АНКЕР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК E21D21/00 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для крепления выработок.

Известна анкерная крепь по авт. св. СССР №1536012, кл. Е 21 D 21/00, опубл. в БИ №2, 1990 г., включающая стальной стержень периодического профиля, закрепленный в скважине посредством заполнения ее сыпучим материалом, подпорный элемент, установленный на его хвостовике, обсадной стакан, закрепленный на стальном стержне и имеющий продольные щели и упор, фибры, расположенные в сыпучем материале с хаотической ориентацией. Фибры выполнены в виде отрезков тонкой стальной проволоки.

Эта анкерная крепь имеет относительно сложную конструкцию. При ее установке необходимо заполнять скважину сыпучим материалом, что для восстающих скважин связано с известными трудностями.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является анкер по авт. св. СССР №1344909, кл. Е 21 D 21/00, опубл. в БИ №38, 1987 г., включающий грузонесущую штангу с эксцентрично навинченной на замковом конце гайкой, опорную шайбу и разрушаемую втулку, установленную на штанге между гайкой и опорной шайбой. Разрушаемая втулка выполнена из термически закаленного стекла, а гайка и шайба - с размещенными на торце шипами, взаимодействующими с втулкой.

Анкер имеет сложную конструкцию. Для его установки в скважине необходимо вращать штангу, которая зажимается стеклянной крошкой, образующейся в результате дробления разрушаемой втулки. На дробление разрушаемой втулки из закаленного стекла и преодоление трения между штангой и уплотняющейся стеклянной крошкой затрачивается много энергии. Размеры, форма и прочность стеклянной крошки обусловлены термически закаленным стеклом разрушаемой втулки и не могут варьироваться в больших пределах.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности анкера за счет снижения трудоемкости установки в скважине, уменьшения стоимости и повышения надежности крепления в результате упрощения конструкции и получения смеси при дроблении разрушаемой втулки, обеспечивающей возможность скрепления штанги со стенками скважины по всей длине.

Задача решается тем, что в анкере, включающем штангу, гайку, опорную шайбу и разрушаемую втулку, установленную на штанге, согласно предлагаемому техническому решению на штанге закреплена трубка с конусной внешней поверхностью, расширяющейся в сторону замкового конца анкера, а разрушаемая втулка выполнена из частиц заданных размеров, формы и прочности, скрепленных связующим веществом, прочность которого меньше прочности указанных частиц, при этом между опорной шайбой и разрушаемой втулкой установлена металлическая втулка.

Закрепленная на штанге трубка с конусной внешней поверхностью, расширяющейся в сторону замкового конца анкера, усиливает распор анкера при смещении штанги в направлении устья скважины. Разрушаемая втулка из частиц заданных размеров, формы и прочности, скрепленных связующим веществом, прочность которого меньше прочности указанных частиц, разрушается от осевого сжатия одновременно по всему объему, образуя сыпучую смесь, способную после ее прессования скреплять штангу и стенки скважины по всей длине, что существенно повышает надежность крепления. При этом не затрачивается энергия на дробление указанных частиц и вращение штанги и, следовательно, снижается трудоемкость установки анкера. Разрушаемая втулка дробится усилиями, обусловленными только прочностью связующего вещества. Она проста в изготовлении и имеет низкую стоимость. Использование металлической втулки между опорной шайбой и разрушаемой втулкой позволяет воздействовать на разрушаемую втулку, расположенную на любом участке скважины от ее устья до забоя. Все это повышает эффективность анкера.

Целесообразно свойства и соотношение объемов частиц разрушаемой втулки и скрепляющего их связующего вещества выбирать таким, чтобы после дробления разрушаемой втулки получалась смесь, способная при ее прессовании образовывать монолитные изделия. Это позволяет, используя технологию формирования изделий прессованием, образовывать монолитную трубу, прочно скрепляющую штангу и стенки скважины.

Целесообразно, чтобы прочность частиц разрушаемой втулки была выше прочности горных пород стенок скважины. Это позволяет вдавливать указанные частицы в стенки скважины, увеличивая сцепление анкера с горной породой.

