СПОСОБ ПОДАТЛИВОГО УДЕРЖАНИЯ НАГРУЗКИ И КРЕПЬ, ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ПРИ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИИ Российский патент 1999 года по МПК E21D15/44 E21D15/32 

Изобретение относится к горному делу и может использоваться в податливых крепях для поддержания горных выработок.

Наиболее близким к заявленному способу является способ податливого удержания кровли с помощью крепи, имеющей наружную трубу с открытой расширенной горловиной, плунжер, выполненный с возможностью телескопического перемещения в наружной трубе через ее расширенную горловину, описанный в южноафриканском патенте N 90/1965.

Наиболее близкой к заявленной крепи, используемой для осуществления способа, является податливая крепь, также описанная в южноафриканском патенте N 90/1965.

Каждая из этих крепей состоит из наружной трубы с расширяющейся горловиной, которая вмещает в себя металлическое кольцо, окружающее плунжер. Расточка кольца содержит зубцы, которые входят в зацепление с плунжером. При приложении к крепи осаждающей нагрузки плунжер и кольцо перемещаются вниз в наружную трубу, при этом наружная труба деформируется кольцом.

Для того чтобы предварительно загрузить такую известную крепь, между кольцом и зажимом, прижатым к плунжеру с возможностью отсоединения, установлена группа гидравлических домкратов. Домкраты подведены к переносному гидравлическому наносу с тем, чтобы заставить их выдвинуться и таким образом установить крепь в надлежащем месте под заданной нагрузкой.

Недостаток, присущий этой известной крепи, заключается в том, что на практике встречаются затруднения при предварительном нагружении крепи описанным способом. В частности, в течение предварительного нагружения относительное движение между наружной трубой и плунжером вызывает тенденцию к потере предварительной нагрузки.

Желательная характеристика податливой крепи состоит в том, что должна быстро достичь точки, при которой она будет оседать фактически при постоянной нагрузке. Кроме того нагрузка, требуемая для того, чтобы вызвать податливость крепи, должна в определенной степени предсказываться. Если податливая крепь не оседает при фактически постоянной нагрузке, или если крепь оседает при незапрогнозированных нагрузках, последствия могут оказаться катастрофическими, в результате чего может произойти потеря долговечности и работоспособности. Известным податливым крепям присущи оба этих недостатка.

Задача этого изобретения заключается в создании крепи, которая может быть предварительно нагружена способом, который по меньшей мере уменьшает недостатки, присущие известному устройству. Еще одна задача этого изобретения заключается в создании крепи, которая будет оседать по крайней мере в определенной степени.

Для решения поставленной задачи в способе податливого удержания кровли на подошве с помощью крепи, имеющей наружную трубу с открытой расширенной горловиной, плунжер, выполненный с возможностью телескопического перемещения внутрь и наружу наружной трубы через ее расширенную горловину, вводят жидкую среду под давлением в камеру внутри крепи с тем, чтобы расположить крепь между кровлей и подошвой посредством смещения плунжера наружу от трубы, направляют деформационное средство в расширенную горловину наружной трубы для зацепления плунжера и установки податливой нагрузки крепи, в то время как жидкая среда находится под давлением внутри камеры, и обеспечивают сток жидкой среды из камеры, чтобы кровля через крепь могла вдавить плунжер и деформационное средство в наружную трубу и вызывать посредством деформационного средства деформацию наружной трубы податливо наружу для сопротивления крепи кровле.

Для решения поставленной задачи крепь, включающая наружную трубу с открытой расширенной горловиной, плунжер, выполненный с возможностью перемещения внутрь и наружу наружной трубы, деформационное средство в расширенной горловине наружной трубы около плунжера, которое приспособлено для перемещения наружу плунжера из наружной трубы и для захвата и прижатия с плунжером наружной трубы под нагрузкой, чтобы вызвать внешнюю деформацию наружной трубы, посредством которой нагрузка на крепь противостоит оседанию, средство уменьшения трения на внутренней стенке наружной трубы, камеру в наружной трубе, подвод для подачи жидкой среды под давлением в камеру, чтобы переместить плунжер наружу от трубы, и уплотнение в камере для предотвращения утечки жидкой среды из камеры. Уплотнение крепи может включать плавающее манжетное уплотнение.

