РЕЗЬБА, АНКЕР И БУРОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ШПУРА
THREAD, ANCHOR AND DRILLING EQUIPMENT OF BLAST HOLE

Изобретения относятся к креплению горных выработок.
Преимущественная область применения в угольных шахтах и рудниках.
Может быть использован в качестве опережающей крепи, армирующей слой горной породы на длину анкера. Применим как временная крепь при проходке тоннелей, для крепления монтажно-демонтажных камер угледобывающих комплексов.
Аналогом предлагаемому техническому решению является запатентованный щелевой анкер Split set, примененный на угольных и урановых шахтах США [1, стр.59-62]. Принцип работы его основан на фрикционной стабилизации породы вокруг анкера, препятствующей расслоению и перемещению ее. Фрикционно-механический анкер создает предварительный распор в радиальных направлениях при установке. Сила распора сдерживает сдвижение пород. Со временем прочность закрепления нарастает вследствие продолжительного распора подпружиненного устройства, его внедрения в скважину и коррозии, повышающих трение на поверхности контакта.
Стержень щелевого анкера представляет стальную трубу с продольной щелью по всей длине и с отпрессованной на конце круглой площадкой для опорного элемента. Ее забивают в скважину механизмом ударного действия. Противоположная щели сторона трубы упруго деформируется (изгибается внутрь). В результате труба распирается в скважине в двух направлениях - щелевой линейной стороной и противоположной изогнутой. Труба в поперечном сечении в месте изгиба приобретает параболообразную форму напротив щели. Максимум усилия распора приходится на щелевую сторону и на вершину параболы с уменьшением в направлении ее ветвей. У краев щели создается линейная нагрузка. От краев щели до стороны угла сектора контакта труба не взаимодействует с поверхностью скважины. Большая часть цилиндрической поверхности скважины не нагружена. Усилие внедрения анкера в скважину примерно равнопрочно усилию вытягивания.
Недостатками этого анкера являются:
1. Нагрузке подвержена только часть поверхности скважины.
2. Закрепление только за счет силы трения.
3. Распор только в две противоположные стороны.
4. Большой диаметр скважины.
5. Невозможность применения в пластовых выработках небольшого поперечного сечения из-за больших габаритов бурильно-установочного оборудования и поперечного уклона почвы выработки на наклонных пластах.
Общие существенные признаки аналога с заявляемым анкером:
1. Механическое закрепление по всей длине.
2. Предварительный распор в стенки скважины при установке.
3. Радиальное направление сил распора.
4. Непосредственный контакт с породой без промежуточных элементов.
Наиболее близким по совокупности совпадающих существенных признаков аналогом предлагаемому техническому решению, принятым за прототип, является анкер по [2], а.с. СССР №1629558, кл. E21D 21/00. Анкер содержит стержень, с двух противоположных сторон имеющий выступы по форме синусоиды, смещенные на полупериод относительно противоположной стороны. Стержень воздействует на распорные полугильзы, которые имеют изнутри контактирующую поверхность, идентичную поверхности стержня. На выступающем в выработку конце имеется метрическая резьбовая часть с гайкой. В собранном виде с совмещенными выступами стержня с соответствующими углублениями распорных полугильз и навинченной гайкой до соприкосновения с торцами полугильз анкер вводят в скважину. Завинчиванием гайки, опирающейся о торцы полугильз, стержень втягивают между ними, этим самым распирая их в стенки скважины. После распора полугильз закрепляют опорный элемент с помощью гайки.
Величину расчетного предварительного распора каждого анкера контролируют числом оборотов гайки при установке или по допускаемому крутящему моменту (пределу упругой деформации) стержня динамометрическим ключом. Возможно повторное использование анкера.
Преимущество прототипа перед аналогом - в увеличенной площади контакта анкера со скважиной. Распирание его также в двух противоположных направлениях, но контактируют цилиндрические поверхности близких диаметров.
Недостатками прототипа являются:
1. Сложность и высокая стоимость изготовления.
