СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТРОСОВОГО АНКЕРА Российский патент 2016 года по МПК E21D20/02 

Настоящее изобретение относится к способу закрепления тросового анкера в грунтовом образовании.

Тросовый анкер используется в горнодобывающей промышленности и в строительстве для упрочнения почв или скальных пород с целью закрепления крутых боков или кровли, стены или рабочего горизонта в шахте или туннеле. Обычно, тросовые анкеры используются для закрепления грунтовых образований в сложных условиях, например, там, где пробурены шпуры с диаметром больше номинального или в условиях трещиноватых и/или вымытых образований.

Тросовые анкеры обычно закрепляются на месте с помощью системы заливки раствора на основе цемента или полимера. Трудно найти систему заливки раствора, которая бы закачивалась в течение достаточного времени и затем достаточно быстро и с достаточной эффективностью обеспечивала бы необходимую прочность тросового анкера без дополнительного быстрого упрочнения. Заливка цементного раствора тросовых анкеров часто сталкивается с проблемами обеспечения качества и контроля над качеством, что связано с процессом цементации. Заливка цементного раствора представляет собой относительно сложную процедуру, как так необходимо установить вентиляционную трубу и блокировать отверстие шпура забойным материалом с целью предотвращения утечки незатвердевшего раствора цемента. Как правило, при использовании с цементным раствором тросового анкера цементу требуется более 24 часов для затвердевания, прежде чем в районе тросового анкера можно осуществлять дальнейшие работы.

В качестве альтернативы системе закачки раствора известно использование смоляной картриджной крепи. Однако даже со стандартными анкерными болтами смоляная картриджная крепь неэффективна в сложных условиях, в которых обычно используют тросовые анкеры. Тросовые анкеры меньше подходят для использования со смоляными картриджами, поскольку трудно гарантировать, что тросовый анкер пройдет через смоляной картридж и правильно смешает его содержимое.

Таким образом, существует необходимость в системе быстрой установки тросовых анкеров без обычных длительных задержек, связанных с отверждением цементного раствора.

Согласно изобретению предложен способ закрепления тросового анкера в шпуре, пробуренном в грунтовом образовании, содержащий следующие этапы:

обеспечение тросового анкера, инжекционной трубы и инжекционного адаптера согласно изобретению;

введение тросового анкера и инжекционной трубы в пробуренный шпур таким образом, что конец инжекционной трубы располагается на дистальном конце шпура или вблизи него;

соединение инжекционного адаптера с инжекционной трубой; и

прокачка многокомпонентной смоляной системы через инжекционный адаптер в пробуренный шпур так, что статический смеситель инжекционного адаптера смешивает систему многокомпонентной смолы для закрепления затвердевшей смолой тросового анкера в пробуренном шпуре.

Преимущества изобретения состоят в том, что применение инжекционного адаптера со смолой обеспечивает хорошее перемешивание смолы и правильную установку анкера правильно. Пригодные для перекачки насосом многокомпонентные смолы для закрепления анкерных болтов обеспечивают значительные преимущества по сравнению с традиционными смоляными картриджами и системами закачки цементного раствора, где требуется быстрая и легко адаптируемая поддержка для сложных грунтовых условий. Это происходит потому, многокомпонентные смолы, как правило, отвердевают быстрее, чем цементирующие системы. При использовании инжекционного адаптера согласно изобретению смолу предварительно смешивают до ее введения в пробуренный шпур таким образом, что смола загустевает и начинает затвердевать до ее введения. В результате не нужно блокировать пробуренный шпур забойным материалом, поскольку загустевшая смола не будет вытекать из пробуренного шпура, даже если шпур пробурен в кровле туннеля. Поскольку не требуется забойного материала, то не требуется также вентиляционной трубы, что упрощает процедуру установки по сравнению с тросовой анкеровкой с использованием цементного раствора. Как правило, известные многокомпонентные смоляные системы затвердевают менее чем за час, что позволяет осуществлять фиксацию и натяжение тросовых анкеров гораздо быстрее после их установки. Этот быстрый процесс установки позволяет значительно быстрее подготовить плоскость горной выработки после установки. Быстрая установка позволяет немедленно продолжать работы на грунтовом образовании без повреждений или негативных воздействий для залитых раствором анкеров. Экономия времени за цикл составляет минимум 24 часа, что является типовым минимумом ожидания для неусадочных цементных растворов.

