АНКЕР
ROCK BOLT

Область техники
Настоящее изобретение относится к анкеру в соответствии с формулой изобретения.
Уровень техники
При производстве горных работ и строительстве тоннелей и других подземных сооружений в скальных породах необходимо укреплять кровлю, стены и т.п., чтобы предотвратить их обрушение или оползание. Для предотвращения обрушения частей горных пород со временем был разработан ряд различных типов устройств и процедур укрепления пород.
Более современным примером таких устройств являются различные типы поглощающих усилие анкеров и подобных им устройств. Анкер предпочтительно состоит из удлиненного корпуса, который вставляется в отверстие, пробуренное в породе. После того, как удлиненный анкер ввели в отверстие в породе, его расширяют по отношению к стенкам отверстия. Благодаря конструкции такого типа может быть предотвращено обрушение кровли, стен и т.п.
Хотя существующие анкера снижают риск обрушения и тому подобного, у существующих типов анкеров есть недостатки. Один из этих недостатков заключается в том, что присоединение существующих анкеров к породе занимает много времени. Например, существующие анкера и подобные устройства требуют анкерования (установки затвора) с заделкой любого типа, например цементным раствором, полимерными материалами в и т.п. Эти процедуры имеют тот недостаток, что много времени уходит на подготовку, установку и отверждение и/или при использовании они несут опасность для здоровья рабочих-строителей. Некоторые виды заливки могут также оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду.
Еще один недостаток при использовании анкеров проявляется при выполнении горных работ. При производстве горных работ порода совершает динамические перемещения. Динамические перемещения породы возрастают с глубиной.
При использовании существующих анкеров, которые соединяются с породой посредством заливки или тому подобного, возникают проблемы, заключающиеся в том, что такие крепи только в ограниченном объеме выдерживают динамические перемещения породы. В связи с этим существует потребность в анкерах, допускающих динамические изменения породы.
В производстве горных работ существует необходимость в установке, распределении анкеров с использованием как можно более рациональной процедуры. В связи с этим желательно устанавливать анкера при помощи машинного оборудования. В связи с этим необходимо, чтобы конструкция анкера была выполнена с возможностью выполнения указанной задачи. Большинство известных конструкций анкеров имеют тот недостаток, что они не могут быть эффективно установлены с помощью машинного оборудования. В связи с этим существует потребность в конструкциях, которые могут быть эффективно установлены с помощью машинного оборудования.
С существующими типами анкеров также существуют проблемы, заключающиеся в том, что крепи содержат большое количество деталей, что означает, что они могут быть сложными в производстве и, следовательно, также являются дорогостоящими в производстве и, соответственно, для покупателей. Кроме того, для установки анкеров известных конструкций требуется оборудование нескольких различных типов.
При укреплении породы при помощи анкеров, подлежащих заливке в форму, как правило, используются так называемые анкера с зацепом, представляющие собой стержень из твердой стали, подобные арматурным стержням для бетона, снабженные в каждой части средствами взаимодействия или анкером в форме выступающих в радиальном направлении зацепов (выступов/ребер), частично выступающих в поперечном направлении. Анкер вставляют в одну из поглощающих скважин материала. Указанная скважина предварительно заполнена заливочным компаундом, так что анкер с зацепом весь оказывается заделанным в скважине. У устья скважины анкер с зацепом выполнен с концевыми фитингами, как правило, в виде гайки и шайбы, которые контактируют с областью горной породы, окружающей устье пробуренного отверстия, и при помощи этих концевых фитингов к анкеру может быть приложена определенная степень растягивающей нагрузки.
Один из известных типов анкера представляет собой так называемый "болт Кируна", чьи отличительные особенности заключаются в том, что он представляет собой сочетание анкера с зацепом и анкера, механически закрепляемого в породе. Этот анкер предназначен для погружения в скважину и в радиальном направлении имеет выступающие зацепы, которые действуют как анкеры в заливочном компаунде. "Болт Кируна" также включает концевое крепежное устройство на его переднем конце для механического крепления анкера в нижней части скважины. За счет этого крепежного устройства анкер с зацепом до некоторой степени смещен и может выдерживать некоторую нагрузку до заливки раствора.
