CN109477383B - 一种抗腐蚀可缩锚杆 - Google Patents
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Abstract
一种矿用锚杆，包括细长主体，该细长主体具有第一端以及与第一端位置相反的第二端，该细长主体具有第一螺纹部分、第二螺纹部分、以及位于第一螺纹部分和第二螺纹部分之间的非螺纹部分。非螺纹部分构造成当用灌浆将矿用锚杆安装在钻孔中时在载荷的作用下可缩。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年7月12日提交的申请号为No.62/361,241的美国临时专利申请和于2017年7月10日提交的申请号为15/645,312的美国专利申请的优先权，这些专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及一种矿顶锚杆，并且更具体地涉及一种可缩(yieldable)矿顶锚杆。
背景技术
常规地，矿顶/矿柱(rib)通过用插入在矿顶中钻出的钻孔中的4至6英尺长的钢锚杆来张紧矿顶的方式得到支撑，这种张紧加固了矿顶上方的无支撑岩层。通过矿顶锚杆端部上的膨胀组件与岩层的接合，矿顶锚杆的端部可以机械地锚固到岩层。作为选择，可以用树脂粘结材料或插入或泵入钻孔中的灌浆使矿顶锚杆粘接到岩层。通过使用膨胀组件和树脂粘结或灌浆材料两者，可以实现机械锚固和树脂粘结的组合。
机械锚固的矿顶锚杆通常包括螺纹连接到锚杆轴一端的膨胀组件和用于旋转锚杆的驱动头。驱动头和矿顶表面之间放置有矿顶板。膨胀组件通常包括由螺纹环支撑的多爪式壳体(multi-prong shell)和螺纹连接到锚杆端部的栓。当壳体的爪与钻孔周围的岩石接合并且锚杆围绕其纵向轴线旋转时，栓向下螺接在轴上，使壳体膨胀为与岩石紧密接合，从而使锚杆在膨胀组件和矿顶表面之间处于张紧状态。
当使用树脂粘接材料时，树脂粘接材料穿透周围的岩层以使岩层结合并将矿顶锚杆牢固地保持在钻孔内。树脂通常以双组分塑料筒的形式插入矿顶钻孔中，其中一种组分含有可固化树脂组合物，另一种组分含有固化剂(催化剂)。双组分树脂筒插入到钻孔的盲端，矿顶锚杆插入到钻孔中，使得矿顶锚杆的端部使双组分树脂筒破裂。在矿顶锚杆围绕其纵向轴线旋转时，树脂筒内的隔室被切碎并且组分被混合。树脂混合物填充钻孔壁和矿顶锚杆的轴之间的环形区域。被混合的树脂固化并将矿顶锚杆与周围岩石结合。作为选择，可以通过矿顶锚杆或通过单独的管将灌浆注入或泵入钻孔来将矿顶锚杆灌注在钻孔内。灌浆可以是水泥和/或聚氨酯树脂灌浆。
在某些采矿条件下，特别是在硬岩采矿中发现的那些条件下，由于采矿诱发地震活动、周边岩石的开挖、轻微的地震等原因，矿柱和矿顶上方的岩层易发生移动或岩爆(rock bursts)。在岩爆引起的动态载荷的作用下，矿顶锚杆可能容易失效。已经设计了各种矿顶锚杆以致力于更好地承受岩爆。具体地说，将矿顶锚杆设计成可可缩(屈服)的以允许锚杆吸收由岩爆引起的一些动态载荷。
发明内容
在一个实施例中，矿用锚杆包括细长主体，所述细长主体具有第一端以及与所述第一端位置相反的第二端，所述细长主体具有第一螺纹部分、第二螺纹部分、以及位于所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分之间的光滑的非螺纹部分。非螺纹部分构造成当用灌浆将所述矿用锚杆安装在钻孔中时在载荷的作用下可缩(屈服)。
所述细长主体可以是限定中央通道的中空杆或具有实芯的杆。所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分可以是粗牙螺纹形式。所述粗牙螺纹形式可以是梯形螺纹(acmethreads)。所述非螺纹部分与所述细长主体的所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分相比可以更具延展性和可缩性。所述细长主体可由低碳钢制成，并且对所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分进行热处理，使得所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分与所述非螺纹部分相比延展性小。所述细长主体可以由钢制成，并且对所述非螺纹部分进行退火。
