ГИБКИЙ АНКЕР Российский патент 2001 года по МПК E21D21/00 

Предложение относится к горной промышленности, в частности к анкерам для крепления контура выработок, когда необходимая длина анкера превосходит высоту выработки.

Известен анкер шахтной крепи [1], включающий установленный в шпуре стержень из пропитанных связующим волокнистых прядей, сложенных вдвое и перекрученных с оставлением на конце петли, использующейся в качестве узла нагружения и снабженной коушем, вставленным внутрь.

Недостаток анкера состоит в отсутствии специального узла нагружения, обеспечивающего достаточное предварительное натяжение анкера. Кроме того, он не приспособлен для закрепления в шпуре минеральным заполнителем.

Наиболее близким аналогом [2] по технической сущности является анкер, включающий канатный грузонесущий стержень с поршневым элементом в головной части и пакер с клином на хвостовике.

Недостаток анкера состоит в отсутствии элементов предварительного нагружения, а также в невозможности его использования для закрепления смолой, размещенной в шпуре, в картриджах, в начальный период установки анкера.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение возможности предварительного натяжения гибкого анкера глубокого заложения сразу после установки.

Гибкий анкер, включающий грузонесущий стержень с опорными элементами на головке анкера и хвостовике, клин, дополнительно снабжен в хвостовой части распорной втулкой с гайкой на ее внешней резьбе, присоединенной посредством, например, резьбового соединения к опорной втулке, противоположный торец которой соединен резьбой с гайкой, подпирающей клин, выполненный в виде толкателей с шариками, размещенными между грузонесущим стержнем, поверхностью, наклонной в радиальном направлении к цилиндрическому осевому отверстию опорной втулки, и поверхностью толкателей в окружном направлении. Опорный элемент анкера выполнен в виде втулок, спресованных на грузонесущем стержне, поверхность отверстия втулок выполнена профильной, повторяющей поверхность грузонесущего стержня. Спрессованная втулка опорного элемента головки анкера выполнена со скошенным под острым углом торцом со стороны устья скважины, взаимодействующим с таким же торцом смежной неопресованной скобы, в которой размещен грузонесущий стержень, причем на внешней поверхности скобы смонтированы упругие усы.

Дополнительная распорная втулка с внешней резьбой размещается в устье скважины и предназначена для осуществления предварительного натяжения.

Предварительное натяжение анкера создает некоторое объемное напряженное состояние приконтурного массива, блокируя свободное расслоение, разрушение, уменьшая смещения контура выработки.

Опорная втулка закрепляется на грузонесущем стержне, например стальном канате, посредством клина. Функцию клина выполняют шарики, которые более надежно заклинивают грузонесущий стержень в отличие от гладкого клина вследствие того, что шарики размещены в желобах между свивками и распираются о наклонную к цилиндрическому отверстию поверхность опорной втулки путем качения при вытягивании каната в процессе предварительного натяжения.

Наклонная поверхность опорной втулки сближает шарики, которые сжимают канат. Далее канат не имеет возможности перемещения относительно втулки в осевом направлении вследствие того, что свивки не могут проскочить шарики, т.к. не могут уменьшить свой объем. Для того чтобы канат проскользнул по шарикам, ему необходимо вращение вокруг оси. Этой возможности у него нет из-за трения о стенки втулки и из-за того, что на входе втулки установлена шайба, выполненная с отверстием, повторяющим профиль каната.

Внешний контур шайбы выполнен с параллельными прямолинейными кромками. Вставленная в гнездо втулки такого же внешнего профиля шайба не имеет возможности вращения, тем самым предотвращая проворот каната относительно опорной втулки.

Опорные элементы головки анкера в виде втулок, спрессованных на грузонесущем стержне, имеют внутреннюю поверхность, повторяющую профиль каната, и внешнюю, гладкую, с двумя ребрами, ориентированными вдоль оси. Такие ребра получаются в процессе опрессовки.

Перед опрессовкой втулки навинчиваются на канат. Профильная поверхность втулок увеличивает поверхность контакта каната с втулками, что увеличивает трение. Продольные ребра на внешней поверхности втулок предотвращают их вращение в закрепляющем материале. Поэтому опорные втулки не могут перемещаться вдоль оси каната. При закреплении анкера смолой опорные втулки, спрессованные на грузонесущем стержне, расположены с интервалом, при закреплении анкера цементно-песчаным раствором - вместе. Для осуществления предварительного натяжения сразу после установки анкера, не дожидаясь отвердения раствора (сутки - двое), опорная втулка (крайняя со стороны хвостовика) выполнена со скошенным под острым углом торцом, взаимодействующим с таким же торцом смежной неопрессованной скобы, имеющей на внешней поверхности упругие усы, которые расперты в стенки скважины. При предварительном натяжении анкера усы не позволяют перемещаться подвижной скобе в сторону устья скважины, а опрессованная втулка наоборот, перемещаясь к устью скважины, вместе с канатом скользит по скошенному торцу свободной скобы, прижимаясь к стенке скважины. Таким образом, втулки саморасклиниваются о стенки скважины и позволяют осуществить предварительное натяжение каната, не дожидаясь отвердения раствора. Это способствует снижению расслоения приконтурного массива выработки, повышает надежность и работоспособность анкерной крепи.