Целесообразно на штанге установить дополнительно несколько разрушаемых втулок таким образом, чтобы прочность разрушаемых втулок по мере удаления от замкового конца анкера увеличивалась. За счет этого разрушаемые втулки дробятся не одновременно, а последовательно, начиная от забоя скважины. После дробления очередной разрушаемой втулки соответствующий участок скважины заполняется образовавшейся сыпучей смесью, которая уплотняется (вплоть до монолитного состояния) и скрепляет штангу со стенками скважины. Затем происходит дробление следующей разрушаемой втулки. В результате штанга скрепляется со стенками скважины последовательно, начиная от замкового конца анкера. При этом сыпучую смесь, образующуюся от дробления разрушаемых втулок, не нужно перемещать одновременно вдоль всего участка взаимодействия анкера с горной породой. Это снижает трудоемкость установки анкера и позволяет увеличивать длину участка, на котором штангу скрепляют со стенками скважины.

Целесообразно в качестве штанги использовать стержень периодического профиля. Это существенно усиливает сцепление штанги с сыпучей смесью, образовавшейся в результате дробления разрушаемой втулки, или монолитной трубой, сформированной прессованием полученной смеси.

Во втором варианте исполнения в анкере, включающем штангу и разрушаемую втулку, установленную на штанге, согласно предлагаемому техническому решению на штанге закреплена трубка с конусной внешней поверхностью, расширяющейся в сторону замкового конца анкера, а разрушаемая втулка выполнена из частиц заданных размеров, формы и прочности, скрепленных связующим веществом, прочность которого меньше прочности указанных частиц. Свойства и соотношение объемов частиц разрушаемой втулки и скрепляющего их связующего вещества выбрано таким, чтобы после дробления разрушаемой втулки получалась сыпучая смесь, способная при ее прессовании образовывать монолитные изделия. Анкер снабжен металлической трубой для его установки в скважине.

Благодаря выбору свойств и соотношения объемов частиц разрушаемой втулки и скрепляющего их связующего вещества таким образом, что после дробления разрушаемой втулки получается сыпучая смесь, способная при ее прессовании образовывать монолитные изделия, упрощена конструкция анкера (не нужны опорная шайба, гайка и резьба на конце штанги). При этом преимущества (за исключением необходимости использования металлической трубы) первого варианта относительно прототипа сохраняются. Металлическая труба для установки анкера обеспечивает возможность механизации процесса крепления выработок с помощью только имеющегося на горных предприятиях оборудования, в частности механизма подачи штанг от бурового станка. Причем труба с механизмом ее подачи в скважину используется только для установки анкера. Все это упрощает конструкцию анкера и позволяет без затрат на создание специальных средств механизации существенно повысить эффективность крепления.

Целесообразно, чтобы прочность частиц разрушаемой втулки была выше прочности горных пород стенок скважины. Это позволяет вдавливать указанные частицы в стенки скважины, увеличивая сцепление анкера с горной породой.

Целесообразно на штанге установить дополнительно несколько разрушаемых втулок таким образом, чтобы прочность разрушаемых втулок по мере удаления от замкового конца анкера увеличивалась. За счет этого разрушаемые втулки дробятся не одновременно, а последовательно, начиная от забоя скважины. После дробления очередной разрушаемой втулки соответствующий участок скважины заполняется образовавшейся сыпучей смесью, которая уплотняется (вплоть до монолитного состояния) и скрепляет штангу со стенками скважины. Затем происходит дробление следующей разрушаемой втулки. В результате штанга скрепляется со стенками скважины последовательно, начиная от замкового конца анкера. При этом сыпучую смесь, образующуюся от дробления разрушаемых втулок, не нужно перемещать одновременно вдоль всего участка взаимодействия анкера с горной породой. Это снижает трудоемкость установки анкера и позволяет увеличивать длину участка, на котором штангу скрепляют со стенками скважины.

Целесообразно в качестве штанги использовать стержень периодического профиля. Это существенно усиливает сцепление штанги с сыпучей смесью, образовавшейся в результате дробления разрушаемой втулки, или монолитной трубой, сформированной прессованием полученной смеси.

