Гибкий анкер

Полезная модель относится к горному делу и может быть использована при креплении или усилении крепления горных выработок, а также при креплении подвесных монорельсовых дорог, блоков и прочих технических средств по месту ведения монтажных или демонтажных работ.
Известен комбинированный анкер гибкий (патент RU 40392, МПК E21D 20/00, опубл. 10.09.2004), включающий гибкий стержень, к одному из концов которого прикреплена цельнометаллическая шпилька, опорную плитку, стержень выполнен из проволочного стального каната, а шпилька - из арматурного проката с винтовым профилем, при этом их взаимосоединение друг с другом осуществлено встык контактной электросваркой.
В известном техническом решении отсутствуют на гибком стержне на головной части узлы уширения, а на хвостовой части приварена шпилька, такое соединение обладает низкой прочностью, снижая возможную несущую способностью гибкого стержня, что приводит к снижению эксплуатационных качеств анкера при высоких нагрузках.
Известен опорный элемент канатного анкера (патент RU 91376, МПК E21D 20/00, опубл. 10.02.2010), включающий втулку, в осевом канале которой закреплены пряди каната, гайку, размещенную на втулке с помощью резьбового соединения, и направляющую трубу, присоединенную к торцу втулки, осевой канал втулки выполнен цилиндрическим и в поверхностях его и контактирующих с ним прядей каната размещены абразивные частицы, твердость которых превышает твердость втулки и прядей каната.
В известном техническом решении снижение расхода металла при создании такого соединения каната с муфтой может снизить несущую способность анкера с узлами уширения на головном конце, не ясно для какого вида головного конца предназначена муфта.
Известен тросовый гибкий анкер (патент RU 105941, МПК E21D 21/00, опубл. 27.06.2011), состоящий из семижильного троса правой или левой навивки с проволочным шнеком и узлами уширения на головном конце, соединительного узла состоящего из троса, втулки с резьбой и гайкой, и клина, а также трубки жесткости на тросе у втулки с резьбой, проволочный шнек выполнен из проволоки, которая охватывает трос и проходит между прядями троса, узлы уширения могут создаться с помощью колец надетых на центральную или внешнюю жилы троса, а соединительный узел состоит из троса, втулки с резьбой, двойного клина или клина-цанги, или втулки с конической поверхностью и продольным разрезом на центральной жиле троса, или втулки с конической поверхностью и продольным разрезом, которая охватывает трос с внешней стороны.
В известном техническом решении отсутствуют параметры, соотношение деталей для изготовления анкера с необходимой несущей способностью, технологичного как при его изготовлении, так и при его эксплуатации.
Техническим результатом является повышение технологичности конструкции гибкого анкера за счет обеспечения эксплуатационной надежности для необходимой (заданной) несущей способности.
Гибкий анкер для закрепления в отверстиях диаметром от 20 мм до 50 мм, представляющий собой многопроволочный несущий стержень, на хвостовой части которого закреплена муфта, согласно техническому решению муфта закреплена на несущем стержне с помощью соединительного элемента в виде втулки с продольным разрезом, длина которого определяется по формуле
сэ
ст
l = k⋅d,
сэ
где l - длина соединительного элемента, мм;
ст
d - диаметр несущего стержня, мм;
k - коэффициент для расчета длины соединительного элемента, имеющий пределы от 2,5 до 6.
