АНКЕР
ANCHOR

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для анкерного крепления горных выработок.
Известен анкер с минеральным заполнителем (патент РФ №2166635, МПК E21D 21/00, опубл 2001.05.10), включающий грузонесущий стержень с опорной головкой на замковом конце, втулку из минерального заполнителя в зазоре между стенками скважины и стержнем, подпорную шайбу, выполненную эксцентричной в виде втулки с упругими полями, опертыми на стенки скважины, и надетую на стержень со стороны устья скважины, опорные элементы и гайку вне скважины.
Недостатком данного анкера является возможное снижение надежности его работы во времени. Частицы сыпучего материала закрепляющей втулки смачиваются водой в процессе установки анкера в скважине для повышения их плотности упаковки и взаимной слипаемости, что предотвращает рикошетный вылет с обратным потоком воздуха из скважины при механизированном пневмозаполнении. Водяное пленочное покрытие частиц сыпучего материала технологично, дешево и не препятствует их взаимной подвижности, необходимой при нагружении и работе анкера. Однако при установке анкера стенки скважины дополнительно смачиваются и со временем теряют свою прочность, а в восстающих скважинах подсохшая часть сыпучего материала закрепляющей втулки при определенных условиях может высыпаться внутрь выработки через трещины в критическом объеме (подтверждено шахтными испытаниями), что приведет к выпадению анкера.
Известен анкер (патент на изобретение РФ №2321749 Анкер. / В.А.Хямяляйнен, А.Е.Майоров. МПК Е21D 21/00, опубл 2008.04.10), принятый за прототип, включающий грузонесущий стержень с эксцентрично расположенной у дна скважины опорной головкой, установленную на стержне втулку из сыпучего материала с эластичным связующим частиц и эксцентрично расположенным продольным отверстием, подпорный элемент внутри втулки в виде упругой проволоки с выступающими снаружи втулки концами, опорные элементы и гайку вне скважины.
Недостатком данного анкера является возможное проскальзывание втулки вдоль стенок скважины в начале нагружения анкера при сложных условиях эксплуатации горной выработки за счет недостаточного развития усилий распора сыпучего материала на стенки скважины Например, обводненность вмещающих горных пород и наличие глинистых прослоев приводит к «заиливанию» поверхности стенок скважины, что может привести к критичному смещению анкера. При этом для торможения относительного движения втулки применяется только подпорный элемент, что в определенных условиях недостаточно для развития необходимых сил трения и сцепления, выполнения условия предварительного нагружения анкерной крепи для надежного введения ее в работу.
Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности работы анкера при относительно низкой его стоимости.
Указанная задача достигается тем, что в анкере, включающем грузонесущий стержень с эксцентрично расположенной у дна скважины опорной головкой, установленную на стержне втулку из сыпучего материала с эластичным связующим частиц и эксцентрично расположенным продольным отверстием, подпорные элементы внутри втулки в виде упругой проволоки с выступающими снаружи втулки концами, опорные элементы и гайку вне скважины, согласно изобретению втулка из сыпучего материала имеет сформированные до монтажа анкера наружные выступы с габаритным размером больше диаметра скважины, при этом в наружных выступах расположены концы подпорных элементов.
Кроме того, особенность конструкции заключается в том, что наружные выступы втулки сформированы из сыпучего материала с эластичным связующим частиц; наружные выступы втулки сформированы из эластичного связующего частиц, объем наружных выступов втулки, превышающих диаметр скважины до монтажа анкера, не более объема впадин.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид анкера в сборе в скважине, на фиг.2 изображен первый вариант конструкции втулки, варианты форм наружных выступов которой представлены на фиг.3 (игольчатая) и фиг.4 (кольцевая), на фиг.5 изображен второй вариант конструкции втулки, форма наружных выступов которой представлена на фиг.6 (гребенчатая), на фиг.7 изображен третий вариант конструкции втулки с волновым профилем наружной поверхности.
Анкер, закрепленный в скважине 1 (фиг.1), состоит из грузонесущего стержня 2 с эксцентрично навинченной на донный конец анкера опорной головкой 3, втулки 4 с эксцентрично расположенным продольным отверстием и выполненной из сыпучего материала (например, кварцевый песок с крупностью частиц до 2 мм), поровое пространство которого заполнено эластичным связующим (например, материалы на основе каучука или высокомолекулярных соединений полимеров, технических силиконов), а также подпорных элементов 5 из упругой проволоки, вставленных во втулку 4 при ее изготовлении с выступающими снаружи втулки 4 концами, стандартных опорных элементов в виде решетчатой затяжки 6 и опорной шайбы 7, гайки 8, навинченной на хвостовик анкера.
