КАНАТНЫЙ АНКЕР
ROPE BOLT

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для крепления контура подземных горных выработок.
Известно натяжное устройство канатного анкера [1], которое включает муфту с осевым каналом для крепления каната, в которой на центральной пряди каната размещена втулка, и опорная гайка, установленная на муфте с помощью резьбового соединения. Втулка имеет разнонаправленные конические поверхности, сопряженные основаниями, и снабжена каналом для пропуска центральной пряди каната, а осевой канал муфты имеет поверхность, повторяющую поверхность втулки. При этом с одного конца муфта снабжена трубой, охватывающей канат, и обжата вокруг каната в радиальном направлении, а с противоположного торца муфты в зазоре между поверхностью осевого канала муфты и прядями каната установлена путем вдавливания упругая гильза с продольными прорезями в корпусе. Причем гильза снабжена многогранной головкой, размещенной с возможностью соединения с приспособлением для силового воздействия на нее и упора в торец муфты.
Недостатком натяжного устройства канатного анкера является сложность конструкции закрепления каната с муфтой.
Известно натяжное устройство [2], которое включает опорную муфту, соединенную в осевом отверстии с коническим переходом от большого диаметра к меньшему с прядями каната посредством конической втулки. Коническая втулка охватывает центральную прядь и по радиусу, как и ответная поверхность муфты, переходит в цилиндрическую. Цилиндрическая часть втулки размещена в цилиндрической части осевого отверстия муфты с образованием зазоров между прядями каната на их выходе из торца, к которому присоединен герметизатор. У противоположного торца опорной муфты противоположные стенки осевого отверстия вскрыты отверстиями, перпендикулярными осевому с возможностью размещения в них вилки быстроразъемного соединения.
Недостатком является сложность нагнетания в шпур закрепляющих составов через натяжное устройство.
Известно натяжное устройство канатного анкера [3], которое включает муфту, соединенную с канатом в осевом отверстии посредством клиновой втулки. Муфта содержит резьбу и гайку на внешней поверхности. В торце муфты с канатом выполнена кольцевая проточка, в которой установлена направляющая, охватывающая канат, а на противоположном конце внешняя поверхность муфты выполнена шестигранной формы.
Недостатком натяжного устройства канатного анкера является низкая надежность закрепления каната в муфте.
Известен канатный анкер [4], включающий множество скрученных прядей проволок каната, муфты для соединения концов прядей каната с хвостовиком, опорных элементов, головки анкера у дна скважины. Он выполнен с ограничителями радиального перемещения проволок прядей каната и местами разъединения контакта прядей проволок, при этом ограничителем радиального перемещения является спираль, которая в местах разъединения контакта прядей проволок каната пропущена между ними и обвивает пряди с возможностью их относительного перемещения. Головка анкера имеет шнек с линией винта, противоположной навивке спирали.
Недостатком канатного анкера является снижение прочностных характеристик каната и сложность вплетения дополнительной пряди в канат.
Известен канатный анкер [5], который включает грузонесущий канат с воздухоотводящей трубкой, соединенный с муфтой в ее осевом отверстии с присоединенной к ней трубой герметизатора, охватывающей канат и воздухоотводяшую трубку и содержащей упругую втулку герметизатора. На трубе с внешней стороны выполнена кольцевая проточка, которая углублена дополнительной кольцевой проточкой со сквозными отверстиями, перекрытыми обратным клапаном в виде упругой втулки, внешнюю поверхность которой и кольцевой проточки концентрично охватывает наружная упругая втулка, концы которой обжаты хомутами. С внутренней стороны трубы герметизатора у ее торца в зазоре между канатом и трубой дополнительно размещена полая втулка с пробкой, при этом зазор между канатом и трубой герметизатора у ее торца заделан перемычкой, охватывающей внешние поверхности каната, дополнительной втулки и воздухоотводящей трубки.