На головной части выполнены узлы уширения, узел уширения образован как минимум одним кольцом и/или шнеком. На краю головного части выполнен скос и/или закреплен разрушительный элемент. Гибкий анкер содержит направляющую трубку, расположенную на грузонесущем стержне, соединенную с верхней частью муфты или направляющую трубку с герметизирующим элементом, расположенную на грузонесущем стержне, соединенную с верхней частью муфты. Внешняя поверхность муфты выполнена гладкой или с резьбой. Внутренняя поверхность муфты имеет цилиндрическую форму отверстия, переходящую в коническую, или коническую форму отверстия, расположенную между отверстиями цилиндрической формы. Нижняя часть муфты при нагнетательном способе закрепления имеет элемент, посредством которого возможно соединение с нагнетательным устройством, в виде закрепляющего элемента или в виде одной из частей быстроразъемного соединения. Втулка с продольным разрезом выполнена в виде втулки с цилиндрической поверхностью или в виде втулки с конической поверхностью, или в виде втулки с конической поверхностью, переходящей в цилиндрическую, и установлена на центральной жиле многопроволочного стержня или на нескольких жилах, или охватывать многопроволочный стержень с внешней стороны. Для закрепления анкера в отверстиях диаметром от 20 мм до 50 мм при длине муфты 120 мм - 140 мм коэффициент для расчета длины соединительного элемента к имеет пределы от 3 до 4. Для закрепления анкера в отверстиях выработок от 20 мм до 50 мм при длине муфты 155 мм - 170 мм коэффициент для расчета длины соединительного элемента к имеет пределы от 3,5 до 4,5.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен гибкий анкер в шпуре с узлами уширения, образованными кольцами, на фиг. 2 - гибкий анкер в шпуре с узлами уширения, образованными кольцами и шнеком (проволокой); на фиг. 3 - хвостовая часть анкера, включающая втулку с конической поверхностью и продольным разрезом на центральной жиле (проволоке) несущего троса, на фиг. 4 - втулка с конической поверхностью и продольным разрезом для закрепления на центральной жиле (проволоке) троса, на фиг. 5 - вид сверху по фиг. 4, на фиг. 6 - хвостовая часть анкера, включающая втулку с конической поверхностью и продольным разрезом на жилах троса, на фиг. 7 - втулка с конической поверхностью и продольным разрезом для закрепления на жилах (проволоках) троса, на фиг. 8 - вид сверху по фиг. 7, на фиг. 9 - хвостовая часть анкера, включающая клин-цангу, на фиг. 10 - клин-цанга (втулка с цилиндрической поверхностью и продольным разрезом), на фиг. 11 - вид сверху по фиг. 10, на фиг. 12 - хвостовая часть анкера, включающая двойной клин, на фиг. 13 - двойной клин (две соединенные между собой втулки).
Гибкий анкер с узлами уширения на головной части (фиг. 1, 2) предназначен для закрепления в отверстиях (шпурах, скважинах) выработок. Наиболее часто анкер с такой головной частью используется для отверстий диаметром от 20 мм до 50 мм при креплении с помощью скрепляющего состава ампульным или нагнетательным, или ампульно-нагнетательным способом.
Гибкий анкер с узлами уширения (далее анкер) содержит многопроволочный несущий стержень 1, узлы уширения 2 на его головной части, соединительный узел на его хвостовой части, содержащий муфту и соединительный элемент в виде клина или двойного клина (фиг. 12-13), или клина-цанги (фиг. 9-11), или втулки с конической поверхностью и продольным разрезом, которая охватывает центральную проволоку (фиг. 3-5) или многопроволочный грузонесущий стержень с внешней стороны (фиг. 6-8).
Многопроволочный несущий стержень 1 может быть выполнен из различных материалов (металлических, полимерных, композитных и т.п.). Наиболее оптимально применение стержня в виде многожильного троса, который может быть выполнен правой или левой свивки, в частности, семижильного стального (металлического) троса (каната). Узел уширения 2 может быть образован кольцом 3 и шнеком 4 или кольцами и шнеком, или кольцом, или кольцами, или шнеком. Возможны другие варианты исполнения узлов уширения 2. Также узлы уширения 2 можно чередовать и создавать различные комбинации. Кольца 3 могут быть надеты на центральную или на внешнюю жилу (проволоку) троса 1, или на внешние жилы (проволоки) троса 1, или на центральную и внешнюю жилы (проволоки) троса 1. Они могут быть выполнены из различных материалов и иметь разную геометрическую форму, например, выполнены в виде гайки, тора, втулки и т.д. Узел уширения 2 может быть фиксирован, например, сплетением жил (проволок) троса и/или проволоки (шнека). Шнек 4 может быть выполнен из проволоки или проволок (ленты, полосы) и других подобных элементов различной формы поперечного сечения, выполненных из различных материалов (например, стальных, полимерных, композиционных). Шнек 4 может быть выполнен из проволоки, которая охватывает (обвивает) трос 1 и проходит между жилами троса 1, образуя узлы уширения, или охватывает трос 1 с узлами уширения 2 с внешней стороны. На работоспособность крепи в значительной степени влияют прочность закрепления анкера, прочностные свойства грузонесущего стержня, определяющие ее несущую способность.