所述矿用锚杆还可包括位于所述细长主体的所述第一端的钻头。所述第一螺纹部分可以从所述细长主体的所述第一端延伸到所述细长主体的所述第一端和所述第二端中间的位置，并且所述第二螺纹部分可以从所述细长主体的所述第二端延伸到所述细长主体的所述第一端和所述第二端的中间位置。
另一方面，矿用锚杆包括细长主体，所述细长主体具有第一端以及与所述第一端位置相反的第二端，所述细长主体具有多个螺纹部分和多个非螺纹部分。每个所述非螺纹部分均位于相应螺纹部分之间。所述非螺纹部分构造成当用灌浆将所述矿用锚杆安装在钻孔中时在载荷的作用下可缩。
所述细长主体的所述第一端可以具有尖头，所述尖头构造成刺穿树脂筒。
另一方面，制造矿用锚杆的方法包括螺制细长主体的第一部分和第二部分，并且在所述第一部分和第二部分之间布置有非螺纹部分，并对所述细长主体进行热处理，使得所述非螺纹部分与所述第一部分和所述第二部分相比更具延展性和可缩性。
所述热处理可包括对非螺纹部分进行退火。所述热处理可包括对所述第一部分和所述第二部分进行热处理，使得所述第一部分和所述第二部分与所述非螺纹部分相比延展性小。所述细长主体可以是限定中央通道的中空金属杆。所述细长主体的所述第一部分和所述第二部分可以被螺制成粗牙螺纹形式。
另一方面，安装矿用锚杆的方法包括将矿用锚杆插入钻孔中，所述矿用锚杆包括细长主体，所述细长主体具有第一端以及与所述第一端位置相反的第二端。细长主体具有第一螺纹部分、第二螺纹部分、以及位于所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分之间的非螺纹部分。所述细长主体是限定中央通道的中空杆。所述方法还包括对所述矿用锚杆进行灌浆，使得灌浆位于所述细长主体的所述中央通道内，以及所述细长主体与限定所述钻孔的岩层之间。
所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分可以是粗糙的并且构造成与所述灌浆接合并粘结，并且所述非螺纹部分可以是光滑的并且构造成当所述矿顶锚杆被置于载荷下时与所述灌浆脱粘。
附图说明
图1是根据本发明的一个方面的矿用锚杆的主视图。
图2是沿图1所示的2-2线截取的剖视图。
图3是根据本发明的又一方面的矿用锚杆的局部主视图。
图4是根据本发明的另一方面的矿用锚杆的立体图。
图5是图4中的矿用锚杆的主视图。
图6是图1中的矿用锚杆的主视图，并示出了安装在钻孔中的矿用锚杆。
图7是根据本发明的又一方面的矿用锚杆的主视图。
图8是图7中的矿用锚杆的螺纹部分的放大立体图。
图9是根据本发明的又一方面的矿用锚杆的主视图。
图10是图9中的矿用锚杆的局部剖视图。
具体实施方式
现在将参考附图对本发明进行描述。在下文中为了便于描述，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”及其派生词应被认为如其在附图中的取向来描述本发明。然而，应理解的是，除非另有明确规定，否则本发明可以采用各种替代方案和步骤顺序。应理解的是，附图中示出的以及以下说明书中描述的特定装置仅仅是本发明的示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特性不应被视为对本公开的限制。
