УСИЛЕННАЯ АНКЕРНАЯ КРЕПЬ

Область техники
Полезная модель относится к горной промышленности и может быть использована при креплении выработок трубчатыми анкерами фрикционного типа, с использованием штатного оборудования для бурения шпуров.
Предшествующий уровень техники
Известен анкер, включающий пустотелый стержень с замком, из продольно разрезанных стенок стержня и опорную плиту на выступающем конце. При этом стержень снабжен дополнительными замками, которые размещены вдоль него с интервалом друг от друга, при этом каждый последующий замок ориентирован в направлении выступающего конца стержня и 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 нагружении 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 анкерная крепь, содержащая пустотелый цилиндрический стержень, с размещенными вдоль него замками из продольно разрезанных стенок стержня, опорную плиту на цилиндрическом конце стержня, на котором за опорной плитой выполнен замок, с возможностью взаимодействия с ней, а замки на заглубленной части стержня выполнены с одной продольной прорезью и соединены между собой (см. ПМ РФ №95029, E21D 21/00). При этом продольные прорези замка, по длине стержня, выполнены по всей его длине, а между замком и опорной плитой установлено сплошное кольцо.
Недостатком известного решения является сложность установки анкерной крепи в шпур, ведущая к снижению надежности установки. В начале процесса установки анкерная крепь представляет собой совокупность трех незакрепленных между собой деталей. На стержень надевается опорная плита и кольцо, при этом соединение происходит с зазором по номинальному размеру.
Анкер устанавливается в шпур за счет воздействий ударника на его часть, выступающую за опорную плиту - замок. При малых углах наклона к горизонту возможно смещение кольца. При этом усложняется перевод замка в фиксирующее положение опорной плиты под воздействием ударника. Как следствие снижается надежность штатной установки анкера.
Кроме того, опорная плита имеет ограниченную поверхность контакта с поверхностью укрепляемой породой. Предварительная установка армирующей сетки на укрепляемую поверхность позволяет увеличить зону действия опорной плиты. Однако при возникновении горных ударов, нагрузка с армирующей сетки не передается на опорную плиту в силу малой жесткости сетки. В связи с этим анкер имеет ограниченное применение при укреплении выработок подвергаемых горным ударам.
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышение надежности установки анкерной крепи и расширение функциональных возможностей.
Раскрытие полезной модели
Техническая задача решается тем, что в известной анкерной крепи, содержащей полый цилиндрический стержень с продольной прорезью по всей длине, передним концом, выполненным в виде усеченного конуса, цилиндрическим концом, с продольными прорезями, и кольцом на нем, опорную плиту, устанавливаемую на стержень со стороны усеченного конуса перед кольцом, кольцо выполняется с разрезом, круглым поперечным сечением и соединено со стержнем сваркой. При этом параметры анкерной крепи выбираются исходя из соблюдения соотношения размеров:
- внешний диаметр стержня выполняется в пределах 1,05…1,11 диаметра шпура;
- толщина стенки полого цилиндрического стержня выполняется в пределах 2,5…3 мм;
- диаметр переднего конца стержня выполняется в пределах 0,85…0,93 диаметра шпура;
- разность внешнего и внутреннего диаметров кольца больше двух толщин стенки стержня;
- диаметр отверстия в опорной плите выполняется в пределах 1,05…1,10 диаметра стержня;
Кроме того, между опорной плитой и передним концом устанавливается армокаркас образованный продольными и поперечными переплетенными арматурными стержнями, соединенными в точках контакта сваркой, с длиной 300…1100 мм и шагом 100…200 мм. При этом арматурные стержни выполнены с диаметром от 8 до 14 мм, а внешний габарит опорной плиты выполнен превышающим шаг армокаркаса в центральной части.
Краткое описание фигур чертежей
Полезная модель поясняется изображениями.
На фиг. 1 представлена усиленная анкерная крепь перед установкой в шпур. На фиг. 2 изображен вид А с фиг. 1. На фиг. 3 - усиленная анкерная крепь установленная в шпур. На фиг. 4 - разрез цилиндрического конца стержня до его установки в шпур. На фиг. 5 - разрез цилиндрического конца стержня в процессе его установки в шпур. На фиг. 6 - разрез цилиндрического конца стержня в конце процесса установки стержня в шпур.
Вариант осуществления полезной модели
шп
Усиленная анкерная крепь 1 содержит полый цилиндрический стержень 2, опорную плиту 3, армокаркас 4 (фиг. 1). Крепь 1 устанавливается в шпур 5 с диаметром - d, и укрепляет поверхность выработки. По всей длине стержня 2 выполнена одна продольная прорезь 6.