2. Большой диаметр скважины.
3. Большая металлоемкость.
4. Распор только в две противоположные стороны.
5. Максимальный распор полугильз происходит при положении контактирующих деталей, близком к проскальзыванию.
6. Контакт с породой через промежуточные элементы крепи.
Общие существенные признаки прототипа, совпадающие с предложенным анкером:
1. Закрепление по всей длине скважины.
2. Резьбовый конец.
3. Предварительный распор в стенки скважины.
4. Радиально направленный распор.
5. Контролируемая прочность предварительного закрепления.
6. Возможность повторного использования.
Главной задачей предлагаемого изобретения является создание надежного, экономичного, с малой металлоемкостью и низкой трудоемкостью изготовления и установки, с возможностью повторного использования анкера, с минимальным объемом выбуриваемой породы.
Сущность анкера выражается в совокупности существенных признаков - непосредственном распоре своим телом в стенки скважины в радиальных направлениях по всей боковой поверхности с усилием закрепления, превышающим его прочность на разрыв. Он представляет собой «витой усеченный конический клин» на всей длине анкера без разрыва сплошности.
Важнейшим принципиально новым качеством его, неизвестным ранее, является объемное сжатие закрепляемого слоя породы на длине анкера в двух взаимно перпендикулярных направлениях(в боковом радиальном распоре и осевом сжатии с помощью опорного элемента) при параллельном расположении анкеров. В результате объемно-напряженный слой приобретает свойства монолитной несущей плиты, армированной анкерами, в непосредственной кровле выработки.
Указанные существенные признаки изобретения обеспечивают получение технических результатов: улучшение контакта рабочего органа со средой (витков резьбы анкера с породой) и объемное сжатие массива породы.
Несомненно, признаки изобретения относятся к существенным, так как влияют на достигаемые технические результаты. Так, витки резьбы анкера покрывают всю цилиндрическую поверхность скважины, предельно улучшая контакт с породой, а радиальный распор анкера совместно с осевым сжатием обеспечивают объемное напряженное состояние массива породы. То есть они находятся в причинно-следственной связи с указанными результатами. Из всех существенных признаков анкера, характеризующих изобретение: механическое закрепление по всей длине, непосредственный контакт тела анкера с породой, предварительный радиальный распор, возможность повторного использования следует выделить отличительные от аналога и прототипа - наклон соприкасающейся поверхности анкера к поверхности скважины под углом трения скольжения анкера о породу, контакт анкера со всей цилиндрической поверхностью скважины, усилие закрепления, превышающее его прочность на разрыв. Их достаточно для всех случаев применения анкера (испрашиваемый объем правовой охраны).
Задача решается применением анкера в виде болта или шпильки с гайкой с резьбовым закреплением, заворачиваемого в породу и закрепляемого в скважине по всей поверхности. Следовательно, второй задачей является создание резьбы, обеспечивающей эти качества анкера и выполнимой в горных породах. Необходимость объединения изобретений в группу в использовании резьбы в анкере как составной неотъемлемой его части. Соединение деталей с помощью резьбы (болтов, шпилек) широко применяют в технике для обеспечения их относительной неподвижности. Применяются резьбы треугольного, прямоугольного, трапециевидного, круглого профилей. Аналогом предлагаемой резьбе может служить метрическая резьба с профилем равностороннего треугольника со срезанной вершиной [3, стр.190]. Стороны поперечного сечения витка наклонены к поверхности цилиндра. Проекция опорной стороны витка резьбы на цилиндрическую поверхность (в данном случае применения на стенку скважины) составляет менее половины шага резьбы. То есть опорная поверхность витков таких резьб покрывает поверхность скважины менее чем на половину под углом 60 град. Самым же благоприятным случаем закрепления анкера в породе является контакт опорной поверхности витков резьбы со всей поверхностью скважины.
