АНКЕР (ВАРИАНТЫ)
ANCHOR (VERSIONS)

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для крепления горных выработок.
Известен фрикционный трубчатый анкер по патенту РФ №2436961, кл. E21D 21/00, опубл. 20.12.2011 г., включающий расширяемую трубку, соединенную с втулкой, и втулкообразную муфту, насаженную на втулку с противоположной расширяемой трубке стороны. При этом втулкообразная муфта со стороны, противоположной вставленной в нее втулке, выполнена с возможностью приема другого конструктивного элемента.
Анкер имеет сложную конструкцию. Для его установки в скважине необходима высоконапорная система подачи жидкости. Он обладает относительно низкой несущей способностью из-за возможности при снятии давления жидкости отжима боковых поверхностей во внутреннюю полость под действием продольной нагрузки. Все это обуславливает сравнительно низкую эффективность анкера.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является анкер по второму варианту исполнения по патенту РФ №2298101, кл. E21D 21/00, опубл. 27.04.2007 г., БИ №12, включающий разрушаемую втулку из частиц заданных размеров, формы и прочности, скрепленных связующим веществом, прочность которого меньше прочности указанных частиц. Внутри разрушаемой втулки размещена труба, выполненная в виде свернутого в спираль листа. На конце трубы установлена заглушка. Труба заполнена твердеющим веществом, которое при отвердении расширяется.
Такие анкеры предназначены для использования в технологиях массового крепления горных выработок, когда участие в них сравнительно большого числа людей оправдано большим объемом выполняемых работ, обуславливающим относительно малую трудоемкость установки каждого отдельного анкера. При этом технология крепления горных выработок включает организацию участка приготовления указанного вещества и заполнения им анкеров вблизи их установки вне зависимости от объема выполняемых работ. Поэтому со снижением числа используемых для крепления конкретного участка анкеров увеличивается удельная трудоемкость (трудозатраты на установку одного анкера). Кроме того, время между приготовлением указанного вещества и установкой анкера в скважине ограничено, что усложняет согласование регламента технологии крепления горных выработок с расписанием работы исполнителей. Все это делает анкер относительно малоэффективным.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности анкера за счет снижения трудоемкости его подготовки к установке в скважине.
Задача решается тем, что в анкере, включающем деформируемую трубу, заполненную твердеющим веществом, которое при отвердении расширяется, согласно предлагаемому техническому решению деформируемая труба заполнена смесью, образующей при взаимодействии с используемой жидкостью указанное вещество, и выполнена из проницаемого для используемой жидкости материала, при этом анкер выполнен с возможностью сцепления с требуемыми участками скважины путем намотки деформируемой трубы на стержень.
При таком техническом решении подготовка анкера к установке в скважине сводится лишь к пропитке деформируемой трубы с указанной смесью используемой жидкостью, например водой, которая, взаимодействуя со смесью в деформируемой трубе, образует указанное вещество, что легко выполняется непосредственно в месте крепления горной выработки путем опускания анкера в емкость с водой. За счет этого, сохраняя все преимущества использования анкеров подобного принципа работы, устраняется зависимость трудоемкости установки каждого отдельного анкера от количества их использования на конкретном участке. Кроме этого, из технологии крепления горных выработок исключается потребность в организации участка приготовления указанного вещества и заполнения им анкеров, что существенно снижает общие трудозатраты и, как следствие, стоимость выполняемых работ. Возможность сцепления анкера с требуемыми участками скважины снижает стоимость анкера за счет уменьшения расхода деформируемой трубы путем исключения ее намотки по всей длине стержня. В результате повышается эффективность анкера за счет снижения трудоемкости его подготовки к установке в скважине.
Целесообразно при этом стержень выполнить с периодическим профилем. Это существенно увеличивает нагрузочную способность анкера за счет усиления сцепления между стержнем и навитой на него деформируемой трубой, связь которой с горной породой достаточно сильная из-за совпадения ее контактирующей с породным массивом поверхности с неровностями стенок скважины.