кон
шп
кон
шп
ст
шп
шп
шп
ст
шп
Передний конец 7, стержня 2, выполнен в виде усеченного конуса с диаметром переднего конца - d меньше диаметра шпура d. При этом соблюдается соотношение d=(0,85…0,93)d. При таком соотношении передний конец 7 беспрепятственно вводится в шпур 5. Внешний диаметр стержня d выполнен превышающим диаметр шпура d в пределах от 1,05 d, до 1,11 d. Превышение диаметром стержня d величины диаметра шпура d обеспечивает его деформацию при установке в шпур 5, создание распределенного давления по поверхности контакта и силы трения достаточной для обеспечения несущей способности анкерной крепи 1 (фиг. 3). Деформация стержня 2 происходит без значительных усилий благодаря продольной прорези 6.
На цилиндрическом конце 8, стержня 2, выполнены продольные прорези 9 разделяющие его на сектора 10 (фиг. 4). При установке усиленной анкерной крепи 1 в шпур 5, за счет действия специального пуансона 11 (фиг. 5) на сектора 10 формируются замки 12 (фиг. 6).
к1
к2
Кроме того на цилиндрическом конце 8 установлено и приварено кольцо 13. Сварка 14 может выполняться сплошным или прерывистым швом, со стороны цилиндрического или конического конца. Это обеспечивает технологическую свободу при изготовлении усиленной анкерной крепи. Кольцо 13 имеет разрез 15, что обеспечивает его свободную установку на цилиндрическом конце 8. Поперечное сечение кольца 13 выполняется круглой формы (фиг. 4). Это позволяет упростить технологию его изготовления. Как правило, кольца выполняются путем навивки из проволоки круглого сечения. При этом разность внешнего - d и внутреннего диаметров - d кольца 13 больше двух толщин стенки стержня к (фиг. 4). При меньшей величине разности диаметров контактные напряжения, возникающие на поверхности сопряжения кольцо 13 - опорная плита 3, превышают допустимые, и происходит пластическая деформация поверхности кольца 13. Возникают концентраторы напряжений, снижается надежность узла.
пл
пл
пл
ст
пл
ст
пл
ст
Опорная плита 3 имеет прямоугольную форму с выпуклой полостью 16 и внешним габаритным размеров в (фиг. 2). В середине опорной плиты 3 выполняется отверстие с диаметром d для пропуска стержня 2. При этом, диаметр d выбирается из интервала d=(1,05…1,1)d. Это обеспечивает сводную установку опорной плиты 3 на стержне 2, с одной стороны и расчетное силовое взаимодействие ее с кольцом 13 после установки анкерной крепи 1 в шпур 5. При d меньше 1,05 d возможно заклинивание опорной плиты 3 на стержне 2. При d больше 1,1 d уменьшается площадь контакта: кольцо 13 - опорная плита 3. Это может привести к пробивке кольцом 13 отверстия в плите 3.
ст
ар
ap C
ap C
Армокаркас 4 выполнен из продольных 17 и поперечных 18 арматур (фиг. 2). Длина арматурных стержней l выбирается в пределах от 300 до 1100 мм. Арматурные стержни 17 и 18 выполняются переплетенными и соединенными между собой сваркой в точках контакта 19. Шаг установки арматуры t в армокаркасе выполняется в пределах от 100 до 200 мм в зависимости от состояния укрепляемой породы выработки. Внешний габарит в опорной плиты 3 выполнен превышающим шаг армокаркаса 4 в центральной части t (фиг. 2). Таким образом габаритный размер опорной плиты 3 - принимается больше шага установки арматуры 17, 18 - t в центральной его части.
Толщина стенки k принимается в диапазоне от 2,5 мм до 3,5 мм. Минимальные значения определяются из необходимости обеспечения прочности сварного шва 14, с одной стороны и обеспечения устойчивости при установке стержня 2 в шпур 5. Экспериментально было установлено, что при длине стержня 2 - 1200 мм и значениях k меньших, чем 2,5 мм происходила, в ряде случаев, потеря устойчивости стержня 2 и невозможность штатной установки. Выбор толщины стенки k больше 3,5 мм не целесообразен, т.к. в этом случае прочностные характеристики стержня 2 превышают минимально необходимые, но увеличивающаяся масса стержня усложняет его установку.
Установка анкера в шпур.
