Секция анкерной крепи
ANCHOR SUPPORT SECTION

Изобретение относится к горному делу и предназначено для крепления горных выработок в неустойчивых, трещиноватых скальных породах анкерной крепью.
Известно устройство, включающее сварную металлическую решетку, состоящую из продольных и поперечных прутков, подхват, образованный двумя ортогональными парами стержней, расстояние между которыми меньше габарита опорной плиты и анкер, установленный в пространстве между стержнями, кроме того стержни подхвата являются частью решетки (патент RU №124735 опубликован 10.02.2013, бюл. №4).
Недостатком устройства является трудность монтажа, низкая надежность крепления выработки из-за неплотного прилегания металлической решетки к кровле и бортам выработки и, вследствие неравномерного распределения горного давления по решетке, возможны вывалы пород массива, металлоемкость.
Известно устройство, являющееся наиболее близким аналогом, состоящее из самозакрепляющегося анкера, опорной плиты и армокаркаса, изготовленного из высокопрочной арматуры (http://www.uer74.ru/production/komplektnye-ankernye-krepi/armokarkas.
Недостатком вышеуказанного устройства является металлоемкость, повышенная стоимость и невозможность сопряжения сетки между собой для полного перекрытия поверхности горной выработки.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности крепления горной выработки, снижение металлоемкости и расширение возможностей применения анкерной крепи для крепления горных выработок.
Указанный технический результат достигается тем, что армокаркас анкерной крепи изготавливается из арматуры типа А500С или другой арматуры с низким содержанием углерода, ячейка армокаркаса имеет ромбическую форму, а крайние продольные и поперечные стержни выполнены меньшего сечения по сравнению с центральными.
Предлагается секция анкерной крепи, состоящая из самозакрепляющегося анкера, опорной плиты и металлической решетки, образованной армированными стержнями, сваренными подобно рифленой сетке, но с ромбическими ячейками, при этом крайние стержни выполнены из арматурных стержней меньшего, по сравнению с центральными, сечения. Конкретная конструкция анкера подбирается в результате расчетов при составлении плана крепления выработки в зависимости от состояния пластов, их состава, глубины скважины и т.д.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена секция анкерной крепи, на фиг. 2 - сечение по анкерной крепи, на фиг. 3 - схема расположения сеток армокаркаса с анкерами.
Секция содержит анкер 1, опорную плиту 2 и армокаркас 3, конструктивно взаимосвязанных между собой.
Ниже пояснено подробно содержание признаков и их влияние на технический результат.
Анкерная крепь предназначена для упрочнения массива горных пород и повышения устойчивости его обнажений путем скрепления различных по прочности породных слоев. При подземной разработке месторождений полезных ископаемых анкерную крепь применяют для крепления выработок (независимо от формы, поперечного сечения и срока службы) самостоятельно или в сочетании с рамными крепями; используют как средство борьбы с пучением пород почвы, укрепления угольного или породного массива, для предотвращения отжима угля в очистных забоях, подвески труб различного назначения и закрепления горно-шахтного оборудования. Основным элементом анкерной крепи является металлический, железобетонный, полимерный или деревянный стержень (анкер), закрепленный в шпуре (скважине). Металлические анкеры выполняются с замковыми устройствами (клинощелевые и распорные), железобетонные анкеры могут быть набивные, нагнетаемые или «перфо».
Одними из первых получили распространение металлические клинощелевые анкеры, т.к. они просты, дешевы и достаточно прочны. Клинощелевой замок анкера расклинивается в торце шпура, и опорная плита закручиванием гайки прижимается к обнаженной поверхности у устья шпура, стягивая породы между замком и стенкой выработки. Основным недостатком таких анкеров является то, что не полностью используется поверхность штанги в виду того, что расширение происходит только у основания, образуется пустое пространство между штангой и стенкой шпура. Поэтому применяют железобетонные анкера, закрепленные по всей длине скважины, железобетонные анкера существенно повышают устойчивость породного массива и не допускают наличия пустого пространства в шпуре. Однако, такая крепь из-за большого срока набора прочности цементным составом в условиях быстроразвивающегося горного давления и динамического воздействия взрывных работ, не имеет широкого применения. Появление быстротвердеющей, прочной полимерной смолы привело к созданию анкерной крепи со сплошным закреплением химическими составами на основе смол.
