АНКЕРНАЯ КРЕПЬ Российский патент 2002 года по МПК E21D21/00 

Изобретение относится к креплению горных выработок, а именно к анкерным крепям.

Известна анкерная крепь (см. а.с. СССР 826000, кл. Е 21 D 21/00, опубл. в БИ 16, 1981 г.), включающая установленную в скважине металлическую штангу 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 штанги. 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.

Недостаток крепи - ненадежное закрепление анкера из-за концентрации напряжения на ограниченной рабочей поверхности металлических гранул и их вдавливания в стенки скважины. Другой ее недостаток - сложность технологии возведения, связанная с необходимостью размещения гранул в скважине рядами по возрастанию их размеров. Кроме того, она непригодна для крепления бортов и кровли выработок.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является анкерная крепь (см. а.с. СССР 697732, кл. Е 21 D 21/00, опубл. в БИ 42, 1979 г. ), включающая грузонесущий стержень с опорным элементом, установленным на его замковом конце, замок, выполненный в виде удерживающей пробки из крошки неразмокающей горной породы с подпорным элементом, ограничивающим ее со стороны устья скважины, при этом грузонесущий стержень свободно пропущен через подпорный элемент.

Закрепление данного анкера на стенках скважины происходит в результате нагружения опорным элементом столба породной крошки под ним при натяжении грузонесущего стержня и бокового распора этой крошки. При этом в процессе нагружения под влиянием сил поверхностного трения, противодействующих передаче усилий вглубь указанного столба, происходит концентрация напряжений у торца опорного элемента, что ограничивает несущую способность крепи.

Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение несущей способности крепи за счет формирования самозаклинивающегося распорного замка.

Она решается за счет того, что в анкерной крепи, включающей грузонесущий стержень с опорным элементом на его замковом конце, замок из сыпучего материала и подпорный элемент, ограничивающий замок со стороны устья скважины, согласно предлагаемому техническому решению опорный элемент выполнен в виде усеченного конуса, сопряженного с грузонесущим стержнем меньшим основанием, а замок сформирован из сыпучего материала, размещенного в полости между поверхностью скважины и боковой поверхностью усеченного конуса. При этом угол α этого конуса определяют из выражения
α<2(ϕ₁- ϕ₂), град,
где ϕ₁-угол трения сыпучего материала по поверхности скважины, град.;
ϕ₂-угол трения сыпучего материала по поверхности усеченного конуса, град.

При таком выполнении анкерной крепи продольное смещение опорного элемента при натяжении грузонесущего стержня приводит к поперечному сжатию сыпучего материала. Сжатие происходит под воздействием надвигающейся на сыпучий материал и распирающей его в стороны конической боковой поверхности опорного элемента и носит характер компрессионного уплотнения. В результате формируется распорный замок из уплотненного и зажатого между поверхностями усеченного конуса и скважины сыпучего материала, который удерживает анкер за счет реализующихся на площади его контакта со стенками скважины сил поверхностного трения, пропорциональных силам бокового распора. По мере натяжения грузонесущего стержня из-за прогрессирующего сжатия сыпучего материала и соответствующего прироста распорных усилий и значит сил поверхностного трения, возрастает и прочность закрепления замка на стенках скважины. Такой самозаклинивающийся распорный замок, "упрочняющийся" в процессе натяжения грузонесущего стержня, обеспечивает надежное закрепление анкера и высокую несущую способность крепи.

Для работоспособности предлагаемого устройства необходимо, чтобы реализующиеся при нагружении анкера силы поверхностного трения уравновешивали приложенную нагрузку. Это условие, как показывают анализ напряженно-деформированного состояния системы "опорный элемент - сыпучий материал - скважина" и проведенные исследования, выполняется при значениях угла α конуса и углов ϕ₁ и ϕ₂ трения соответственно сыпучего материала по поверхности скважины и усеченного конуса, удовлетворяющих соотношению α<2(ϕ₁- ϕ₂). Только такое соотношение указанных углов обеспечивает формирование самозаклинивающегося распорного замка.

Выбор конкретной величины угла α конуса из интервала допустимых значений определяется условиями возведения и эксплуатации крепи. При этом следует иметь ввиду, что уменьшение этого угла позволяет увеличить площадь замка, а значит и предельную прочность его закрепления. С другой стороны, чрезмерное уменьшение угла α может привести к значительному продольному смещению грузонесущего стержня при его натяжении, что усложнит процесс крепления анкера.