Наличие узлов уширения предотвращает быстрое стекание закрепляющего состава по кольцевому зазору между стенкой отверстия и стержнем анкера. Позволяет равномерно перемешивать и уплотнять закрепляющий материал (по направлению к дну отверстия), в результате чего обеспечивается плотная забойка отверстия без разрывов сплошности и пузырьков, то есть образуется плотная и прочная закрепляющая втулка 5. Вследствие чего, повышается прочность закрепления анкера в отверстии, влияющая на увеличение его несущей способности. В образованной закрепляющей втулке 5 неровный контур головного конца, созданный узлами уширения 2, и необходимое количество узлов уширения для определенной нагрузки, обеспечивают сопротивление вырыванию, выкручиванию анкера и надежное сцепление между закрепленными элементами. Следовательно, для надежного и качественного взаимодействия закрепляющего материала с головным концом анкера необходимо наличие и определенное количество узлов уширения. Это позволяет повысить качество и прочность закрепления анкера в отверстии и гарантировать заданную несущую способность крепи при различном характере нагрузок. Соединение может выдерживать статические, динамические, циклические нагрузки и способствовать повышению безопасности горных работ.
На краю головной части анкера может быть расположен разрушающий элемент (в виде элементов уширения, резьбы, колпачка, усиков, спирали) и/или выполнен скос под определенным углом, которые позволяют разрушить ампулу для дальнейшего перемешивания ее узлами уширения при ампульном или ампульно-нагнетательном способе. Разрушающий элемент также позволяет уменьшать величину кольцевого зазора между анкером и стенками шпура (скважины), способствуя эффективности перемешивания закрепляющих материалов.
Соединительный узел на хвостовой части (фиг. 3, 6, 9, 12) образован муфтой 6, соединенной с тросом 1 в ее осевом отверстии посредством соединительного элемента. Наиболее оптимальный вариант исполнения осевого отверстия муфты 6 имеет цилиндрическую форму отверстия, переходящую в коническую, или коническую форму отверстия, расположенную между цилиндрическими формами отверстиями. Наиболее оптимальный вариант исполнения соединительного элемента в виде втулки 7 (фиг. 6, 9), имеющей форму усеченного конуса, большее основание которой переходит в цилиндрическую форму. Втулка 7 имеет сквозное цилиндрическое осевое отверстие и разрез, выполненный продольно. Втулка 7 с продольным разрезом может быть установлена на центральной жиле троса 1 или на нескольких жилах, или охватывать трос 1 с внешней стороны. При этом длину втулки 7 (соединительного элемента) определяют по формуле
сэ
ст
l = k⋅d,
сэ
где l - длина соединительного элемента, мм;
ст
d - диаметр несущего стержня, мм;
k - коэффициент для расчета длины соединительного элемента, имеющий пределы от 2,5 до 6.
Выбор многопроволочного несущего стержня с определенным диаметром оказывает влияние на несущую способность анкера. При этом экспериментально было установлено оптимальное соотношение между размером диаметра многопроволочного несущего стержня для отверстий в выработках от 20 мм до 50 мм и размером длины соединительного элемента (втулки) для соединения с муфтой. Экспериментально установлен коэффициент для расчета длины соединительного элемента, пределы которого составляют от 2,5 до 6. При коэффициенте менее 2,5 получаемая длина соединительного элемента не позволяет соответствовать соединительному узлу заданной несущей способности для такого типа анкеров. При коэффициенте более 6, получаемая длина соединительного элемента нецелесообразна для применения.