Сущность предложения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена конструкция гибкого анкера для закрепления его в шпуре смолой, размещенной в картриджах. На фиг. 2 представлена конструкция гибкого анкера закрепляемого в шпуре цементно-песчаным раствором. На фиг. 3 - конструкция гибкого анкера, закрепляемого в шпуре сыпучими минеральными заполнителями.

Гибкий анкер (фиг. 1), закрепляемый в шпуре синтетической смолой (например, полиэфирной) в картриджах 1, состоит из грузонезущего стержня 2 (например, стального каната), опорных втулок 3, спрессованных на головке грузонезущего стержня через интервал (~130 мм), опорной втулки 4, опрессованной на хвостовике анкера, распорной втулки 5 с внешней резьбой, на которую навинчена распорная гайка 6, опертая на опорную полусферическую шайбу 7, взаимодействующая с горным массивом у устья скважины через решетчатую перетяжку 8, а также из уплотнительного кольца 9.

Поверхности отверстий опрессованных втулок 3 выполнены профильными, повторяющими профиль каната. Внешняя поверхность опорных втулок выполнена с ребрами, которые образуются при опрессовке и предназначены для предотвращения вращения втулок в закрепляющем составе. В таком случае исключается возможность проскальзывания втулок по свивкам каната.

Торец опорной втулки 4 на хвостовике анкера выполнен с проточкой, в которой размещен конец распорной втулки 5. Такой гибкий анкер используется обычно при длине шпура до 4 - 4,5 м. При большей длине (до 11 м) шпуров (скважин) для крепления гибких анкеров используются цементно-песчаные растворы или сыпучие минеральные заполнители.

При креплении цементно-песчаным раствором (фиг. 2) опрессованная на головке грузонесущего стержня опорная втулка 3 выполнена со скошенным под острым углом торцом, который взаимодействует с таким же торцом скобы 10, выполняющей функцию клина для осуществления предварительного распора анкера, не дожидаясь отвердения раствора. Скоба и опорная втулка соединены между собой упругим кольцом 11, размещенным в кольцевой проточке втулки и скобы на внешней поверхности. Для возникновения процесса расклинивания на внешней поверхности скобы смонтированы упругие усы 12. При обратном движении каната скоба 10 усами 12 распирается о стенки скважины и стопорится, а опорная втулка 3, перемещаясь к устью скважины, расклинивается со скобой о стенки скважины.

Хвостовик гибкого анкера, закрепляемого цементно-песчаным раствором (фиг. 2), также содержит распорную втулку 5 с распорной гайкой 6 и опорную втулку 4, которая у анкеров длиной более 4,5м не опрессовывается, а закрепляется посредством клина. Самаопорная втулка выполнена с осевым отверстием под грузонесущий стержень, которое образовано конической поверхностью при переходе с меньшего диаметра цилиндрического отверстия к большему, выполненному с внутренней резьбой со стороны внешнего торца опорной втулки 4 под подпорную гайку 13. Гайка 13, имеющая осевое отверстие под грузонесущий стержень анкера, ввернута в опорную втулку 4 со стороны хвостовика для подпора клина, выполненным в виде толкателя 14 с шариками 15.

При закреплении гибкого анкера цементно-песчаным раствором толкатель 14 выполнен в виде корончатого сепаратора, в проемах лучей которого зафиксированы шарики 15 с возможностью вращения и радиального перемещения. В то же время сам толкатель 14 имеет возможность окружного и осевого перемещения. Таким образом, шарики постоянно находятся между грузонесущим стержнем, конической поверхностью опорной втулки 4 и поверхностью толкателя 14.

При закреплении гибкого анкера сыпучими минералами (фиг. 3), например песком, в опорной втулке 4 размещено несколько пальчиковых толкателей 16, расположенных в радиально наклонных отверстиях вставной втулки 17 и сообщающихся с осевым, выполненным под грузонесущий стержень 2. Со стороны внешнего торца опорной втулки 4 толкатели 16 поджаты торцом подпорной гайки 13. Каждый из пальчиковых толкателей 16, на дальнем от устья скважины торце, имеет по паре упругих усов, между которыми размещен шарик 15, имеющий диаметр несколько больший радиального размера толкателя. В радиальном направлении шарики 15 ограничены конической поверхностью опорной втулки 4 и свивками каната 2.

