КАНАТНЫЙ АНКЕР
ROPE ANCHOR

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при креплении контура выработок, когда необходимая длина анкера превосходит высоту выработки.
Известен анкер (патент на изобретение РФ №2321749. Анкер. Хямяляйнен В.А., Майоров А.Е. МПК E21D 21/00, опубл. 04.10.2008, бюл. №10), включающий грузонесущий стержень с эксцентрично расположенной у дна скважины опорной головкой, установленную на стержне втулку из сыпучего материала с эластичным связующим частиц и эксцентрично расположенным продольным отверстием, подпорный элемент внутри втулки в виде навитой вокруг грузонесущего стержня упругой проволоки с выступающими снаружи втулки концами, опорные элементы и гайку вне скважины.
Недостатком данного анкера является невозможность его использования при креплении контура выработок, когда высота выработки меньше необходимой длины анкера. В данной ситуации введение в скважину анкера невозможно и требуется изменение конструкции.
Известен многоканатный анкер (Multiple cable rock anchor system, WO/1995/005524, E21D 20/02, 21/00. опубл. 23.02.1995), предназначенный для стабилизации геологической структуры массива пород горной выработки и состоящий из системы параллельных канатов, картриджей с химическим связующим для закреплении их в скважине, клиновых элементов для закрепления опорного элемента на хвостовиках канатов, опорной плиты.
Недостатком данного канатного анкера является значительная сложность конструкции и соответственно его относительно высокая стоимость. Также отсутствуют элементы конструкции для создания высокого предварительного натяжения незамедлительно после установки анкера в скважину и обеспечения необходимой податливости, что является важным для обеспечения стабильной устойчивости контура горной выработки, надежности крепления.
Известен гибкий анкер (патент на изобретение РФ №2166636. Гибкий анкер. Ануфриев В.Е., Ремезов А.В., Майоров А.Е. МПК E21D 21/00, опубл. 10.05.2001, бюл. №13), включающий грузонесущий стержень с опорными элементами на головке анкера и хвостовике с клином. В хвостовой части анкер снабжен распорной втулкой с гайкой на ее внешней резьбе, присоединенной, например, посредством резьбового соединения к опорной втулке, противоположный торец которой соединен резьбой с гайкой, подпирающей клин, выполненный в виде толкателей с шариками, размещенными между грузонесущим стержнем, поверхностью, наклонной в радиальном направлении к цилиндрическому осевому отверстию опорной втулки, и поверхностью толкателей в окружном направлении.
Недостатком данного гибкого анкера является значительная сложность конструкции, ее многоэлементность, наличие мелких деталей и многооперационность их изготовления, что, в общем, влияет на повышение стоимости и снижение надежности работы конструкции во времени в химически агрессивной шахтной среде.
Известен канатный анкер (патент РФ №2178082. Канатный анкер В.Е.Ануфриев, А.В.Сурков, Г.С.Франкевич, Г.Г.Штумпф. МПК E21D 21/00, опубл. 2002.01.10), принятый за прототип, включающий опорные элементы головной части анкера, канат, втулку из закрепляющего состава внутри скважины, муфту для соединения концов проволок каната с резьбовым стержнем хвостовика, причем внутренняя коническая поверхность муфты взаимодействует с наружными проволоками каната, между которыми размещена коническая втулка на центральной проволоке с радиальным разрезом стенки, а также опорные элементы и опорную гайку снаружи скважины.
Недостатком данного канатного анкера является ограничение величины его предварительного натяжения за счет конструкции клинораспорной головной части, которая имеет ограниченную величину радиального расширения при заклинивании в скважине, что приводит к ее проскальзыванию вдоль стенок скважины при достижении определенного значения нагрузки, которое напрямую связано с прочностными характеристиками закрепляемых горных пород и условиями применения. Основной областью применения анкеров подобной конструкции, в виде анкеров глубокого заложения, являются сложные горно-геологические и горно-технические условия. Возможная обводненность, наличие глинистых прослоев или сильно нарушенной структуры, проявившейся в массиве, например, вследствие каких-либо геологических процессов или эффектов дезинтеграции, может привести к невозможности создания необходимого предварительного натяжения анкера незамедлительно после его установки в скважину. Указанное является важным для обеспечения стабильной устойчивости закрепляемого контура горной выработки и надежности крепления.
Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности крепления контура выработок за счет обеспечения возможности создания высокого предварительного натяжения сразу после монтажа анкера, необходимая длина которого превосходит высоту выработки.
Указанная задача достигается тем, что в канатном анкере, включающем опорную головку, канат, втулку из сыпучего материала со связующим и подпорным элементом внутри скважины, муфту для соединения концов проволок каната с резьбовым стержнем хвостовика, причем внутренняя коническая поверхность муфты взаимодействует с наружными проволоками каната, между которыми размещена коническая втулка на центральной проволоке с радиальным разрезом стенки, а также опорные элементы и опорную гайку снаружи скважины, опорная головка изготовлена с осевым отверстием для центральной проволоки каната и продольными каналами на наружной поверхности с глубиной, соответствующей диаметру вложенных наружных проволок каната, которые зафиксированы за опорной головкой, подпорный элемент выполнен в виде кругового сегмента винтовой конической упругой ленточной спирали, диаметрально сжатой перед монтажом анкера при помощи скобы, вставленной между проволоками каната.
