Анкер с узлами уширения на головном конце

Заявляемая полезная модель относится к горному делу и может быть использована при креплении или усилении крепи горных выработок.
Известны упругие элементы канатного анкера (патент РФ №30390, МПК E21D 21/00, опубл. 27.06.2003), включающие множество наружных прядей скрученного каната, муфту для передачи нагрузки с опорных элементов на канат. Поверхность наружных прядей каната выполнена с углублениями по профилю винтовой линии.
Недостаток - при закреплении анкера ампульным способом плохо перемешивается закрепляющий материал, в результате чего образуется неплотная структура закрепляющей втулки, которая не может обеспечить необходимую прочность закрепления и несущую способность при повышенных нагрузках на анкер, возможно выкручивание анкера из закрепляющей втулки, вырывание анкера из отверстия.
В качестве прототипа принят канатный анкер (патент РФ №2178082, МПК E21D 21/00, опубл. 10.01.2002), состоящий из множества проволок прядей каната, муфты для соединения концов проволок прядей каната, ограничителей радиального перемещения прядей канатов в виде хомутов, между которыми имеются участки разъединения контактов прядей каната жесткими вставками (узел уширения), муфта соединена с канатом посредством клина, пряди каната в местах их разъединения с внешней стороны охвачены разделенной вдоль оси на части конической втулкой с упругими усами. Такой вариант исполнения эффективен для закрепления каната цементными смесями нагнетательным способом.
Недостатки такого анкера проявляются при закреплении его ампулами путем подачи и вращения. При закреплении коническая втулка с усами будет препятствовать вращению анкера за счет трения о стенки шпура, что может привести к неполному перемешиванию закрепляющего материала полимерных ампул, разматыванию троса и повреждению анкера. При досылке анкера ко дну шпура высока вероятность заклинивания конической втулки с усами в шпуре, соответственно анкер не будет установлен в проектное положение и закреплен, а при подаче с усилием, возможно, его повреждение. При этом заклиненный анкер практически невозможно извлечь из шпура, не повредив его. Конструктивно не приспособлен для шпуров малых диаметров. Невозможно обеспечить достаточный уровень несущей способности и прочности закрепления анкера для различных условий.
Техническим результатом является повышение прочности закрепления анкера, обеспечение наилучшего его сцепления с закрепляющим материалом и отверстием, необходимой несущей способности и работоспособности крепи при различном характере нагрузок.
Технический результат достигается тем, что анкер с узлами уширения на головном конце, содержащий стержень, узлы уширения, согласно техническому решению количество узлов уширения определяется по следующей формуле
a
yy
n=N/N
где n - количество узлов уширения,
a
N - несущая способность анкера, т,
yy
yy
N - прочность закрепления анкера при одном узле уширения, т, при этом N имеет пределы от 1 т до 10 т.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - головной конец анкера с узлами уширения, образованными кольцами, фиг. 2 - головной конец анкера с узлами уширения, образованными кольцом и шнеком, на фиг. 3 - узел уширения, образованный кольцом и шнеком, на фиг. 4 - головной конец анкера с узлами уширения, образованными шнеком, на фиг. 5 - узел уширения, образованный шнеком, на фиг. 6 - анкер с узлами уширения на головном конце в шпуре.
Анкер с узлами уширения на головном конце (фиг. 1, 2, 4) предназначен для закрепления в отверстиях (шпурах, скважинах), в том числе в отверстиях малых диаметров. Наиболее часто анкер с таким головным концом используется для отверстий диаметром от 25 до 50 мм при креплении ампульным или нагнетательным, или ампульно-нагнетательным способом.
Анкер с узлами уширения на головном конце (далее анкер) содержит стержень 1, узлы уширения 2. Стержень 1 может быть выполнен из различных материалов (металлических, полимерных, композитных и т.п.). Наиболее оптимально применение стержня в виде многожильного троса (далее трос 1), который может быть выполнен правой или левой свивки, например, семижильного. При этом узел уширения 2 может быть образован кольцом 3 и шнеком 4 (фиг. 3) или кольцами и шнеком, или кольцом, или кольцами, или шнеком (фиг. 5). 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 троса 1, или на внешние жилы троса 1, или на центральную и внешнюю жилы 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 троса и/или проволоки (шнека). Шнек 4 может быть образован 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 образован проволокой, которая охватывает (обвивает) трос 1 и проходит между жилами троса 1 или охватывает трос 1 с узлами уширения 2 с внешней стороны. Шнек 4 имеет такую навивку, чтобы при вращении анкера противодействовать стеканию закрепляющего материала, а также выгонять воздух.
На работоспособность крепи в значительной степени влияют прочность закрепления анкера, прочностные свойствами грузонесущего стержня, определяющие ее несущая способность. Одним из факторов, позволяющим обеспечить необходимую работоспособность крепи, является количество узлов уширения на головном конце анкера, которое предлагается определять по следующей формуле:
a
yy
n=N/N
где n - количество узлов уширения,
a
N - несущая способность анкера, т,
yy
yy
N - прочность закрепления анкера при одном узле уширения, т, при этом N имеет пределы от 1 т до 10 т.
yy
Опытным путем было установлено, что прочность закрепления анкера при одном узле уширения (N) от 1 т до 10 т, исходя из этого, учитывая несущую способность анкера, определяется необходимое количество узлов уширения (при получении нецелочисленного значения производят округление в большую сторону). На выбор определенного количества узлов уширения также влияют размеры шпура, характер и величина нагрузки на крепь, технические характеристики анкера, его диаметр, закрепляющий материал.
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. Для повышения сопротивления нагрузкам анкерной крепи и ее работоспособности, кроме количества узлов уширения, можно учитывать вид узлов уширения для конкретной нагрузки. Например, динамические и циклические нагрузки могут возникать при движении дизелевоза по подвесной монорельсовой дороге, закрепленной на анкерной крепи. Для головных концов при таких условиях выбирают узлы уширения 2 с кольцами 3 или кольцами 3 и шнеком 4. Такие узлы уширения 2 являются жесткими, поэтому при растягивающих нагрузках, действующих на анкер, при растяжении троса 1 свойства узлов уширения 2 сохраняются. Анкер с таким головным концом способен выдерживать динамические и циклические нагрузки без повреждения закрепляющей втулки 5, так как кольца 3 не позволяют стержню анкера сжиматься и разжиматься и тем самым разрушать ее, предотвращая вырывание анкера из нее. Для шпуров малого диаметра больше подходят анкеры с головными концами, имеющими узлы уширения 2 с кольцами 3, в связи с тем, что они менее объемны, но при этом являются жесткими и прочными.
a
yy
Пример установки при ампульном способе закрепления канатного анкера, выполненного из семижильного троса, с головным концом, имеющим узлы уширения 2 (фиг. 6). 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. 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 достаточно для обеспечения прочности закрепления и несущей способности крепи. После отверждения закрепляющего материала на муфту 6 надевают опорный элемент 7 и накручивают гайку 8.
Заявляемое техническое решение позволяет обосновать параметры головного конца анкера, обеспечивающие наилучшее его сцепление с закрепляющим материалом и отверстием, гарантированную прочности закрепления, необходимую несущую способность и работоспособность крепи при различном характере нагрузок.