[0002] 本发明涉及一种用于岩层中的岩石锚杆，并且具体地是、但非排它地是，涉及一种用于弱的或不稳定的岩层中的岩石锚杆。

[0003] 下面对本发明的背景的讨论旨在有助于理解本发明。然而，应当理解的是，讨论不是承认或认可该讨论的任何方面是截至本申请的优先权日的一般公知知识的一部分。

[0004] 伸长锚杆用于通过在钻入岩层中的孔内插入锚杆并将锚杆固定在孔内来增强岩层。锚杆可以通过与孔的孔壁摩擦接合而固定在孔内，或者它们可以埋置孔内，处在灌浆或树脂内。锚杆的尾端部可以延伸出孔的开口端，并且岩板可以附接到该尾端部并且可以被拧紧，以牢固地压靠在包围孔开口的岩石面上。锚杆在孔内的固定阻止锚杆从孔离开，并且锚杆支撑在孔周围的岩石，以防止断裂。同样，岩板支撑岩石面，以抵抗断裂和位移。安全网可以通过将网锚固到多个岩石锚杆而被广泛地安装在整个岩石面上。因此，岩石锚杆和安全网结合起来，以支撑岩层，从而抵抗断裂和塌陷。在地下采矿行业中广泛使用锚杆和网，以保护地下矿井和隧道中的工人和设备。

[0005] 地下矿井中的岩层条件有时可能是弱的，或者甚至非常弱，到达的程度是当前使用的岩石锚杆的操作效率不足以在没有额外的作业的情况下正确地将岩石锚杆锚固在岩层内钻出的孔内。弱的地层包括已经通过水泥浆固结的地层。水泥浆用于地下采矿中，以填充在采矿或开采过程期间产生的空隙，但是填充物的强度非常低，例如约5‑10 MPa的单轴抗压强度。通常，在这种已填充的空隙附近进行矿井中的后续开采，并且开采经常暴露水泥浆填充物。因为填充物的强度较低，所以需要加强，但是使用目前可用的岩石锚栓，加强非常困难。

[0006] 例如，标准摩擦锚杆（称为“对开式锚杆”）依赖于与孔的面对孔壁表面的牢固摩擦接合。当对开式锚杆松弛时，该对开式锚杆安装在具有小于该对开式锚杆的管道的外径的内径的孔中。对开式锚杆被以冲击方式敲入到孔中，这要求管道的直径收缩或减小。对开式锚杆被敲入至安装位置，在该位置，管道强制地和摩擦地接合孔的内侧壁，该孔壁抵抗管道扩张的趋势。正是在管道的外侧和孔的内侧壁之间的该接合将对开式锚杆保持在孔内的适当位置。

[0007] 同样地是，其它形式的摩擦岩石锚杆具有管道并且使用管道内的膨胀器来使管道膨胀，以与钻出的孔的内侧壁摩擦接合。这些岩石锚杆的管道可以像对开式锚杆一样形成，但是增加了膨胀器机构，以便增加岩石锚杆的管道接合孔壁的面对表面的摩擦力。

[0008] 在弱地层中使用上述岩石锚杆的困难在于，更困难且经常不能钻出有足够的直径精度的孔，使得岩石锚杆可以膨胀，以与孔的内侧壁牢固摩擦接合。形成的孔的直径通常最终将会比钻头大，并且随着孔内测壁在钻探过程中破裂、剥落或碎裂，直径会发生变化。此外，将岩石锚杆以冲击方式插入孔中可以进一步损坏孔的内侧壁，通常至少在孔的多个孔段中进一步增加孔直径。最终结果是，岩石锚杆要么不能足够地膨胀，以足够的摩擦接合接合孔壁，要么就是根本不能膨胀到足以接合孔壁。即使岩石锚杆可以膨胀，以与孔的内侧壁摩擦接合，通常形成孔壁的岩石的抗压强度较低，并且可以容易地被由膨胀器机构施加的压缩力破碎，导致不良的摩擦接合。

[0009] 由于在弱地层中使用膨胀的岩石锚杆的困难，更经常的是使用树脂锚杆，但是这些锚杆也会遇到它们自身的困难，即，这些困难与树脂在过大尺寸孔中的不良混合有关，并且还与树脂与孔的孔壁的水泥浆的不良粘结相关。因此，所获得的锚固通常相对较差，而且不一定比优先使用树脂锚杆所相对的膨胀岩石锚杆好得多。