Монтаж анкера осуществляют следующим образом. Вслед за подвиганием забоя производят бурение скважин 1 по схеме согласно паспорту крепления. На грузонесущий стержень 2 анкера, с предварительно эксцентрично навинченной на донный конец опорной головкой 3, со стороны хвостовика анкера надевают до упора в опорную головку 3 втулку 4 с эксцентрично расположенным продольным отверстием. При помощи досылочной трубы (не показана) собранную конструкцию вводят в скважину 1 до глубины, соответствующей длине анкера без хвостовой части. Выпадение анкера из вертикальных скважин предотвращают подпорные элементы 5 из упругой проволоки, концы которых расположены в наружных выступах (игольчатых, кольцевых, гребенчатых, с волновым профилем наружной поверхности) втулки различной формы (фиг.2, 3, 4, 5, 6 и 7). Далее, на хвостовик грузонесущего стержня 2 (фиг.1) вне скважины надевают стандартные опорные элементы в виде решетчатой затяжки 6 и опорной шайбы 7 и создают предварительное натяжение, навинчивая гайку 8 на хвостовик анкера с усилием согласно данным паспорта крепления.
При установке собранной конструкции анкера в скважину расположенные внутри наружных выступов втулки концы подпорных элементов в виде репера распираются в шероховатую поверхность стенок скважины. При этом наружные выступы втулки, превышающие диаметр скважины до монтажа анкера, сминаются с упругим сдвигом части объема во впадины, создавая при заклинивании частиц сыпучего материала дополнительное усилие распора за счет сил трения и сцепления. Указанные процессы блокируют смещения втулки и необходимы для более эффективного введения анкера в работу при предварительном нагружении в сложных условиях и для удобства установки анкера в вертикальных скважинах, предотвращая его выпадение при проведении монтажных работ. В зависимости от состояния наружной поверхности стенок скважины и используемой технологии ведения горных работ применяют различные конструкции втулок с различным количеством подпорных элементов. При этом увеличение количества подпорных элементов, общего объема наружных выступов втулки, а соответственно, и площади контакта поверхностей после введения конструкции в скважину увеличивает величину сопротивления втулки на сдвиг относительно стенок. Разновидности конструкций втулок подбираются при натурных испытаниях для конкретных условий применения и регламентируются паспортом крепления горной выработки. Для повышения технологичности монтажа анкера подпорный элемент вставлен во втулку из сыпучего материала. С целью упрощения и удешевления конструкции подпорный элемент изготовлен, например, из обрезка проволоки с загнутым концом для лучшей фиксации внутри втулки.
При нагружении анкера фактически происходит продвижение грузонесущего стержня и опорной головки в среде сыпучего материала, объем которой ограничен стенками скважины. Опорная головка, работающая по принципу поршня в скважине, смещает и уплотняет частицы сыпучего материала, происходят процессы дилатансии, перераспределение частиц в ограниченном объеме и их смещение по схеме «сдвиг + поворот» с одновременным деформированием втулки. Под головкой анкера происходит заклинивание частиц сыпучего материала. При дальнейшем нагружении анкера в сыпучем материале формируются устойчивые взаимовлияющие слои распора, передающие усилия отпора от стенок скважины и закрепляющие анкер за счет сил трения, сцепления. При этом максимум радиального давления на стенки скважины расположен непосредственно под опорной головкой с последующим плавным вырождением по длине столба сыпучего материала. Тонкая пленка эластичного связующего, покрывающая частицы сыпучего материала, соединяет и не препятствует их взаимному перемещению при нагружении анкера, практически не нарушая механизм взаимодействия, прорываясь в местах контакта частиц, заполняет поровое пространство втулки. Частицы сыпучего материала образуют связанную и взаимоподвижную систему, не имеют возможности просыпания в трещины. Таким образом, сохраняется работоспособность втулки и анкера во времени даже в обводненных выработках с глинистыми прослоями и зонах интенсивной трещиноватости горных пород. Применение эластичного связующего, имеющего стабильные свойства во времени, позволяет создать технологичную конструкцию втулки с длительным сроком эксплуатации, хранения и без применения особых мер охраны от механических повреждений при транспортировке.
Для уменьшения податливости анкера и его более эффективного включения в работу опорная головка изготовлена с конической наружной поверхностью, а втулка из сыпучего материала выполнена с продольными разрезами стенки со стороны опорной головки, что позволяет при предварительном нагружении анкера сразу ввести в зацепление частицы сыпучего материала, заклинивая тем самым опорную головку и грузонесущий стержень в скважине с минимальным осевым смещением.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить надежность работы анкера при его относительно низкой стоимости.