Сущность технического решения поясняется примерами конкретного исполнения и чертежами.

На фиг.1 показан анкер по первому варианту в скважине, продольный разрез; на фиг.2 - то же, после дробления разрушаемых втулок. На фиг.3 показан анкер в скважине по второму варианту, продольный разрез; на фиг.4 - то же, после дробления разрушаемых втулок.

Анкер по первому варианту состоит из штанги 1 (фиг.1, 2), один конец которой оканчивается стержнем 2 с резьбой (поз. не обозначена). На штанге 1 (например, на конце, свободном от стержня) закреплена трубка 3 с конусной внешней поверхностью, расширяющейся в сторону замкового конца анкера. На штангу 1 надеты одна или несколько разрушаемых втулок 4 из частиц заданных размеров, формы и прочности, скрепленных связующим веществом (связующими веществами), прочность которого (которых) меньше прочности указанных частиц. Свойства и соотношение объемов частиц и скрепляющего их связующего вещества в каждой из разрушаемых втулок 4 выбраны такими, что после дробления соответствующей разрушаемой втулки 4 получается сыпучая смесь, способная при ее прессовании образовывать монолитные изделия. Прочность частиц любой из разрушаемых втулок 4 выше прочности горных пород стенок скважины. Прочность разрушаемых втулок 4 с удалением от замкового конца анкера увеличивается. На стержень 2 последовательно надета металлическая втулка 5, затем - опорная шайба 6, после чего навинчена гайка 7. Анкер подан в скважину 8. Вращением гайки 7 в скважине 8 раздавлены разрушаемые втулки 4 с образованием сыпучей смеси или монолитной трубы 9 (фиг.2).

Работа анкера по первому варианту осуществляется следующим образом.

Анкер со стороны трубки 3 подают в скважину 8 до упора в забой (фиг.1). На стержень 2 навинчивают гайку 7, от чего металлическая втулка 5, перемещаясь в направлении замкового конца анкера, раздавливает разрушаемые втулки 4 с образованием сыпучей смеси. Дальнейшим перемещением металлической втулки 5 полученную смесь спрессовывают. В результате в скважине 8 образуется уплотненная сыпучая смесь или монолитная труба 9 (фиг.2), которые прочно скрепляют штангу 1 с горной породой.

Анкер по второму варианту состоит из штанги 1 (фиг.3, 4), на которой закреплена трубка 3 с конусной внешней поверхностью, расширяющейся в сторону замкового конца анкера. На штангу 1 надеты одна или несколько разрушаемых втулок 4 из частиц заданных размеров, формы и прочности, скрепленных связующим веществом (связующими веществами), прочность которого (которых) меньше прочности указанных частиц. Свойства и соотношение объемов частиц и скрепляющего их связующего вещества в каждой из разрушаемых втулок 4 выбраны такими, что после дробления соответствующей разрушаемой втулки 4 получается сыпучая смесь, способная при ее прессовании образовывать монолитные изделия. Прочность частиц любой из разрушаемых втулок 4 выше прочности горных пород стенок скважины. Прочность разрушаемых втулок 4 с удалением от замкового конца анкера увеличивается. Анкер снабжен металлической трубой 10 для его установки в скважине 8. Подачей металлической трубы 10 с усилием в скважине 8 раздавлены разрушаемые втулки 4 и сформирована монолитная труба 9 (фиг.4).

Работа анкера по второму варианту осуществляется следующим образом.

Анкер со стороны трубки 3 подают в скважину 8 до упора в забой (фиг.3). На штангу 1 надевают металлическую трубу 10, которую затем подают с усилием в скважину 8 до раздавливания разрушаемых втулок 4 и формирования монолитной трубы 9 (фиг.4). Затем металлическую трубу 10 извлекают из скважины 8 и используют для установки следующих анкеров.