SE 5356927 заявителей LKAB описывает вариант анкера, предназначенного для заливки в скважине. Конструкция включает эффективное механическое анкерное устройство в передней концевой части, содержащее клин и расположенное таким образом, чтобы при прикреплении анкер мог до некоторой степени быть удержан расширяющимся анкерным стержнем. Конструкция дополнительно включает удлиненную среднюю часть, которая включает барьер, образующий некоторую область средств взаимодействия промежуточной части и служащий для предотвращения ее контакта с заливочным компаундом в скважине. Конструкция имеет несколько недостатков, один из которых заключается в том, что для установки требуется много времени.
В ЕР 0064362 заявителя Neste OY описан вариант анкера, который в своей передней концевой части содержит клиновую конструкцию. Конструкция существенно отличается от конструкции в соответствии с настоящим изобретением.
В WO 2006034208 описан вариант анкера, содержащий по меньшей мере удлиненный корпус, такой как стержень. Конструкция также включает по меньшей мере один расширяемый корпус для анкерования анкера в отверстии, пробуренном в породе. Конструкция включает по меньшей мере зажимное устройство, которое используется частично для расширения корпуса, а также для смещения анкера относительно породы. Анкер содержит по меньшей мере первый конус и по меньшей мере первое клиновое устройство. Конструкция в соответствии с документом в значительной степени отличается от конструкции в соответствии с настоящей заявкой. Например, в конструкции в соответствии с документом отсутствует расширяемое клиновое устройство, при помощи которого анкер первоначально соединяется со скважиной, и второе расширяемое клиновое устройство, расширяющееся в скважине, когда анкер смещается по отношению к породе. Кроме того, конструкцию в соответствии с WO 2006034208 трудно установить при помощи машинного оборудования, что означает высокую вероятность ручной установки. В этом отношении она отличается от конструкции в соответствии с настоящей заявкой, которая предпочтительно должна монтироваться (устанавливаться) с помощью машинного оборудования.
Конструкция также имеет тот недостаток в том, что она включает резьбы, которые чувствительны к загрязнению и тому подобному. Конструкция также менее эффективна в экономическом отношении по сравнению с конструкцией согласно настоящей заявке.
Конструкция в соответствии с WO 2006034208 не обеспечивает такой же уровень безопасности, как конструкция в соответствии с настоящим изобретением. Это вызвано тем, что конструкция имеет только функцию расширения расширяемого корпуса.
В WO 2004001192 описан вариант системы, содержащей по меньшей мере анкер. Конструкция в соответствии с документом в значительной степени отличается от конструкции в соответствии с настоящей заявкой. Например, конструкция в соответствии с WO 2004001192 вряд ли может быть механизирована. Для закрепления анкера в породе такая конструкция вероятно требует заделки.
В US 2007031196 описан вариант анкера. Анкер включает удлиненный корпус, который в одном варианте реализации содержит по меньшей мере первый конус и по меньшей мере второй конус, которые расширяют по меньшей мере один расширяемый корпус. Конструкция в соответствии с документом в значительной степени отличается от конструкции в соответствии с настоящей заявкой. Например, расширяемый корпус выполнен из эластичного материала, такого как пластмасса, так что конструкция по существу в меньшей степени может поглощать усилия по сравнению с анкером в соответствии с настоящей заявкой. Конструкция также включает резьбовые расширители, которые значительно более чувствительны к буровому флюиду в отверстии, чем конструкция в соответствии с настоящей заявкой.
В US 5185595 описан вариант устройства для измерения усилия натяжения анкера. Конструкция включает тарельчатые пружины, но в остальном в значительной степени отличается от конструкции в соответствии с настоящей заявкой. Например, в документе ничего не говорится о других конструкциях анкеров. Конструкция также имеет один серьезный недостаток, заключающийся в том, что не обеспечивается присоединение анкера параллельно к стенкам скважины. Кроме того, конструкция включает измерительный прибор для измерения усилия, воздействующего на анкер, которое мешает сборке конструкции (анкер с измерительным устройством).
В DE 8535263 U1 описан вариант анкера, на конце которого выполнен клин. Конструкция в соответствии с документом в значительной степени отличается от конструкции в соответствии с настоящей заявкой. Например, конструкция расширяется только до ограниченной нагрузки, что означает, что она не выдерживает высокую нагрузку.
