Анкер для крепления горных выработок

Полезная модель относится к горному делу и может быть использована для обеспечения контроля за натяжением анкера в процессе установки и эксплуатации.
Известен податливый анкер (авторское свидетельство СССР №1289996, МПК E21D 21/00, опубликовано 15.02.87, бюл. №6), включающий узел податливости в виде установленных на стержне конусного рассекателя и разрушаемой цилиндрической втулки с фланцем, при этом рассекатель размещен между натяжной гайкой и разрушаемой втулкой.
Недостаток известного анкера в том, что величина внедрения конусного рассекателя во втулку не увязана с усилием натяжения анкера при его установке и эксплуатации. Кроме того, разрушение втулки происходит не поэтапно, а произвольно, при этом деформированная втулка остается на стержне.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является анкер (авторское свидетельство СССР №1758239, МПК E21D 21/00, опубликовано 30.08.92, бюл. №32), включающий замок, стержень, опорную плиту, натяжную гайку и узел податливости, который выполнен в виде пакета податливых шайб с калиброванным центральным отверстием и с возрастающим модулем упругости по мере приближения к опорной плите, внедряемых во втулку в виде калиброванного усеченного конуса, причем калибр втулки у вершины усеченного конуса равен калибру отверстий шайб, а далее к основанию сферической головки её калибр больше калибра отверстий шайб и определяется усилием вдавливания, равным
, кгс,
где  - усилие вдавливания  конусной  втулки, кгс;
2
- модуль упругости материала шайб при растяжении, кгс/см;
- коэффициент трения втулки по шайбе;
,  - внешний и внутренний радиусы шайб, см;
- высота конусной втулки, см;
,  - больший и малый диаметр конусной втулки, см.
Недостатком известного анкера является его низкая работоспособность, определяемая тем, что:
при его установке в выработке сборка на нем узла податливости трудоемка вследствие необходимости соблюдения в пакете заданной последовательности неунифицированных шайб, выполненных с возрастанием модуля упругости в направлении от конической втулки к опорной плите;
при его эксплуатации в выработке с собранным на нем вышеописанным узлом податливости и соответствующем расчете усилия вдавливания натяжной гайки не учитываются этапы развития смещения горных пород в кровле выработки.
Технический результат - повышение работоспособности анкера.
Указанный технический результат достигается тем, что в анкере, включающем стержень, внедренный в замок, опорную плиту, узел податливости, выполненный в виде конической втулки, внедряемой гайкой в пакет шайб из податливого материала, установленных с возможностью сдвижения при деформировании вдоль образующей боковой поверхности конической втулки, согласно заявляемому техническому решению на заданной высоте от конической втулки в пакет между шайбами из податливого материала с одинаковым модулем упругости вставлены и зафиксированы металлические шайбы различной толщины с наружной и внутренней коническими поверхностями, при этом внешний диаметр наружной конической поверхности каждой последующей металлической шайбы больше соответствующего размера предыдущей металлической шайбы на величину, учитывающую этап смещения горных пород в кровле выработки, внутренняя коническая поверхность каждой последующей металлической шайбы имеет размеры, равные размерам ответного участка конической втулки на уровне толщины предыдущей металлической шайбы, а коническая втулка в сборе с металлическими шайбами выполнена с возможностью внедрения в пакет шайб из податливого материала на разных этапах смещения горных пород в кровле выработки, при этом усилие внедрения конической втулки определено из выражения:
, Н,
где  - усилие внедрения конической втулки в сборе с металлическими шайбами, Н;
- модуль упругости материала податливых шайб при растяжении, МПа;
- коэффициент трения конической втулки и металлических шайб по податливым шайбам;
,  - внешний и внутренний радиусы податливых шайб, мм;
- высота конической втулки, мм;
- внешний диаметр наружной конической поверхности очередной i-ой металлической шайбы, мм;
d - малый диаметр конической втулки, мм;
- толщина очередной i-ой металлической шайбы, мм.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид анкера после установки, на фиг.2 - вид анкера при прохождении начальной зоны смещения горных пород в кровле выработки; на фиг.3 - вид анкера при прохождении средней зоны смещения горных пород в кровле выработки, на фиг. 4 - вид анкера при достижении предельного смещения горных пород в кровле выработки.
Заявляемый анкер (фиг. 1) включает стержень 1, внедренный в замок 2, опорную плиту 3, узел податливости, выполненный в виде конической втулки 4. Втулка 4 внедряется гайкой 5 в пакет шайб 6 из податливого материала. Шайбы 6 из податливого материала установлены с возможностью сдвижения при деформировании вдоль образующей боковой поверхности конической втулки 4.