В некоторых вариантах осуществления многокомпонентная смоляная система представляет собой двухкомпонентную смоляную систему, в которой первый компонент содержит изоцианат, а второй компонент содержит силикат. Преимущества использования двухкомпонентной смоляной системы, содержащей изоцианатный предполимер и силикат, заключаются в том, что она обеспечивает прочность быстрого затвердевания, достаточную для удержания анкерного крепления в пробуренном шпуре без дополнительной поддержки. Она также имеет высокую температуру воспламенения, низкую воспламеняемость и высокий кислородный индекс. Кроме того, питающие трубы и насос, используемые для второго компонента смоляной системы, могут быть очищены с использованием воды, так как силикат растворим в воде. Такая смоляная система очень быстро затвердевает, поскольку она схватывается менее чем за одну минуту после закачки и позволяет осуществить фиксацию и натяжение тросов менее чем через десять минут после установки тросового анкера.

В некоторых вариантах осуществления двухкомпонентная смоляная система может являться двухкомпонентной силикатной смоляной системой, реализуемой компанией Minova Australia Pty Ltd под торговой маркой "CARBOTHIX", преимуществами которой является то, что:

объемное соотношение системы составляет одну часть силиката на две части изоцианатного предполимера, что облегчает закачку и поддержание соотношения (но могут быть использованы и альтернативные объемные соотношения между 1:1 и 1:3);

система не включает в себя наполнитель, так что отсутствуют твердые частицы, способные засорить насос или другие магистрали, используемые для инъекций смоляной системы;

система имеет низкую вязкость (примерно 200-400 сП), поэтому легко поддается перекачке;

исключение холодильного хранения полиэфирных смол с целью увеличения срока годности;

переменная величина введения для обеспечения полной инкапсуляции анкерных болтов;

проверки на содержание изоцианатов показали, что они не поддаются обнаружению или значительно ниже минимальных ограничительных порогов.

В некоторых вариантах осуществления объемное соотношение компонентов многокомпонентной смоляной системы может быть подобрано так, что смола не полностью затвердевает за меньшее время, чем требуется для закачки смоляной системы в шпур. Поскольку объемное соотношение может быть подобрано оператором насосов для многокомпонентной смоляной системы, специалист в данной области может определить подходящее соотношение и знает, что время затвердевания было слишком большим, поскольку при заполнении шпура смола была недостаточно загустевшей. Также специалист в данной области определит, если время затвердевания было слишком малым, и смола затвердела в шпуре до его заполнения смолой. Подбор соотношения будет зависеть от таких факторов, как размер пробуренного шпура из-за рыхлости грунтового образования, наличия трещин или других дефектов, окружающей температуры, давления и влажности и/или типа грунтового образования.

В некоторых вариантах осуществления, статический смеситель имеет, по меньшей мере, 10 элементов. Например, статический смеситель может иметь от 10 до 48 элементов, в частности около 30 элементов. При использовании смоляной системы Carbothix®, такое большое количество элементов необходимо для обеспечения высокой энергии смешивания. Неполное смешивание данной системы можно легко обнаружить, поскольку смола пенится при затвердевании.

В некоторых вариантах осуществления тросовый анкер может быть дополнительно закреплен ячеистой сеткой. В некоторых вариантах осуществления тросовый анкер может иметь любые признаки, которые являются обычными в технологии тросовых анкеров, и может иметь любую длину в области типовых тросовых анкеровок. Термин «грунтовое образование» означает массу горных пород, земли и/или почвы в насыпях, карьерах, шахтах или туннелях.

Далее изобретение проиллюстрировано со ссылкой на нижеследующие чертежи, которые представлены для иллюстрации заявленного изобретения, но не для ограничения объема охраны

На фиг. 1 показан схематичный вид инжекционного адаптера согласно изобретению,

На фиг. 2 показан схематичный вид системы согласно изобретению,

На фиг. 3 показан схематичный вид закрепленного тросового анкера согласно изобретению.

На фиг. 4 показан альтернативный вариант осуществления закрепленного тросового анкера согласно изобретению.

На фиг. 1 показан инжекционный адаптер 10 согласно изобретению. Адаптер 10 выполнен в виде трубы 20, которая имеет входное отверстие 30, статический смеситель 60, размещенный в трубе 20 возле входного отверстия 30, внутренний канал 50 и выходное отверстие 40. Входное отверстие 30 в основном размещено на конце инжекционного адаптера 10 и приспособлено для соединения с насосом многокомпонентных смол. Выходное отверстие 40 в общем размещено на конце инжекционного адаптера 10 и приспособлено для соединения с инжекционной трубой. Инжекционный адаптер 10 обычно менее 1 метра длиной, как правило, его длина составляет от 40 см до 60 см, к примеру 45 см.

На фиг. 2 показана система 100 согласно изобретению. Система 100 содержит инжекционный адаптер 10, как показано на фиг. 1, тросовый анкер 15, инжекционную трубу 25 и двухкомпонентную смоляную систему 70. Двухкомпонентная смоляная система 70 содержит первый изоцианатный компонент 80 и второй силикатный компонент 90. Тросовый анкер 15 имеет длину от 3 м до 10 м, например, 5 м. Инжекционная труба 25, как правило, имеет длину от 2 до 5 м, к примеру, около 3 метров.