Во втором варианте исполнения в анкере, включающем деформируемую трубу, заполненную твердеющим веществом, которое при отвердении расширяется, согласно предлагаемому техническому решению деформируемая труба заполнена водой, используемой в качестве указанного вещества, выполнена из непроницаемого для воды растягивающегося материала, при этом анкер выполнен с возможностью сцепления с требуемыми участками скважины путем намотки деформируемой трубы на стержень.
Использование воды в качестве твердеющего вещества, которое при отвердении расширяется, позволяет крепить горные выработки, пройденные в массивах горных пород с отрицательной температурой, практически без предварительной подготовки анкера к его установке в скважине. Достигается это использованием сочетания уникальной особенности воды расширяться при замерзании и естественных условий залегания горных пород с отрицательной температурой, например в районах вечной мерзлоты. Выполнение деформируемой трубы из непроницаемого для воды растягивающегося материала, навитого на стержень, позволяет удерживать воду до ее замерзания на нужных участках в зазоре между стержнем и стенками скважины. В результате отпадает необходимость использования относительно дорогого указанного вещества, способного, как правило, проявлять требуемые от него свойства только при положительной температуре, и снижается трудоемкость установки анкера в скважине, что повышает его эффективность.
Целесообразно стержень выполнить с периодическим профилем. Это исключает проскальзывания стержня по контакту с навитой на него деформируемой трубой, что существенно увеличивает нагрузочную способность анкера, повышая его эффективность.
В третьем варианте исполнения в анкере, включающем трубу, выполненную в виде свернутого в спираль листа, заполненную твердеющим веществом, которое при отвердении расширяется, согласно предлагаемому техническому решению труба перфорирована и в ней размещены оболочки из проницаемого для используемой жидкости материала со смесью, образующей при взаимодействии с используемой жидкостью указанное вещество.
При таком техническом решении указанное вещество образуют внутри анкера путем опускания его в используемую жидкость непосредственно перед подачей в скважину. Поэтому выполнение требования ко времени, за которое необходимо установить анкер в скважине после подачи в него указанного вещества, здесь по сравнению с прототипом существенно упрощается. В свою очередь это упрощает согласование регламента технологии крепления выработок с расписанием работы исполнителей. В результате снижается трудоемкость подготовки анкера к установке в скважине, что повышает его эффективность.
Целесообразно контактирующую со стенками скважины поверхность трубы выполнить с выступами, например, в виде заостренных шипов. Это существенно усиливает сцепление анкера с горной породой, что при прочих равных условиях увеличивает его нагрузочную способность и, следовательно, повышает эффективность.
В четвертом варианте исполнения в анкере, включающем трубу, выполненную в виде свернутого в спираль листа, заполненную твердеющим веществом, которое при отвердении расширяется, согласно предлагаемому техническому решению в трубе размещены оболочки с водой, используемой в качестве указанного вещества, из непроницаемого для воды растягивающегося материала.
Размещение в трубе воды в оболочках из непроницаемого для нее растягивающегося материала исключает необходимость герметизации трубы. При этом прижатие трубы к горной породе можно осуществлять как на отдельных участках, так и по всей длине скважины. Кроме того, нагрузочная способность анкера определяется характеристиками трубы, контактирующей со стенками скважины непосредственно, и практически не зависит от прочности льда, образующегося в результате замерзания воды. Для установки анкера выполняется только одна операция - подача его в скважину. Все это снижает трудоемкость подготовки и установки анкера в скважине, повышая его эффективность.
Целесообразно контактирующую со стенками скважины поверхность трубы выполнить с выступами, например, в виде заостренных шипов. Это снижает вероятность проскальзывание трубы по контакту со стенками скважины, что повышает нагрузочную способность анкера и, как следствие, увеличивает его эффективность.
Сущность технического решения поясняется примерами конкретного исполнения анкера и чертежами фиг. 1-7.
На фиг. 1 и 2 показан анкер в скважине по первому варианту исполнения, продольный разрез; на фиг. 3 - анкер в скважине по второму варианту, продольный разрез; на фиг. 4 - анкер в скважине по третьему варианту, продольный разрез; на фиг. 5 - разрез А-А на фиг. 4; на фиг. 6 - анкер в скважине по четвертому варианту, продольный разрез; на фиг. 7 - разрез Б-Б на фиг. 6.