Сущность технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежом, на котором представлен продольный разрез анкерной крепи.

Анкерная крепь включает грузонесущий стержень 1 (см. чертеж) с опорным элементом в виде усеченного конуса (далее конус 2) на его замковом конце и замок из сыпучего материала 3, например песка, размещенного в полости между поверхностью скважины 4 и боковой поверхностью конуса 2. Со стороны устья скважины 4 сыпучий материал 3 ограничен подпорным элементом 5, выполненным из упругого материала, например резины. На снабженном резьбой выступающем конце стержня 1 установлены опорная плита 6 и натяжная гайка 7. При этом конус 2 выполнен с углом α конуса, определяемым выражением α<2(ϕ₁- ϕ₂), где ϕ₁ и ϕ₂-углы трения сыпучего материала 3 по поверхности скважины 4 и конуса 2 соответственно.

Работа анкерной крепи осуществляется следующим образом.

Грузонесущий стержень 1 с конусом 2 вводят в скважину 4 и заполняют полость между боковыми поверхностями последних сыпучим материалом 3. После этого надевают на стержень 1 подпорный элемент 5, досылают его до конуса 2 и фрикционно закрепляют на поверхности скважины 4. Затем устанавливают опорную плиту 6 и навинчивают натяжную гайку 7. При этом вместе с грузонесущим стержнем 1 конус 2 смещается к устью скважины 4 и, надвигаясь своей боковой поверхностью на сыпучий материал 3, распирает и уплотняет его. Сформированный таким образом распорный замок из уплотненного и сжатого между поверхностями конуса 2 и скважины 4 сыпучего материала 3 удерживает анкер за счет сил поверхностного трения, реализующихся на площади его контакта со стенками скважины и пропорциональных действующим здесь силам бокового распора. По мере натяжения грузонесущего стержня 1 и смещения конуса 2 возрастают указанные силы бокового распора и поверхностного трения и соответственно растет прочность закрепления замка на стенках скважины 4.

Работа распорного замка из сыпучего материала 3 в режиме самозаклинивания обеспечивает высокую несущую способность крепи. Условие α<2(ϕ₁- ϕ₂) является необходимым для формирования и функционирования такого самозаклинивающегося замка.

Испытания подтвердили высокую несущую способность предлагаемой крепи, о чем свидетельствует следующий пример. Опорный элемент с углом конуса α = 5^o, высотой 200 мм и диаметрами оснований 40 мм и 20 мм, закрепленный на стальном стержне диаметром 20 мм, был помещен в скважину диаметром 42 мм. Полость между поверхностью скважины и боковой поверхностью опорного элемента, имеющая объем 130 см³, была заполнена кварцевым песком крупностью до одного миллиметра (ϕ₁=31^o; ϕ₂=22^o). Масса кварцевого песка составила 210 г, пористость - 38%. При натяжении анкера сформированный из такого количества песка распорный замок без каких-либо признаков потери устойчивости воспринял нагрузку в 6 т - предельную для грузонесущего стержня. Продольное смещение последнего составило при этом около 5 мм.

Изобретение может использоваться при креплении горных выработок. Задачей изобретения является повышение несущей способности крепи за счет формирования самозаклинивающегося замка. Анкерная крепь включает грузонесущий стержень с опорным элементом на его замковом конце, замок из сыпучего материала и подпорный элемент, ограничивающий замок со стороны устья скважины. Опорный элемент выполнен в виде усеченного конуса, сопряженного с грузонесущим стержнем меньшим основанием. Замок сформирован из сыпучего материала, размещенного в полости между поверхностью скважины и боковой поверхностью усеченного конуса. Угол конуса определяют из приведенного математического выражения. 1 ил.

Анкерная крепь, включающая грузонесущий стержень с опорным элементом на его замковом конце, замок из сыпучего материала и подпорный элемент, ограничивающий замок со стороны устья скважины, отличающаяся тем, что опорный элемент выполнен в виде усеченного конуса, сопряженного с грузонесущим стержнем меньшим основанием, а замок сформирован из сыпучего материала, размещенного в полости между поверхностью скважины и боковой поверхностью усеченного конуса, при этом угол α этого конуса определяют из выражения
α<2(ϕ₁- ϕ₂), град.,
где ϕ₁-угол трения сыпучего материала по поверхности скважины, град. ;
ϕ₂-угол трения сыпучего материала по поверхности усеченного конуса, град.