способ закрепления анкера и конструкция анкера для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ закрепления анкера, включающий подготовку и введение в скважину картриджа с сыпучим минеральным заполнителем и грузонесущего стержня, досылку картриджа до упора в забой скважины, распор сыпучего материала в зазоре между стенками скважины и грузонесущим стержнем путем его вращения и подачи на забой, предварительное натяжение анкера, отличающийся тем, что вначале в скважину вслед за картриджем с сыпучим минеральным заполнителем вводят картриджи с композиционными отверждающимися материалами, а затем досылают их до упора картриджа с сыпучим минеральным заполнителем в забой скважины, перемешивают композиционные материалы конструктивными элементами анкера с одновременной его подачей на забой.

2. Анкер, включающий грузонесущий стержень, шнек на головном конце, пробку из сыпучего минерального заполнителя, подпорный элемент, опорные элементы и гайку на хвостовике анкера, отличающийся тем, что грузонесущий стержень анкера между головной частью и хвостовиком имеет периодический профиль, охваченный отверждающимся композиционным материалом.

Описание изобретения к патенту

Предложение относится к горному делу, в частности к креплению контура горных выработок анкерами.

Известен способ закрепления анкера сыпучим материалом, включающий введение в скважину грузонесущего стержня с головкой у дна скважины, заполнение зазора между грузонесущим стержнем и стенками скважины под головкой сыпучим материалом, затем быстротвердеющим раствором /1/.

Недостаток способа состоит в сложности процесса и в значительных затратах времени для последовательного введения под головку анкера сыпучего материала, затем быстротвердеющего.

Известен способ закрепления анкера сыпучим материалом, включающий подготовку анкера путем размещения втулки из сыпучего материала на стержне анкера между эксцентричной головкой и шайбой, опертой на кольцевой упор стержня, введение в скважину до упора в дно скважины грузонесущего стержня вместе со втулкой из сыпучего материала, последующий распор втулки из сыпучего материала между головкой и подпорной шайбой о стенки скважины путем вращения грузонесущего стержня, предварительное натяжение анкера гайкой на хвостовике анкера через опорные элементы /2/.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является способ закрепления анкера, включающий подготовку и введение в скважину картриджа с сыпучим материалом и грузонесущего стержня с подпорным элементом, распор сыпучего материала в зазоре между стенками скважины и грузонесущим стержнем путем вращения стержня, установку подпорной шайбы, предварительное натяжение анкера накручиванием опорной гайки на резьбовом конце хвостовика анкера /3/.

Недостаток способа состоит в ненадежности подпора сыпучего материала подпорной шайбой вследствие склонности пород к окислению, выветриванию. Выветренные и окисленные породы под действием горного давления выкрашиваются. Вокруг подпорной шайбы образуются полости, трещины, через которые высыпается сыпучий материал и анкер становится не способным выполнять свои функции.

Известен винтовой анкер /4/, включающий сердечник, оголовок со шнеком, шаг винта которого уменьшается в сторону хвостовика, в которой закрепляется анкер.

Недостаток анкера состоит в том, что уменьшение шага винта шнека в сторону хвостовика увеличивает величину крутящего момента. По этой причине затруднено заглубление анкера на проектируемую глубину.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является анкерная крепь /3/, включающая грузонесущий стержень со шнеком и коническим наконечником, с опорным элементом на его замковом конце, замок, выполненный в виде удерживающей пробки из крошки неразмокающей горной породы и подпорный элемент в виде шайбы, ограничивающий пробку со стороны устья скважины.

Недостаток такого анкера состоит в том, что подпорный элемент в виде шайбы не воспринимает и передает на грузонесущий стержень сдвиговые нагрузки со стороны приконтурного массива горных выработок на значительной длине скважины. Кроме того, подпорный элемент в виде шайбы не является качественным герметизатором скважины для предотвращения выветривания стенок скважин. По этой причине стенки скважины выветриваются, растрескиваются, образуются новые трещины, увеличиваются старые, образуются кольцевые и продольные каверны, через которые высыпаются сыпучие материалы пробки. Конструкция анкера не обеспечивает передачу нагрузки на грузонесущий стержень анкера.

