下，这可能是必要的或期望的。

然后将锚杆10的外端或锚杆段装配到钻头上，然后在框604中将锚杆或锚杆段钻入岩石表面以形成钻孔，锚杆10插入钻孔中，钻头18在钻孔的内端，锚杆10的外端从钻孔的外端突出。如果需要锚杆的附加段，则通过使用联接件/锚固件段将这些附加段组装到先前的段上，并重复钻孔过程直到所有段都被组装和钻入。在钻孔过程中和/或之后，可以将水泵送穿过管12的中空孔24并从钻孔的外端出来，以从钻孔中冲洗钻屑。锚杆10现在被插入到具有与钻头18的最大直径近似相等的直径的钻孔中。钻孔足够宽以在包括相对较宽的联接件16A-16C的锚杆与直径足够大的钻孔的周边之间提供间隙，以允许浆料沿着锚杆10的整个长度在锚杆10和钻孔周边之间流动。

接下来，在框606中，将锚杆10灌浆就位而不从钻孔中移除锚杆。该浆料可以是在采矿或隧道工业中使用的任何浆料。它可以例如是水泥胶结材料或多组分树脂，如在进入管12之前混合的两部分环氧树脂。该浆料从其开放的外端注入，泵送或以其他方式供给到管12的空心孔24中，轴向流过中空孔24，从最内的管状体14A的内端，从钻头18中的通道44流出，然后进入与锚杆10的内端相邻的钻孔中。然后浆料通过钻孔向外流动，从而填充锚杆和钻孔周边之间的间隙。如果需要或期望，可以将标准锥形套筒置于靠近钻孔的面端的锚杆周围，以防止浆料从钻孔中流出，从而确保更完整的灌浆。如果浆料是多组分树脂，则可以通过在此过程中转动钻孔中的锚杆来提高树脂混合。因为岩石锚杆10保持在钻孔内，所以钻孔坍塌的机会被消除或至少明显减少。这将防止或至少抑制碎屑阻止浆料通过锚杆10与钻孔的周边之间的间隙并沿着钻孔的深度的流动。在浆料硬化后，锚杆10被灌浆就位。现在锚杆10在钻头18和中间锚固件16A、16B等以及最外管的管状体14D的外端上的螺纹部分形成的离散的局部锚固件的位置处被局部锚固到岩石。

然后在框608，使用管状体14D的外端上的螺纹或最外面的联接件上的螺纹，如在联接件116A'中，将螺母和垫圈、滑轮或面板组件60螺接到岩石上就位。

所得到的岩石锚杆具有至少两个光滑的柄段和至少两个离散的局部锚固件，其中至少一个锚固件是两侧是两个柄段的中间锚固件。因此，岩石锚杆将沿着锚杆的长度在多个间隔开的钻孔位置处牢固地装配到岩石并约束岩石变形。锚杆的预张紧可以防止或延迟初始裂纹形成，并且还可以提供对岩层的早期约束。该岩石锚杆对于由于长期变形和岩爆二者导致的岩石变形具有约束作用。

图11中示出锚固在壁700中的钻孔702内的安装后的锚杆10。钻孔702具有外围表面704、内端706和在壁700的表面710中的外部开口708。如上所述，已经钻出钻孔702的钻头18位于内端706。锚杆10延伸到钻孔702的长度，螺母/板组件20位于外开口708的外侧，以将锚杆10卡在表面710上。环形间隙712形成在锚杆10的径向外围和钻孔702的外周表面704之间。内孔24和环形间隙712填充有浆料714。锚杆10通过螺母/板组件20并且通过包括部分地或完全地嵌入在浆料714中的钻头18和中间锚固件16A的局部锚固件锚固在钻孔中。如果钻孔702较深，则可以通过添加额外的螺纹部分，如14C和14D，以及额外的联接件，如16B和16C，来增加锚杆10的有效长度。额外的联接件将形成额外的局部锚固件。

锚杆安装后的岩石变形将主要通过锚固件18、16A和20加载到锚杆10。然后每对相邻锚固件之间的柄段22A和22B将被拉伸和伸长。在极高的载荷下，一个或多个柄段22A、22B将屈服。图12中示出这种情况，柄段22A屈服。在这种情况下，中间锚固件17A和柄段22B仍然提供加固。

在一些情况下，例如与相对较弱的浆料相结合，锚固件甚至可能在浆料中滑动一点，而不会显著减少加固。由于这两种机制，根据本发明构造的锚杆10和其他锚杆在100mm样品长度上可容忍大于10％至大于15％的伸长，根据材料的特性，在100mm样品长度上甚至可容忍超过20％的伸长，同时承受与锚杆的屈服载荷相当的载荷。事实上，根据本发明构造的锚杆10和其他锚杆在其变形能力和强度两方面都利用钢材的能力。如果锚杆具有两个或更多个锚固件，包括在钻头和外板之间的至少一个中间锚固件，则在锚固件之间的段内确保锚杆的岩石锚固效果。在单个锚固件处的锚固损失仅在局部影响锚杆的加固效果。总的来说，只要一个或多个锚固件固定在钻孔中，锚杆仍然会很好地起作用，只损失一个或多个单独的局部锚固件。