Недостатком канатного анкера является сложность его конструкции.
Известен канатный анкер [6], который состоит из скрученных прядей проволок каната, муфты для соединения концов прядей каната, ограничителя радиального перемещения проволок прядей каната, между которыми имеются участки разъединения контактов прядей каната с жесткими вставками. Анкер выполнен с ограничителем перемещения неотвержденной закрепляющей смеси вниз по кольцевому зазору между анкером и стенками шпура. При этом ограничителем перемещения неотвержденной закрепляющей смеси является втулка из упругого материала, которую надевают на анкер. Внешний диаметр втулки принимают равным или больше диаметра шпура, диаметр осевого отверстия втулки принимают равным или меньше диаметра анкера, а расстояние от втулки до забоя шпура определяют из математического выражения.
Недостатком канатного анкера является сложность его установки в шпуре.
Известен анкерный стержень [7], состоящий из трех канатов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из нескольких прядей, скрученных между собой. При этом внутри стержня по всей его длине между канатами установлены распорки, над которыми закреплены хомуты, прижимающие канаты к распоркам. На забойной части анкерного стержня выполнен клинораспорный замок. На хвостовой части анкера размещен хвостовик с тремя отверстиями цилиндрической формы, переходящей книзу в коническую, в которых разрезными клиньями крепятся канаты, а на внешней поверхности хвостовика имеется резьба для натяжной гайки. Через центр хвостовика проходит трубка для подачи скрепляющей смеси, а в верхней части хвостовика располагается опорная шайба. В опорной шайбе выполнено боковое отверстие, через которое подается герметизатор и выходит трубка для отвода воздуха, проходящая также между канатами анкерного стержня до его верхней части. Между натяжной гайкой и опорной шайбой располагается проставка полусферической формы без внутренней резьбы.
Недостатком анкерного стержня является сложность закрепления каната в хвостовике.
Известен канатный анкер [8], который состоит из опорной головки, каната, втулки из сыпучего материала со связующим и подпорным элементом внутри скважины, муфты для соединения концов проволок каната с резьбовым стержнем хвостовика. Внутренняя коническая поверхность муфты взаимодействует с наружными проволоками каната, между которыми размещена коническая втулка на центральной проволоке с радиальным разрезом стенки. Также канатный анкер состоит из стандартных опорных элементов и опорной гайки снаружи скважины. При этом опорная головка изготовлена с осевым отверстием для центральной проволоки каната и продольными каналами на наружной поверхности с глубиной, соответствующей диаметру вложенных наружных проволок каната, которые зафиксированы за опорной головкой. Подпорный элемент выполнен в виде кругового сегмента винтовой конической упругой ленточной спирали, диаметрально сжатой перед монтажом анкера при помощи скобы, вставленной между проволоками каната.
Недостатком канатного анкера является сложность его конструкции.
Известен канатный анкер [9], который включает грузонесущий стержень, изготовленный из каната, на одном конце которого имеется замок, а на другом конце - муфта с трубой герметизатора и герметизирующего элемента, установленного на указанной трубе, охватывающей канат с воздухоотводящей трубкой, пропущенной через зазор между канатом и стенкой трубы герметизатора за пределы герметизирующего элемента с выходом через окно в боковой стенке трубы герметизатора наружу. Герметизирующий элемент выполнен из набора упругих колец, установленных в кольцевых ложбинках на трубе герметизатора и имеющих внешний диаметр, превышающий на 1-5 мм диаметр шпура, при этом проходное сечение воздухоотводящей трубки, сообщающееся с атмосферой, загерметизировано от полости трубы герметизатора. Перед первым упругим кольцом на трубе герметизатора установлено жесткое кольцо, имеющее внешний диаметр меньше диаметра шпура.
Недостатком канатного анкера является низкая надежность системы герметизации анкера.