Для предотвращения проскальзывания и выкручивания свивок каната 2 относительно шариков 15, как и в случае закрепления анкера цементно-песчаным раствором, его относительное вращение ограничено профильной шайбой 18, отверстие которой повторяет профиль сечения каната, а внешний контур выполнен с прямолинейными срезами. Шайба 18 установлена в соответствующее ее внешнему контуру отверстие в торце опорной втулки 4 и поджимается распорной втулкой 5, вкручиваемой по внутренней резьбе со стороны забоя скважины.

Некоторые различия в конструкции клина гибких анкеров и опорных втулок обусловлены свойствами закрепляющего материала и длиной анкера.

При использовании в качестве закрепляющего материала песка, более надежно (по данным экспериментов), работают пальчиковые толкатели 16, установленные в наклонных отверстиях вставной втулки 17 (фиг. 3).

При использовании цементно-песчаного раствора для закрепления более надежен один толкатель 14 с тремя шариками 15 (фиг. 2). В этом случае попадание с водой песчинок по свивкам каната в осевое отверстие опорной втулки не может препятствовать подпору толкателя 14 гайкой 13.

При закреплении анкера песком (фиг. 3) он дополнительно снабжен подпорной шайбой 19 на контакте с песком и жесткой втулкой 20, распертой между шайбой 19 и распорной гайкой 6. Элементы 19 и 20 необходимы для поджатия песка в процессе предварительного натяжения.

Работает гибкий анкер следующим образом.

При небольшой глубине шпура (до 4,5 м) гибкий анкер закрепляют смолой в картриджах (фиг. 1). После бурения и прочистки шпура в него вставляют картриджи 1 со смолой и засылаются специальной гибкой досылочной штангой до упора в забой скважины. Далее в шпур вводится гибкий анкер до упора его головки 3 в картриджи 1, после начинают его вращение с одновременной осевой подачей до упора в забой скважины. При этом головка анкера 3 разрушает оболочку картриджей 1 и смешивает смолу с отвердителем. После прекращения вращения анкера, продолжая оказывать осевое давление, ожидают время отвердения смолы (15-20 с) и далее, поверх затяжки 8 (как вариант) одевают опорную полусферическую шайбу 7 и осуществляют предварительное натяжение анкера путем вращения гайки 6.

Отверделая смола вследствие хорошей адгезии с канатом 2, опорными втулками 3, стенками скважины и имея хорошую механическую прочность, осуществляет физико-химическую связь между анкером и стенками скважины. В процессе эксплуатации выработки породы приконтурного массива под влиянием действующих напряжений разрушаются, увеличиваются в объеме за счет новых трещин и дислокаций, перемещаясь в контур выработки. Этому препятствует натяжение каната, который одним концом закреплен в контуре устойчивой части массива, а другим на контуре выработки. При расположении контура устойчивой части массива на значительном удалении от контура выработки, а также в зонах, ослабленных интенсивной трещиноватостью, возникает необходимость в более глубоких скважинах и более длинных анкерах (6 - 11 м). В таком случае закрепление производится более дешевым минеральным заполнителем, например цементно-песчаным раствором. При бурении более глубоких скважин наблюдается большая ошибка в их длине, что вызывает необходимость в применении подвижной (в период установки) опорной втулки на хвостовике анкера.

Порядок установки гибкого анкера, закрепляемого цементно-песчаным раствором, следующий. Сразу после бурения скважины в нее вставляется анкер до упора опорной втулки 3 в забой скважины (фиг. 2). Затем движением каната в сторону устья скважины анкер расклинивается о стенки скважины вследствие того, что назад, к устью, скоба 10 не может податься из-за распора упругих усов 12 в стенки, а опорная втулка 2 скошенным торцом скользит по скошенному торцу скобы 10, прижимая ее к стенке скважины и расклинивая. После этого в устье скважины вставляют (на фиг. не показано) уплотнительную втулку с отверстиями. В эти отверстия вставляют нагнетательную и контрольную трубки и начинают подавать в скважину цементно-песчаный раствор. После заполнения скважины раствором на хвостовик каната надевают опорную полусферическую шайбу (как на фиг. 1 поз. 7), распорную втулку 5 с гайкой 6 и опорную втулку 4 с подпорной гайкой 13. При надевании на хвостовик каната втулок 5 и 4 хвостовик каната свободно скользит свивками по профильному отверстию шайбы 18 опорной втулки 4. При этом шарики 15 попадают в желоба между свивками каната. Перемещение распорной втулки 5 и опорной втулки 4 по канату ведется с их вращением до упора гайки 6 и полусферической опорной шайбы 7 через перетяжку 8 (как на фиг. 1) о горный массив у устья. Далее начинают вращать подпорную гайку 13 относительно опорной втулки 4, причем резьба подпорной гайки 13 совпадает по направлению с навивкой каната для осуществления при затяжке гайки поджатия опорной втулки к своду выработки. Гайка 13 при вращении перемещает толкатель 14 и соответственно шарики 15 к противоположному торцу опорной втулки 4. При этом шарики 15 входят в контакт с канатом 2 и распираются между его свивками и конической поверхностью втулки 4. Далее осуществляют предварительное натяжение каната путем вращения распорной гайки 6, которая натягивает канат, но свободному перемещению из скважины препятствует механический клиновой распор замка головки анкера. Натянутый канат 2 через опорную шайбу поджимает и поддерживает отслоившуюся часть пород приконтурного массива выработки к устойчивой части массива. После отвердения раствора гибкий анкер продолжает выполнять функцию "сшивки" и "подвески". При этом канат 2 старается проскользнуть через отверстия опорных втулок 3, но этому препятствуют профильные выступы поверхности отверстия втулок 3, которые размещены в желобах между свивками каната 2. Для того чтобы выскользнуть канату между выступами профиля отверстия втулок, необходимо относительное вращение. Втулки 3 вращаться вокруг оси не могут из-за того, что ребра на внешней поверхности обжаты жестким закрепляющим материалом. Сам канат 2 вращаться также не может, т.к. охвачен цементно-песчаным камнем. Опорная втулка 4 на хвостовике каната также не вращается относительно каната из-за наличия вмонтированной профильной шайбы 18.