Заявленное соотношение элементов соединительного узла позволяет создать надежное закрепление муфты на тросе, а также обеспечить несущую способность соединительного узла не ниже несущей способности анкера. Для закрепления анкера в отверстиях от 20 мм до 50 мм при длине муфты 120 мм - 140 мм коэффициент для расчета длины соединительного элемента к имеет пределы от 3 до 4, при длине муфты 155 мм -170 мм коэффициент для расчета длины соединительного элемента к имеет пределы от 3,5 до 4,5. При длине муфты 120 мм - 140 мм диаметр муфты чаще всего превышает диаметр отверстия для закрепления анкера, поэтому для более надежного закрепления используется коэффициента для расчета длины соединительного элемента к не менее 3, а предел к не более 4 позволяет оставить свободное место внутри муфты для дополнительных элементов. При длине муфты 155 мм - 170 мм нижняя часть муфты превышает диаметр отверстия для закрепления анкера, поэтому для более надежного закрепления используется коэффициента для расчета длины соединительного элемента к не менее 3,5, а предел к не более 4,5 позволяет оставить свободное место внутри муфты для дополнительных элементов.
Такая конструкция соединительного узла позволяет осуществить качественную запрессовку муфты на тросе с узлами уширения на головном конце, предотвращая соскальзывание муфты с троса как при установке анкера, так и при его нагружении, повышая эксплуатационную безопасности за счет надежного закрепления муфты на тросе (соединительного узла), соответствующее несущей способности анкера.
Внешняя поверхность муфты может быть выполнена гладкой или с резьбой для накручивания гайки для создания натяжения анкера, например, с помощью опорного элемента.
Конструкция анкера может включать направляющую трубку, охватывающую-многопроволочный несущий стержень и соединена с верхней частью муфты. Направляющая трубка облегчает установку анкера, предотвращая изгиб анкера при установке и, соответственно, улучшая качество перемешивания, а при нагнетательном способе закрепления является еще и проводником закрепляющих материалов при их нагнетании. Направляющая трубка для нагнетания закрепляющих материалов герметично соединена с муфтой (приварена, накручена), может содержать на свободном конце герметизатор. Герметизатор (пакер) перекрывает зазор между стенкой шпура и нагнетательной трубкой и герметизирует отдельные зоны шпуров для предотвращения вытекания закрепляющего материала из шпура (скважины). Направляющая трубка и герметизатор позволяют надежно и эффективно нагнетать закрепляющий материал без потери (вытекания) закрепляющего материала. Нижняя часть муфты может включать элемент, посредством которого возможно соединение с нагнетательным устройством, в виде закрепляющего элемента или в виде одной из частей быстроразъемного соединения, позволяющий производить нагнетание эффективно.
a
yy
Пример установки при ампульном способе закрепления канатного анкера, выполненного из семижильного троса, с головной частью, имеющей узлы уширения 2 (фиг. 2). Каждый узел образован кольцом 3 в виде гайки, надетым на центральную жилу троса и шнеком 4. В пробуренный шпур диаметром 30 мм вставляют ампулы и досылают их до упора в дно. После этого к муфте 6 анкера, помещенного в шпур, присоединяют анкероустановщик при помощи переходника, который путем вращения и подачи устанавливает анкер в проектное положение. Диаметр стержня анкера составляет 15,2 мм. Несущая способность анкера N=21 т. Прочность закрепления анкера при одном узле уширения N=5 т. При данных условиях получаем n=21 т / 5 т = 4,2, следовательно, необходимо не менее 5 узлов уширения. Прочность соединения муфты с канатом обеспечивает втулка, длина которой не менее L=3,6⋅15,2 мм=54,72 мм, округляем в большую сторону до 55 мм, при длине муфты 120 мм. Таким образом, благодаря шнеку 4 и узлам уширения 2 оболочки ампул эффективно разрушаются, закрепляющие материалы качественно перемешиваются при уплотнении их в направлении дна шпура. Полученного количества узлов уширения и соотношения элементов соединительного узла достаточно для обеспечения необходимой несущей способности анкера. После отверждения закрепляющего материала на муфту 6 надевают опорный элемент и накручивают на ее резьбу гайку.
Использование устройства позволяет создать технологичный анкер, позволяющий эффективно использовать части конструкции, обеспечивающие эксплуатационную надежность с необходимой (заданной) несущей способностью.