如图1至图2所示，根据本发明的一个方面，矿用锚杆10包括细长主体12，细长主体12具有第一端14以及与第一端14位置相反的第二端16。细长主体12是限定有中央通道18的中空金属杆，尽管可以使用其他合适的细长主体。另一方面，细长主体12可以是没有中央通道18的实芯杆。细长主体12具有第一螺纹部分20、第二螺纹部分22以及位于第一螺纹部分20和第二螺纹部分22之间的非螺纹部分24。第一螺纹部分20和第二螺纹部分22是粗糙的并且构造成当矿用锚杆10安装在钻孔中时与灌浆接合并粘结。非螺纹部分24是细长主体12的光滑部分，并且构造成当矿用锚杆10安装在钻孔中时与灌浆脱粘。非螺纹部分24构造成在矿井锚杆10被置于诸如动态载荷或静态载荷等载荷下时可缩。第一螺纹部分20和第二螺纹部分22可形成为梯形螺纹，但也可以使用其他合适的螺纹形式。具体地说，第一螺纹部分20和第二螺纹部分22可以是具有任何合适螺纹形式的粗牙螺纹，其构造成在安装矿用锚杆10时与灌浆接合，使得螺纹部分20、22将矿用锚杆10锚固在钻孔内。螺纹部分20、22可以是符合ASME/ANSI B1.1-2003Unified Inch Screw统一英制螺纹(UN&UNR Thread Form螺纹形式)所定义的统一螺纹标准(Unified Thread Standard,UTS)的统一粗牙螺纹形式(Unified Coarse,UNC)。可以对非螺纹部分24进行热处理，使得非螺纹部分24与第一螺纹部分20和第二螺纹部分22相比更具延展性和可缩性。非螺纹部分24的热处理可以在制造矿用锚杆10期间由感应加热装置(未示出)提供。更具体地说，可以对非螺纹部分24进行退火，使得非螺纹部分24与第一螺纹部分20和第二螺纹部分22相比更具延展性和可缩性，尽管如以下描述那样可以使用其他替代方案。非螺纹部分24可以设置有脱粘剂，以进一步帮助与灌浆脱粘，以在锚杆10承受载荷期间可缩。
第一螺纹部分20从细长主体12的第一端14延伸到细长主体12的第一端14和第二端16中间的位置。第二螺纹部分22从细长主体12的第二端16延伸到细长主体12的第一端14和第二端16中间的位置。第一螺纹部分20比第二螺纹部分22长，但可以使用其他合适的构造。一方面，细长部件12长102英寸，其具有39英寸的第一螺纹部分20、39英寸的非螺纹部分24和24英寸的第二螺纹部分22。细长主体12可具有约47kips的最小可缩(屈服)强度、约58kips的最小拉伸强度、以及约15％的标称伸长率，但也可以选择其他合适的性能。
一方面，通过以下方式来制造矿用锚杆10：对中空杆进行螺纹加工(螺制)以提供第一螺纹部分20和第二螺纹部分22，同时保留中空杆的一部分不进行螺纹加工以形成非螺纹部分24。随后，对细长主体12的非螺纹部分24进行热处理，使得非螺纹部分24与第一螺纹部分20和第二螺纹部分22相比更具延展性和可缩性。非螺纹部分24可以通过感应加热进行热处理，并且感应加热装置与第一螺纹部分20和第二螺纹部分22充分间隔开，以确保第一螺纹部分20和第二螺纹部分22的特性基本上不被热处理改变。
如图3所示，矿用锚杆10还可包括固定到细长主体12的第一端14的钻头28。利用所附接的钻头28，矿用锚杆10形成自钻锚杆以允许使用矿井锚杆10钻出钻孔，并且随后将矿井锚杆10灌注在钻孔内。
参照图4和图5，示出了根据本发明的另一方面的矿用锚杆100。矿用锚杆100类似于以上论述的图1至图3中所示的矿用锚杆10。然而，矿用锚杆100包括多个螺纹部分104和多个非螺纹部分106。矿用锚杆100的第一端108可包括构造成刺穿树脂筒的尖头110。螺纹部分104可以为6至12英寸，并且非螺纹部分106可以为12至16英寸。螺纹部分104构造成混合树脂并将矿用锚杆100锚固在钻孔内，并且非螺纹部分106构造成当矿用锚杆100安装在钻孔内并且承受载荷(例如动态载荷)时可缩。对于动态载荷条件，螺纹部分104与非螺纹部分106长度比可以是6英寸：18英寸。对于在软岩采矿期间通常遇到的静态载荷条件，螺纹部分104与非螺纹部分106长度比可以是10英寸：14英寸。