При закреплении анкера сыпучим минеральным заполнителем (фиг. 3) анкер вводят в скважину и, поддерживая за хвостовик, заполняют скважину, например, песком. После этого на канат 2 надевают подпорную шайбу 19, втулку 20, опорную полусферическую шайбу 7, распорную втулку 5 с опорной гайкой 6 и опорную втулку 4. После этого натягивается канат вращением гайки 6. Канат вытягивается, а песок сжимается между опорными втулками 3 и подпорной шайбой 19. Под опорной втулкой 3 создается опорная подушка из песка, который измельчается и распирается о стенки скважины (вследствие процессов трения, сцепления и делатансии), препятствуя перемещению опорной втулки к устью скважины. Опорные втулки 3 гибкого анкера при закреплении его сыпучими материалами работают так же, как при закреплении цементно-песчаным раствором.

Извлечь анкеры, как показывают эксперименты, можно только через разрыв грузонесущего стержня (каната). Несущая способность анкера определяется прочностью грузонесущего стержня. Таким образом, предлагаемое конструктивное исполнение обеспечивает надежную работу гибкого анкера в различных условиях.

Источники информации
1. Анкер шахтной крепи. А.С. N 899997.

2. Способ установки канатного анкера с поршневым элементом и воздухоотводящей трубкой. А.С. N 1375830.

Изобретение относится к горной промышленности и может использоваться при креплении контура выработок, когда необходимая длина анкера превосходит высоту выработки. Гибкий анкер имеет грузонесущий стержень с опорными элементами на головке анкера и хвостовике с клином. В хвостовой части он снабжен распорной втулкой с гайкой на ее внешней резьбе, присоединенной, например, посредством резьбового соединения к опорной втулке, противоположный торец которой соединен резьбой с гайкой, подпирающей клин, выполненный в виде толкателей с шариками, размещенными между грузонесущим стержнем, поверхностью, наклонной в радиальном направлении к цилиндрическому осевому отверстию опорной втулки, и поверхностью толкателей в окружном направлении. Изобретение обеспечивает возможность предварительного натяжения гибкого анкера глубокого заложения сразу после установки. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Гибкий анкер, включающий грузонесущий стержень с опорными элементами на головке анкера и хвостовике с клином, отличающийся тем, что анкер дополнительно снабжен в хвостовой части распорной втулкой с гайкой на ее внешней резьбе, присоединенной посредством, например, резьбового соединения к опорной втулке, противоположный торец которой соединен резьбой с гайкой, подпирающий клин, выполненный в виде толкателей с шариками, размещенными между грузонесущим стержнем, поверхностью, наклонной в радиальном направлении к цилиндрическому осевому отверстию опорной втулки, и поверхностью толкателей в окружном направлении. 2. Гибкий анкер по п.1, отличающийся тем, что опорный элемент анкера выполнен в виде втулок, опрессованных на грузонесущем стержне, при этом поверхность отверстия втулок выполнена профильной, повторяющей поверхность грузонесущего стержня. 3. Гибкий анкер по п.2, отличающийся тем, что опрессованная втулка опорного элемента головки анкера выполнена со скошенным под острым углом торцом, взаимодействующим с таким же торцом смежной неопрессованной скобы со стороны устья скважины, в которой размещен грузонесущий стержень, причем на внешней поверхности скобы смонтированы упругие усы.