На фиг. 3 показано закрепленное анкерное крепление 200 согласно изобретению. На фиг. 3 показано грунтовое образование 120 в виде каменной стены. В каменной стене 120 показан пробуренный шпур 110, в которой многокомпонентной смоляной системой 75 закреплен тросовый анкер 15. Многокомпонентная смоляная система 75 была закачана в пробуренный шпур 110 посредством инжекционного адаптера 10 и инжекционной трубы 25.

Способ закрепления тросового анкера 15 в грунтовом образовании 120 содержит следующие этапы.

После подготовки грунтового образования, например раскопки туннеля, в грунтовом образовании бурят отверстие для создания пробуренного шпура 110. Пробуренный шпур 110 имеет проксимальный конец 112, находящийся на отверстии шпура, и дистальный конец 114. Затем тросовый анкер 15 вставляют в пробуренный шпур 110 с инжекционной трубой 25, инжекционный адаптер 10 соединяют с инжекционной трубой 25, а насос многокомпонентной смолы может быть соединен с инжекционным адаптером 10 до или после этого соединения. Затем многокомпонентную смоляную систему 75 прокачивают через инжекционный адаптер 10, при этом статический смеситель 60 в инжекционном адаптере 10 производит тщательное перемешивание компонентов смоляной системы. Когда смоляная система начнет густеть, ее прокачивают через инжекционную трубу для заполнения пробуренного шпура 110 от дистального конца. Затем многокомпонентная смоляная система 75 затвердевает и закрепляет на месте тросовый анкер 15 с целью упрочнения грунтового образования 120.

В альтернативном варианте осуществления тросовый анкер может иметь механическую оболочку для обеспечения предварительного натяжения тросового анкера 15 перед инъекцией смоляной системы с целью инкапсуляции тросового анкера 15.

На фиг. 4 показан закрепленный горный туннель 200. Горный туннель имеет ширину 5,0 м и высоту 5,3 м. Он расположен в грунтовом образовании 205, закрепленном на каждой из вертикальных стенок 206 и 207 тремя анкерными болтами 220. Кровля 208 закреплена пятью тросовыми анкерами 220. Для дополнительного закрепления горного туннеля 200 предусмотрена металлическая ячеистая сетка 209.

ПРИМЕР 1

Были проведены испытания способа и системы согласно изобретению в виде динамической системы поддержки с целью ухудшения условий грунта, включая деформационный взрыв.

Были проведены испытания в жилах с высоким содержанием меди, где бурение в мягких и рыхлых рудах может привести к значительному превышению номинальных размеров шпуров.

В сложных местах медного рудника были установлены тросовые анкеры согласно способу изобретения. Быстродействующий комплект смол Minova Carbothix® с соотношением 1:1 силиката к изоцианату и временем отвердения около 1 минуты был использован с 5-метровым тросовым анкером. В некоторых районах, где пробуренные шпуры пересекались с образовавшимися под воздействием напряжений трещинами или проходили вдоль структурных признаков, возникали проблемы с полным заполнением шпуров перед значительным возрастанием давления нагнетания, что указывало на застывание смолы. С опытными операторами это был ограниченный случай, однако требовалось решение. В таких районах была использована смола Minova Carbothix® со временем отвердевания 3-4 минуты.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 2

Для сравнения тросовые анкеры были установлены известным способом заливки цементным раствором в местах, аналогичных примеру 1.

Для протяженной поддержки в шпурах глубиной 3-10 метров были использованы двойные 16-мм стальные тросовые анкеры. Перед установкой тросового анкера в пробуренный шпур, пластиковая вентиляционная труба была присоединена к тросовому анкеру так, чтобы труба достигала дистального конца пробуренного шпура. Тросовый анкер и вентиляционная труба были введены в шпур, и, кроме того, в шпур на глубину около 0,6 м было установлена труба подачи цементного раствора с большим диаметром. После этого все отверстие вокруг тросового анкера, трубы нагнетания раствора и вентиляционной трубы было загерметизировано забойными материалами и распыляемой пеной для предотвращения вытекания цемента из шпура. Затем шпур заполнили цементом, закачиваемым через отверстие шпура. Когда цемент достиг конца шпура, он прорвался снизу в вентиляционную трубу. При обнаружении цемента на проксимальном конце вентиляционной трубы, цементный насос был остановлен. Потребовался период минимум в 24 часа для затвердевания цемента, прежде чем тросовый анкер смог быть зафиксирован и натянут с усилием примерно 10 тонн.