На заданной высоте от конической втулки 4 в пакет между шайбами 6 из податливого материала с одинаковым модулем упругости вставлены и зафиксированы металлические шайбы 7 различной толщины с наружной и внутренней коническими поверхностями. При этом внешний диаметр наружной конической поверхности каждой последующей металлической шайбы 7 больше соответствующего размера предыдущей металлической шайбы 7 на величину, учитывающую этап смещения горных пород в кровле выработки. Внутренняя коническая поверхность каждой последующей металлической шайбы 7 имеет размеры, равные размерам ответного участка конической втулки 4 на уровне толщины предыдущей металлической шайбы 7.
Коническая втулка 4 в сборе с металлическими шайбами 7 выполнена с возможностью внедрения в пакет шайб 6 из податливого материала на разных этапах смещения горных пород в кровле выработки, при этом усилие внедрения конической втулки определено из вышеуказанного выражения.
Анкер работает следующим образом.
После внедрения в шпуре стержня 1 с замком 2 на стержне 1 размещена опорная плита 3, пакет шайб 6 из податливого материала с одинаковым модулем упругости. На заданной высоте между ними вставлены и зафиксированы металлические шайбы 7 различной толщины с наружной и внутренней коническими поверхностями, коническая втулка 4, гайка 5 (фиг. 1).
В условиях установки, начальной зоны смещения горных пород в кровле выработки (фиг. 2), при закручивании гайки 5 с конической втулкой 4, последняя начинает внедряться в пакет шайб 6 из податливого материала с усилием, составляющим долю в процентах от несущей способности замка 2, определяемым из вышеуказанного выражения. Под воздействием смещения горных пород в кровле выработки шайбы 6 из податливого материала с одинаковым модулем упругости, деформируясь, сдвигаются вдоль образующей боковой поверхности конической втулки 4 и поочередно удаляются.
При развитии смещения горных пород, прохождении средней зоны смещения кровли выработки, доля усилия внедрения в процентах от несущей способности замка должна быть изменена, будучи определенной из вышеуказанного выражения. Это достигается тем (фиг. 3), что к этому моменту первая металлическая шайба 7, предварительно вставленная и зафиксированная на заданной для этого этапа высоте между шайбами 6, достигает конической втулки 4, движется и фиксируется на ней, поскольку ее внутренняя коническая поверхность имеет размеры, равные размерам ответного участка конической втулки 4. Это - первая металлическая шайба 7 (количество предыдущих шайб - 0), поэтому определяется этот участок непосредственно от внешнего торца конической втулки 4.
Внешний диаметр наружной конической поверхности первой металлической шайбы 7 больше соответствующего размера предыдущей металлической шайбы (в этом начальном случае - конической втулки) на величину, учитывающую данный этап смещения горных пород в кровле выработки. Коническая форма наружной поверхности первой металлической шайбы 7 и ее толщина способствуют сдвигу деформированных шайб 6 из податливого материала с одинаковым модулем упругости сначала по оставшемуся свободным участку образующей боковой поверхности конической втулки 4, а затем - по этой поверхности, и их последующему поочередному удалению. Дополнительным фактором, учитывающим данный этап смещения горных пород в кровле выработки, является толщина первой металлической шайбы 7.
При дальнейшем развитии смещения горных пород и достижении предельных значений смещения кровли выработки, доля усилия внедрения в процентах от несущей способности замка вновь должна быть изменена, будучи определенной из вышеуказанного выражения. Это достигается тем (фиг. 4), что вторая металлическая шайба 7, предварительно вставленная и зафиксированная на заданной для этого этапа высоте между шайбами 6, достигает конической втулки 4, движется и фиксируется на ней, поскольку ее внутренняя коническая поверхность имеет размеры, равные размерам ответного участка конической втулки 4. Это вторая металлическая шайба 7, поэтому определяется этот участок на уровне толщины предыдущей (первой) металлической шайбы 7.
Внешний диаметр наружной конической поверхности второй металлической шайбы 7 больше соответствующего размера предыдущей, первой металлической шайбы на величину, учитывающую данный этап смещения кровли выработки. Коническая форма наружной поверхности второй металлической шайбы 7 и ее толщина способствуют сдвигу деформированных шайб 6 из податливого материала с одинаковым модулем упругости сначала по оставшемуся свободным участку образующей боковой поверхности конической втулки 4, а затем - по этой поверхности, и их последующему поочередному удалению. Дополнительным фактором, учитывающим данный этап смещения горных пород в кровле выработки, является толщина второй металлической шайбы 7.
