АНКЕРНАЯ КРЕПЬ Российский патент 1997 года по МПК E21D21/00 

Изобретение относится к креплению горных выработок, а именно к анкерной крепи.

Известна анкерная крепь, включающая установленный в скважине стержень с замком из усеченного конуса с цилиндрическим основанием, распорные элементы, размещенные на усеченном конусе с возможностью вдавливания в стенки скважины, и опорную плиту с отверстием для стержня. При этом распорные элементы выполнены в виде металлических гранул различной крупности, которые размещены на усеченном конусе рядами по возрастанию их размеров, а опорная плита снабжена дополнительными отверстиями для засыпки гранул в скважину [1]
Недостатком анкерной крепи является невозможность ее использования для крепления слабоустойчивых пород, т.к. металлическими гранулами нельзя загерметизировать скважину по всей ее длине из-за зазоров между гранулами, а также их высокая стоимость.

Наиболее близкой к предлагаемой является анкерная крепь, включающая грузонесущий стержень с эксцентрично поставленной гайкой, навинченной на его замковый конец, бумажный патрон, заполненный крупнозернистым песком, эксцентрично поставленную шайбу и кольцевой упор [2] Грузонесущий стержень вводят в скважину до упора в породу, затем вращают головку стержня, из-за эксцентричности расположения отверстий шайба и гайка не вращаются, а сближаются, выдавливая песок в стенки скважины.

Недостатком известной анкерной крепи является значительное перемещение анкерного стержня при уплотнении сыпучего материала вследствие того, что диаметр патрона с сыпучим материалом меньше диаметра скважины, т.к. в противном случае его нельзя разместить в ней. Перемещение стержня приводит к необходимости удлинять его резьбовую часть, что удорожает конструкцию. При указанном недостатке невозможно заполнить скважину по всей длине минеральным наполнителем с целью ее герметизации для предотвращения окисления стенок скважины. Этот фактор является существенным для глинисто-карбонатных пород. Вследствие окисления этих пород их несущая способность, а следовательно, и анкерной крепи снижается на 70-80%
Несущая способность известной крепи снижается также за счет наличия бумажного патрона, т.к. между сыпучим материалом и стенками скважинами уменьшается сцепление и силы трения, возникает скольжение частиц наполнителя.

Кроме того, при известной конструкции головки анкера недостаточно полно использован механизм взаимодействия сыпучего материала со стенками скважины, вследствие чего увеличиваются затраты времени на изготовление резьбы, установку анкера.

Целью изобретения является повышение несущей способности крепи за счет обеспечения герметизации скважины в слабоустойчивых породах, за счет появления дополнительных сил трения в зазоре между головкой анкера и стенками скважины, а также снижение перемещения анкера, уменьшение затрат на его изготовление за счет уменьшения длины резьбы.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что в анкерной крепи, включающей установленный в скважине грузонесущий стержень с эксцентрично поставленной опорной головкой на его замковом конце, минеральный заполнитель, подпорный элемент с эксцентрично поставленной шайбой, головка имеет торцевую часть в виде усеченного конуса с углом наклона к оси грузонесущего стержня 10-15^o, снабженную бороздой, причем отношение длины конической части к цилиндрической равно 1:( 1,8 + 2,0,) а высота цилиндрической части составляет не менее диаметра скважины, зазор между цилиндрической частью и стенкой скважины равен 3,0 -3,3% от диаметра скважины, при этом минеральный заполнитель берут с крупностью зерен 5-100% от зазора. Дополнительно анкерная крепь между минеральным заполнителем и шайбой содержит эксцентрично поставленную эластичную шайбу.

Коническая форма торца опорной головки позволяет в процессе перемещения ее к устью скважины разместить в зазоре между цилиндрическими стенками опорной головки и стенками скважины больший объем минерального заполнителя, тем самым увеличить его плотность и соответственно силы трения опорной головки о минеральный наполнитель. Процесс уплотнения минерального наполнителя, например песка, конической поверхностью головки происходит за счет увеличения плотности упаковки частиц, за счет сдвиговых деформаций частиц, а также их разворота. Бороздка на конической поверхности увеличивает работу поверхности головки за счет переориентации длинных осей частиц и связанной с этим дополнительной работой на сдвиговые деформации в частицах вдоль их длинных осей. При этом под головкой создается опорная подушка из уплотненного минерального наполнителя. Причем максимальный размер зоны уплотненного минерального наполнителя наблюдается при углах наклона конической поверхности к оси стержня в 10-15 ^o на интервале до 10 диаметров головки анкера. Наибольшая плотность наблюдается вокруг головки анкера и под головкой на интервале до 5 диаметров скважины. Вследствие введения бороздки на конической поверхности увеличивается размер уплотненной зоны по длине скважины до 10-12% При этом в уплотненной зоне появляются участки весьма уплотненного минерального заполнителя, чередующиеся с участками разряжения. Уплотненные участки песка обладают прочностью на растяжение и сжатие, сопоставимой с прочностью алевролитов, аргиллитов. Прочность закрепления анкера минеральным заполнителем определяется прочностью грузонесущего стержня. Однако минеральные смещения головки анкера, что определяют качество крепления, наблюдаются при соотношении длины конической части головки к цилиндрической, равном 1:(1,8-2), при зазоре между стенками головки анкера и стенками скважины от диаметра скважины в 3,0-3,3% и крупности зерен минерального заполнителя 5-100% от величины зазора. При этом не разрушаются стенки скважины из пород прочностью на сжатие 120, 130 кгс/см (т.е. слабоустойчивые породы). Выбор длины цилиндрической части головки в пределах диаметра скважины позволяет снизить величину смещения головки при предварительном натяжении. Дальнейшее увеличение длины головки анкера не влияет на ее смещение. Таким образом, в указанных пределах параметров элементов крепи достигается минеральное смещение головки анкера, обеспечивается возможность максимального заполнения скважины минеральным заполнителем. Отклонение от указанных соотношений параметров приводит к увеличению смещения головки анкера, а следовательно, хвостовика при предварительном натяжении анкера на величину, превышающую регламентированный техникой безопасности выступ хвостовика за гайку (50 мм).