Таким образом, становится очевидным, что известный способ является гораздо более сложным, чем способ согласно изобретению и требует больше времени. Использование смоляного инжекционного адаптера согласно изобретению устраняет необходимость в вентиляционных трубах, поскольку пробуренный шпур заполняют с задней части до передней. Отсутствует необходимость проводить забойку отверстия пробуренного шпура, так как смола тиксотропна, и не вытекает даже из вертикальных шпуров. Смолу подают в соответствии с постоянным объемным соотношением из насоса, она заполняет пустоты, упрочняет трещиноватый грунт и сразу отвердевает, что позволяет осуществить фиксацию и натяжение в течение 10 минут.

ПРИМЕР 3

При испытаниях было обнаружено, что при использовании системы Carbothix® в качестве двухкомпонентной смоляной системы 70 через 6 минут сила сдвига на 75% больше чем при использовании непрокачиваемой версии полиэфирной смолы. Через 10 минут сила сдвига на 100% больше. Было установлено, что система Carbothix® при перемешивании имеет среднюю максимальную экзотермическую температуру 97°С за время отверждения около 4 минут, что соответствует требованиям MDG 3006 MRT8 (проект, январь 2007 г.) Раздел 5.1 а) для максимальной экзотермической температуры. Было также установлено соответствие требованиям MDG 3006 MRT 8 (проект, январь 2007 г.) раздел 5.1 b), с), d), е) и f) к электрическому сопротивлению, огнестойкости (после контакта с пламенем горелки в течение 60 секунд, сохранение пламени на образце системы Carbothix продолжалось максимум 2 секунды, показывая низкую горючесть), распространению огня, температуре воспламенения (при испытаниях не было возможности определить температуру воспламенения, как это было выше 100°С) и определению химических характеристик компонентов смолы, соответственно.

Было установлено, что смоляная инжекционная система Minova обеспечивает полную инкапсуляцию анкера, исключая вопросы о том, правильно ли были смешаны смоляные картриджи для установки анкеров согласно конструкции.

ПРИМЕР 4

Свойства двухкомпонентной смоляной системы 70 с использованием Carbothix® были сопоставлены со свойствами Minova Australia Pty Ltd, Geoflex®. Полученные результаты представлены ниже в таблице 1, из которой видно, что Carbothix® продемонстрировала большую силу сдвига и прочность на изгиб в любое время после отверждения.

Изобретение относится к горному делу, в частности к методу установки анкеров для закрепления стенок и кровли в шахтах или туннеле. Техническим результатом является снижение затрат времени на установку анкеров. Предложен способ закрепления тросового анкера в шпуре, пробуренном в грунтовом образовании, содержащий следующие этапы: обеспечение тросового анкера, инжекционной трубы и инжекционного адаптера, содержащего входное отверстие для смоляного компонента, статический смеситель и выходное отверстие для смешанной смолы; введение тросового анкера и инжекционной трубы в пробуренный шпур таким образом, что конец инжекционной трубы располагается на дистальном конце шпура или вблизи него; соединение инжекционного адаптера с инжекционной трубой; и прокачка многокомпонентной смоляной системы через инжекционный адаптер в пробуренный шпур так, что статический смеситель инжекционного адаптера смешивает систему многокомпонентной смолы для закрепления затвердевшей смолой тросового анкера в пробуренном шпуре. 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ закрепления тросового анкера в шпуре, пробуренном в грунтовом образовании, содержащий следующие этапы:
обеспечение тросового анкера, инжекционной трубы и инжекционного адаптера, содержащего входное отверстие для смоляного компонента, статический смеситель и выходное отверстие для смешанной смолы;
введение тросового анкера и инжекционной трубы в пробуренный шпур таким образом, что конец инжекционной трубы располагается на дистальном конце шпура или вблизи него;
соединение инжекционного адаптера с инжекционной трубой; и
прокачка многокомпонентной смоляной системы через инжекционный адаптер в пробуренный шпур так, что статический смеситель инжекционного адаптера смешивает систему многокомпонентной смолы для закрепления затвердевшей смолой тросового анкера в пробуренном шпуре.

2. Способ по п. 1, в котором многокомпонентная смоляная система представляет собой двухкомпонентную смоляную систему, в которой первый компонент содержит изоцианат, а второй компонент содержит силикат.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором двухкомпонентной смоляной системой является система «CARBOTHIX».

4. Способ по п. 1, который дополнительно содержит этап закрепления тросового анкера с помощью ячеистой сетки.

5. Способ по п. 1, в котором грунтовое образование представляет собой массу горных пород, земли и/или почвы в насыпях, карьерах, шахтах или туннелях.

6. Способ по п. 1, в котором статический смеситель имеет по меньшей мере 10 элементов.