АНКЕРНЫЙ БОЛТ И АНКЕРНОЕ УСТРОЙСТВО
ANCHOR BOLT AND ANCHOR DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к анкерным болтам, подходящим для использования в горном деле и прокладке туннелей для обеспечения поддержки кровли и стен. Изобретение подходит для использования в твердых породах так же, как и в более мягких пластах, таких как часто встречаемые в угольных шахтах, и следует понимать, что термин «порода», как он используется в описании, дается в широком смысле для обозначения обоих этих применений. Изобретение дополнительно относится собственно к анкерному устройству.
Предшествующий уровень техники изобретения
Поддержка кровли и стен является жизненно важной при горных и туннельных работах. Стены и кровли шахт и туннелей состоят из пластов породы, которые должны быть укреплены, для предотвращения возможного обрушения. Анкерные болты широко используются для укрепления пластов породы.
Известен анкерный болт, содержащий первый и второй концы, вал, проходящий между концами, и анкерное устройство, расположенное вдоль первой части вала вблизи первого конца и имеющее оправку, и, по меньшей мере, один расширяющийся элемент, перекрывающий оправку, способный смещаться радиально наружу при заранее определенном относительном движении между оправкой и, по меньшей мере, одним расширяющимся элементом и подсоединенный к соединителю для образования анкерного узла, закрепленного на оправке и содержащего приводное средство относительного вращения, активное при вращении анкерного узла (см. патент США 5275512, 04.01.1994).
В обычных системах поддержки пластов в породе сверлится отверстие с помощью буровой штанги, которая затем удаляется, и в просверленное отверстие вставляется анкерный болт, который закрепляется обычно с использованием смоляного или цементного раствора.
Для улучшения этого процесса были предложены самобурящие анкерные болты, которые также используются в качестве буровой штанги. В связи с этим, с помощью самобурящего анкерного болта за один проход может быть просверлено отверстие и установлен болт.
Хотя самобурящие анкерные болты обеспечивают возможность значительно улучшить время установки анкерных болтов, они широко не использовались.
Более того, анкерные болты иногда не закрепляются в заранее пробуренном отверстии, как это может ожидаться.
Сущность изобретения
Согласно изобретению создан анкерный болт, при использовании способный вращаться в первом и втором противоположных направлениях и содержащий первый и второй концы, вал, проходящий между концами, и анкерное устройство, расположенное вдоль первой части вала вблизи первого конца и имеющее оправку, и, по меньшей мере, один расширяющийся элемент, перекрывающий оправку, способный смещаться радиально наружу при заранее определенном относительном движении между оправкой и, по меньшей мере, одним расширяющимся элементом и подсоединенный к соединителю для образования анкерного узла, закрепленного на оправке и содержащего приводное средство относительного вращения, пассивное при вращении болта в первом направлении и активное при вращении болта во втором направлении, при этом болт способен вращаться во втором направлении для осуществления указанного заранее определенного перемещения для закрепления анкерного устройства посредством радиального смещения наружу, по меньшей мере, одного расширяющегося элемента.
Приводное средство относительного вращения может быть расположено на соединителе.
Соединитель может включать в себя секцию корпуса и, по меньшей мере, одну соединительную стойку, несущую приводное средство относительного вращения. Приводное средство относительного вращения может содержать, по меньшей мере, один выступ, проходящий из, по меньшей мере, одной стойки. По меньшей мере, один выступ может быть расположен на конце, по меньшей мере, одной стойки, дальнем относительно секции корпуса.
Приводное средство относительного вращения может быть предназначено для зацепления с поверхностью стенки пробуренного отверстия при вращении анкерного устройства во втором направлении для осуществления заранее определенного перемещения. При зацеплении приводного средства относительного вращения с поверхностью стенки пробуренного отверстия указанное средство поджимается для прижима к анкерному устройству при вращении в первом направлении и поджимается для прохождения наружу для зацепления с поверхностью стенки пробуренного отверстия при вращения болта во втором направлении.
Соединитель может содержать две стойки, каждая стойка имеет, по меньшей мере, один выступ. Каждый выступ может проходить из стойки во втором направлении.
Анкерный болт может быть самобурящим анкерным болтом, и его первый конец может иметь буровое долото для проникновения в породу во время бурения в первом направлении.