Отношение рабочей высоты профиля к шагу у метрической с крупным или мелким шагом, трапецеидальной одно- и многозаходной, упорной одно- и многозаходной, круглой цилиндрической и конической, дюймовой конической, круглой для санитарно-технической арматуры находится в пределах 0,5-0,75 [3, стр.187-203].
Нагрузка, передаваемая породе от силы натяжения анкера, направлена под углом 30 град. к устью скважины, т.е. на срез и скол витков и отрыв конуса породы из кровли выработки. Наиболее же эффективно радиальное направление распора. Резьба может быть выполнена на поверхности металлов или иных однородных пластичных вязких материалов. Существующие резьбы с традиционными принятыми мелкими параметрами относительно внутреннего диаметра неприемлемы для горных пород из-за их физико-механических свойств. При выполнении такой резьбы в стенке скважины неоднородность, хрупкость, микротрещиноватость, наличие включений, различных по размеру и прочности частиц, и др. вызывают сколы под режущей кромкой бурового инструмента. Ударные нагрузки и вибрация инструмента не позволяют получить резьбу приемлемого качества.
Другим аналогом предлагаемому изобретению, принятым за прототип, является круглая резьба, применяемая для соединения буровых коронок со штангами [4, стр.78-82]. Значение отношения рабочей высоты профиля к шагу у нее составляет 0,1, но площадь контакта внутренней с наружной резьбой даже меньше, чем у указанных выше резьб, что не позволяет применить ее.
Общим существенным признаком аналога с заявленной резьбой является треугольный профиль, а с прототипом - величина отношения высоты профиля к шагу.
К недостаткам указанных резьб (применительно к горным породам), устраняемых предлагаемым техническим решением, следует отнести:
1. Малая рабочая высота профиля и шага резьбы относительно диаметра скважины.
2. Малая площадь контакта опорных сторон витков.
3. Противоположная сторона опорной стороне витка резьбы не несет нагрузки.
4. Велико отношение рабочей высоты профиля к шагу резьбы.
5. Направление усилия нагружения витка породы от стержня под острым углом к устью скважины.
6. Велика удельная нагрузка на опорную поверхность витка резьбы породы.
Задача решается применением в горных породах резьбы с витками, работающими не на срез и скол, а на распор в стенки скважины по всей поверхности в радиальных направлениях. (Это качество закрепления может найти применение и в резьбе в металлах, например в деталях небольшой толщины из чугуна или других хрупких сплавов, а также для самозаклинивания гайки на болте против самооткручивания при вибрации механизмов и машин.)
Поскольку анкер несет осевую нагрузку только на растяжение и только опорные соприкасающиеся поверхности витков резьб постоянно нагружены, а противоположные им не несут нагрузки, в том числе и иной функциональной, они исключены из резьбы. За счет высоты этой половины витка увеличена образующая опорной поверхности до величины, несколько превышающей шаг резьбы. Соответственно, увеличивается площадь контакта витков до площади всей боковой поверхности скважины, что позволит применить анкер и в более слабых на сжатие породах.
тр
тр
Величина отношения рабочей высоты профиля шагу резьбы определяет направление распора анкера в скважину. Сила трения анкера о породу способствует прочности закрепления и также влияет на направление распора. Так как предпочтительно радиальное направление, то образующая опорной стороны ориентирована под углом к оси резьбы (стенка скважины), равным углу трения стали о породу α. Угол α равен Arctg численного значения коэффициентов трения стали о породу, находящегося в интервале 0,2-0,35. Это самый благоприятный наклон витка резьбы к поверхности скважины, когда обеспечиваются радиальные направления силы распора.
Сущность резьбы заключена в профиле витка резьбы в виде прямоугольного треугольника, включающего острый угол, равный углу трения соприкасающихся материалов. На анкере профиль ориентирован этим углом к устью скважины. Именно величиной этого угла достигается технический результат - распор анкера в радиальных направлениях.
Другим существенным признаком резьбы, отличным от аналога и прототипа, является соотношение параметров. В профиле отношение рабочей высоты к шагу, по размеру, близкому к диаметру скважины, находящееся в пределах 0,16-0,36, обеспечивает получение технического результата - выполнение резьбы в горных породах для анкеров с внутренним диаметром резьбы 15-18 мм.