Широкое применение на российских рудниках получили штанги, изготавливаемые зарубежными производителями, например шведской фирмой «Атлас Копко», которые представляют собой трубку, свернутую по оси для получения меньшего диаметра и запаянная по концам. Через боковое отверстие подается под давлением вода и происходит развальцовка анкера в шпуре. Анкерная крепь с такой штангой получила большую популярность благодаря высокой несущей способности, быстрому вступлению в работу и в простоте установки, т.к. нет необходимости соблюдения точного диаметра шпура.
В настоящее время инновационным решением крепления горных выработок является применение фрикционной или самозакрепляющейся анкерной крепи, которая состоит из анкера - цилиндрического металлического стержня из специального профиля, цилиндрической втулки и опорной плиты. Работая на растяжение, анкеры удерживают закрепляемые породы от расслоения, сдвижения и обрушения. Такие анкеры могут применяться в сочетании с анкерной крепью любой конструкции. Применение самозакрепляющихся анкеров снижает количество технологических операций, за счет одновременной установки анкера и сетки, скорость крепления значительно возрастает.
При повышенной трещиноватости горного массива и при слабых породах, во избежание отслоения и выволов пород необходимо увеличивать количество анкеров на единицу площади поверхности выработки. Чтобы избежать этого, предлагается применять секцию анкерной крепи в составе анкера, опорной плиты и армированного каркаса. Это даст возможность сплошного перекрытия всей поверхности горной выработки анкерной крепью без дополнительного крепления арматурной сеткой.
Армокаркас состоит из продольных 4 и поперечных 5 стержней, соединенных сваркой подобно рифленой сетке - переплетением стержней. При сварке стержней их расположение осуществляется под углом более 90 градусов, т.е ячейка получается не квадратная, а ромбическая. Использование ромбической формы ячейки каркаса с такими же размерами граней, что и у квадратной ячейки, уменьшает размер кусков породы, способных сквозь данную ячейку пройти, что повышает безопасность находящихся под ней людей.
При монтаже секции анкерной крепи с ромбическим расположением стержней армокаркаса сетку необходимо располагать так, чтобы большая диагональ ромба была направлена вдоль оси выработки. Таким образом усилие (изгибающий момент), с которым притягивается армокаркас к поверхности выработки, особенно в области сопряжения арочного свода с бортом выработки, распределяется как на продольные, так и на поперечные стержни. При креплении же выработки армокаркасом с квадратными ячейками усилие (изгибающий момент) действует только на поперечные стержни. Это позволяет изготавливать армокаркас с ромбическими ячейками из стержней меньшего диаметра, чем для армокаркаса с квадратными ячейками, что ведет к значительной экономии металла. Кроме того, испытания подтвердили, что применение рифленого армокаркаса с ромбическими ячейками дает хорошее сопряжение армосетки между собой.
Для стержней армокаркаса в предлагаемом изобретении предлагается применять арматуру класса А500С - класс горячекатаной термо-механически упрочненной арматурной стали, изготавливаемой по СТО АСЧМ 7-93 или ГОСТ Р 52544-2006. Первые пробные партии арматуры А500С были изготовлены на Западно-Сибирском комбинате в 1993 году, а уже в 1994 году на Белорусском металлургическом комбинате было запущено первое серийное производство, в том же году было запущено производство на комбинатах «Криворожсталь» и «Северсталь».
Арматура А500С считается универсальной благодаря ее отличным эксплуатационным характеристикам. Низкое содержание углерода в стали и ее термомеханическая обработка в процессе производства проката обеспечивает пластичность и улучшенную свариваемость и, как следствие надежность и качество, конечного продукта. Также материал отличается повышенной долговечностью и вязкостью.