参照图6，图1至图6所示的矿用锚杆10、100可以通过将矿用锚杆10、100插入钻入岩层122中的钻孔120中来安装。如上文结合图3所论述的，可以用矿顶锚杆10本身或用单独的钻钢钻出钻孔120。然后使用水泥灌浆或聚氨酯树脂灌浆124对矿用锚杆10、100进行灌浆，但也可以使用其他合适的灌浆。灌浆124可以通过细长主体12的中央通道18注入或泵送。作为选择，可以使用两件式树脂筒(未示出)来灌注矿用锚杆10、100，两件式树脂筒在插入矿用锚杆10、100之前插入在钻孔120中，并且矿用锚杆10、100使筒破裂并混合其容纳物。灌浆124位于矿用锚杆10、100的细长主体12的中央通道18内，以及细长主体12与限定钻孔120的岩层122之间，以为矿用锚杆10、100提供腐蚀保护。如果矿用锚杆10、100利用具有实芯的细长主体12(可以是间断轧制(skip rolled))，则矿用锚杆10、100可以是在安装之后在矿用锚杆10、100的外部进行后灌浆。
参照图7和图8，示出了根据本发明的另一方面的矿用锚杆130。矿用锚杆130类似于图1和图2中所示并且在上文论述的矿用锚杆10。然而，第一螺纹部分20和第二螺纹部分22由单独的管部分形成，每个管部分焊接到限定非螺纹部分24的单独的管部分。更具体地说，第一螺纹部分20和第二螺纹部分22可以由具有65000lbf的拉伸强度和10％的伸长率的R32钢管形成，每个R32钢管焊接到由具有55000lbf的拉伸强度和20％的伸长率的高伸长率钢管制成的非螺纹部分24，尽管可以使用其它合适的材料。第一螺纹部分20和非螺纹部分24每个可以为39英寸，并且第二螺纹部分22可以为24英寸，但也可以使用其他合适的尺寸。不提供由不同材料制成的单独部分，而是采用单件管制造矿用锚杆130，并且非螺纹部分24经过热处理或退火以获得与上述相同的材料性能。
此外，矿用锚杆130也可以由单件管制成，并且对第一螺纹部分20和第二螺纹部分22进行热处理，以与非螺纹部分24相比具有更高的强度和相应的更低的伸长率和延展性。单件管可以由具有非螺纹部分24所需的强度和延展性能的低碳钢制成，并且对第一螺纹部分20和第二螺纹部分22进行热处理以增加强度并降低延展性。矿用锚杆130的非螺纹部分24也可以具有相对于螺纹部分20、22减小的横截面积。矿用锚杆130的非螺纹部分24的外径可以小于螺纹部分20、22的螺纹的主直径，尽管非螺纹部分24的外径还可以小于螺纹部分20、22的螺纹的节圆直径和/或最小直径。矿用锚杆130的非螺纹部分24可以是相对于螺纹部分20、22具有较小横截面积的管，或者可以被机械加工、轧制或经由金属加工的其他加工以减小非螺纹部分24的横截面积。
参照图9和图10，示出了根据本发明的另一方面的矿用锚杆140。矿用锚杆140类似于图1和2中所示并且在上文论述的矿用锚杆10。然而，不提供第一螺纹部分20和第二螺纹部分22和非螺纹部分24，细长主体142设置有从细长主体142的第一端146延伸到第二端148的螺纹部分144。矿用锚杆140还包括细长主体142上的脱粘管道150。矿用锚杆140的具有脱粘管道150的中间部分以与图1和图2中所示的锚杆10相关的上述非螺纹部分24类似的方式起作用。具体地说，脱粘管道150构造成在安装矿用锚杆140时与灌浆脱粘，以允许矿用锚杆140的中间部分在矿用锚杆140承受动态或静态载荷期间可缩。脱粘管道150沿着细长主体142的位置可以通过卷边或摩擦配合固定，但也可以使用其他合适的布置。与邻接脱粘管道150的部分相比，矿用锚杆140在第一端146和第二端148之间的中间部分更具延展性和可缩性。可以对细长主体142的具有脱粘管道150的中间部分进行退火以提供更高的延展性。作为选择，在保留具有更高的延展性和更低的强度的细长主体142的中间部分同时，可以对第一146和第二端148与脱粘管道150之间的部分进行热处理，以增加这些部分的强度。脱粘管道150可以由聚合物制成，例如尼龙，尽管也可以使用其他合适的材料和聚合物。
尽管在前面的详细说明中描述了若干实施例，但是本领域技术人员在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以对这些实施例进行修改和变更。因此，前面的描述旨在说明而不是限制。
Claims (13)