Кроме того, особенность конструкции заключается в том, что опорная головка рассечена по осям продольных каналов наружной конической поверхности на отдельные радиальные сегменты, при этом ширина каналов с разрезом и диаметр осевого отверстия собранной опорной головки меньше диаметров проволок каната; проволоки каната за опорной головкой загнуты под прямым углом; проволоки каната за опорной головкой жестко соединены.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид канатного анкера в сборе в скважине; на фиг.2 изображено сечение опорной головки; на фиг.3 изображено сечение муфты в области конической втулки; на фиг.4 изображено осевое сечение муфты в сборе.
Канатный анкер, закрепленный в скважине 1, состоит из опорной головки 2, каната 3, втулки 4 из сыпучего материала со связующим и подпорным элементом 5 в виде кругового сегмента винтовой конической упругой ленточной спирали, диаметрально сжатой перед монтажом канатного анкера при помощи скобы 6, вставленной между проволоками каната 3 внутри скважины 1. Опорная головка 2 изготовлена с осевым отверстием для центральной проволоки каната 3 и продольными каналами 7 на наружной поверхности с глубиной, соответствующей диаметру вложенных наружных проволок каната 3, которые зафиксированы за опорной головкой 2. Канатный анкер также состоит из муфты 8 для соединения концов проволок каната 3 с резьбовым стержнем 9 хвостовика канатного анкера. При этом на хвостовике канатного анкера между наружных проволок каната 3 размещена коническая втулка 10 на центральной проволоке с радиальным разрезом стенки. Канатный анкер также состоит из стандартных опорных элементов, например плоской или полусферической опорной плиты с затяжкой (на чертеже не показаны), надетых снаружи скважины на резьбовой стержень 9 хвостовика канатного анкера и опорной гайки 11.
Монтаж канатного анкера осуществляют следующим образом. Вслед за подвиганием забоя производят бурение скважин 1 по схеме согласно паспорту крепления горной выработки. Далее, канатный анкер в сборе вводят в скважину 1 на необходимую глубину, оставляя снаружи резьбовой стержень 9 хвостовика канатного анкера. Выпадение конструкции из вертикальных потолочных скважин предотвращает подпорный элемент 5, работающий как репер. Далее, на резьбовой стержень 9 хвостовика канатного анкера надевают, например, стандартную решетчатую затяжку и опорные элементы (на чертеже не показаны), производят предварительное натяжение канатного анкера, накручивая опорную гайку 11 на резьбовой стержень 9 хвостовика канатного анкера. При накручивании опорной гайки 11 происходит смещение конструкции канатного анкера в направлении к устью скважины с одновременным заклиниванием опорной головки 2 и каната 3 во втулке 4 из сыпучего материала, например кварцевого песка с крупностью зерен до 2 мм, поровое пространство которого заполнено связующим (например, эластичным, в виде материалов на основе каучука или высокомолекулярных соединений полимеров, технических силиконов). Скоба 6, изготовленная из упругой проволоки и вставленная между проволоками каната 3, сдвигается вместе с канатным анкером при его нагружении и выходит из зацепления с подпорным элементом 5, освобождая его из сжатого состояния, тем самым обеспечивая его полное заклинивание. При продолжении нагружения канатного анкера втулка 4 из сыпучего материала смещается к устью скважины 1 и опирается на подпорный элемент 5, который предотвращает ее дальнейшее смещение, там самым активизируя процесс заклинивания опорной головки 2 и каната 3 во втулке 4 из сыпучего материала за счет сил трения и сцепления. При достижении величины предварительного натяжения канатного анкера, оговоренной паспортом крепления горной выработки, накручивание гайки 11 на резьбовой стержень 9 прекращают. Далее производят инъекционное закрепление канатного анкера по известной технологии (по аналогии с технологией, описанной в прототипе или, например, литературе: Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок. - М.: Недра, 1994. - 400 с: ил.), нагнетая по нагнетательной трубке, введенной через уплотнительную манжету между конструкцией канатного анкера и стенкой скважины 1 (на чертеже не показаны), связующий состав, например цементационный раствор, в кольцевое пространство между стенкой скважины 1 и канатом 3. При схватывании связующего состава канатный анкер полностью включается в общую работу системы крепления, формируемой из напряженно-армированной упрочненной приконтурной зоны горной выработки.