[0010] 本发明的目的是提供一种岩石锚杆，其解决与在弱地层中的岩石锚杆锚固相关联的一个或多个困难，或者为消费者提供当前可用的岩石锚杆的替代方案。

[0044] 图1是根据本发明的一个实施例的岩石锚杆10的剖视图，其中岩石锚杆处于预展开状态并且准备好安装在钻孔或孔中。岩石锚杆10包括具有前端部14和尾端部16的伸长的大致圆形的管道12。岩石锚杆10的长度通常为约2m的量级，且因此锚杆10在图1中示出为具有穿过管道12的长度的截取段。

[0045] 管道12形成有沿其全长的间隙或裂缝（参见图5中所示和本文后面描述的裂缝68），使得岩石锚杆10被称为如前所述的“对开式锚杆”。该裂缝在图1或图2中不可见。因此，在岩层可以支撑该对开式锚杆的正常操作中，管道12将被以冲击方式敲到具有小于管道12的外径的内径的孔中。因此，管道12的直径将径向收缩，以配合到孔中，并且通过该收缩，管道12将摩擦地接合孔的内表面。对开式锚杆通过摩擦接合保持在孔内。在一些形式中，本发明修改如下所述的对开管道12，以使其能够通过仅摩擦接合而锚固在不具有足够结构完整性以进行锚固的岩层内。从前面的讨论中将显而易见的是，已经研制了本发明来用于将岩石锚杆10安装在岩层中，该岩层是弱的，使得由对开式锚杆通常采用的摩擦接合不能适当地将岩石锚杆锚固在孔内。

[0046] 锚杆10包括膨胀器机构18，该膨胀器机构18包括可螺纹连接到伸长的杆24的前端部22的移动楔形件20。杆24在管道12的前端部14和尾端部16之间基本上延伸管道12的全长。杆24的前端部14是带螺纹的，并且楔形件20可螺纹连接到前端部22。杆24的尾端部16形成为螺母26，使得螺母26和杆24一体地连接。螺母26的旋转使杆24旋转，并且通过限制楔形件20，阻止其与杆24一起旋转，楔形件20可以在杆24的长度方向上在螺纹段30上移位。

[0047] 在缆线锚杆中，该楔形件可以固定到该缆线的前端部，并且该楔形件可以通过拉动或张紧该缆线的尾端部而在该管道内纵向移位。该缆线的尾端部可以通过所谓的桶和楔形件布置而被锚固在岩石锚杆的尾端部处，这允许缆线在一个方向上被拉动或张紧，并且这夹紧缆线，以阻止在相反方向上的移动。

[0048] 回到图1，螺母26支承抵靠于垫圈32，该垫圈32又支承抵靠于焊接到管道12的外表面的圆环34。当岩石锚杆10安装在孔中时，环34支承抵靠在岩板上。该布置在图2中示出，在该布置中，锚杆10被示出为安装在孔H内。在图2中，套筒36与岩板38接合，该岩板38支承抵靠于岩层的面对表面40，锚杆10则安装在该岩层内。

[0049] 岩石锚杆10包括一对沿直径方向相对的可位移的管壁段42和44。管壁段42和44在图1中示出为与管道12共同延伸，而在图2中，它们被示出为向外位移，埋置于岩层中。

[0050] 单个可位移的管壁段42在图3中示出，并且该图示出了管壁段42形成为大致矩形，使得管壁段42具有一对大致平行的侧壁46和底部边缘48。管壁段42通过凹槽或狭槽50与周围的管道12分离。狭槽50可以在管道12形成/卷成其圆形构造之前切入管道12中。因此，在坯件被卷起来以形成管道12之前，凹槽50可以被切割成扁平金属板或扁平管道坯件。凹槽50可以以任何合适的方式切割，诸如通过激光、水射流或火焰。还可以通过切割或冲压将凹槽50切割到已经形成/卷起来的管道中。

[0051] 管壁段42在铰链端部或铰链段52处保持连接到管道12。凹槽50包括两个向内悬垂的自由部分或凹槽段54，其在会合之前终止，使得铰链段52留在适当位置，并且因此将管壁段42连接到管道12的相邻部分。向内悬垂的凹槽段54不是必需的，但是这一段54的设置减少了管壁段42从图1所示的共同延伸位置向外位移到图3所示的位移位置所需的努力。这一段54可以比图3中所示的更长或更短，以改变管壁段42的向外位移所需的努力。如果这一段54较短，则力增加，因为管壁段42与管道12之间的金属的需要弯曲以使管壁段42向外位移的量增大。同样地是，如果这一段54较长，则管壁段42与管道12之间的金属量减小，并且因此使管壁段42围绕铰链段52弯曲的努力减小。