Анкер по первому варианту (фиг. 1 и 2) включает деформируемую трубу 1 (далее - труба 1) из проницаемого для используемой жидкости материала, заполненную твердеющим веществом 2 (далее - вещество 2), которое при отвердении расширяется. Труба 1 навита на стержень 3 под требуемый участок крепления анкера в пройденной скважине 4. Стержень 3 может быть выполнен с периодическим профилем, например с кольцевыми выступами 5. Анкер подан в скважину 4. На выходящем из скважины 4 конце стержня 3 выполнена резьба 6 под гайку (на фиг. 1-4, 6 не показана).
Работа анкера по первому варианту осуществляется следующим образом.
Анкер опускают в емкость с жидкостью, которая пропитывает трубу 1, от чего в ней образуется вещество 2. Затем анкер подают в скважину 4. Если анкер необходимо установить в восстающей скважине 4, то до отвердения вещества 2 его удерживают от выпадения из скважины 4 известными способами и техническими средствами. В большинстве случаев (при правильном подборе размеров анкера и скважины 4) анкер в восстающей скважине 4 удерживается силами трения. Очевидно, что для нисходящей скважины 4 удерживать анкер от выпадения из нее не нужно. Дальнейшее закрепление анкера в скважине 4 происходит автоматически.
В качестве стержней 3 в первую очередь предполагается использовать арматуру, которая широко применяется в строительстве (в железобетонных конструкциях). Такие стержни 3 имеют периодический профиль и по своим свойствам (прочности на растяжение и надежности сцепления с вмещающей средой) наиболее полно удовлетворяют требованиям к анкерной крепи.
Для повышения безопасности ведения горных работ путем снижения вероятности травматизма от выпадающих из кровли или стенок выработки кусков горной породы устанавливают соответствующие ограждения (щиты, сетки), которые крепят к анкерам. С этой целью на выходящем из скважины 4 конце стержня 3 выполнена резьба 6 под гайку, что обеспечивает возможность крепления к анкеру дополнительных элементов (плиты, ограждающей сетки).
Анкер по второму варианту (фиг. 3) включает деформируемую трубу 7 (далее - труба 7) из непроницаемого для воды растягивающегося материала, заполненную водой 8, используемой в качестве вещества 2. Труба 7 навита на стержень 3 под требуемый участок крепления анкера в пройденной скважине 4. Стержень 3 может быть выполнен с периодическим профилем, например с кольцевыми выступами 5. Анкер подан в скважину 4. На выходящем из скважины 4 конце стержня 3 выполнена резьба 6 под гайку.
Анкер по второму варианту работает следующим образом.
Анкер подают в скважину 4, пройденную в массиве горных пород с отрицательной температурой. В условиях отрицательной температуры вода 8 замерзает и расширяется, от чего анкер вдавливается в горную породу и скрепляется со стенками скважины 4.
Очевидно, что до подачи в скважину 4 анкер должен находиться в условиях положительной температуры. Это условие на практике легко выполняется, например, доставкой анкеров к месту установки в контейнерах, в которых поддерживают требуемую температуру. Возможен также вариант доставки анкера из помещения с положительной температурой за время меньшее, чем превращение воды 8 в лед.
Анкер по третьему варианту (фиг. 4, 5) включает трубу 9, выполненную в виде свернутого в спираль листа, заполненную веществом 2. Труба 9 перфорирована, например, продольными прорезями 10 и в ней размещены оболочки 11 из проницаемого для используемой жидкости материала со смесью, образующей при взаимодействии с используемой жидкостью вещество 2. В конец трубы 9 вставлен и закреплен стержень 12 с резьбой 13 под гайку. Контактирующая со стенками скважины поверхность трубы 9 может иметь выступы (на фиг. 4 не показаны), например, в виде заостренных шипов.
Работа анкера по третьему варианту осуществляется следующим образом.