Плунжер может быть выполнен в виде трубы и может содержать торцевую крышку, которая закреплена на конце плунжера внутри наружной трубы.

Плунжер может включать опорную часть, которая опирается о расточку наружной трубы для расположения плунжера внутри наружной трубы, с тем, чтобы ограничить несоосность плунжера по отношению к наружной трубе.

Деформационное средство может включать зажимные образования на его внутренней поверхности для захвата плунжера, когда крепь расположена между кровлей и подошвой.

Зажимные образования могут быть тверже плунжера, так что зажимные образования могут захватывать плунжер, чтобы войти с ним в зацепление.

Деформационное средство может иметь отстоящие друг от друга зоны контакта с наружной трубой.

Зоны контакта с наружной трубой могут сужаться от их верхних концов к их нижним концам.

Нижняя часть деформационного средства может быть закруглена по радиусу.

Наружная поверхность деформационного средства может быть покрыта средством, уменьшающим трение.

Средство, уменьшающее трение, может содержать одно из следующих средств: жидкое масло, политетрафторэтилен, двусернистый молибден или графит.

Внутри наружной трубы может быть выполнено основание, на которое может садиться плунжер, когда он полностью втянут в наружную трубу.

Крепь может содержать отверстие в боковой стенке наружной трубы, через которое жидкая среда может вытекать из камеры, если плунжер сместился за отверстие в направлении расширенной горловины наружной трубы.

Крепь может содержать по меньшей мере одну отметку на наружной поверхности плунжера для указания предельного или упрощающего предельного выдвижения плунжера.

Далее изобретение будет описано посредством не налагающего ограничений примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен боковой вид в поперечном сечении крепи согласно изобретению в полностью вдвинутом положении;
на фиг. 2 представлен боковой вид в поперечном сечении крепи в ее полностью выдвинутом положении;
на фиг. 3 представлен боковой вид в поперечном сечении крепи в предельном выдвинутом положении;
на фиг. 4 представлен взятый в поперечном сечении вид в плане на линии IV-IV на фиг. 3;
на фиг. 5 представлен увеличенный боковой вид подвода в поперечном сечении с разнесенным видом втулки и блокирующего элемента;
на фиг. 6 представлен тот же вид, что и на фиг. 5, но с втулкой, которая вставлена и соединена с подводом;
на фиг. 7 представлен боковой вид манжетного уплотнения в поперечном сечении;
на фиг. 8 представлен вид в перспективе торцевой крышки плунжера крепи;
на фиг. 9 представлен боковой вид в поперечном сечении торцевой крышки согласно фиг. 8;
на фиг. 10 представлен увеличенный боковой вид части крепи в поперечном сечении;
на фиг. 11 представлен альтернативный вариант осуществления того, что представлено на фиг. 10;
на фиг. 12 представлен вид деформационного кольца в перспективе;
на фиг. 13 представлен вид деформационного кольца в плане;
на фиг. 14 представлен боковой вид в поперечном сечении по линии XIV-XIV на фиг. 13;
на фиг. 15 представлен увеличенный вид части 16, на фиг. 14 обведенной кружком и обозначенной позицией XV;
на фиг. 16 и 17 представлены боковые виды в поперечном сечении альтернативных вариантов осуществления конструкции деформационного кольца;
на фиг. 18 представлены графики зависимости оседания от нагрузки для двух известных податливых крепей;
на фиг. 19 представлены графики зависимости оседания от нагрузки для двух податливых крепей согласно изобретению.

Если обратиться к фиг. 1 - 3, то согласно им крепь 10 включает в себя цилиндрическую наружную стальную трубу 12 с открытой расширяющейся горловиной 14. Плунжер 16 в виде цилиндрической стальной трубы входит в наружную трубу 12 через расширяющуюся горловину 14. Деформационное кольцо 18 расположено внутри расширяющейся горловины 14.

Плунжер 16 содержит торцевую крышку 20, подсоединенную прихваточным швом к его торцу, расположенному внутри наружной трубы 12, а также куполообразный торец 22, подсоединенный прихваточным швом к его противоположному торцу. К торцевой крышке 20 примыкает плавающее манжетное уплотнение 24. Термин "плавающее" используется здесь в отношении уплотнения, которое не прикреплено к торцевой крышке 20.