Оправка может быть смонтирована на валу и взаимодействовать с внешней резьбой на валу, при этом соединитель может быть приспособлен для свободного перемещения между буровым долотом и концом вала, и буровое долото или оправка и соединитель содержат стопор относительного вращения. Данный стопор может быть предназначен для остановки вращения анкерного узла вокруг оси хвостовика бурового долота, предотвращая осевое движение оправки в одном направлении вдоль вала болта во время бурения в первом направлении. Данный стопор может ограничивать вращение анкерного устройства на валу для поддержания расстояния между торцевой поверхностью анкерного устройства и торцевой поверхностью бурового долота во время бурения. Данный стопор может содержать сопряженные опорные поверхности, одна из которых расположена на буровом долоте, и другая из которых расположена на анкерном устройстве. Указанный стопор может содержать углубленную поверхность на нижней поверхности бурового долота и выступ, расположенный на соединителе или оправке и размещаемый в указанной поверхности, по меньшей мере, во время бурения.
Согласно изобретению создано также анкерное устройство для удержания анкерного болта, размещенного в пробуренном отверстии и способного при использовании вращаться в первом и втором противоположных направлениях, содержащее оправку и, по меньшей мере, один расширяющийся элемент, перекрывающий оправку, способный смещаться радиально наружу при заранее определенном относительном движении между оправкой и, по меньшей мере, одним расширяющимся элементом и подсоединенный к соединителю для образования анкерного узла, закрепленного на оправке и содержащего приводное средство относительного вращения, пассивное при вращении болта в первом направлении и активное при вращении болта во втором направлении, при этом болт способен вращаться во втором направлении для осуществления указанного заранее определенного перемещения для закрепления анкерного устройства посредством радиального смещения наружу, по меньшей мере, одного расширяющегося элемента.
Приводное средство относительного вращения может быть расположено на соединителе.
Соединитель может включать в себя секцию корпуса и, по меньшей мере, одну соединительную стойку, несущую приводное средство относительного вращения. Приводное средство относительного вращения может содержать, по меньшей мере, один выступ, проходящий из, по меньшей мере, одной стойки. По меньшей мере, один выступ может быть расположен на конце, по меньшей мере, одной стойки, дальнем относительно секции корпуса.
Соединитель может содержать две стойки, каждая из которых имеет, по меньшей мере, один выступ. Каждый выступ может проходить из стойки во втором направлении.
Оправка может иметь внутреннюю резьбу, а соединитель содержать часть стопора относительного вращения. Данная часть может содержать выступ, расположенный на соединителе.
Анкерное устройство может быть предназначено для подсоединения к самобурящему анкерному болту.
Краткое описание чертежей
Далее приведено описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На чертежах изображено следующее:
фиг.1 является схематическим видом в перспективе самобурящего анкерного болта;
фиг.2А является видом в разобранном состоянии первого конца самобурящего анкерного болта на фиг.1;
фиг.2В является другим видом в разобранном состоянии первого конца самобурящего анкерного болта на фиг.1;
фиг.3 является видом сбоку первого конца самобурящего анкерного болта на фиг.1;
фиг.4 является видом сечения первого конца самобурящего анкерного болта на фиг.1, расположенного в пласте породы;
фиг.5А является видом сверху соединителя самобурящего анкерного болта на фиг.1 частично в сложенном состоянии и частично раскрытом состоянии;
фиг.5В является видом сбоку соединителя самобурящего анкерного болта на фиг.1 частично в сложенном состоянии и частично раскрытом состоянии;
фиг.6А является видом снизу бурового долота самобурящего анкерного болта на фиг.1;
фиг.6В является видом сбоку бурового долота самобурящего анкерного болта на фиг.1;
фиг.7А является видом сбоку бурвого долота на фиг.6А и фиг.6В в соединении с соединителем на фиг.5А и фиг.5В.
Подробное описание
Фиг.1 иллюстрирует самобурящий анкерный болт 10, который включает в себя первый (буровой) конец 11 и второй (хвостовой) конец 12 и вал 13, который проходит между противолежащими концами 11, 12. Вал 13, который обычно изготовлен из стали, является сплошным на протяжении большей (второй) части его длины и включает в себя внутренний канал 14 (см. фиг.4) вдоль дальней (первой) части болта вблизи бурового конца. Внутренний канал соединен с внешней частью вала в двух местах: через боковое отверстие 60 и через концевое отверстие 61.
При использовании самобурящий анкерный болт 10 подсоединен к буровому и установочному устройству (не показано) и выступает в роли буровой штанги для бурения отверстия 100 (фиг.4) в пласте 500 породы. После этого анкерный болт 10 закрепляется на месте, как будет объяснено более подробно ниже, для обеспечения поддержки пласта 500 породы.