На чертеже приведен осевой разрез анкерной крепи.

Анкерная крепь состоит из грузонесущего стержня 1 с опорной головкой 2 на его замковом конце минерального заполнителя 3, скважины 4, подпорной втулки 5 в устье скважины, подпирающей минеральный заполнитель через жесткую 6 эластичную 7 шайбы. Опорные элементы крепи состоят из верхняка 8, опорной шайбы 9, сферической шайбы 10, гайки 11. Верхняк 8 поддерживает кровлю и концы перетяжек 12, служащие для поддержания кровли между верхняками. Верхняк 8 симметрично по краям имеет изгибы V-образного сечения для размещения изогнутых концов стержней перетяжки 12.

Опорная головка 2 установлена на грузонесущем стержне 1 эксцентрично его оси. Навинченная на замковый конец стержня 1 эксцентричная головка 2 смещает его от центра скважины 4 к ее стенке, что позволяет вводить вместе со стержнем транспортную магистраль для заполнения скважины. По этой же причине шайбы 6 и 7 выполнены эксцентричными.

Опорная головка 2 имеет сложную форму и состоит из цилиндрической части и торцевой в виде усеченного конуса. На конической поверхности выполнена борозда 13.

Анкерную крепь устанавливают следующим образом. На замковый конец опорного стержня 1 навинчивают асимметричную головку 2, устанавливают стержень 1 в скважину 4 и заполняют ее минеральным заполнителем 3. Далее в устье скважины 4 на стержень 1 надевают эластичную шайбу 7, жесткую шайбу 6, подпорную втулку 5. Под верхняк 8 на стержень 1 надевают опорную шайбу 9, сферическую шайбу 10 и навинчивают на хвостовик стержня 1 гайку 11.

Подпорная втулка не влияет на смещение анкера, но способствует уплотнению минерального заполнителя в нижней части, повышает герметизацию скважины, замедляя таким образом процесс окисления стенок скважины приконтурного массива. Втулка 5 под влиянием перемещения по стержню гайки 11, шайб 10 и 9 поднимается вверх и через жесткую шайбу 6 сжимает эластичную шайбу 7. Шайба 7 вдавливается в стенки скважины 4, герметизируя ее, и передает усилие на минеральный заполнитель 3. При навинчивании гайки 11 через шайбы 9 и 10 верхняк 8 поджимается к кровле. Вместе с верхняком к кровле прижимается и перетяжка 12, перекрывая ее зазоре между верхняками двух скважин, (не показано).

При подтягивании верхняка 8 к кровле головка 2 анкера смещается к устью скважины 4, уплотняя минеральный заполнитель 3 в зазоре между стенками скважины 4 и головкой 2 и под головкой 2. Уплотнение происходит за счет уменьшения зазоров, срезов, сдвиговых деформаций частиц, их разворота, проскальзывания. Постепенно реактивные усилия, возникающие за счет сил трения и сцепления частиц, уравновешивают вес пород в границах возможного контура свода естественного равновесия над выработкой. Процесс предварительного натяжения анкера заканчивают. Далее анкер работает в режиме заданных деформаций.

Изобретение относится к горному делу, а именно к анкерным крепям, применяемым в горнодобывающей промышленности для крепления горных выработок. Сущность изобретения состоит в том, что в анкерной крепи, включающей установленный в скважине грузонесущий стержень с эксцентрично поставленной опорной головкой на его замковом конце, минеральный заполнитель, подпорный элемент с эксцентрично поставленной шайбой, головка имеет торцевую часть в виде усеченного конуса с углом наклона к оси грузонесущего стержня 10-15^o, снабженную бороздой, причем отношение длины конической части к цилиндрической равно 1 :( 1,8-2), а высота цилиндрической части составляет не менее диаметра скважины, зазор между цилиндрической частью и стенкой скважины равен 3,0-3,3% от диаметра скважины, при этом минеральный заполнитель берут с крупностью зерен 5-100% от зазора. Кроме того, в анкерной крепи между минеральным заполнителем и шайбой установлена эксцентричная эластичная шайба. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Анкерная крепь, включающая установленный в скважине грузонесущий стержень с эксцентрично поставленной опорной головкой на его замковом конце, минеральный заполнитель, подпорный элемент с эксцентрично поставленной шайбой, отличающаяся тем, что головка имеет торцевую часть в виде усеченного конуса с углом наклона к оси грузонесущего стержня 10 15^o, снабженную бороздкой, причем отношение длины конической части к цилиндрической равно 1 1,8 2,0, а высота цилиндрической части составляет не менее диаметра скважины, зазор между цилиндрической частью и стенкой скважины равен 3,0 3,3% от диаметра скважины, при этом минеральный заполнитель берут с крупностью зерен 5 100% от зазора. 2. Крепь по п. 1, отличающаяся тем, что между минеральным заполнителем и шайбой она содержит эксцентрично поставленную эластичную шайбу.