Внутри наружной трубы 12 расположена камера давления 26. Манжетное уплотнение 24 определяет верхний предел камеры давления 26, когда плунжер 16 находится в полностью выдвинутом положении и когда манжетное уплотнение 24 примыкает к торцевой крышке 20. Камера 26 имеет подвод 28.

Основание 30 с пластиковой крышкой 32 выдается вверх в наружную трубу 12 из куполообразного торца 34, который установлен в наружной трубе по прессовой посадке. Когда плунжер находится в его полностью вдвинутом положении, которое показано на фиг. 1, манжетное уплотнение 24 садится на пластиковую крышку 32 основания 30. В этом положении манжетное уплотнение 24 не примыкает к выступающей вовнутрь части подвода 28. Таким образом манжетное уплотнение 24 защищено от повреждения этой выступающей внутрь частью подвода 28.

Уплотнение 36 с отверстием 37, через которое выступает основание 30, установлено с внутренней стороны куполообразного торца 34. Уплотнение 36 уплотняет соединение между наружной трубой 12 и куполообразным торцем 34. Куполообразный торец 34 так же успешно может быть приварен непрерывным водонепроницаемым швом к наружной трубе 12, причем в этом случае можно избежать необходимости установки уплотнения 36.

В боковой стенке наружной трубы 12 образовано отверстие 38. Вблизи отверстия 38 образовано ограждение 40 в форме канала. Заявителем установлено, что для ограничения углового смещения плунжера 16 внутри наружной трубы 12 плунжер 16 должен иметь минимальную глубину ввода в наружную трубу 12, когда крепь 10 находится в максимально выдвинутом положении. Если плунжер 16 выдвинут дальше требуемой минимальной глубины ввода, заявитель полагает, что повысится вероятность нарушения работы крепи 10 вследствие ее изгиба. Чтобы предотвратить выдвижение плунжера 16 далее требуемой минимальной глубины его ввода, в боковой стенке наружной трубы 12 образовано отверстие 38. Отверстие 38 не будет перекрыто, когда плунжер 16 выдвинут далее и минимальной глубины его ввода. Поскольку диаметр отверстия 38 больше диаметра отверстия подвода 28, вся вода, введенная в камеру давления 28, будет выпущена через отверстие 38. Таким образом плунжер 16 не сможет совершать какое-либо дальнейшее выдвижение под воздействием воды.

Наружная поверхность плунжера имеет оранжевую отметку 39 в форме кольца и красную отметку 41 также в форме кольца. Отметки располагаются на плунжере 16 таким образом, что когда открывается оранжевая отметка 39, этим делается предупреждение, что плунжер 16 близок к выдвижению за его минимальную глубину ввода. Если открывается красная отметка 41, то плунжер 14 выдвинулся далее его минимальной глубины ввода и вода будет выпускаться через отверстие 38. Сила водяной струи, выходящей из отверстия 38, будет рассеиваться ограждением 40.

Для того чтобы облегчить манипулирование крепью 10, к наружной трубе 12 приварены две рукоятки 42.

Если теперь обратиться к фиг. 5 и 6, то согласно им ось подвода 28 наклонена под углом 30^o к горизонтали, что сделано для облегчения доступа к подводу 28. Диаметр отверстия 44 подвода составляет 10 мм. В подвод 28 может быть вставлена втулка 46, прикрепленная к рукаву 48. Подвод 28 содержит буртик 50, а втулка 46 содержит буртик 52. Как только втулка 46 вставляется в подвод 28, эта втулка 46 с возможностью ее отсоединения блокируется с подводом блокировочным элементом 54 посредством буртиков 50 и 52. Между втулкой 46 и подводом 28 установлено O-образное уплотнительное кольцо 56.

Если теперь обратиться к фиг. 7, то согласно ему манжетное уплотнение 24 имеет основание 58, а также расширяющуюся в наружном направлении периферийную юбку 60. Длина юбки 60 составляет по меньшей мере 25 мм, а предпочтительно 40 мм, с тем чтобы предотвратить ее перекос внутри наружной трубы. Манжетное уплотнение 24 изготовлено из натуральной резины с твердостью по Шору порядка 70 единиц. Однако манжетное уплотнение 58 может быть изготовлено и из нитрила.