Буровой конец 11 включает в себя буровое долото 15, включающее в себя буровую кромку 16 на его конце и анкерное устройство 23, которое при использовании предназначено удерживать болт в пробуренном отверстии. Анкерное устройство 23 расположено вдоль первой части болта и используется для удерживания болта 10 в пробуренном отверстии так, чтобы временно закрепить анкерный болт на месте перед введением жидкого цементного раствора в отверстие 100 для постоянного закрепления болта на месте и/или для натяжения болта так, чтобы подвергнуть пласт 500 породы сжатию.
Подробности бурового конца 11 видны наилучшим образом с фиг.2А по фиг.6В.
Во время бурения буровое устройство обычно осуществляет правостороннее вращение бурового вала. Для предотвращения отделения бурового долота 15 от вала во время бурения резьбовое соединение между буровым долотом 15 и валом 13 является правосторонней резьбой для упрочнения резьбового соединения между буровым долотом и валом во время бурения.
Буровое долото 15 включает в себя корпус 17 долота, который включает в себя буровую кромку 16 на его внешнем конце и хвостовик 18, который включает в себя средство крепления, такое как внешняя резьба 22 на его внешней поверхности. Канал 19 проходит от дальней кромки хвостовика 18 к дальнему концу корпуса 17 долота. Канал 19 предназначен для сообщения с отверстием 61 внутреннего канала 16 вала, когда буровое долото 15 закреплено на конце 20 вала (как наилучшим образом видно на фиг.4). Конец 20 вала включает в себя внутреннюю резьбу 21 (фиг.4), которая соответствует внутренней резьбе 22 на хвостовике 18 бурового долота. Таким образом, буровое долото 15 может быть просто навинчено на конец 20 вала 13.
Буровое долото 15 снабжено нижней поверхностью 80, соединенной с хвостовиком 18 бурового долота. Торцевая поверхность 80 проходит от хвостовика бурового долота практически перпендикулярно. Нижняя поверхность обращена к валу 13, когда буровое долото установлено. Нижняя поверхность содержит, по меньшей мере, одну углубленную поверхность 81, которая образует, по меньшей мере, одну выступающую стенку 82. Углубленная поверхность 81 наклонена под острым углом α относительно нижней поверхности. Величина угла превышает величину угла наклона внешней резьбы, сформированной на хвостовике бурового долота. Величина угла α является, по меньшей мере, на 20% больше, чем угол наклона внешней резьбы 38, сформированной на валу 13 болта. Углубленная поверхность может находиться под тем же углом, что и левосторонняя резьба, в противоположность правосторонней резьбе 22 на фиг.6В. Выступающая стенка 82 формирует часть стопора относительного вращения, обсуждающегося более подробно ниже.
Анкерное устройство 23 расположено ниже бурового долота 15 и включает в себя пару расширяющихся элементов 24, которые сконструированы для движения наружу из сложенного состояния, как проиллюстрировано на чертежах, в раздвинутое состояние (не показано), при этом расширяющиеся элементы 24 зацепляются за стенку 101 пробуренного отверстия 100.
Расширяющиеся элементы 24 соединены с помощью соединителя или хомута 25. Соединитель обычно сделан из стали и включает в себя практически цилиндрическую секцию 26 корпуса и соединяющие стойки 27. Соединительные стойки 27 являются приклепанными (или прикреплены другим образом) к ближнему концу 28 расширяющихся элементов 24. Расширяющиеся элементы подсоединены к соединителю для формирования анкерного узла. Выполненный из стали соединитель 25 может изгибаться, что обеспечивает подвижный шарнир, что позволяет поворачиваться расширяющимся элементам для свободного перемещения между сложенным и раздвинутым положением.
Секция 26 корпуса является предпочтительно практически круглой и содержит центральное отверстие 84 для размещения хвостовика 18 бурового долота. Секция 26 корпуса снабжена, по меньшей мере, одним выступом или выступающим язычком 83 на поверхности, обращенной к буровому долоту 15.
Язычок 83 является предпочтительно выштампованым из секции корпуса в средней части, т.е. в месте между отверстием 84 и краем секции корпуса. Язычок 83 имеет общую V-образную форму, что хорошо видно на фиг.5В, но может иметь любую подходящую форму, такую, как U-образная или полукруглая. Язычок имеет максимальную высоту, которая является меньшей, чем наибольшая глубина углубленной поверхности 81. Язычок содержит переднюю кромку 85, т.е. переднюю, если соединитель вращается в левую сторону. Передняя кромка 85 является практически перпендикулярной к плоскости секции 26 корпуса. Язычок входит в углубленную поверхность и может опираться на выступающую стенку 82 во время бурения. Таким образом, язычок образует часть стопора относительного вращения, обсуждающиеся более подробно ниже.