При формировании монолитной трубы 9 скважину 8 с поданной в нее штангой 1 (вместе с трубкой 3) используют в качестве пресс-формы, а металлическую втулку 5 либо металлическую трубу 10 - в качестве пуансона. Монолитную трубу 9 формируют из сыпучей смеси частиц разрушаемой втулки 4, которые прочнее горной породы и поэтому могут внедряться в стенки скважины 8, и порошка (образовавшегося из связующего вещества в результате дробления разрушаемых втулок 4), способного при прессовании образовывать твердое тело. Соотношение объемов частиц разрушаемой втулки 4 и порошка должно быть таким, чтобы между частицами не было свободного пространства. Частицы, чтобы распирались между штангой и стенками скважины, выбирают неправильной и удлиненной формы. При этом желательно, чтобы длина этих частиц была больше зазора между штангой 1 и стенками скважины 8. Сыпучая смесь с такими свойствами получается, если разрушаемые втулки 4 выполняют из измельченной прочной горной породы (гранита и его аналогов), скрепленной глиной или асбестом. При этом отношение объемов частиц (гранитной крошки) разрушаемой втулки 4 и связующего их вещества (глины или асбеста) подбирают экспериментально.

В качестве штанги 1 используют стержень периодического профиля, широко применяемый для изготовления железобетонных изделий. Поперечные выступы на боковой поверхности стержня исключают возможность продольного перемещения штанги 1 относительно монолитной трубы 9 или уплотненной сыпучей смеси, образованной в результате дробления разрушаемых втулок 4. Отметим, что использование стержня 2 по первому варианту обусловлено технологическими особенностями изготовления анкера. Выполнение резьбы на используемых в железобетонных изделиях стержнях (арматуре) связано с известными трудностями (они имеют неровные поверхности и, как правило, являются закаленными). Трубку 3 с конусной внешней поверхностью, расширяющейся в сторону замкового конца анкера, устанавливают на штангу 1 с использованием технологии горячей штамповки.

Прочность частиц разрушаемых втулок 4 больше прочности горной породы массива. Поэтому они вдавливаются в стенки скважины 8, от чего существенно увеличивается сцепление анкера с массивом. В качестве указанных частиц можно использовать куски прочного камня (гранита и его аналогов) или прочного материала (стекла, стали). Размеры, форму и прочность частиц выбирают из условий эксплуатации анкера и экономической целесообразности. Отметим, что разрушаемые втулки 4 раздавливаются усилием, обусловленным только прочностью связующего вещества. Входящие в их состав твердые частицы не разрушаются и поэтому не влияют на энергоемкость установки анкера.

Равнопрочная по длине разрушаемая втулка 4 начинает рассыпаться со стороны действия на нее металлической втулки 5 или металлической трубы 10. Образующаяся при этом сыпучая смесь спрессовывается, распирается о стенки скважины 8 и препятствует дальнейшему перемещению металлической втулки 5 (металлической трубы 10). По этой причине длинная (например, более одного метра) разрушаемая втулка 4 раздавливается не по всей длине, от чего качество крепления ухудшается. Чтобы разрушаемые втулки 4 рассыпались по всему объему, их длину ограничивают (до нескольких десятков сантиметров). При этом наибольшее качество достигается тогда, когда разрушаемые втулки 4 подают и раздавливают металлической втулкой 5 или металлической трубой 10 в скважине 8 последовательно. Задавая усилие подачи металлической трубы 10 или момент вращения на гайке 7, осуществляют не только дробление разрушаемых втулок 4 (формирование монолитной трубы 9), но и распор стенок скважины 8. Поэтому одновременно с установкой анкера происходит упрочнение горных пород массива в окрестности скважины 8. Таким образом, можно устанавливать анкер практически любой длины и осуществлять упрочнение горных пород массива вдоль всей скважины 8. Снижение трудоемкости установки предлагаемого анкера осуществляют уменьшением количества подач металлической трубы 10 или металлической втулки 5 в скважину 8. Для этого на штанге 1 устанавливают несколько разрушаемых втулок 4 таким образом, чтобы их прочность по мере удаления от замкового конца анкера увеличивалась. Разрушение втулок 4 (формирование монолитной трубы 9) происходит последовательно, начиная от трубки 3. Отметим, что в этом случае величина распора стенок скважины 8 на конкретном участке определяется прочностью следующей за ним разрушаемой втулки 4. Из-за разной прочности разрушаемых втулок 4 распор стенок скважины 8 по длине оказывается неравномерным. Это приводит к небольшому снижению качества крепления выработки, но существенно уменьшает трудоемкость установки анкера. Различие в прочности разрушаемых втулок 4 обеспечивают их размерами (толщиной стенок), соотношением объемов связующего вещества и твердых частиц, использованием разных связующих веществ. Технологию установки анкера выбирают из условий и требований к качеству крепления горной выработки.