Интервал 0,16-0,36 приемлем с учетом факторов, влияющих на применение резьбового анкера: изготовление самого анкера, штыбопропускная способность бурового инструмента, величина стружки, крепость и структура породы, качество резьбовой поверхности, величина крутящего момента на шпинделе бурового инструмента и др.
Эти признаки существенны, т.к. непосредственно влияют на достигаемые технические результаты и напрямую связаны с ними.
Буровое оборудование служит для использования анкера и в этом качестве входит в группу изобретений.
Известно мобильное переносное оборудование бурения скважины под анкеры, применяемое на угольных шахтах. Оно состоит из средств бурения (ручного электро- или пневмосверла или ручного перфоратора), реечно-храпового поддерживающее-подающего устройства, каретки с ползуном на рейке, на которой закрепляется средство бурения, витой буровой штанги и двухперой коронки, армированной твердосплавными пластинами. Бурение сухое, выдача буровой мелочи витой штангой на почву выработки произвольная.
Недостатками этого бурения являются:
1. Отсутствует пылеподавление.
2. Малая скорость и большая трудоемкость бурения.
3. Возможность бурения только цилиндрической скважины.
4. Применимо только в слабых породах.
Другим аналогом предлагаемому буровому оборудованию, принятым за прототип, может служить телескопный перфоратор ударно-вращательного действия с возможностью реверсии и отключения вращения штанги, работающий с промывкой [4, стр.5-7].
Недостатки телескопного перфоратора:
1. Вибро- и шумоопасен.
2. Бурение скважины только круглого сечения.
Общие существенные признаки прототипа с предлагаемым оборудованием:
1. Управляемое удаление продуктов бурения с пылеподавлением.
2. Отверстия в коронке и штанге.
3. Буровая коронка долотчатого типа с конусным соединением со штангой.
4. Распираемое поддерживающе-подающее устройство.
Известны средства нарезки резьбы в отверстиях в металлах, диаметром соизмеримых с диаметром скважины, например, комплект проходных и чистового метчиков. Принцип работы метчика заключается в постепенном удалении материала из резьбы рядом режущих кромок торцев разделенных на части витков резьбы. Каждый последующий виток из нескольких на инструменте имеет диаметр больший, чем у предыдущего. Стружка собирается в продольных выемках и периодически удаляется. Метчик работает без осевого усилия подачи, опираясь на уже прорезанные витки.
Этот принцип не может быть перенесен на горные породы из-за большой длины скважины и физико-механических свойств пород, указанных выше.
Задачами предлагаемого изобретения являются бурение скважины с резьбовым профилем в породе и управляемое сухое удаление продуктов бурения с обеспыливанием. Задача проходки скважины решается бурением скважины в два приема - бурение собственно скважины круглого сечения и нарезка резьбы в ней. Бурение скважины осуществляют обычным средством - буровой долотчатой коронкой с твердосплавной вставкой с конусообразным верхом с конусным закреплением на штанге. Нарезку резьбы выполняют резьбонарезной штангой, имеющей на поверхности идентичную анкеру резьбу. Она снабжена коронкой с направляющим стержнем по диаметру скважины сверху для более точного выполнения профиля резьбы и надежного закрепления вставки. Вставка имеет на боковых противоположных сторонах по паре смыкающихся режущих кромок, смещенных относительно друг друга на половину шага резьбы. Они выступают за поверхность скважины, первая в направлении вращения на часть поперечного сечения витка, а вторая, выполненная по профилю резьбы, на оставшуюся часть сечения. Нарезку резьбы осуществляют через люнет, установленный на верхней части распираемого поддерживающе-подающего устройства. В люнете закреплена легкоходовая гайка, которая синхронизирует подачу с вращением штанги, обеспечивая подачу на шаг резьбы за один оборот.