Если теперь обратиться к фиг. с 8 по 10, то согласно им торцевая крышка 20 имеет плоскую нижнюю поверхность 62, верхнюю поверхность с круговым углублением 64 и круговую цилиндрическую опорную часть 66. На торцевой крышке 20 внутри расточки плунжера 16 располагается непрерывный, идущий вверх выступ 68. Плунжер 16 садится на плоскую поверхность 70. Скошенная на 45^o поверхность 72 образованна для того, чтобы облегчить выполнение прихваточного сварного шва для соединения торцевой крышки 20 с плунжером 16.

Длина круговой цилиндрической несущей части 66 зависит от диаметра расточки наружной трубы 12 крепи 10. Обычно при изменении диаметра расточки от 127 мм до 219 мм длина опорной части 66 изменяется от 10 мм до 20 мм. Как можно видеть из фиг. 10, опорная часть 66 опирается о расточку наружной трубы 12 и таким образом обеспечивает соосность плунжера 16 и наружной трубы 12, с тем чтобы ограничить эксцентричное нагружение крепи 10, а за счет этого уменьшить вероятность нарушения работы крепи вследствие изгиба.

На фиг. 11 представлены альтернативные торцевая крышка 20.1 и манжетное уплотнение 24.1. Манжетное уплотнение 24.1 не является плавающим манжетным уплотнением, поскольку оно прикреплено к торцевой крышке 20.1.

Расширяющаяся юбка 60 манжетного уплотнения 24 обеспечивает возможность варьирования допусками и чистовой обработкой поверхности наружной трубы 12 с тем, чтобы плунжер 16 мог относительно легко двигаться внутри наружной трубы 12. Дополнительное преимущество манжетного уплотнения 24 заключается в том, что уплотнение одного размера может быть использовано там, где внешний диаметр наружной трубы 12 постоянен, но толщина стенки наружной трубы 12 может изменяться от 4 до 6 мм в зависимости от той нагрузки, которую должна выдерживать крепь, хотя внешний диаметр наружной трубы 12 постоянен. В этом случае для крепей может быть использовано уплотнение одного и того же размера, поскольку расширяющаяся юбка 60 пригодна для различных внутренних диаметров. Очевидно, что уплотнение в разумных пределах допускает широкое разнообразие чистовой обработки поверхности расточки наружной трубы. Наружная труба может, например, представлять собой сварную трубу со стандартным электрическим сопротивлением.

В альтернативной конструкции на торцевой крышке 20 или на переднем конце плунжера 16 может быть установлено соответствующее уплотнение, например О-образное кольцо. В этом случае, если через торцевую крышку 20 проходит соответствующее отверстие, то вся внутренняя часть крепи может находиться под давлением жидкости с тем, чтобы обеспечить ее предварительное нагружение.

Если теперь обратиться к фиг. с 12 по 15, то выполненное посредством литья или механической обработки стальное деформационное кольцо 18 имеет внутреннюю поверхность 74 и наружную поверхность 76. Наружная поверхность 76 имеет отстоящие друг от друга по окружности углубления 78 с сужающимися зонами контакта 80 с наружной трубой, расположенными между углублениями 78. В деформационном кольце 18 образован зазор или щель 82.

Под нижней частью углублений 78 расположена общая непрерывная зона 84 контакта с трубой. Зоны 80 контакта с трубой сужаются от верхней части 86 деформационного кольца. Общая зона 84 контакта с трубой также сужается и ее сужение представляет собой простое продолжение сужения контактных зон 80. Нижняя часть 88 деформационного кольца 18 закруглена по радиусу с тем, чтобы предотвратить втыкание деформационного кольца в наружную трубу 12 при оседании крепи 10.

Из внутренней поверхности 74 деформационного кольца 18 выступают пять отстоящих друг от друга в осевом направлении зажимных образований 90. Зажимные образования 90 тверже плунжера 16 крепи 10, так что эти образования 90 могут вонзаться или втыкаться в наружную поверхность плунжера 16 с тем, чтобы войти с ним в зацепление. Заявителем установлено, что в том случае, когда плунжер 16 изготовлен из мягкой стали, достаточна термообработка деформационного кольца 18, позволяющая получить твердость по Роквеллу порядка 55 единиц, для гарантии проникновения зажимных образований 90 в плунжер 16.