Целью предлагаемого изобретения является повышение качества упрочнения анкерами приконтурного массива горных выработок.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем подготовку и введение в скважину картриджа с сыпучим материалом грузонесущего стержня, досылку картриджа до упора в забой скважины, распор сыпучего материала в зазоре между стенками скважины и грузонесущим стержнем путем его вращения и подачи на забой, предварительное натяжение анкера, вначале в скважину вслед за картриджем с сыпучим минеральным заполнителем вводят картриджи с композиционными отвердевающими материалами, а затем досылают их до упора картриджа с сыпучим минеральным заполнителем в забой скважины, перемешивают композиционные материалы конструктивными элементами анкера с одновременной подачей его на забой. Картридж с композиционными отвердевающими материалами содержит отделы со смесью сыпучих и жидких материалов, а картридж с сыпучим минеральным заполнителем содержит отдел с воздухом.

В предлагаемом способе в качестве сыпучего минерального заполнителя используют песок, отходы доменного производства, обогащения или другие неразмокающие материалы и смеси с цементами или без них. В качестве композиционных материалов используют, например, смесь песка с цементом в одном отделе картриджа и жидкое стекло в другом отделе или смесь песка с жидким стеклом в одном отделе, а цемент в другом. При разрушении картриджа с композиционными отвердевающими материалами вращающимся стержнем анкера жидкое стекло перемешивается со смесью песка и цемента конструктивными элементами анкера. Полученный от перемешивания вязкий раствор отвердевает с течением времени. В отвердевающем растворе сыпучий материал (песок) выполняет функцию наполнителя, увеличивающего сдвиговую прочность смеси. Цемент выполняет функцию отвердителя жидкого стекла и цементного камня в отвердевшей смеси. Жидкое стекло выполняет функцию пластификатора при досылке анкера с вращением и функцию цементного камня в отвердевшей смеси.

Композиционный материал выполняет функцию подпорной пробки (шайбы), предотвращающей высыпание сыпучего минерального заполнителя и, одновременно, цементирующего материала в зазоре между грузонесущим стержнем анкера и стенками скважины, предназначенного для передачи нагрузки с массива горных пород на грузонесущий стержень.

Сыпучий минеральный заполнитель в первом картридже необходим для обеспечения незамедлительного закрепления анкера винтом в пробке из сыпучего сразу после досылки грузонесущего стержня анкера до дна скважины без ожидания времени отвердения раствора композиционных материалов других картриджей. Отдел с воздухом в картридже с сыпучим необходим для создания зазора между картриджами. В таком случае головка анкера легко перемещает песок шнеком к подпорному элементу. Конструкция головки анкера обеспечивает уплотнение песка, а в совокупности с втулкой из сыпучего, обладающего свойством сопротивляться сдвиговым деформациям, распор и закрепление анкера. Однако существует ограничение на длину втулки из сыпучего (в скважинах 30 такая длина составляет 300 мм). При большей длине столба сыпучего анкер не удается дослать до дна скважины из-за запирания головки анкера сыпучим и ограничения величины крутящего момента. Меньшая длина не обеспечивает необходимого распора и дает пологую нагрузочную характеристику, что негативно влияет на состояние приконтурного горного массива. По этим причинам не удается с помощью данного способа заполнить большую часть скважины сыпучим материалом с уплотнением, необходимым для передачи нагрузки массива горных пород на грузонесущий стержень анкера. По этим причинам в массиве развиваются интенсивные дилатансионные процессы и вся нагрузка формируется на опорные элементы анкера, на которые требуется больший расход материалов. Наблюдаются и большие смещения кровли выработки. Анкер выполняет в таком случае только функцию подвески неустойчивой части массива к устойчивой. Для этого требуется большая длина анкера. Введение картриджей с композиционными отвердевающими материалами позволяет, с одной стороны, защитить скважину от выветривания, зацементировать скважину практически по всей длине минеральным заполнителем и обеспечить тем самым передачу осевой и сдвиговой нагрузки с массива горных пород на грузонесущий стержень анкера по всей длине. Вследствие этого снижается нагрузка на опорные элементы, снижается интенсивность дилатансионных процессов, смещения приконтурного массива горных пород. Радиус контура неустойчивой части массива уменьшается, приближаясь к контуру выработок, анкер при более короткой длине выполняет функцию сшивки и функцию подвески, т.е. более качественно упрочняет приконтурный массив. С другой стороны, введение картриджей с композиционными материалами (жидкими и сыпучими) не затрудняет введение головки анкера в картридж с сыпучим материалом до дна скважины при оптимальной длине картриджа с сыпучим материалом ( 300 мм) благодаря тому, что ближний к устью скважины картридж с композиционными материалами при досылке анкера с вращением превращается в раствор, который весьма незначительно увеличивает крутящий момент в период прохода головки анкера через картридж с сыпучим материалом. После досылки с вращением анкера в скважину на проектную длину следует незамедлительное натяжение анкера навинчиванием гайки на хвостовик без ожидания окончательного отвердения композиционных материалов. Используемые в способе минеральные материалы не горючи, не боятся огня в отличие, например, от полимерных цементирующих материалов и значительно дешевле последних.

