Трубчатый анкер
FRICTION ROCK STABILISER

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при креплении выработок трубчатыми анкерами фрикционного типа, с использованием штатного оборудования для бурения шпуров. Кроме того, может быть применено для крепления любых поверхностей в породах средней и высокой прочности.
Известен анкер, включающий пустотелый стержень с замком, из продольно разрезанных стенок стержня и опорной плиты на выступающем конце при этом стержень снабжен дополнительными замками, которые размещены вдоль него с интервалом друг от друга, при этом каждый последующий замок в направлении выступающего конца стержня выполнен с площадью разрезов меньше предыдущих (см. а.с. СССР №968439, E21D 21/00).
Недостатком известного устройства является низкая надежность. Анкерная крепь фиксируется в скважине за счет того, что производится сжатие пустотелого стержня с последующей потерей устойчивости замков и их деформацией в продольном направлении. Однако при нагружение анкерной крепи слоем пород на участке расположенном между первым замком, от дна скважины, и опорной плитой происходит растяжение пустотелого стержня. Как следствие, замки, расположенные в пределах этого участка раскрываются, давление на стенки скважины снижается, появляется возможность движения слоя пород, в направлении опорной плиты. Подвижность породы ведет к снижению надежности работы анкерной крепи.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является трубчатый анкер, включающий металлическую трубу с продольной прорезью по всей длине, смыкающуюся при внедрении трубы в шпур меньшего диаметра, конической формой переднего конца, опорный узел на заднем конце трубы (см. US №3922867, Е21D 21 /00).
Недостатком известного решения является ограниченные функциональные возможности.
Трубчатый анкер не может использоваться для крепления выработок со средней прочностью пород. В процессе установки анкерной крепи стенки прорези создают сосредоточенную нагрузку и врезаются в породу. При этом уменьшается величина упругой деформации стержня, что ведет к уменьшению усилий на поверхности контакта стержень - шпур. Уменьшается величина силы трения, обеспечивающая несущую способность. Снижение несущей способности веден к ограничению возможности использования трубчатых анкеров для крепления выработок в породах средней прочности.
При бурении шпуров в породах высокой прочности имеет место непостоянство диаметра шпуров, их постепенное уменьшение, обусловленное износом буровой коронки. Как следствие, в шпурах, выполняемых одной и той же буровой коронки, разность диаметров стержня, в исходном состоянии, и диаметра шпура увеличивается. Это ведет к деформации стенок стержня превышающих номинальное значение. В результате действующие напряжения в стенках стержня превосходят предел текучести. Стержень деформируется пластически, что ведет к снижению усилий действующих на шпур, уменьшению силы трения и несущей способности анкерной крепи.
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в расширение функциональных возможностей.
Техническая задача решается тем, что в известном трубчатом анкере, включающем металлическую трубу с продольной прорезью по всей длине, внешним размером поперечного сечения, превышающим диаметр шпура, конической формой переднего конца, опорным узлом на заднем конце, поперечное сечение трубы выполнено овальным, малая ось меньше диаметра шпура, а продольная прорезь расположена на участке с наименьшей кривизной.
Выполнение поперечного сечения трубы некруглого сечения известно (см. патент РФ №1321827, E21D 21/00). В известном решении анкер включает тонкостенный, пустотелый стержень криволинейного поперечного сечения, с длиной периметра меньше периметра скважины. Кроме того, зазор между стенками стержня и скважины заполняется скрепляющим материалом.
Недостатком технического решения является, сложность реализации и недостаточная нагрузочная способность.
Согласно решению скважину, до введения стержня, заполняют скрепляющим материалом. Последующее введение стержня требует значительного усилия обусловленного двумя факторами. При вытеснении стержнем скрепляющего материала возникает значительное гидравлическое сопротивление (движение среды через малый зазор стержень - скважина). Кроме того необходимо усилие достаточное для деформации замкнутого профиля стержня.
При длинных анкерах, более 1 м, это приведет к потере устойчивости анкера при установке. Исключение потери устойчивости требует увеличения толщины стенки, что сопряжено с увеличением усилия необходимого для поперечной деформации стержня.
Кроме того, анкера по данному техническому решению имеют недостаточную нагрузочную способность. Это обусловлено малой толщиной стенки, с длиной периметра меньше периметра скважины, и как следствие малой площадью поперечного сечения.
В заявляемом устройстве длина периметра овального поперечного сечения не ограничена длиной периметра шпура. При длине периметра стержня больше периметра шпура, при введении в шпур может происходить наложение стенок прорезей, за счет незамкнутого профиля поперечного сечения.
Кроме того, стержень не должен выполняться тонкостенным, т.к. поперечная деформация, даже при большой толщине обеспечивается не замкнутостью контура.