На фиг. 16 и 17 представлены альтернативные варианты осуществления деформационного кольца 18. Деформационное кольцо 18.1 согласно фиг. 16 содержит зажимные образования 90.1, в то время как деформационное кольцо 18.2 содержит зажимные образования 90.2, поперечное сечение которых имеет вид правильного треугольника.

Расточка наружной трубы 12 покрыта слоем жидкой смазки. Расточка может быть покрыта какой-либо иной приемлемой смазкой, например, густой смазкой или чем-либо подобным. Жидкая смазка гарантирует, что между деформационным кольцом 18 и расточкой наружной трубы 12 имеет место фактически постоянный коэффициент трения, когда деформационное кольцо 18 перемещается вниз внутри наружной трубы 12. Фактически постоянный коэффициент трения гарантирует, что крепь будет оседать при фактически предсказуемой нагрузке, и что после этого она будет оседать фактически постоянно.

Крепь 10 предварительно нагружается посредством введения воды под давлением в камеру 26 через подвод 28. Подводится давление жидкости, достаточное для создания требуемого предварительного нагружения крепи 10. Давление жидкости обычно будет составлять от 3 МПа до 15 МПа. Предварительно нагружение или усилие, оказываемое крепью под воздействием давления жидкости, зависит от диаметра расточки наружной трубы 12. При приложении давления жидкости деформационное кольцо 18 принудительно подается в расширенную горловину 14 наружной трубы 12. Это может быть выполнено ударением по деформационному кольцу 18 соответствующим инструментом (не показан), пока деформационное кольцо 18 не войдет в зацепление с плунжером 16 посредством зажимных образований 90. После этого давление жидкости сбрасывается и обеспечивается возможность того, чтобы вода, находящаяся в камере 26, просто вытекала через подвод 28.

Очевидно, что если скорость потока воды, поступающего в камеру 26, достаточна, то можно обойтись без уплотнения 24. В этом случае крепь все еще может находиться под предварительной нагрузкой при условии, что в камеру вводится количество воды, большее того количества, которое вытекает между плунжером 16 и расточкой наружной трубы 12.

Когда кровля 92 перемещается ближе к подошве 94 выработки, плунжер 16 и деформационное кольцо 18 перемещаются вниз внутри наружной трубы 12, поскольку деформационное кольцо 18 создает деформацию наружной трубы 12 в наружном направлении.

Если теперь обратиться к фиг. 18 и 19, то графики, представленные на этих двух фигурах, построены на основе работы четырех крепей, которые идентичны во всех отношениях, за исключением того, что расточки наружных стальных труб, которые относятся к графикам на фиг. 19, были покрыты смазкой, в то время как на расточки наружных стальных труб, которые относятся к графикам на фиг. 18, смазка не наносилась. Из двух графиков согласно фиг. 18 можно видеть, что характеристики двух идентичных крепей без смазки в отношении точек оседания и выдерживания нагрузки изменяются в весьма широком диапазоне. Однако из двух графиков, приведенных на фиг. 19, можно видеть, что характеристики двух идентичных крепей со смазкой в отношении точек оседания и выдерживания нагрузок весьма схожи между собой. Таким образом характеристики выполненных согласно изобретению смазанных крепей в отношении точек оседания и выдерживания нагрузок могут быть предсказаны с приемлемой степенью точности.

Очевидно, что без отклонения от существа и объема изобретения в нем возможны многие модификации и изменения.

