анкер с минеральным заполнителем

Формула изобретения

Анкер с минеральным заполнителем, включающий грузонесущий стержень с опорной головкой на замковом конце, втулку из минерального заполнителя в зазоре между стенками скважины и стержнем, подпорную шайбу, надетую на стержень со стороны устья скважины, опорные элементы и гайку вне скважины, отличающийся тем, что подпорная шайба выполнена эксцентричной в виде втулки с упругими полями, опертыми на стенки скважины.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к креплению горных выработок, а именно к анкерам.

Известен анкер [1], включающий грузонесущий стержень с эксцентричной гайкой, навинченной на его замковый конец, бумажный патрон, заполненный крупнозернистым песком, эксцентрично установленную на стержне шайбу. Грузонесущий стержень вводят в скважину до упора в породу, затем вращают стержень. Вследствие эксцентричного расположения отверстий шайба и гайка не вращаются, а сближаются, вдавливая песок в стенки скважины.

Недостатком известного анкера является значительное перемещение анкерного стержня для уплотнения сыпучего материала вследствие того, что диаметр патрона с сыпучим материалом меньше диаметра скважины, т.к. в противном случае его нельзя разместить в ней. Перемещение стержня приводит к необходимости удлинить его резьбовую часть, что удорожает конструкцию. Кроме того, снижается несущая способность анкера из-за наличия на контакте с породными стенками бумажного патрона. При размокании бумага снижает трение сыпучего материала о стенки скважины.

Известна анкерная крепь [2], включающая грузонесущий стержень с опорным элементом на его замковом конце, замок из сыпучего материала и подпорный элемент из быстротвердеющего материала.

Недостаток такой крепи состоит в сложности реализации, вследствие того что в процесс вовлекаются две трудно совместимые технологии. Кроме заполнения скважины сыпучими материалами, дополнительно вовлекается технология заполнения быстротвердеющими смесями. В целом технология усложняется и становится менее надежна. Кроме того, пульт и блок управления процессами становятся более сложными, требуют антикоррозийного покрытия при работе во влажной рудничной атмосфере, что ведет к удорожанию установки для закрепления анкеров.

Известен податливый анкер [3], включающий грузонесущий стержень с узлом податливости в виде конусного рассекателя в донной части скважины, замок анкера в виде пробки из сыпучего материала с заглушкой, размещенной в устьевой части скважины, головки анкера в виде грузонесущей шайбы с конусными отверстиями, установленной на расстоянии величины возможной податливости столба сыпучего материала, размещенного между конусным рассекателем и грузонесущей шайбой (головкой анкера).

Недостаток анкера состоит в ненадежности его работы вследствие того, что вся пробка из сыпучего материала от головки анкера до заглушки в устье скважины становится податливой при формировании зоны интенсивной трещиноватости (в зоне неупругих деформаций) приконтурного массива вследствие высыпания песка в трещины.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является анкер [4], включающий грузонесущий стержень с головкой анкера в донной части скважины, замок анкера из столба сыпучего материала в оболочке, подпертого упругим элементом и подпорной втулкой в устье скважины.

В данном решении столб сыпучего материала в устье скважины подперт шайбой и подпорной втулкой, имеющей опору через подхват на гайку, навинченную на резьбу хвостовика анкера.

Недостаток анкера состоит в том, что в период формирования неупругой зоны приконтурного массива сыпучий материал, например песок, высыпается в образуемые трещины давления и столб песка становится излишне податливым.

Если размещать втулку из сыпучего минерального заполнителя за границей неустойчивой части массива, т.е. за зоной интенсивной трещиноватости, например на высоте 0,7 - 1 м, то тогда потребуется подпорная втулка из жесткого материала длиной 0,7 - 1 м. Это ведет к удорожанию анкера. В целом конструкция анкера сложна и технология установки мало производительна из-за многооперационности процесса установки. Кроме того, конструкция ненадежна из-за снижения сил трения и сцепления сыпучего о стенки скважины из-за разделяющей их оболочки, в которой находится сыпучий материал.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности работы анкера при относительно низкой его стоимости.

Указанная цель достигается тем, что в анкере, включающем грузонесущий стержень с головкой на замковом конце, втулку из минерального заполнителя в зазоре между стеками скважины и стержнем, подпорную шайбу, надетую на стержень со стороны устья скважины, подпорная шайба выполнена эксцентричной в виде втулки с упругими полями, опертыми на стенки скважины.

Подпорная шайба выполнена в виде втулки с упругими полями, которыми оперта на стенки скважины и надета на стержень анкера с возможностью относительного перемещения. Основное назначение шайбы заключается в предотвращении высыпания из скважины сыпучего материала. Для этого шайба выполнена несколько большего диаметра скважины. Форма и диаметр полей позволяют с помощью досылочного устройства дослать шайбу в глубь скважины за зону интенсивной трещиноватости и подпереть втулку из песка. Обратного хода такая шайба не имеет, т.к. диаметр полей шайбы больше диаметра скважины. Поля выполнены упругими и могут иметь усы. Поэтому при досылке в сторону забоя скважины поля еще больше прогибаются и распираются в стенки скважины. Форма полей и их жесткость не допускают перемещения шайбы в обратном направлении.