Задача удаления буровой мелочи с обеспыливанием решается пропуском ее через полый буровой инструмент. Для беспрепятственного пропуска площадь штыбопропускного сечения коронок меньше, чем у штанг. Торец стенки коронок скошен внутрь перед фронтальной стороной вставки, имеющей выемку над штыбопропускным отверстием. По каналу буровая мелочь попадает в сборник, одетый на средство бурения. Крышка его содержит тканевый фильтр.
Общие признаки аналога и прототипа с предлагаемым буровым оборудованием:
1. Средства бурения скважины.
2. Поддерживающе-подающее устройство.
3. Буровая штанга с армированной твердосплавной вставкой коронкой.
Отличительные существенные признаки от аналога и прототипа оборудования:
1. Съемный обеспыливающий сборник продуктов сухого бурения на средстве бурения.
2. Резьбонарезная коронка со штангой с резьбой, идентичной резьбе анкера.
3. Люнет с легкоходовой гайкой, закрепленный на распираемом поддерживающе-подающем устройстве.
4. Полый буровой инструмент с уменьшенным проходным сечением коронок относительно штанг.
Сущность изобретения заключается в выполнении резьбы в скважине одним витком резьбонарезной коронки на штанге с резьбой, опирающейся не на более слабые витки породы, а на гайку люнета. Вторым отличительным существенным признаком, характеризующим изобретение, является удаление продуктов бурения по полым буровым инструментам в сборник. Эти существенные признаки в совокупности позволяют получить технический результат - выполнение резьбы в породе и сухое обеспыливание.
Как частный случай выполнения буровая коронка для слабых пород изготовлена с фронтальной стороной режущей кромки вставки, выступающей над верхней конусной поверхностью.
Возможно применение резьбы в металлах или иных пластичных вязких материалах. Их физико-механические свойства определяют соответствующий интервал отношения высоты витка к внутреннему диаметру (шагу) - один из трех существенных признаков резьбы. Она может найти применение, т.к. сопротивление материалов на сжатие значительно больше, чем на растяжение и срез.
Предлагаемое техническое решение реализуется в устройствах, проиллюстрированных чертежами, где изображены: на фиг.1 - анкер; на фиг.2 - анкер в разрезе по А-А на фиг.1 в породе; на фиг.3 - метрическая резьба стержня в массиве породы; на фиг.4 - схема сил нагружения массива радиальными нагрузками; на фиг.5 - буровое оборудование (аналог) в работе; на фиг.6 - реечно-храповое поддерживающе-подающее устройство; на фиг.7 - разрез по В-В на фиг.6; на фиг.8 - разрез по Д-Д на фиг.6 (съемный сборник продуктов бурения); на фиг.9 - узел А на фиг.8 (стопорный болт); на фиг.10 - разрез по С-С на фиг.6 (гайка люнета); на фиг.11 - разрез по К-К на фиг.6 (ползун каретки); на фиг.12 - буровая штанга в разрезе по оси с коронкой и хвостовиком; на фиг.13 - разрез по В-В на фиг.12; на фиг.14 - кромки вставки для слабых пород; на фиг.15 - вид по стрелке А на фиг.13 (вид коронки сверху); на фиг.16 - резьбонарезная штанга; на фиг.17 - разрез по С-С на фиг.16; на фиг.18 - разрез по И-И на фиг.16 (по коронке в породе).
n
тр
n
тр
тр
n
Анкер представляет собой шпильку 1 с гайкой 2 (возможен болт с головкой) с резьбой на всей поверхности стержня. Изготовление его возможно горячей прокаткой на поперечном прокатном стане из круглого профиля. На фиг.2 показан установленный в скважине 3 анкер в разрезе по оси с опорным элементом крепи 4. Стрелками показано направление действующих сил на стенку скважины от силы натяжения анкера Р. P - удельная нормальная составляющая от силы Р на единицу поверхности распора. F - удельная сила трения скольжения анкера о стенку скважины. R есть результирующая сил P и F - удельная сила распора в стенку скважины, α - угол наклона витка резьбы к стенке скважины (трения). На фиг.3 схематично изображена метрическая резьба (аналог предлагаемой) в породе с направлением удельной нормальной составляющей силы P.