Изобретение относится к горному делу и может использоваться при креплении выработок. Оно обеспечивает долговечность и работоспособность крепи за счет ее податливости. Способ удержания кровли включает введение жидкости под давлением в подплунжерную полость для распора крепи при выдвижении плунжера, установку деформационного средства в расширенную горловину наружной трубы и обеспечение стока жидкости из камеры при давлении кровли на плунжер и деформационное средство, а также деформацию наружной трубы посредством деформационного средства. Крепь включает наружную трубу с открытой расширенной горловиной, плунжер, выполненный с возможностью перемещения внутрь и наружу наружной трубы, деформационное средство в расширенной горловине, средство уменьшения трения на внутренней стенке наружной трубы, камеру в наружной трубе, подвод для подачи жидкой среды под давлением в камеру для перемещения плунжера наружу из трубы и уплотнение в камере для предотвращения утечки жидкой среды из камеры. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Способ податливого удержания кровли на подошве с помощью крепи, имеющей наружную трубу с открытой расширенной горловиной, плунжер, выполненный с возможностью телескопического перемещения внутрь и наружу наружной трубы через ее расширенную горловину, отличающийся тем, что вводят жидкую среду под давлением в камеру внутри крепи с тем, чтобы расположить крепь между кровлей и подошвой посредством смещения плунжера наружу от трубы, направляют деформационное средство в расширенную горловину наружной трубы для зацепления плунжера и установки податливой нагрузки крепи, в то время, как жидкая среда находится под давлением внутри камеры, и обеспечивают сток жидкой среды из камеры, чтобы кровля через крепь могла вдавить плунжер и деформационное средство в наружную трубу и вызвать посредством деформационного средства деформацию наружной трубы податливо наружу для сопротивления крепи кровле. 2. Крепь, включающая наружную трубу с открытой расширенной горловиной, плунжер, выполненный с возможностью перемещения внутрь и наружу наружной трубы, деформационное средство в расширенной горловине наружной трубы около плунжера, которое приспособлено для перемещения наружу плунжера из наружной трубы и для захвата и прижатия с плунжером наружной трубы под нагрузкой, чтобы вызвать внешнюю деформацию наружной трубы, посредством которой нагрузка на крепь противостоит оседанию, отличающаяся тем, что крепь содержит средство уменьшения трения на внутренней стенке наружной трубы, камеру в наружной трубе, подвод для подачи жидкой среды под давлением в камеру, чтобы переместить плунжер наружу от трубы, и уплотнение в камере для предотвращения утечки жидкой среды из камеры. 3. Крепь по п. 2, отличающаяся тем, что уплотнение включает плавающее манжетное уплотнение. 4. Крепь по п.2, отличающаяся тем, что плунжер выполнен в виде трубы и содержит торцевую крышку, которая закреплена на конце плунжера внутри наружной трубы. 5. Крепь по п.2, отличающаяся тем, что плунжер включает опорную часть, которая опирается о расточку наружной трубы для расположения плунжера внутри наружной трубы с тем, чтобы ограничить несоосность плунжера по отношению к наружной трубе. 6. Крепь по п.2, отличающаяся тем, что деформационное средство включает зажимные образования на его внутренней поверхности для захвата плунжера, когда крепь расположена между кровлей и подошвой. 7. Крепь по п. 6, отличающаяся тем, что зажимные образования тверже плунжера, так что зажимные образования могут захватывать плунжер, чтобы войти с ним в зацепление. 8. Крепь по п. 6, отличающаяся тем, что деформационное средство имеет отстоящие друг от друга зоны контакта с наружной трубой. 9. Крепь по п.8, отличающаяся тем, что зоны контакта с наружной трубой сужаются от их верхних концов к их нижним концам. 10. Крепь по п. 6, отличающаяся тем, что нижняя часть деформационного средства закруглена по радиусу. 11. Крепь по п.2, отличающаяся тем, что наружная поверхность деформационного средства покрыта средством, уменьшающим трение. 12. Крепь по п.1, отличающаяся тем, что средство, уменьшающее трение, содержит какое-либо одно из следующих средств: жидкое масло, политетрафторэтилен, двусернистый молибден или графит. 13. Крепь по п.2, отличающаяся тем, что внутри наружной трубы выполнено основание, на которое может садиться плунжер, когда он полностью втянут в наружную трубу. 14. Крепь по п.2, отличающаяся тем, что она содержит отверстие в боковой стенке наружной трубы, через которое жидкая среда может вытекать из камеры, если плунжер сместился за отверстие в направлении расширенной горловины наружной трубы. 15. Крепь по п.2, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одну отметку на наружной поверхности плунжера для указания предельного или упрощающего предельного выдвижения плунжера.

Приоритет по пунктам:
07.05.93 - по п.1;
18.01.94 - по пп.2, 3, 6, 11 и 12;
29.04.94 - по пп.4 и 5;
29.04.94 - по пп.7 - 10;
29.04.94 - по пп.13 - 15.