[0052] 如前所述，岩石锚杆10已经被研制用于在相对弱的地层中使用，例如在已经利用水泥浆固结的地层中。与通过与孔的面对壁的摩擦接合而锚固在孔内的传统摩擦岩石锚杆相比，岩石锚杆10旨在提供孔H（图2）内的更牢固的锚固，该锚杆10安装在孔H内。相反，图中所示的锚杆10通过将管壁段42和44向外位移到图2所示的位置而锚固在孔H内，使得管壁段42和44落入并埋置于周围的岩层中，并且通过该埋置，锚杆10牢固地锚固在岩层内。特别地是，管壁段42和44的底部边缘48形成段42和44的锚固端部，其倾向于在其正下方挖入地层
58，从而阻止锚杆10在孔H内的纵向移动。

[0053] 通过移动楔形件20相对于固定楔形件60的移动，管壁段42和44在图1所示的共同延伸位置和图2所示的向外位移位置之间移位，该固定楔形件60连接到或固定到每个管壁段42和44的内侧表面。固定楔形件60可以以任何合适的方式固定到管壁段42和44的内侧表面，诸如通过焊接、软焊、钎焊或通过紧固件来固定。

[0054] 每个固定楔形件60具有倾斜楔形件表面62。楔形件表面62可以是平坦的或平面的，或者它们可以是略微凹形或凸形的。移动楔形件20的外侧表面同样倾斜并且具有与固定楔形件60的表面匹配的轮廓。从图1和图2之间的管壁段42和44的过渡可以明显看出，当移动楔形件20沿着杆24的螺纹段30在杆24的尾端部28的方向上移位时，管壁段42和44向外推动，同时围绕铰链段52旋转，以将每个管壁段42和44的底部边缘48重新定位到邻接的岩层58中。图4示出了岩石锚杆10的立体图，示出了根据图2从管道12向外位移的管壁段42和44。

[0055] 因此，为了向外位移管壁段42和44，螺母26由合适的驱动器（诸如液压驱动器）旋转，使得杆24旋转。通过楔形件20的倾斜楔形件表面62与固定楔形件60的楔形件表面62的接合，防止移动楔形件20与杆24一起旋转。因此，楔形件20沿着螺纹段30从图1所示的上部位置纵向向下移位到图2所示的下部位置。

[0056] 当楔形件20沿着杆24的螺纹段30移位时，管壁段42和44同时向外推动或位移。向外位移管壁段42和44的力是弯曲铰链段中的管道12的金属所需的力加上使岩层位移以便管壁段42和44推入岩层中所需的力之和。

[0057] 管壁段42和44不必如图2所示位移到它们的最大位移。岩层可以具有足够的完整性，其抵抗管壁段42和44位移到最大位移。此外，岩石锚杆10可以通过管道12的外侧表面与孔H的面对表面之间的接合来实现一些摩擦锚固。该摩擦锚固可以沿着管道12的长度变化。然而，岩石锚杆10旨在主要通过位移的管壁段42和44埋置于岩层中来锚固在孔H内，并且通过与孔H的面向表面的摩擦接合而实现的任何额外的锚固是有利于锚固的安全性的，但不依赖于该额外的锚固。

[0058] 因此，楔形件20可以被敲到图1的上部位置和图2的下部位置中间的位置。液压驱动装置可以包括将最大扭矩施加到螺母26的限制器，使得一旦达到最大扭矩，则无论楔形件20是否还未到达图2所示的管壁段42和44的最大位移位置，螺母26都不再旋转。

[0059] 应当理解的是，无论楔形件20被敲在杆24的螺纹段30上的位置如何，楔形件20将保持与固定楔形件60的倾斜楔形件表面62接触，并且因此将阻止管壁段42和44从位移后的位置返回移动。虽然管壁段42和44将不会自然地从位移后的位置返回，因为铰链段52的弯曲是塑性的并且因此是永久的，但是岩层的移动可以推压该位移后的管壁段42和44，并且因此楔形件20和固定楔形件60之间的持续接触抵抗任何向内推动载荷，并且因此确保管壁段42和44保持它们的位移后的位置。