Анкер опускают в емкость с используемой жидкостью, которая, благодаря перфорации трубы 9, пропитывает оболочки 11, от чего в них образуется вещество 2. Затем анкер подают в скважину 4. До отвердения и расширения вещества 2 анкер в восстающей скважине 4 при необходимости удерживают известными способами. Дальнейшее закрепление анкера в скважине 4 происходит автоматически.
Подсоединение к анкеру дополнительных ограждающих элементов осуществляют с помощью стержня 12 с резьбой 13, на которую навинчивают соответствующую гайку. Стержень 12 крепят к трубе 9 известными способами, например поперечным штырем или приваривают к относительно слабо деформированным участкам внутренней ее поверхности. При этом на конце трубы 9 можно выполнить продольные пропилы, образующие лепестки, обеспечивающие раздвижение стенок трубы 9 практически без снижения надежности крепления к ней стержня 12.
Анкер по четвертому варианту (фиг. 6, 7) включает трубу 14, выполненную в виде свернутого в спираль листа. В трубе 14 размещены оболочки 15 из непроницаемого для воды растягивающегося материала с водой 8, используемой в качестве вещества 2. В конец трубы 9 вставлен и закреплен стержень 12 с резьбой 13 под гайку. Контактирующая со стенками скважины поверхность трубы 9 может иметь выступы (на фиг.6 не показаны), например, в виде заостренных шипов.
Анкер по четвертому варианту работает следующим образом.
Анкер подают в скважину 4, пройденную в массиве горных пород с отрицательной температурой. В восстающей скважине 4 анкер удерживают от выпадения до замерзания воды 8 известными способами. Далее анкер закрепляется в скважине 4 без проведения операций.
Увеличению нагрузочной способности анкера способствуют выступы на трубе 14, которые, контактируя и взаимодействуя с неровностями стенок скважины 4, существенно увеличивают трение между анкером и вмещающей его горной породой. Поэтому практически любая шероховатость на внешней поверхности анкера повышает качество крепления горных выработок. Выполнение выступов в виде заостренных шипов является универсальным для большого разнообразия свойств у горных пород, особенно обладающих слабыми и средними прочностными и деформационными характеристиками.
Множественность вариантов исполнения анкеров обусловлена потребностью их использования в различных условиях, усложняющихся по мере перехода к отработке менее доступных залежей полезных ископаемых, освоению зон вечной мерзлоты и больших глубин, где надежность крепления горных выработок становится определяющим фактором в обеспечении безопасности и стоимости ведения горных работ.
Анкеры по первому и второму вариантам исполнения предполагается использовать для крепления горных выработок, пройденных в горных породах слабой и средней прочности, для которых снижения нагрузочной способности анкеров до требуемого значения путем упрощения их конструкции экономически оправдано. Такие анкеры просты в изготовлении и имеют относительно низкую стоимость. Трубу 1 в виде шланга или рукава из указанного материала со смесью, образующей при взаимодействии с используемой жидкостью вещество 2, изготавливают в заводских условиях. В качестве трубы 7 можно использовать шланг (например, резиновый), заполненный водой и герметизированный заглушками. Далее изготовление анкера сводится к наматыванию трубы 1 или трубы 7 на стержень 3 и закреплению на нем концов указанных труб 1, 7, например, липкой лентой. Сделать это можно практически в любом месте, в том числе и на участке крепления горных выработок. Преимущество такого способа изготовления анкера состоит также в обеспечении возможности его сцепления с горной породой на любом участке скважины 4. В качестве стержней 3 можно использовать различные профили, включая витую проволоку, бывшие в употреблении трубы и т.д.
Анкеры по третьему и четвертому вариантам исполнения предполагается использовать для условий, когда имеется возможность, обусловленная прочностью горной породы, за счет повышения нагрузочной способности анкеров значительно сокращать их количество. При изготовлении труб 9 или труб 14 из стального листа соответствующей толщины нагрузочная способность таких анкеров определяется в основном прочностью сцепления указанных труб 9, 14 со стенками скважины 4.