А500с производится из стали, которая содержит минимальный процент углерода. Именно это качество является показателем хорошей свариваемости. Важным достоинством материала является непритязательность к условиям сварки. Другим плюсом считается неповреждаемость хрупкими разрешениями сварных соединений. К плюсам еще можно отнести то, что такая арматура позволяет применять дуговую сварку. Традиционная арматура класса A3 производится из стали, которая содержит высокий уровень углерода. Стоит заметить, что этот показатель ограничивает применение этого материала. Кроме того, этот тип арматуры при определенных обстоятельствах может считаться даже опасным материалом для возводимых зданий. Стоит упомянуть, что такой тип арматуры является частично свариваемым. Если обратиться к Европейским стандартам, то можно узнать, что они запрещают сварку арматуры, которая в своем составе имеет углерод, превышающий 0,22%. Поэтому арматура класса а500с является в этом случае лучшим вариантом. Класс арматуры а500 с имеет предел текучести 500 Н/мм2. У арматуры A3 этот показатель составляет 400 Н/мм2. Установлена высокая стойкость арматуры А500 против коррозионного растрескивания. В отличии от рифления арматуры A3 (А400) рифленый профиль арматуры А500С не имеет точек пресечения продольных и поперечных ребер, в которых могли бы образовываться усталостные трещины.
2
2
Арматура А500С - унифицированная или универсальная свариваемая строительная арматура новейшего класса, имеет химический состав, определяемый содержанием в стали углерода от 0,14 до 0,22% и углеродным компонентом не более 0,5%. Арматура А500С изготавливается из стали 3 (сталь обыкновенного качества), поэтому содержит значительно меньше легирующих компонентов, таких как кремний и марганец, чем арматура А400С, которая изготавливается из низколегированной стали 35ГС или 25ГС. Предел текучести арматуры класса А500С намного выше, чем у арматуры А400С - 500 Н/мм и 390 Н/мм соответственно, что обеспечивает повышенную пластичность и гибкость. Угол изгиба у арматуры А500С - 180 град, у арматуры А400С - 90 град. Это свойство арматуры А500С позволяет изготавливать арматурные сетки рифленого плетения.
Кроме того, арматура А500С отличается от арматуры А400С по внешнему виду прежде всего тем, что имеет серповидный профиль, при котором серповидные выступы не пересекаются с продольными ребрами. Серповидный профиль способствует формированию более высоких прочностных и пластических свойств стали при прокате и не имеет концентраторов напряжений в местах пересечений поперечных ребер с продольными. Благодаря своей универсальности, арматура А500С является наиболее распространенным и востребованным классом арматуры. Низкое содержание углерода наряду с термомеханической обработкой арматурной стали обеспечивабет ее лучшую свариваемость и пластичность, повышенную вязкость и долговечность.
Арматура А500С имеет, по сравнению с традиционно применяемой для этих целей арматурой А400, следующие преимущества:
- хорошая свариваемость из-за меньшего содержания легирующих компонентов. У свариваемых деталей отсутствуют хрупкие разрушения в области сварного шва.
- серповидный профиль способствует повышению пластичности и прочности, т.к. не создает концентрацию напряжений в местах пересечений поперечных ребер с продольными (они не пересекаются).
- низкая стоимость.
Применение арматуры с указанными свойствами позволяет получить армокаркас более пластичный и прочный, способный максимально принимать форму горной выработки, плотнее прижиматься к поверхности, а значит обеспечивает надежное крепление горной выработки анкерной крепью.
Применение предлагаемой секции анкерной крепи обеспечивает существенное снижение металлоемкости за счет использования меньшего количества анкеров на площадь поверхности выработки, применения арматуры меньшего диаметра для изготовления армокаркаса с ромбическими ячейками.
Для снижения металлоемкости сетка армокаркаса изготавливается из арматуры разного размера. Центральные несущие стержни, на которые опирается опорная плита анкера, изготавливаются из арматуры диаметром, например, 12 мм, а крайние стержни - из арматуры диаметром 10 мм. Поскольку крайние стержни одной сетки при установке анкерной крепи сопрягаются с крайними стержнями другой сетки, прочностные свойства армокаркасов в местах сопряжения не нарушаются.