Известен канатный анкер [10], который содержит пряди каната с замком, опорную муфту с внешней резьбой для гайки и осевым отверстием с клином для фиксации прядей каната в нем. Внутренняя поверхность опорной муфты выполнена из сопряженных между собой цилиндрической и конической частей с продольными пазами для укладки в них прядей каната. Клин имеет продольные прорези по форме контактирующих с ними прядей каната. Анкер снабжен жесткими проставками, установленными по оси каната, и над ними и между ними поверх прядей каната размещены упругие эластичные покрытия, имеющие внешний диаметр, не превышающий диаметр скважины, в которой установлен анкер.
Недостатком канатного анкера является сложность его установки в шпур.
Известен канатный анкер [11], который состоит из множества проволок прядей каната, муфты для соединения концов проволок прядей каната, ограничителей радиального перемещения проволок прядей каната. Муфта соединена резьбой со стержнем хвостовика анкера, на котором размещены опорные элементы и опорная гайка, и имеет коническую поверхность, с которой взаимодействуют наружные проволоки прядей каната, между которыми размещен клин, причем пряди каната, размещенные в скважине, образованной в геологической структуре, в интервалах между ограничителями радиального перемещения проволок прядей каната разъединены вставками с возможностью относительного перемещения и изгиба прядей каната. Разъединенные пряди каната могут быть охвачены с внешней стороны разделенной вдоль оси на части конической втулкой, снабженной упругими усами. Клин может быть выполнен в виде несплошной втулки, охватывающей центральную проволоку каната, и иметь внешнюю коническую поверхность и резьбу на поверхностях контакта с проволоками каната. Клин может иметь впадины, совпадающие с профилем охватывающих его прядей каната.
Недостатком канатного анкера является снижение прочностных характеристик каната.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является канатный анкер [12], который включает помещенный в шпур для взаимодействия с закрепляющим материалом и стенками шпура грузонесущий канат, хвостовая часть которого расположена в осевом отверстии опорной муфты посредством охватывающей центральную прядь грузонесущего каната втулки с конической поверхностью, переходящей в цилиндрическую, помещенную в цилиндрической части осевого отверстия опорной муфты, на внешней резьбовой поверхности которой помещена опорная гайка, герметизатор в виде толкателя цилиндрической формы, упругую втулку, пробку с отверстием для нагнетания закрепляющего материала и обратным клапаном. Снабжен направляющей трубой, через которую проходит хвостовая часть грузонесущего каната, воздухоотводящей трубкой, монтажной гайкой, стаканом толкателя, при этом направляющая труба установлена герметично в кольцевой проточке торца опорной муфты, которая подпирает посредством опорной гайки стакан толкателя, охватывающего направляющую трубу и подпирающего торец упругой втулки, размещенной на поверхности направляющей трубы и опертой противоположным торцом в торец стальной втулки, закрепленной на направляющей трубе, при этом центральную прядь грузонесущего каната в направляющей трубе охватывает трубка, на поверхности которой размещены наружные пряди грузонесущего каната вместе с воздухоотводящей трубкой, которая вместе с наружными прядями грузонесущего каната охватывает коническую втулку и пропущена герметично через отверстие в пробке, которая присоединена к торцу опорной муфты посредством монтажной гайки, навинченной ниже опорной гайки, а отверстие для нагнетания закрепляющего материала в пробке с внутренней стороны перекрыто установленным между пробкой и опорной муфтой обратным клапаном лепесткового типа, а с наружной стороны посредством трубки для нагнетания закрепляющего материала связано с быстроразъемным соединением, связанным, в свою очередь, с нагнетательным рукавом. Отверстие для воздухоотводящей трубки в пробке выполнено уступной формы с резьбовой частью, в которую ввинчен штуцер, подпирающий уплотнительное кольцо, в осевом отверстии которого размещен конец воздухоотводящей трубки и жало заглушки, соединенной со штуцером с возможностью перекрытия отверстия воздухоотводящей трубки жалом.