[0060] 图5是从管道12的前端部14截取的图4的端视图。因此，图5示出了管道12的最顶部的边缘64以及在扁平管道坯件中产生的短裂缝66，使得前端部14可以形成为锥形，以帮助将前端部14进入孔H的开口中。图5还示出了沿着管道12的整个长度延伸的裂缝68，以形成如前所述的对开式锚杆的岩石锚杆10。

[0061] 图5示出了在图2和4的位移后的位置中的可位移的管壁段42和44，并且示出了在铰链段52处的管道12与管壁段42和44之间的持续连接。

[0062] 回过来参考图2，在可位移的管壁段42和44的位移后的位置中，管壁段42和44的底部边缘48或锚固端部已经被推入围绕管道12的岩层中。如图1和图2所示，楔形件60具有底部面56，并且如图2所示，面56是实心的而不是开口的，这为楔形件60提供了强度并且为它们提供更大的面积以用于与楔形件埋置的岩层接触，从而提高对岩石锚杆10从孔H的移动和移除的阻力。

[0063] 倾斜的楔形件表面62继续超过管壁段42的底部边缘48，以形成保持器70。保持器70设定了管壁段42和44围绕铰链段52的最大旋转角度。如图1所示，在展开管壁段42和44之前，保持器70处在管道12内侧并且延伸到杆24的任一侧。这是可以发生的，因为该保持器是弯曲的，并且围绕杆24弯曲，或者保持器70可以包括用于杆24穿过的间隙。当管壁段42和44已经位移到图2的最大位移位置时，保持器70移位到与管道12的内侧表面接合的位置，该位置位于管壁段42和44的底部边缘48在图1中定位的位置正下方。应当理解的是，一旦保持器
70与管道12的内侧表面接合，管壁段42和44不再向外位移是可能的。这从防止管壁段42和
44过度位移的角度是有利的。如果管壁段42和44位移到它们可以通过90°旋转的位置，则过度位移将是有问题的，并且因此将失去其提供的锚定效果（诸如图2所示的位置）。例如，如果管壁段42和44下方的岩层移位并向下拖曳管道12的尾端部16，则可能发生这种过度位移。

[0064] 保持器70还为岩石锚杆10的安装和操作提供额外的益处。当保持器70与管道12的内侧壁接合时，防止移动楔形件20在杆24的螺纹段30上进一步向下移动。这为安装人员提供了管壁段42和44已经达到其最大位移位置的触觉指示，使得安装人员知道岩石锚杆10已经适当地在孔H内展开。如上所述，在最大位移位置，楔形件20保持与楔形件60的倾斜楔形件表面62接触，从而防止管壁段42和44向内返回。

[0065] 保持器70可以形成在图1和图2所示的位置的内部，使得它们可以从管壁段42和44与楔形件60的倾斜楔形件表面62之间的底部面56延伸，以便改变管壁段42和44的最大位移位置。

[0066] 通过终止螺纹段30，可以在楔形件20相对于杆24的最大量行程中控制楔形件20。这在图1中可见，在图1中，杆24在过渡点72处从螺纹段30过渡到非螺纹杆。杆24可以在过渡点72处加宽，以提供楔形件20在最大行程点处接合的实际止挡。

[0067] 参考图5，显而易见的是，第三可位移的管壁段可以包括在管壁段42和44之间的中间的管道12中，并且与短裂缝66对齐。可以不包括与第三管壁段相对的第四管壁段，因为管道12的这段是纵向裂缝68。然而，在未形成为对开式锚杆的岩石锚杆管道中，使得它们不采用纵向裂缝，可以采用第四管壁段，使得第一对管壁段42和44将伴随有第二组沿直径方向相对的管壁段，并且四个管壁段等距地间隔开。楔形件20可以布置用以与第三管壁段配合、或与第三管壁段和第四管壁段配合。

[0068] 还有可能的是，可以在管道12的管壁中形成另外的管壁段，该管壁段在管壁段42和44下方轴向间隔开，要么在它们正下方，要么周向地位移，以与上部管壁段偏移。为此，膨胀器机构18将需要被修改，诸如包括两个或更多个轴向间隔开的移动楔形件。

[0069] 本领域技术人员将理解，本文描述的本发明容易受到除了具体描述的那些之外的变型例和修改例的影响。应当理解的是，本发明包括落入本发明的精神和范围内的所有这样的变型例和修改例。