Таким образом, реализация предлагаемого способа повышает качество упрочнения анкерами приконтурного массива, снижает расходы материалов на опорные элементы.

Для реализации способа создана конструкция анкера.

В анкере, включающем грузонесущий стержень, шнек на головном конце, пробку из сыпучего материала, подпорный элемент, опорные элементы и гайку на хвостовике анкера, подпорный элемент выполнен в виде отверждающихся композиционных материалов. Грузонесущий стержень анкера между головной частью и хвостовиком имеет периодический профиль, охваченный отверждающимся композиционным материалом. Периодический профиль стержня необходим для перемешивания смеси твердеющих материалов, а также для восприятия нагрузки со стенок скважины на грузонесущий стержень посредством твердеющих композиционных материалов. Винт головного конца стержня может быть изготовлен горячей штамповкой или намоткой стальной проволоки на грузонесущий стержень и закреплением полученной спирали на последнем сваркой. Винт выполняет функцию головки-поршня анкера, имеющего кольцевой зазор со стенками скважины 1,5-2 мм и уплотняющего сыпучий материал при перемещении анкера в сторону устья скважины под нагрузкой. Несущая способность анкера в таком случае обеспечивается благодаря свойству сыпучих материалов сопротивляться сдвиговым деформациям при перемещении головки анкера под нагрузкой в процессе предварительного натяжения и в процессе эксплуатации. Возможность проскальзывания сыпучего материала между витками шнека при движении головки к устью скважины под действием нагрузки ограничена наклоном винтовой линии, при котором значительны силы трения и сцепления. Функцию подпорной шайбы, предотвращающей высыпание сыпучего, выполняет пластичный раствор, полученный от перемешивания композиционных материалов ближнего к устью скважины картриджа. Вязкость раствора достаточна для предотвращения вытекания раствора из скважины. Сил трения, сцепления сыпучего материала под головкой анкера достаточно для обеспечения натяжения анкера с усилием равным прочности грузонесущего стержня. С течением времени, полученный от перемешивания содержимого второго картриджа раствор отвердевает и препятствует перемещению втулки из сыпучего материала к устью скважины под действием значительно больших нагрузок (вплоть до предельных нагрузок на грузонесущий стержень). При осевой нагрузке предварительного натяжения 6-7 т на стержень анкера втулка из раствора при высоте столба втулки из сыпучего свыше 300 мм (для скважин диаметром 30-43 мм) не испытывает давлений со стороны сыпучего. Создаются нормальные условия для отвердения раствора в течение небольшого промежутка времени (до 24 часов). В процессе предварительного натяжения при перемещении головки-поршня сыпучий материал под головкой переуплотняется, измельчается сдвиговыми деформациями, увеличиваясь в объеме с одновременным уменьшением пористости в ближней от головки области на интервале 5-6 диаметров скважины. Здесь развиваются значительные осевые и радиальные давления в сыпучем. Далее от этого интервала они затухают по экспоненциальному закону и на расстоянии 300 мм от крупнопрофильного винта сыпучий материал при осевой нагрузке 6-7 т не оказывает давлений на композиционный раствор. Крупнопрофильный винт предназначен так же как шнек для транспортирования сыпучего материала картриджа в зазор между стенками скважины и грузонесущим стержнем и для выполнения функции головки-поршня анкера, имеющего зазор со стенками скважины 1-1,5 мм. Несущая способность анкера в таком случае обеспечивается благодаря свойству сыпучих материалов сопротивляться сдвиговым деформациям при перемещении головки анкера при его натяжении под нагрузкой. Возможность проскальзывания сыпучего между витками шнека при движении головки к устью скважины под нагрузкой ограничена наклоном винтовой линии, при котором значительны силы трения и сцепления, которое возникает между частицами сыпучего и поверхностью винта, стенками скважины.