Стержень 2 укладывается на направляющие установщика. Через переднею коническую часть 7 на стержень 2 надевается опорная плита 3 и армокаркас 4.
кон
шп
шп
кон
шп
Передний конец 7 направляется в устье шпура 5 и вводится в него свободно, за счет того, что диаметр переднего конца 7 - d меньше диаметра шпура d. При этом, значение диаметра меньше 0,93 d обеспечивает введение переднего конца 7 в шпур 5 без дополнительных сопротивлений, которые могут вызвать поперечные нагрузки в направляющих установщика. Выполнение d превышающее величину 0,85 d обеспечивает сохранение соосности шпура 5 и стержня 2 в пределах, исключающих появление неуравновешенных поперечных нагрузок, и обеспечивает повышение надежности введения стержня 2 в шпур 5.
ст
шп
шп
ст
шп
При введении цилиндрической части стержня 2 происходит его деформация с исходного диаметра d до диаметра шпура - d чему способствует продольная прорезь 6. При величине исходного диаметра стержня 2 больше величины 1,05 d упругая деформация создает распределенную нагрузку и силу сцепления с поверхностью шпура (силу трения) достаточную для обеспечения регламентной несущей способности анкера (при длине 1200 мм и более). При величине d меньшей, чем 1,05 d величина упругой деформации стенок стержня будет недостаточной для создания удельного давления, достаточного для обеспечения несущей способности анкерной крепи 1, что не обеспечит надежного крепления.
ст
шп
При значении d больше чем 1,11 d величина несущей способности анкерной крепи 1 резко уменьшалась, что обусловлено появлением остаточной (пластической) деформацией стенок стержня, и одновременном снижении упругой деформации. Соответственно снижается распределенная нагрузка на поверхности контакта: стержень 2 - шпур 5. Как следствие, надежность функционирования анкерной крепи 1 снижается.
Данные соотношения получены в результате опытных испытаний образцов стержней 2 с толщиной стенки 2,5…3 мм (точность замера ±0,1 мм). Длина стержня в цилиндрической части 1300 мм. Длина стержня анкера регламентирована ГОСТ 31559-2012 - не менее 1200 мм.
В процессе установки стержня 2 в шпур 5 увеличивается сопротивление его движению. Пуансон 11 формирует из секторов 10 замки 12 охватывающий кольцо 13. Наличие сварки 14, соединяющей кольцо 13 со стержнем 2, обеспечивает формирование замка 12 в зоне его установки, что повышает надежность его формирования.
Установка армокаркаса 4 между опорной плитой 3 и передним концом 7 обеспечивает укрепление усиленной анкерной крепью 1, существенно большей поверхности выработки, чем поверхность опорной плиты 3. Это позволяет расширить функциональные возможности усиленной анкерной крепи 1, т.к. в этом случае исключается необходимость установки дополнительной сетки. Исключается трудоемкая операция, выполняемая после монтажа анкерной крепи 1 и заключающаяся в навешивании армирующей сетки. Таким образом, установка усиленной анкерной крепи 1 позволяет совмещать две технологические операции, что расширяет ее возможности функционирования.
Через армокаркас 4 нагрузка от укрепляемой породы передается на опорную плиту 3. Далее с опорной плиты 3 нагрузка передается на стержень 2 через кольцо 13, удерживаемое от смещения за счет сварки 14 и сформированного замка 12. Дублированная фиксация положения опорной плиты 3 на стержне 2 обеспечивает повышение надежность ее крепления.
к1
к2
Разность диаметров кольца 13 d-d принимается больше двух толщин стенки стержня k. При величине стенки 2,5 мм это 5 и более мм, при толщине 3 мм не менее 6 мм. При меньшей величине разности диаметров кольца 13 величина катета сварного шва 14 не может быть выполнена равнопрочной толщине стенки стержня 2, что приведет к снижению прочности соединения: кольцо 13 - стержень 2.
пл
ст
Выбор диаметра отверстия в плите основан на результатах экспериментальных исследования. При d меньшей чем 1,05 d в процессе установки происходит негативное силовое воздействие края отверстия плиты на сварной шов 14. Частичная деформация сварного шва 14 снижает величину катета шва и его нагрузочную способность, что ведет к снижению надежности функционирования.
пл
ст
При величине d больше чем 1,1 d нарушается соосность оси опорной плиты 3 и стержня 2. Происходит смещение опорной плиты 3 и неравномерная нагрузка кольца 13 по его периметру. Уменьшается площадь контакта: кольцо 13 - опорная плита 3, что ведет к снижению нагрузочной способности.