Недостатком канатного анкера является сложность его конструкции.
Задачей изобретения является повышение технологичности изготовления и установки, а также конструктивной надежности канатного анкера и эффективности его закрепления в шпуре.
шн
шн
шп
шп
1
кл
зп
кл
зп
кк
кк
кл
ш
ш
Решение поставленной задачи достигается тем, что в качестве головки канатного анкера на расстоянии l=5-10 мм от конца каната устанавливается конический шнек, диаметр основания d которого определяется из выражения d=0,8d, где d - диаметр шпура, муфта на внешней поверхности имеет резьбу и гайку для натягивания каната, а на конце шестигранную поверхность с цилиндрическим хвостовиком шириной l=5-10 мм и радиусом, вписанным в правильный шестиугольник, внутри муфта имеет канал для пропуска и крепления каната, повторяющий форму защемляющего клина, в котором находится деформационная щель и канал для пропуска прядей несущей части каната, имеющий коническую форму, переходящую в цилиндрическую, при этом для прочного закрепления защемляющего клина его длина L принимается в зависимости от диаметра защемленной несущей части каната d и рассчитывается по формуле L=(11÷13)d, длина конической части клина L принимается из выражения L=(0,5÷0,7)L, угол наклона конической поверхности изменяется в диапазоне α=2,5÷3,5°, а ширина деформационной щели l зависит от диаметра защемленной несущей части каната находится в диапазоне l=1,3÷2,0 мм.
Сущность работы канатного анкера поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид расположения канатного анкера в шпуре.
На фиг. 2 дан вид и разрез А-А защемляющего клина.
На чертежах приняты следующие условные обозначения: 1 - головка канатного анкера, 2 - канат из скрученных прядей, состоящих из множества проволок, 3 - опорная шайба, 4 - муфта, 5 - натяжная гайка, 6 - защемляющий клин, 7 - шпур, 8 - ампула закрепляющей смеси, 9 - шестигранный конец муфты, 10 - цилиндрический конец муфты.
Ввод канатного анкера 2 в шпур 7, в забойную часть которого предварительно размещаются ампулы закрепляющей смеси 8, производится путем его вращения от бурильной установки. Канат головной частью при вращении разрушает ампулы 8, и закрепляющая смесь растекается по зазорам, закрепляя канатный анкер 2 в шпуре 7, при этом материал ампул (пластик) препятствует процессам закрепления и перемешивания смеси.
шк
шк
шп
шп
Конический шнек 1, установленный в качестве головки канатного анкера на расстоянии l=5-10 мм от забойного конца каната, зубками и/или винтовой нарезкой разрушает материал ампул 8 и дополнительно перемешивает закрепляющую смесь, что способствует более прочному и быстрому закреплению канатного анкера 2 в шпуре 7, при этом предотвращает распускание прядей каната 2 при вращении. Диаметр основания конического шнека d выбирается по формуле d=0,8d, где d - диаметр шпура, что позволяет куски материала ампул перепускать из верхней части в низ шпура.
1
Нижний конец канатного анкера 2 механически закрепляется на муфте 4, которая на внешней поверхности имеет резьбу и гайку 5 для натягивания каната 2, а на конце шестигранную поверхность 9 с цилиндрическим хвостовиком 10 шириной l=5-10 мм и радиусом, вписанным в правильный шестиугольник, внутри муфта имеет канал для пропуска и крепления каната, повторяющий форму защемляющего клина. Закрепление каната 2 производится путем заклинивания несущей части каната защемляющим клином 6, при этом производится постепенное натягивание каната путем закручивания натяжной гайки 5 на опорную шайбу 3 по мере закрепления его в шпуре.
Шестигранная форма конца муфты 9 и цилиндрический хвостовик 10 предусматриваются для удобства монтажа канатного анкера с использованием бурильной установки.