Совокупность новых признаков обеспечивает работоспособность анкера с более высоким качеством упрочнения приконтурного горного массива выработок с более высокой надежностью. За счет конструктивных изменений стержня анкера повышается доля передачи нагрузки с опорных элементов на грузонесущий стержень анкера, что ведет к увеличению надежности и прочности закрепления, к улучшению функции "сшивки". Конструкция анкера обеспечивает применение нескольких картриджей и закрепление анкера по всей длине. Закрепление анкера по всей длине скважины или большей его части ограничивает осевые и сдвиговые деформации приконтурного массива, что увеличивает передачу на стержень большей доли нагрузки, снижает нагрузку на опорные элементы анкера, величину расслоений кровли.

Конструктивные изменения заключаются в том, что поверхность грузонесущего стержня выполнена с периодическим профилем. В таком случае втулка из отвердевшего композиционного материала передает осевую и сдвиговую нагрузки элементов на грузонесущий стержень анкера со стенок скважины.

Таким образом, предлагаемые анкер и способ его закрепления повышают качество упрочнения приконтурного массива горных пород.

Сущность предложения поясняется чертежами:

на фиг. 1а представлен процесс досылки картриджей анкером к забою скважины;

на фиг. 1б - фрагмент начала процесса досылки анкера к забою скважины путем подачи и ввинчивания стержня анкера в картридж вращением анкера;

на фиг. 1в представлен фрагмент окончания процесса введения анкера в скважину и предварительного натяжения анкера гайкой;

на фиг. 2а представлена конструкция закрепленного анкера, на фиг. 2б - разрез по А-А фиг. 2а.

Анкер, закрепленный в скважине 1 (фиг. 1в, 2), состоит из грузонесущего стержня 2 с концевым 3 его формоизменением, шнека 4, втулки из сыпучего материала 5, втулки из композиционных материалов 6, опорной шайбы 7, взаимодействующей с подхватом 8, гайки 9. Участок 3 формоизменения выполнен в виде периодического профиля. Диаметр стержня 2 выбирается на ~10 мм меньше диаметра скважины 1. Приваренный к стержню 2 шнек 4 выполнен с крупным шагом (~ 20 мм) и ввинчен в сыпучий материал 5. Благодаря свойству сыпучего (песка) сопротивляться сдвиговым деформациям (характеристика песка = _ntg+c, где - угол внутреннего трения, _n- нормальная компонента давления на площадку n, с - сцепление) при перемещении анкера под нагрузкой, шнек выполняет функцию поршня, для перемещения которого требуется совершить работу по уплотнению сыпучего и преодолению сил сцепления {с} и сил трения {_ntg}. Этот процесс из-за значительных сил сцепления заканчивается, как правило, разрывом стержня анкера. Втулка 5 из сыпучего материала выполняет функцию рабочего тела, а шнек 4 - функцию головки-поршня. Дополнительно шнек 4 выполняет (при установке анкера) функцию перемешивания композиционных материалов картриджа 11, транспортирования сыпучего материала из картриджа 10 в зазор между стенками скважины 1 и грузонесущим стержнем 2, а также функцию уплотнения сыпучего под головкой анкера и между витками. Картридж 10 имеет отдел 12 с воздухом. Отдел с воздухом образован полимерной оболочкой, вставленной во внешнюю оболочку картриджа. Втулка 6 из композиционных материалов в виде отвердевшего раствора предназначена для герметизации скважины, предотвращения процесса окисления, выветривания стенок скважины, устранения возможности высыпания сыпучего, для его подпора и, главным образом, для передачи нагрузки массива горных пород, вызванной деформациями сдвига, отрыва на грузонесущий стержень. Для перемешивания композиционных смесей и для уменьшения нагрузки на опорные элементы 7, 8, 9 грузонесущий стержень 2 имеет периодический профиль поверхности. Для этого используется арматурно-винтовая сталь или круг со специальными углублениями через интервал.

Гайка 9 и хвостовик стержня 2 выполнены с радиальными отверстиями, в которые вставлен срезной штифт 13. По мере развития процесса закрепления анкера растет крутящий момент сопротивления (М_кр), связанный с ввинчиванием шнека 4 в сыпучий материал 5 и его уплотнением под головкой анкера. На завершающей стадии крутящий момент преодолевает сопротивление штифта на срез. Срез штифта означает завершение этапа ввинчивания анкера в сыпучий материал и начало натяжения анкера путем продолжения вращения гайки 9 на хвостовик стержня 2.