пл
ст
ст
Таким образом, выбор d в интервале 1,05 d до 1,1 d обеспечивает повышение надежности функционирования усиленной анкерной крепи 1.
Жесткость и нагрузочная способность армокаркаса 4 обеспечивается продольными 17 и поперечными 18 арматурными стержнями, переплетенными между собой. Переплетение позволяет снять нагрузку, передаваемую с укрепляемой поверхности на сварные швы 19, соединяющие арматурные стержни 17 и 18 между собой. После переплетения контакт продольных арматурных стержней 17 со смежными поперечными арматурными стержнями 18 осуществляется с противоположных сторон. Это повышает надежность работы армокаркаса 4. При этом сварные швы 19 необходимы только для фиксации взаимного положения арматурных стержней 17 и 18 в исходном положении и в процессе установки.
ар
Шаг t между параллельными арматурными стержнями 17 и 18 выбирается в интервале от 100 до 200 мм (фиг. 2). Расстояние менее 100 мм выполнять не целесообразно, т.к. размеры кусков вываливаемой породы на рудных месторождениях превышают 100 мм. Верхний предел - 300 мм определен из условия безопасной эксплуатации армокаркаса 4 без дополнительных мероприятий типа - набрызг бетонного укрепления.
ap C
В центральной части армакоркас 4 имеет размер между арматурными стержнями t не более внешнего габарита опорной плиты в, как правило, 150 мм, т.к. опорная плита выполняется традиционно в пределах 200 мм. При превышении шага амокаркаса 4 в центральной части более размера в, опорная плита 3 не обеспечит поджим армокаркаса 4 к укрепляемой поверхности, что приведет к ненадежному функционированию усиленной анкерной крепи 1.
ст
Минимальная длина l арматурных стержней 17, 18 в 300 мм обеспечивает отсутствие вывала укрепляемой поверхности превышающей поверхность опорной плиты 3. Меньшие значения длин стержней не эффективны, т.к укрепление обеспечивается только опорной плитой 3.
Величина длин арматурных стержней в 1100 мм определена экспериментально. При больших, чем 1100 мм длинах арматурных стержней 17, 18 не обеспечивается плотное прилегание стержней по всей длине к укрепляемой поверхности, что приводит к отделению ее фрагментов.
Таким образом, длина арматурных стержней 17, 18, выбираемая в диапазоне от 300 мм до 1100 мм, обеспечивает рациональное использование материала стержней и надежность укрепления поверхности выработки.
Каждое из положений формулы полезной модели обеспечивает достижение поставленной технической задачи - надежности установки анкерной крепи и расширение функциональных возможностей.
Защищаемые соотношения параметров получены экспериментально, исходя из условия обеспечения несущей способности анкерной крепи определенной ГОСТ 31559-2012 и составляющей не менее 50 кН.
ap
Наиболее эффективными в работе проявили себя арматурные стержни 17, 18 диаметром d от 8 до 14 мм. Меньшие значения 8…10 мм использовались при длине стержней до 600 мм. Большие значения диаметров - 12…14 мм при длине арматурных стержней от 600 до 1100 мм.
В таблице 1 представлены результаты экспериментальных исследований, на основании которых получены защищаемые соотношения параметров. Отражены численные значения параметров, при которых несущая способность составляла обязательные 50 кН, при длине цилиндрической части равной 1,3 м. Испытания анкеров производилась на шахтах ОАО «Учалинский ГОК». Создание осевого усилия на анкеры обеспечивалось штанговыдергивателем ПКА-3.
При составлении таблицы в качестве базового параметра принимался диаметр шпура, варьируемыми параметрами были внешний диаметр стержня, диаметр конуса. Толщина стенки стержня 2 была фиксированная 2,5, 3 и 3,5 мм. Допуски на размеры составили ±0,1 мм. Меньшие из полученных значений (представленных в табл. 1) соответствуют толщине стенки 3 мм, большие при толщине стенки 2,5 мм.
Выполнение толщин стенки больше 3,5 мм не целесообразно, т.к. прочностные характеристики, на разрыв стержня анкера, даже при 2,5 мм значительно превышают регламентную несущую способность в 50 кН.
В свою очередь толщина стенки стержня не может быть меньше 2,5 мм исходя из обеспечения стойкости стержня в течение расчетного срока, при условии воздействия агрессивных шахтных вод. Кроме того, при меньших значениях возможна потеря устойчивости в процессе установки анкерной крепи 1.