Если анкерное устройство может заклинить на конце 20 вала, каждая стойка 27 может нести средство привода относительного вращения или передний выступ 42А, 42В, т.е. передний, если соединитель 25 вращается в левую сторону или во втором направлении вращения. Таким образом, каждый выступ 42А, 42В выступает из стойки во втором направлении вращения. Выступ 42А, 42В обеспечен вплотную к концу стойки, дальнему относительно секции 26 корпуса и интегрирован с соединителем. На фиг.5А и фиг.5В выступ 42А показан в сложенном положении, в то время как выступ 42В показан в выдвинутом положении, для наглядности изображения. Таким образом, выступ приспособлен быть пассивным во время бурения (правостороннее вращение), но активным или отгибающимся в стороны во время закрепления (левостороннее вращение). Геометрия выступов является произвольной, например, выступ может быть гофрированным.
Анкерное устройство 23 дополнительно включает в себя оправку 29, которая включает в себя противолежащие наклоненные поверхности 30 и 31. В показанном варианте осуществления оправка 29 включает в себя головную часть 32 и две стойки 33 и 34 с противолежащими поверхностями головной части 32 и противолежащими торцевыми поверхностями стоек 33 и 34, образующими соответствующие наклоненные поверхности 30 и 31. Головная часть 32 может иметь два противолежащих углубления для вмещения частей стоек соединителя.
Оправка выполнена так, что наклоненные поверхности 30 и 31 являются практически плоскими и предназначенными опираться на внутренние поверхности 35 расширяющихся элементов 24 таким образом, что относительное движение оправки в направлении хвостового конца 12 вала, заставляя расширяющиеся элементы перемещаться из их сложенного положения в их выдвинутое положение.
Для обеспечения этого относительного движения оправка подсоединена к валу болта, что в показанном исполнении осуществляется посредством резьбового соединения с внутренней резьбой 36, сформированной во внутреннем канале 37 в головной части 32 оправки 29 и внешней резьбой 38, сформированной на валу 13 болта.
Резьбовое соединение между оправкой 29 и валом 13 болта является левосторонним, так что при использовании анкерного болта в буровой операции (с правосторонним вращением вала) любое относительное движение между оправкой и валом заставит оправку перемещаться в сторону бурового конца, гарантируя тем самым, что расширяющиеся элементы не переместятся в их выдвинутое состояние. В то же время, самобурящий анкерный болт позволяет избежать проблем с таким сильным прижимом оправки к соединителю и буровому долоту, что оправка не может быть высвобождена. В альтернативном варианте осуществления оправка может быть снабжена выступом или углублением, которое сопряжено непосредственно с углублением или выступом на буровом долоте для обеспечения альтернативного первого стопора вращения.
Анкерное устройство 23 может дополнительно содержать кольцеобразную ленту (не показана), которая может быть расположена вокруг дальнего конца расширяющихся элементов 24. Кольцеобразная лента обычно сделана из полимерного или резинового материала и обеспечивает удержание расширяющихся элементов 24 вместе только во время транспортировки и начала бурения.
Выступы 42А, 42В соединителя выполнены для принятия двух состояний. В первом состоянии, как показано на фиг.3, выступы 42А, 42В прижаты к оправке 29. Это состояние возникает, когда выступы вращаются в правую сторону, что происходит во время бурения. Во втором положении, как наилучшим образом показано справа на фиг.5, выступы отгибаются за пределы соединителя 25. Это происходит во время противоположного вращения болта и заставляет выступы проходить по поверхности 101 стенки пробуренного отверстия под действием этого вращения. Во втором (или раздвинутом) состоянии существует большая тенденция к зацеплению выступов за поверхность стенки пробуренного отверстия. Как только они приходят в зацепление, анкерное устройство начинает проскальзывать относительно вала, вызывая тем самым некоторое относительное перемещение. Это перемещение, в свою очередь, заставляет оправку начать свинчиваться с вала, заставляя тем самым расширяющиеся элементы раздвигаться в стороны.
Таким образом, соединитель 25 может выполнять несколько функций. Первая функция состоит в удерживании расширяющихся элементов на определенном расстоянии по оси от конца вала. Вторая функция состоит во вращательном соединении оправки и расширяющихся элементов вместе. Третья функция состоит в обеспечении отверстия, так что буровое долото может навинчиваться на вал. Четвертая функция состоит в формировании части вращательного стопора, который предотвращает плотное привинчивание оправки к буровому долоту. Пятая функция состоит в обеспечении выступов, которые зацепляются за стенку канала во время закрепления, позволяя тем самым анкерному устройству вращаться относительно вала.