Благодаря тому что предусмотрена возможность применения нескольких вариантов установки анкера в скважинах различной длины обеспечивается высокая эффективность его работы в широком диапазоне изменения условий крепления выработок. Анкер надежен в работе, прост по конструкции, может изготавливаться и применяться практически на любых горных предприятиях.

Изобретение относится к горному делу и используется для крепления выработок. Обеспечивает снижение трудоемкости установки в скважине, уменьшение стоимости, повышение надежности крепления. Сущность: анкер включает штангу, гайку, опорную шайбу и разрушаемую втулку, установленную на штанге. На штанге закреплена трубка с конусной внешней поверхностью, расширяющейся в сторону замкового конца анкера. Разрушаемая втулка выполнена из частиц заданных размеров, формы и прочности, скрепленных связующим веществом, прочность которого меньше прочности указанных частиц. Между опорной шайбой и разрушаемой втулкой установлена металлическая втулка. Во втором варианте свойства и соотношение объемов частиц разрушаемой втулки и скрепляющего их связующего вещества выбрано таким, чтобы после дробления разрушаемой втулки получалась сыпучая смесь, способная при ее прессовании образовывать монолитные изделия. Анкер снабжен металлической трубой для его установки в скважине. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Анкер, включающий штангу, гайку, опорную шайбу и разрушаемую втулку, установленную на штанге, отличающийся тем, что на штанге закреплена трубка с конусной внешней поверхностью, расширяющейся в сторону замкового конца анкера, а разрушаемая втулка выполнена из частиц заданных размеров, формы и прочности, скрепленных связующим веществом, прочность которого меньше прочности указанных частиц, при этом между опорной шайбой и разрушаемой втулкой установлена металлическая втулка.2. Анкер по п.1, отличающийся тем, что свойства и соотношение объемов частиц разрушаемой втулки и скрепляющего их связующего вещества выбраны такими, чтобы после дробления разрушаемой втулки получалась сыпучая смесь, способная при ее прессовании образовывать монолитные изделия.3. Анкер по п.1 или 2, отличающийся тем, что прочность частиц разрушаемой втулки выше прочности горных пород стенок скважины.4. Анкер по п.1, отличающийся тем, что на штанге установлено дополнительно несколько разрушаемых втулок таким образом, чтобы прочность разрушаемых втулок по мере удаления от замкового конца анкера увеличивалась.5. Анкер по п.1, отличающийся тем, что в качестве штанги использован стержень периодического профиля.6. Анкер, включающий штангу и разрушаемую втулку, установленную на штанге, отличающийся тем, что на штанге закреплена трубка с конусной внешней поверхностью, расширяющейся в сторону замкового конца анкера, а разрушаемая втулка выполнена из частиц заданных размеров, формы и прочности, скрепленных связующим веществом, прочность которого меньше прочности указанных частиц, при этом свойства и соотношение объемов частиц разрушаемой втулки и скрепляющего их связующего вещества выбраны такими, чтобы после дробления разрушаемой втулки получалась сыпучая смесь, способная при ее прессовании образовывать монолитные изделия, причем он снабжен металлической трубой для установки в скважине.7. Анкер по п.6, отличающийся тем, что прочность частиц разрушаемой втулки выше прочности горных пород стенок скважины.8. Анкер по п.6 или 7, отличающийся тем, что на штанге установлено дополнительно несколько разрушаемых втулок таким образом, чтобы прочность разрушаемых втулок по мере удаления от замкового конца анкера увеличивалась.9. Анкер по п.6, отличающийся тем, что в качестве штанги использован стержень периодического профиля.