Как следствие стержень по предлагаемому техническому решению имеет большую площадь поперечного сечения, что обеспечивает большую нагрузочную способность.
Выполнение малой оси овала меньше диаметра шпура известно (см. патент РФ №1063940, E21D 21/00). Трубчатый анкер состоит из тонкостенной трубы, головная часть которой выполнена с круглым поперечным сечение, и диаметром меньше диаметра шпура. А остальная часть трубы имеет овальную форму поперечного сечения. При этом размер овала по малой оси выполнен меньше диаметра шпура. Кроме того, длина периметра поперечного сечения стержня выполняется равной длине периметра шпура.
В силу возможности реализации технического решения только в виде тонкостенной трубы, нагрузочная способность трубчатого анкера недостаточно высокая, что исключает возможность ее использования в породах средней и низкой прочности, характеризующихся трещиноватостью и высокой склонностью к вывалам.
При этом выполнение периметра внешней поверхности сечения анкера равной длине периметра шпура, ограничивает использование технического решения. Соблюдение данного отличительного признака возможно только при постоянной замене буровой коронки. При ее небольшом износе диаметр шпура уменьшается, что ведет к уменьшению длины периметра поверхности шпура и невозможности установки анкера.
В предлагаемом техническом решении стенки трубы могут выполняться с большей толщиной, что обеспечивает большую нагрузочную способность.
Кроме того, анкер предлагаемой конструкции может использоваться и при бурении шпуров изношенной коронкой. В этом случае разность диаметров компенсируется величиной деформации продольной прорези.
Выполнение продольной прорези на участке овального поперечного сечения с наименьшей кривизной в открытых источниках не обнаружено.
Полезная модель поясняется изображениями.
На фиг. 1 представлен общий вид трубчатого анкера.
На фиг. 2 изображено сечение А-А.
Вариант осуществления полезной модели
Трубчатый анкер содержит металлическую трубу 1, опорный узел, выполненный в виде кольца 2, приваренного на заднем конце трубы 3 (фиг. 1). Передний конец трубы 1 имеет коническую форму 4. Форма поперечного сечения трубы овальная. Соответственно с большой осью 5 и малой осью 6 (фиг. 2). В трубе 1 выполнена, по всей длине, продольная прорезь 7. Продольная прорезь 7 выполнена на участке 8, имеющем наименьшую кривизну.
В переднем конце 4, металлической трубы 1, выполнена прорезь 9, оппозитно прорези 7. Участок 10, расположенный противоположно участку 8, выполняется без прорези.
Стенки 11 и 12 прорези 7 располагаются в пределах участка 8.
Размер оси 5 поперечного сечения трубы 1 (большая ось овала) превышает диаметр шпура D. В связи с этим части овальной поверхности 13 и 14, расположенные на сторонах большей оси овала, находятся, в исходном положении, за контуром шпура.
Малая ось 6 овала имеет величину меньше диаметра шпура D, в который устанавливается трубчатый анкер и как следствие стенки 11 и 12, прорези 7 не контактируют со стенками шпура.
Трубчатый анкер функционирует следующим образом.
При установке трубчатого анкера передний конец 4 вводится свободно в шпур. При дальнейшей установке в контакт со стенками шпура входят части овальной поверхности 13 и 14, поперечного сечения трубы 1. Это обусловлено тем, что размер 5, поперечного сечения трубы 1, больше диаметра шпура D. Создается распределенной давление по поверхностям частей 13 и 14, в результате которого происходит упругая деформация стержня на участке 10. Этому способствует наличие продольной прорези 7. При этом части 13 и 14 сближаются. Ширина прорези 7 уменьшается.
Площадь контакта поверхностей частей 13 и 14 имеет значительную величину. В связи с этим величина распределенного давления не приводит к разрушению стенок шпура имеющих среднюю прочность.
Благодаря тому, что величина малой оси 6 меньше диаметра шпура D стенки прорези 7 не взаимодействуют со стенками шпура. Исключается их внедрение в стенки шпура и изменение величины расчетной деформации стержня 1. Сохраняется заданная величина упругой деформации трубы 1 и создание требуемой величины нагрузки на поверхности контакта труба 1 - шпур. Это позволяет крепить поверхности выработок в породах средней прочности.
При уменьшении диаметра шпура в породах высокой прочности, вследствие текущего износа буровой коронки, происходит увеличение степени деформации участка 10. В силу его значительной протяженности дополнительная деформация, по сравнению с расчетной, не ведет в возникновению пластических изменений в металле. Сохраняется упруго деформированное состояние, уровень силового взаимодействия участков 13, 14 со стенками шпура и несущая способность трубчатого анкера.
Таким образом, предлагаемое технические решения обеспечивает расширение возможностей за счет крепление выработок в породах средней и высокой прочности.