n
тр
Как видно из фиг.2 и 3, сила P в предложенной резьбе направлена к стенке скважины в более выгодном направлении. А с учетом силы F сила распора R направлена ортогонально поверхности скважины. Очевидно, что для получения радиального распора анкера в скважину должно соблюдаться равенство угла наклона витка резьбы к стенке скважины с углом трения скольжения стали о породу. Следовательно, в интервале значений коэффициентов трения сталей о породы (0,2-0,35) предложенный анкер обладает свойством распора в радиальных направлениях. На фиг.4 показан вид на кровлю с направлениями действующих сил от анкеров в параллельных скважинах 3. Между анкерами выделен участок с действующими на него силами со всех направлений. На фиг.5 изображено буровое оборудование в работе (аналог). На фиг.6 показано переносное реечно-храповое поддерживающе-подающее устройство, распертое между почвой и кровлей выработки. Поз.5 обозначено средство бурения, поз.6 - резьбонарезная штанга, поз.7 - люнет, поз.8 - каретка с ползуном. Люнет 7 закреплен сверху на устройстве без возможности проворачивания и отклонения от оси. Под действием винтового домката 9 лезвие 10 люнета 7 может внедряться в кровлю и препятствует проворачиванию люнета и всего устройства.
На фиг.8 поз.11 обозначен сборник продуктов буровой мелочи из эластичного материала (например, резины) с крышкой 12 с матерчатым фильтром, установленный на средстве бурения. Поз.13 обозначены стопорный болт для закрепления резьбонарезной штанги и анкера. На фиг.12, 13 и 15 изображена буровая штанга 14 с коронкой 15 с конусным закреплением под углом 3 град. 30 мин с твердосплавной пластиной 16.
На фиг.14 показаны выступающие с фронтальной стороны режущие кромки твердосплавной пластины 16 для слабых пород. На фиг.17 и 16 на штанге 6 обозначен направляющий стержень поз.17 резьбонарезной коронки 18 с отверстием 19 для пропуска продуктов бурения и с резьбонарезной твердосплавной пластиной 20. На хвостовике штанги 6 поз.21 обозначено отверстие для закрепления стопорным болтом 13. Штанги 6 и 14 имеют штыбопропускные отверстия 22 диаметром, большим, чем сечения отверстий 23 коронок 15 и 18, и выпускное отверстие 24.
Бурение скважины 3 осуществляют с распертого винтовым домкратом 9 поддерживающе-подающего устройства средством бурения 5 (например, электросверлом ЭР18Д2М) через люнет 7 штангой 14 с коронкой 15. Буровая мелочь при этом проходит внутри коронки по отверстию 23, затем по отверстию 22 и через выпускное отверстие 24 попадает в сборник 11. Затем штангой 6 с коронкой 18, закрепленной в шпинделе стопорным болтом 13, в скважине нарезают резьбу. Продукты бурения через коронку 18, по отверстиям 23, 22 и 24 также попадают в сборник 11. После этого штангу 6 выворачивают из скважины среверсированным средством бурения 5, освобождают стопорным болтом 13, снимают сборник 11 и высыпают продукт бурения. После этого закрепляют болтом 13 анкер и средством бурения 5 заворачивают его в скважину 3. Нарезание резьбы штангой 6 осуществляют через гайку 25, закрепленную в люнете 7.
Список литературы
1. «Mining engineering», 1977, V.29, no 7, USA.
2. Авторское свидетельство СССР №1629558, кл. E21D 21/00, 1991 г., Бюл. №7.
3. В.А.Федоренко, А.И.Шошин. Справочник по машиностроительному черчению, Л.: Машиностроение, 1977 г.
4. В.М.Васильев. «Перфораторы» (справочник), М.: Недра, 1989 г.