кл
зп
кл
зп
кк
кл
кк
ш
ш
Результаты исследований прочностных характеристик закрепления каната в муфте защемляющим клином показали, что наилучшими показателями обладает защемляющий клин, имеющий следующие параметры: L=(11÷13)d, где L - длина клина, d - диаметр защемленных несущих прядей каната; L=(0,5÷0,7)L, где L - длина конической части клина; α=2,5÷3,5° - угол наклона конической поверхности; l=1,3÷2,0 мм, где l - ширина деформационной щели, которая после смятия заклинивает канат в муфте на «мертво».
Технический результат - повышение технологичности изготовления и установки, а также конструктивной надежности канатного анкера и эффективности его закрепления в шпуре.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Патент РФ №2418952. Натяжное устройство канатного анкера. МПК E21D 21/00. Патентообл. Ануфриев В.Е., Изобрет. Ануфриев В.Е., Павловец А.Я., Барковский В.В.. Заявл. 07.07.2009. Опубл. 20.01.2011.
2. Патент РФ №2281398. Натяжное устройство канатного анкера. МПК E21D 21/00. Патентообл. Ануфриев В.Е. Изобрет. Ануфриев В.Е. Заявл. 09.06.2004. Опубл. 10.08.2006.
3. Патент РФ №2281397. Натяжное устройство канатного анкера. МПК E21D 21/00. Патентообл. Ануфриев В.Е. Изобрет. Ануфриев В.Е. Заявл. 26.03.2004. Опубл. 10.08.2006.
4. Патент РФ №2202042. Канатный анкер. МПК E21D 21/00. Патентообл. Ануфриев В.Е. Изобрет. Ануфриев В.Е. Заявл. 18.12.2000. Опубл. 10.04.2003.
5. Патент РФ №2178123. Канатный анкер. МПК E21D 21/00. Патентообл. Ануфриев В.Е. Изобрет. Ануфриев В.Е., Павловец А.Я., Гречишкин П.В. Заявл. 26.02.2008. Опубл. 27.06.2009.
6. Патент РФ №2407895. Канатный анкер. МПК E21D 21/00. Патентообл. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)». Изобрет. Зубов В.П., Рогачков А.В., Осминин Д.В. Заявл. 22.06.2009. Опубл. 27.12.2010.
7. Патент РФ №2505678. Крепь анкерная канатная высокой несущей способности. МПК E21D 21/00. Патентообл. Ногих В.Р., Ногих СР. Изобрет. Ногих В.Р., Ногих СР. Заявл. 14.06.2012. Опубл. 27.01.2014.
8. Патент РФ №2383739. Канатный анкер. МПК E21D 21/00. Патентообл. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет». Изобрет. Хамеляйнен В.А., Майоров А.Е., Майорова А.В. Заявл. 27.10.2008. Опубл. 10.03.2010.
9. Патент РФ №2360122. Канатный анкер для крепления горных выработок. МПК E21D 21/00. Патентообл. Ануфриев В.Е. Изобрет. Ануфриев В.Е. Заявл. 26.02.2008. Опубл. 27.06.2009.
10. Патент РФ №2373396. Канатный анкер. МПК E21D 21/00. Патентообл. Ануфриев В.Е. Изобрет. Ануфриев В.Е. Заявл. 30.06.2008. Опубл. 20.11.2009.
11. Патент РФ №2178082. Канатный анкер. МПК E21D 21/00. Патентообл. Ануфриев В.Е. Изобрет. Ануфриев В.Е. Сурков А.В., Франкевич Г.С, Штумпф Г.Г. Заявл. 10.08.1999. Опубл. 10.01.2002.
12. Патент РФ №2352784. Канатный анкер. МПК E21D 21/00. Патентообл. Ануфриев В.Е., Институт угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИУУ СО РАН) (RU). Изобрет. Ануфриев В.Е., Павловец А. Я. Заявл. 26.04.2007. Опубл. 20.04.2009.