Технология закрепления анкера осуществляется следующим образом. После бурения в скважину 1 вставляют картридж 10 с сыпучим материалом и картридж 11 с композиционным материалом. Затем досылают картриджи до упора в забой скважины специальной досылочной штангой или анкерным стержнем 2 и начинают вращать анкерный стержень 2, передавая крутящий момент от буровой машины на стержень 2 через гайку 9 и шплинт 13, и подавать его на забой скважины. При проходе головки анкера (шнек 4) через картридж 11 разрушается его внешняя оболочка и перемешиваются компоненты композиционных материалов, например, песок + цемент + жидкое стекло. Полученный от перемешивания пластичный раствор заполняет кольцевой зазор между стержнем 2 и стенками скважины 1. Далее по мере подачи стержень достигает картриджа 10, разрушает его оболочку и шнеком 4 транспортирует как шнек сыпучий материал в зазор между стержнем 2 и стенками скважины 1. При этом сыпучий материал уплотняется, перемещает раствор картриджа 11 к устью скважины. По мере ввинчивания головки анкера в сыпучий материал, т.е. по мере роста высоты втулки из сыпучего, давление на раствор 6 (фиг. 2) уменьшается и затухает. Вязкость раствора уменьшается за счет связывания воды в растворе жидкого стекла цементом, он становится пластичным, удерживается в зазоре скважины без перемещений. Винт головки анкера по мере продвижения анкера уплотняет сыпучий материал 5. Из-за увеличения трения скольжения и роста сопротивления сдвигу по мере роста втулки 5 из сыпучего материала растет сопротивление вращению. Когда сопротивление вращению становится равным сопротивлению среза шплинта 13, последний срезается. Срез шплинта 13 является свидетельством окончания процесса установки анкера, т. е. головка анкера установлена на заданной глубине. Далее следует незамедлительно процесс предварительного натяжения анкера путем продолжения вращения гайки 9 буровой машиной. В процессе предварительного натяжения анкера стержень 2 вместе со шнеком 4 начинает перемещаться к устью скважины 1. Небольшие перемещения шнека 4 вызывают переуплотнение сыпучего материала. Работа предварительного натяжения по перемещению шнека 4 вызывает увеличение относительного объема сыпучего за счет измельчения частиц сдвиговыми деформациями, т. е. дилатансионные процессы. Сопротивление перемещению растет по экспоненциальному закону. Затем крутящий момент буровой машины (20 -25 кгм) уравновешивается осевым сопротивлением реакции отпора сыпучего. Буровая машина останавливается. Процесс закрепления анкера с этого момента считается законченным. Общее время досылки и вращения анкера до его окончательного закрепления составляет ~15-20 с.

Раствор 11 со временем отвердевает. Большая часть нагрузки от сдвиговых деформаций и деформаций отрыва передается на стержень анкера. Некоторая ее часть передается на опорные элементы 7, 8. Увеличение нагрузки от дилатансии закрепленной части массива горных пород может вызвать сближение витков шнека 4. Однако величина сближения ограничивается сыпучим материалом. Витки шнека 4 находятся в объемном напряженном состоянии, сближению препятствуют также стенки скважины и переуплотненный сыпучий материал. По этим причинам предлагаемая конструкция анкера надежно закрепляет анкер в скважине, заполненной сыпучим материалом. Испытания прочности закрепления в искусственной скважине с песком такой конструкции анкеров подтвердило равнопрочность закрепления. В скважинах 30 и 43 были порваны анкерные стержни диаметром 18, 20, 22, 24 мм из стали Ст.3 и стали 35. Причем длина втулки 10 из сыпучего (песка) не превышала 300 мм. Испытания на прочность закрепления проводились сразу после закрепления без ожидания времени отвердения раствора втулки 11.

Таким образом, предлагаемый способ и конструкция анкера увеличивает качество закрепления приконтурного массива, сокращает время на подготовку процесса закрепления и закрепление анкера.

Источники информации

1. А.С. СССР N 697732, E 21 D 21/00. Опубл. 15.11.79, БИ N 42.

2. Семовский В. Н. и др. Штанговая крепь. М., Металлургиздат, 1956, с. 328.

3. А.С. СССР N 1073471, E 21 D 21/00. Опубл. 15.02.84, БИ N 6.

4. А.С. СССР N 394499, E 02 D 5/56. Опубл. 22.08.73, БИ N 34.