При монтаже конструкцию канатного анкера в сборе вводят в скважину на необходимую глубину, оставляя снаружи резьбовой стержень хвостовика канатного анкера. Выпадение конструкции из вертикальных потолочных скважин предотвращает подпорный элемент. Подпорный элемент работает по принципу репера и изготовлен в виде кругового сегмента винтовой конической упругой ленточной спирали, диаметрально сжатой перед монтажом канатного анкера при помощи скобы, которая вставлена между проволоками каната. Указанная скоба упруго отгибает края подпорного элемента, образующего поверхность усеченного конуса, уменьшая его габаритный размер в направлении сжатия. При этом на виде сверху подпорный элемент из круга преобразуется в овал, большая ось которого больше диаметра скважины, а малая ось меньше. При введении канатного анкера в скважину края подпорного элемента контактируют частью поверхности ребра с ее стенкой, что позволяет подпорному элементу продвигаться и в сжатом состоянии только вперед. При предварительном нагружении канатного анкера скоба, изготовленная из упругой проволоки и вставленная между проволоками каната, сдвигается вместе с канатом к устью скважины и выходит из зацепления с подпорным элементом, освобождая его из сжатого состояния. Подпорный элемент ребром указанной спирали распирается в шероховатую поверхность стенок скважины. Указанные процессы блокируют смещения втулки из сыпучего материала на начальной стадии процесса заклинивания и необходимы для эффективного введения канатного анкера в работу при предварительном нагружении и для удобства установки канатного анкера в вертикальных скважинах, предотвращая его выпадение при проведении монтажных работ.
Опорная головка изготовлена с осевым отверстием для центральной проволоки каната и продольными каналами на наружной поверхности. Глубина каналов на наружной поверхности соответствует диаметру вложенных наружных проволок каната, которые за опорной головкой загнуты под прямым углом, что позволяет более надежно зафиксировать опорную головку на конце каната. Также возможно и жесткое закрепление концов проволок за опорной головкой (например, сваркой) как друг с другом, так и с головкой. Равенство глубины канала и диаметра наружной проволоки каната необходимо для сохранения величины кольцевого зазора со стенками скважины по длине периметра опорной головки. Величина указанного кольцевого зазора, как определено при стендовых и шахтных испытаниях, напрямую влияет на нагрузочную характеристику анкеров с аналогичным механизмом закрепления в скважине и при его увеличении снижается. Также опорная головка может быть изготовлена штамповкой из двух диаметральных половин. При этом ширина каналов с разрезом и диаметр осевого отверстия собранной опорной головки меньше диаметров проволок каната. Указанное позволяет при нагружении канатного анкера работать двум половинкам опорной головки как зажиму проволок, создавая дополнительные усилия для предотвращения соскальзывания опорной головки с конца каната в процессе работы канатного анкера.
При предварительном нагружении канатного анкера фактически происходит продвижение каната и опорной головки в среде сыпучего материала, объем которой ограничен стенками скважины. Опорная головка, работающая по принципу поршня в скважине, смещает и уплотняет частицы сыпучего материала, происходят процессы дилатансии, перераспределение частиц в ограниченном объеме и их смещение по схеме «сдвиг + поворот» с одновременным деформированием втулки. Непосредственно под головкой канатного анкера происходит заклинивание частиц сыпучего материала. При дальнейшем нагружении канатного анкера в сыпучем материале формируются устойчивые взаимовлияющие слои распора, передающие усилия отпора от стенок скважины и закрепляющие канатный анкер за счет сил трения и сцепления. При этом максимум радиального давления на стенки скважины расположен непосредственно под опорной головкой с последующим плавным вырождением по длине столба сыпучего материала. Тонкая пленка эластичного связующего, покрывающая частицы сыпучего материала, соединяет и не препятствует их взаимному перемещению при нагружении канатного анкера, практически не нарушая механизм взаимодействия, прорываясь в местах их контакта, заполняет поровое пространство втулки. Частицы сыпучего материала образуют связанную и взаимоподвижную систему, не имеют возможности просыпания и «перетока» через раскрытые трещины стенки скважины. Таким образом, сохраняется работоспособность втулки и канатного анкера в процессе нагнетания связующего состава и его твердения даже в сложных условиях и при наличии зон интенсивной трещиноватости горных пород. Применение эластичного связующего, имеющего стабильные свойства во времени, позволяет создать технологичную конструкцию втулки с длительным сроком эксплуатации, хранения и без применения особых мер охраны от механических повреждений при транспортировке.
Для уменьшения податливости канатного анкера и его более эффективного включения в работу опорная головка может быть выполнена с конической наружной поверхностью, а втулка из сыпучего материала может иметь продольные разрезы стенки со стороны опорной головки, что позволит при предварительном нагружении канатного анкера сразу ввести в зацепление частицы сыпучего материала, заклинивая тем самым опорную головку и канат в скважине с минимальным осевым смещением. Как показывают результаты стендовых и шахтных испытаний, подобные конструкции канатных анкеров, закрепляемых в скважинах сыпучим материалом (песком), позволяют создать значительное предварительное натяжение, равнопрочное с грузонесущим стержнем (канатом) и ограниченное фактически наличием средств механизации процесса накручивания опорной гайки. Величины предварительного натяжения и податливости канатного анкера регламентируются паспортом крепления горной выработки, являясь важными факторами для обеспечения его надежного включения в работу и функционирования системы крепления горной выработки в сложных условиях.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить качество крепления контура выработок за счет обеспечения возможности создания высокого предварительного натяжения сразу после монтажа анкера, необходимая длина которого превосходит высоту выработки.