尽管上文公开了发明人考虑到的实现本发明的最佳模式，但是本发明的实施并不限于此。显而易见的是，在不脱离本发明构思的精神和范围的情况下，除了以上描述的以外，可以对本发明的方面和特征进行各种添加，修改和重新排列。以上讨论了其中一些变化的范围。落入本发明但是上面没有具体讨论的所述实施例的其他变化的范围将从所附权利要求和其他附件而变得显而易见。

Claims (20)

1.一种局部锚固的自钻式可变形中空岩石锚杆，用于在岩石的钻孔中灌浆，所述岩石锚杆包括：

细长的中空管，其具有内端和外端并且具有轴向孔，所述中空管的内端构造成承载钻头；

至少一个通道，其构造成允许浆料从所述轴向孔流过并经过所述岩石锚杆的外周表面；和

轴向间隔开的局部锚固件，其包括至少一个中间锚固件，该中间锚固件轴向上设置在所述钻头和所述管的外端之间，并且两侧是两个相邻的相对可变形的柄段，与所述岩石锚杆的轴向长度相比，所述局部锚固件的轴向总长度轴向较短，其中与所述局部锚固件的锚固能力相比，每个所述柄段具有相对较低的锚固能力，使得每个所述柄段通过其伸长来约束局部岩石变形。

2.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其中所述钻头形成局部锚固件。

3.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其中所述岩石锚杆具有至少两个中间锚固件和至少三个柄段。

4.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其中锚固件总长度与锚杆长度之比在1:2和1:50之间。

5.根据权利要求4所述的岩石锚杆，其中锚固件总长度与锚杆长度之比在1:10和1:25之间。

6.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其中所述局部锚固件和所述柄段被构造成使得所述锚杆在所述锚杆的100mm长的段上可容忍大于10％的伸长，同时承受与所述锚杆的屈服载荷相当的载荷。

7.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其中所述局部锚固件和所述柄段被构造成使得所述锚杆在所述锚杆的100mm长的段上可容忍大于20％的伸长，同时承受与所述锚杆的屈服载荷相当的载荷。

8.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其中所述中间锚固件中的至少一个包括将所述管的两个相邻管状体连接在一起的联接件。

9.根据权利要求6所述的岩石锚杆，其中所述联接件通过螺纹连接和焊接之一安装在所述管状体上。

10.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其中所述中间锚固件中的至少一个通过将所述锚杆的一段成型和将外部锚固件装配到所述锚杆上二者之一而形成。

11.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其中所述柄段中的至少一个至少基本上沿其整个轴向长度具有基本上均匀的脱粘性。

12.根据权利要求11所述的岩石锚杆，其中所述至少一个柄段的外周表面至少基本上沿其整个轴向长度是光滑的。

13.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其中所述柄段中的至少一个沿其轴向长度具有非均匀的脱粘性，具有脱粘性彼此明显不同的轴向部分。

14.根据权利要求13所述的岩石锚杆，其中所述柄段具有至少一个光滑段和被进行了螺纹化、滚花化和弯曲中的至少之一的至少一段。

15.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其中所述锚固件的直径大于所述柄段的直径。

16.一种局部锚固的自钻式可变形中空岩石锚杆，用于在岩石中的钻孔中灌浆，所述岩石锚杆包括：

细长的中空管，其具有内端和外端以及轴向孔，所述管由N个轴向对准的管状体形成，其中N至少为2，在所述岩石锚杆中形成有至少一个通道，以允许浆料从所述轴向孔流过并经过所述岩石锚杆的外周表面；

钻头，其设置在最内的管状体的轴向内端上并形成局部锚固件；

M个中间联接件，其中M至少为1，其设置在所述钻头和所述管的外端之间，每个所述中间联接件将两个相邻的管状体连接在一起并且限定将两个连续的可伸长柄段分开的局部锚固件，其中每个所述中间联接件形成局部锚固件并且具有比所述管的外径大的外径，其中

与所述岩石锚杆的轴向长度相比，所述锚固件的轴向总长度轴向较短，并且其中

与所述局部锚固件的锚固能力相比，每个所述柄段具有相对较低的锚固能力，使得每个所述柄段通过其伸长来约束局部岩石变形。

17.根据权利要求16所述的岩石锚杆，其中所述岩石锚杆具有至少两个中间锚固件和至少三个柄段。

18.一种方法，包括：

使用局部锚固的自钻式局部可变形中空岩石锚杆钻孔，所述岩石锚杆具有细长的中空管，该管具有内端和外端并且具有轴向孔，在所述管的内端上设置有钻头，并且在所述钻头和所述锚杆的外端之间设置有至少一个中间锚固件，该中间锚固件的两侧是两个相邻的相对可伸长的柄段，与所述岩石锚杆的轴向长度相比，所述锚固件的轴向总长度轴向较短；然后

在所述岩石锚杆处于所述钻孔中时，将浆料供给到所述岩石锚杆中的所述轴向孔中，使得所述浆料至少基本上填充所述岩石锚杆的外周表面和所述钻孔的外周表面之间的间隙；然后

使所述浆料硬化，使得所述岩石锚杆在被柄段相互分开的至少两个轴向间隔开的位置处局部锚固到所述浆料。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括在钻孔步骤之前或之间通过联接件将至少两个管状体联接在一起，并且其中在所述浆料硬化之后所述联接件起到中间锚固件的作用。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述局部锚固件和所述柄段被构造成使得所述锚杆在所述锚杆的100mm长的段上可容忍大于10％的伸长，同时承受与所述锚杆的屈服载荷相当的载荷。