Как показано на фиг.1, анкерный болт 10 включает в себя рукав 62 вдоль большей части вала 13. Рукав 62 проходит практически от анкерного устройства 23 до практически хвостового конца 12. Цель рукава состоит в обеспечении, по меньшей мере, частичного пути циркуляции, чтобы обеспечить прохождение флюида от хвостового конца 12 к буровому концу 11. Этот путь циркуляции обеспечен каналом, образованным между валом 13 болта и рукавом 62, так же как и внутренним каналом 14. Внутренний канал 14 соединяется с каналом, образованным валом 13 и рукавом 62 через боковое отверстие 60.
Путь циркуляции также включает в себя внешний канал 64, сформированный между рукавом 62 и стенкой 101 пробуренного отверстия 100. Этот внешний канал образован благодаря тому, что буровые кромки 16 радиально выступают на большее расстояние, чем радиус рукава 62.
Рукав 62 изолирован на его дальнем конце с помощью муфты 66. Эта муфта 66 может включать в себя внутреннюю резьбу, для навинчивания на внешнюю резьбу, нарезанную на верхней части вала 13.
Ближний конец 61 рукава 62 также изолирован с помощью соединения с патроном 43 привода, что подробно описано в заявке заявителя на патент Австралии №2006202778, которая включена в настоящее описание путем ссылки.
Опорная тарелка и сферическая шайба 72 могут быть расположены на валу 13 и захватываться патроном 43 привода. Опорная тарелка предназначена для опоры на внешнюю поверхность пласта 500 породы.
Перед работой анкерное устройство 23 навинчивается на вал 13 до упора конца 20 вала в нижнюю сторону секции 26 корпуса соединителя 25. Затем буровое долото 15 ввинчивается во внутреннюю резьбу 21 конца вала до упора конца 86 хвостовика бурового долота в дно 87 внутренней резьбы 21.
В процессе работы болт 10 закреплен в буровом устройстве с помощью патрона 43 привода, который вращает анкерный болт в первом направлении. Буровой раствор закачивается в каналы циркуляции, образованные каналом между валом и рукавом 62, внутренним каналом 60, и внешним каналом 64, для смывания режущих поверхностей анкерного болта. Раствор также поступает или вытекает из отверстия в снабженном каналом патроне 43 привода.
После завершения фазы бурения буровое устройство вращает болт в обратном направлении. Патрон 43 привода вращает вал 13, поскольку относительное перемещение предотвращается торсионом. Это заставляет выступы 42А, 42В отклоняться в стороны, заставляя соединитель зацепляться за поверхность 101 стенки, заставляя расширяющиеся элементы 24 и оправку 29 начинать проскальзывать относительно вала болта. Такое относительное движение, вызванное между анкерным устройством и валом, заставляет оправку свинчиваться с вала, заставляя тем самым расширяющиеся элементы смещаться радиально наружу для сцепления с поверхностью породы в пробуренном отверстии.
Когда расширяющиеся элементы сцепились с поверхностью стенки, к болту прикладывается усилие путем продолжения приложения усилия во втором направлении к патрону 43 привода. В определенной точке расширяющиеся элементы 24 оказывают на поверхность стенки породы такое большое давление, что оправка не может больше перемещаться вниз по валу. Это эффективно закрепляет болт и предотвращает его дальнейшее вращение. Это повышает усилие вращения на патроне 43 привода до достижения точки, в которой оно срезает торсион, позволяя тем самым патрону привода вращаться относительно вала. Это относительное движение заставляет патрон навинчиваться на вал.
Как только патрон привода имеет возможность перемещаться вдоль вала болта, он приходит в соприкосновение с пластом 500 породы (или непосредственно, или через опорную тарелку), что позволяет создать нагрузку на болт, поскольку эффективная длина болта между патроном привода и анкерным устройством уменьшилась. Как только болт оказался под достаточной нагрузкой, буровое устройство может быть удалено, и, возможно, для дополнительного укрепления, может быть проведена финальная стадия установки болта на место путем введения жидкого цементного раствора через отверстие в патроне 43 привода.
Следует понимать, что описанное анкерное устройство 25 может быть использовано для анкерного болта, который не является самобурящим, т.е. который требует предварительно пробуренного отверстия перед вставкой в него болта.
В следующей формуле изобретения и в предшествующем описании средства стопора относительного вращения, где контекст требовал ясности языка или необходимо подразумеваемого положения, слово «содержит» или такие вариации, как «содержат» или «содержащий», используются во включающем смысле, т.е. для обозначения присутствия упомянутых признаков, но не для прибавления присутствия или добавления дополнительных признаков в различных вариантах осуществления изобретения.
Вариации и/или модификации могут быть сделаны выше описанных частей без выхода за рамки сущности или объема изобретения.