Подпорная шайба, таким образом, подпирает сыпучий материал, предотвращая его высыпание, без подпорной втулки. Это обстоятельство позволяет подпереть сыпучий материал за границей зоны интенсивной трещиноватости в устойчивой части приконтурного массива и тем самым повысить надежность крепления при одновременном снижении затрат вследствие исключения из конструкции подпорной втулки. Влияние подпорной втулки на плотность столба сыпучего материала ограничивается на интервале 5 - 6 диаметров скважины. Далее плотность втулки из сыпучего материала практически остается неизменной. Ограничение влияния подпора на больший интервал обусловлено процессами, протекающими в сыпучем материале при взаимодействии со стенками скважины при деформировании столба сыпучего материала подпорной втулкой из-за проявления сил трения, сцепления. Испытания, проведенные в искусственной скважине и в натурных условиях, подтверждают факт того, что нагрузочная характеристика анкера не зависит от того, подперт ли сыпучий материал, в частности песок, шайбой с подпорной втулкой или без нее при высоте столба песка свыше 450 мм. Нагрузочная характеристика не меняется также в случае подпора столба песка высотой свыше 450 мм мягким материалом, например поролоном или войлоком. Таким образом, конструкция анкера, в котором подпорная втулка подпирает сыпучий материал за счет фиксации на стенках скважины упругими полями, обеспечивает работоспособность анкера и позволяет закрепить анкер сыпучим материалом за контуром неустойчивой части массива, где вероятность высыпания сыпучего в трещины минимальна. Это повышает надежность функционирования анкера при снижении его стоимости за счет исключения из элементной базы анкера подпорной втулки из жесткого материала.

Сущность предложения поясняется чертежом, на котором представлен анкер, закрепленный в скважине песком.

Анкер, закрепленный в скважине 1, состоит из грузонесущего стержня 2, эксцентричной опорной головки 3, навинченной на резьбу замкового конца анкера, втулки 4 из сыпучего минерального заполнителя, размещенной за границей неустойчивой трещиноватой части массива (линия М - М), подпорной шайбы 5, решетчатой перетяжки 6, опорной шайбы 7 и опорной гайки 8, навинченной на хвостовик анкера.

Подпорная шайба 5 предназначена для предотвращения высыпания из скважины сыпучего материала 4 в период предварительного натяжения анкера и в процессе эксплуатационного нагружения.

Подпорная шайба 5 выполнена эксцентричной в виде втулки с упругими внешними полями по форме гриба. Внутренний диаметр втулки, за исключением торцовой части, со стороны забоя скважины выполнен несколько большим диаметра стержня 2 для обеспечения относительного перемещения стержня 2 относительно шайбы 5, которая упругими полями оперта на стенки скважины вследствие того, что поля шайбы 5 выполнены большего диаметра, чем скважина. Переход втулки с большего диаметра на меньший у верхнего торца образует тонкое эластичное ребро для перекрытия кольцевого зазора вокруг стержня анкера. Эксцентричность шайбы 5 необходима для обеспечения возможности одновременного введения в скважину стержня 2 и сопловой трубки для пневматической забойки скважины сыпучим материалом. Сопловая трубка после забойки извлекается, а стержень фиксируется сыпучим материалом в эксцентричном положении. Поэтому шайба 5 также должна быть эксцентричной. Втулка в конструкции шайбы необходима для предотвращения ее перекоса и образования большого зазора, через который может высыпаться сыпучий материал.

Монтаж анкера осуществляют следующим образом. Вводят в скважину 1 грузонесущий стержень 2 с эксцентричной опорной головкой 3 одновременно с трубкой (на чертеже не показано) установки закрепления анкера. С включением подачи сыпучего материала под головку 3 анкер не имеет возможности выпасть из скважины из-за подпора сыпучего материала 4. По мере заполнения скважины сыпучим материалом 4 трубка из скважины выводится. В районе границы контура неустойчивой части массива (линия М - М) подача сыпучего в скважину прекращается. Время подачи сыпучего материала под головку анкера составляет 5 - 8 секунд в зависимости от класса пород и длины анкеров. После этого на хвостовик анкера надевается подпорная эксцентричная шайба 5 с упругими полями и монтажной трубкой (на чертеже не показано), вводится в скважину до упора в торец втулки из сыпучего материала 4. После этого на хвостовик анкера надевается решетчатая перетяжка 6, опорная шайба или подхват 7 и навинчивается на хвостовик анкера гайка 8. В случае необходимости возводится аналогичным образом дополнительная герметизирующая втулка из сыпучего материала и подпорная шайба в устье скважины. Во время навинчивания гайки 8 на хвостовик анкера опорная головка 3 анкера перемещается вместе с грузонесущим стержнем к устью скважины. Вследствие малого кольцевого зазора между головкой анкера и стенками скважины сыпучий материал (песок) под головкой анкера при ее перемещении уплотняется. Дальнейшее перемещение головки анкера вызывает пластические деформации частиц сыпучего (песка). На интервале 5 - 6 диаметров скважины в сыпучем материале развивается трение, сцепление, дилатенсия. Эти процессы создают реакцию отпора на головку анкера в направлении противоположном осевому перемещению анкера к устью скважины вплоть до разрыва грузонесущего стержня. Деформации сыпучего материала в ближней области под головкой анкера практически не передаются на подпорную шайбу 5, которая предотвращает высыпание сыпучего (песка), т. к. закреплена упругими полями на стенках скважины и не перемещается к устью скважины во время натяжения грузонесущего стержня 2 и его перемещения относительно подпорной шайбы 5.

Таким образом, подпорная шайба 5 подпирает сыпучий материал и закрепляется на стенках скважины за границей зоны интенсивной трещиноватости без подпорной втулки. Это предотвращает высыпание сыпучего (песка) в трещины, повышая тем самым надежность закрепления анкера при одновременном снижении стоимости анкера за счет ликвидации жесткой подпорной втулки в устье скважины, сокращая расход сыпучего материала.

Источники информации

1. Семовский В.Н. и др. Штанговая крепь. М., "Недра", 1965, с. 38.

2. А.С. СССР N 697732. Опубл. 15.11.79, БИ N 42.

3. А.С. СССР N 1418476. Опубл. 23.08.88, БИ N 31.

4. СССР N 1372059. Опубл. 07.02.88, БИ N 5.