1.一种矿用锚杆，包括：
细长主体，所述细长主体具有第一端以及与所述第一端位置相反的第二端，所述细长主体具有第一螺纹部分、第二螺纹部分、以及位于所述第一螺纹部分和第二螺纹部分之间的光滑的非螺纹部分，其中，所述非螺纹部分构造成当用灌浆将所述矿用锚杆安装在钻孔中时在载荷的作用下可缩，其中所述非螺纹部分的材料与所述细长主体的所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分的材料相比更具延展性和可缩性，其中所述细长主体包括限定中央通道的中空杆，所述中央通道从所述细长主体的所述第一端延伸到所述细长主体的所述第二端的螺纹，所述中央通道构造成将灌浆泵送到所述钻孔，并且其中所述细长主体的所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分构造成在所述矿用锚杆安装在所述钻孔中时与所述灌浆接合并粘结；
其中，所述第一螺纹部分包括从所述细长主体的第一端延伸到光滑的非螺纹部分的连续螺纹，所述第二螺纹部分包括从所述细长主体的第二端延伸到光滑的非螺纹部分的连续螺纹。
2.根据权利要求1所述的矿用锚杆，其中，所述光滑的非螺纹部分焊接到所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分。
3.根据权利要求1所述的矿用锚杆，其中，所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分均包括粗牙螺纹形式。
4.根据权利要求3所述的矿用锚杆，其中，所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分均包括梯形螺纹。
5.根据权利要求1所述的矿用锚杆，其中，所述细长主体由低碳钢制成，并且对所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分进行热处理，使得所述第一螺纹部分和所述第二螺纹部分与所述非螺纹部分相比延展性小。
6.根据权利要求1所述的矿用锚杆，其中，所述细长主体由钢制成，并且对所述非螺纹部分进行退火。
7.根据权利要求1所述的矿用锚杆，还包括定位在所述细长主体的所述第一端处的钻头。
8.一种制造根据权利要求1-7中任一项所述的矿用锚杆的方法，所述方法包括：
螺制细长主体的第一部分和第二部分，并且在所述第一部分和第二部分之间布置有非螺纹部分；和
对所述细长主体进行热处理，使得所述非螺纹部分与所述第一部分和所述第二部分相比更具延展性和可缩性。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述热处理包括对所述非螺纹部分进行退火。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述热处理包括对所述第一部分和所述第二部分进行热处理，使得所述第一部分和所述第二部分与所述非螺纹部分相比延展性小。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述细长主体包括限定中央通道的中空金属杆。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括经由金属加工工艺减小所述非螺纹部分的横截面直径。
13.一种安装根据权利要求1-7中任一项所述的矿用锚杆的方法，所述方法包括：
将矿用锚杆插入钻孔中，所述矿用锚杆包括细长主体，所述细长主体具有第一端以及与所述第一端位置相反的第二端，所述细长主体具有第一螺纹部分、第二螺纹部分、以及位于所述第一螺纹部分和第二螺纹部分之间的非螺纹部分，所述细长主体包括限定中央通道的中空杆；
对所述矿用锚杆进行灌浆，使得灌浆位于所述细长主体的所述中央通道内，以及在所述细长主体与限定所述钻孔的岩层之间。
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