2
Пример: для выработки сечением 10 м, проводимой на глубине 300 м по пласту мощностью 1,5 м с присечкой пород кровли средней крепости =3…5, срок службы 2 года. Выработка погашается очистными работами, смещение пород за весь срок службы выработки составляет 200-210 мм. Усилие закрепления замков анкеров составляет 38-40 кН. Усилие затяжки анкера при его установке должно составлять 60-70% от несущей способности замка 2, или 23-28 кН, тогда усилие внедрения конической втулки 4 из вышеуказанного выражения составит
27752 Н =
= 27,8 кН,
где =48 МПа - модуль упругости материала податливых шайб при растяжении; =0,6 - коэффициент трения конической втулки 4 с металлическими шайбами 7 по шайбам 6 из податливого материала; =50 мм, r=11 мм - внешний и внутренний радиусы шайб 6 из податливого материала; =20 мм - высота конической втулки 4; =46 мм - внешний диаметр наружной конической поверхности начальной (нулевой) металлической шайбы, выраженный большим диаметром конической втулки 4; =22 мм - малый диаметр конической втулки 4 (фиг.2).
В дальнейшем, при развитии смещения горных пород в кровле выработки усилие внедрения конической втулки 4 должно составлять 70-80% от несущей способности замка 2, т.е. 27-32 кН, при внедрении в первую металлическую шайбу 7 толщиной =4 мм и внешним диаметром наружной конической поверхности =56 мм, из вышеуказанного выражения составит
= 31452 Н = 31,5 кН.
При приближении к предельным значениям смещения горных пород в кровле выработки усилие внедрения конической втулки 4 составляет 80-90% от несущей способности замка 2, т.е. 30-36 кН, при внедрении во вторую металлическую шайбу 7 толщиной =2 мм ( мм) и внешним диаметром наружной конической поверхности  = 66 мм, из вышеуказанного выражения составит
В предлагаемой полезной модели заявляемый технический результат обеспечивается:
использованием в пакете шайб из податливого материала с одинаковым модулем упругости. Наличие в предлагаемом техническом решении многочисленных, но унифицированных шайб снижает трудоемкость, упрощает сборку узла податливости, исключает ошибки при сборке, чем увеличивает последующую безотказность при эксплуатации, а, следовательно, повышает работоспособность анкера, то есть тем самым обеспечивается заявляемый технический результат;
вставкой и фиксацией на заданной высоте от конической втулки в пакете между шайбами из податливого материала металлических шайб различной толщины с наружной и внутренней коническими поверхностями, при этом внешний диаметр наружной конической поверхности каждой последующей металлической шайбы больше соответствующего размера предыдущей металлической шайбы на величину, учитывающую этап смещения кровли выработки, а внутренняя коническая поверхность каждой последующей металлической шайбы имеет размеры, равные размерам ответного участка конической втулки на уровне высоты предыдущей металлической шайбы. Наличие в предлагаемом техническом решении металлических шайб различной толщины, различного внешнего диаметра наружной конической поверхности каждой из них, а также размеров внутренней конической поверхности, исключает ошибки при сборке и позволяет однозначно вставить и зафиксировать на заданной высоте от конической втулки в пакете, что увеличивает последующую безотказность при эксплуатации, тем самым обеспечивая заявляемый технический результат. Кроме того, оперативная перекомпоновка узла податливости из элементов, составляющих данный признак полезной модели, позволяет непосредственно при эксплуатации анкера в выработке на различных этапах смещения кровли (последовательно на этапах: установки анкера, его работы в условиях начальной зоны смещения горных пород в кровле выработки, в условиях развивающихся смещений горных пород в средней зоне смещения, и, наконец, в условиях достижения предельных значений смещения кровли выработки) обеспечить требуемую для каждого вышеназванного этапа долю усилия внедрения в процентах от несущей способности замка анкера, чем повысить способность  анкера длительно выполнять заданную функцию с установленными требованиями, то есть повысить работоспособность анкера и тем самым обеспечить заявляемый технический результат;
определением по мере приближения конической втулки к опорной плите, на различных этапах смещения кровли выработки, усилия внедрения конической втулки в сборе с металлическими шайбами в пакет из вышеуказанного выражения. Использование вышеуказанного выражения при определении для каждого этапа смещения кровли при эксплуатации анкера в выработке требуемой доли усилия внедрения в процентах от несущей способности замка анкера позволяет осуществить правильную первоначальную сборку и оперативную перекомпоновку узла податливости анкера также для каждого вышеназванного этапа, тем самым повысить способность анкера длительно выполнять заданную функцию с установленными требованиями, то есть повысить работоспособность анкера и тем самым обеспечить заявляемый технический результат.