В US 3179082 описан вариант анкера, который предназначен для вставки в отверстия в породе, бетоне и т.п. Конструкция включает индикатор, с помощью которого выполняют индикацию нагрузки, воздействующей на анкер. Конструкция в соответствии с документом в значительной степени отличается от конструкции в соответствии с настоящей заявкой. Подпружиненная конструкция позволяет поглощать энергию, которая высвобождается при разрыве анкера. Конструкция также чувствительна к испытаниям сверлением, поскольку она включают анкерные соединения. Конструкция в соответствии с документом также непригодна для использования при механизированной установке. Конструкция также может быть чувствительна к трещинам в породе, поскольку она не обладает двойной функцией, присущей конструкции в соответствии с настоящей заявкой.
В US 2725843 описан вариант анкера, который предназначен для вставки в отверстия в породе и т.п. Конструкция включает индикатор, с помощью которого выполняют индикацию нагрузки, воздействующей на анкер. Конструкция в соответствии с документом в значительной степени отличается от конструкции в соответствии с настоящей заявкой. Например, конструкция в соответствии с документом имеет недостаточную надежность. Для обеспечения надежности конструкция, вероятно, нуждается в заливке твердым веществом. Кроме того, конструкция включает пружины сжатия, которые могут представлять опасность в случае поломки. Конструкция также вряд ли может быть установлена с помощью машинного оборудования.
Краткое описание чертежей
В нижеследующем подробном описании настоящего изобретения приводятся ссылки на сопроводительные чертежи. Эти чертежи кратко описаны в следующем перечне.
На фиг. 1 показан первый вариант реализации анкера согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2А-2С показан принцип действия клина анкера.
На фиг. 3А показана функция индикации усилия в режиме малого сжатия.
На фиг. 3B показана функция поглощения усилия в режиме высокого сжатия.
Подробное описание изобретения
Со ссылкой на чертежи анкер 1 в соответствии с настоящим изобретением будет описан более подробно. Анкер 1 предпочтительно предназначен для укрепления кровли и стенок подземных сооружений, таких как туннели, убежища и т.п. Анкер предназначен для вставки в отверстия, пробуренные в породе или подобных формациях. Предпочтительно анкер предназначен для установки в крайних отверстиях. Анкер 1 также может быть использован в других контекстах и применениях, чем те, где это целесообразно. Анкер 1 предпочтительно также имеет функцию, которая позволяет ему перемещаться в породе и/или определять воздействующие на него усилия.
Более конкретно, анкер 1 согласно настоящему изобретению имеет по меньшей мере первую функцию расширения по меньшей мере секции анкера в радиальном направлении и по меньшей мере вторую функцию расширения по меньшей мере секции анкера в радиальном направлении. Указанные функции могут быть достигнуты различными методами. Однако в примерном варианте реализации первая функция достигается с помощью первого клинового устройства 2. Вторая функция достигается с помощью второго клинового устройства 3 (из чертежей видно, что это расклинивающее действие осуществляется с помощью внутреннего и наружного конусов, относительное положение которых изменяется).
Первая функция (клиновое устройство 2) служит для расширения по меньшей мере части длины анкера в радиальном направлении и позиционирования и удержания анкера 1 в породе с относительно небольшим усилием до тех пор, пока вторая особенность расширения не зафиксирует анкер 1 в породе с относительно более высоким усилием (по сравнению с первой функцией).
Указанные выше признаки обеспечиваются за счет того, что анкер 1 содержит по меньшей мере один удлиненный стержень (рычажный стержень) 4 или подобную деталь, по меньшей мере первый расширяемый корпус 5, по меньшей мере клиновидный корпус 6 и по меньшей мере одно натяжное устройство 7, и предпочтительно также включает устройство 8 индикации усилия, служащее для индикации усилий в анкере, вызванных его перемещением в породе.
Стержень 4 предпочтительно имеет удлиненную форму. Стержень 4 имеет на одном своем конце 9 по меньшей мере одну секцию 10 с уменьшенной площадью поперечного сечения, а на втором конце 11 по меньшей мере натяжное устройство 7. Секция 10 имеет большее поперечное сечение на конце стержня (часть стержня, которая при использовании обращена к дну отверстия) и секцию с меньшей площадью поперечного сечения (которая при использовании обращена к устью отверстия). Секция с уменьшенной площадью поперечного сечения в предпочтительном варианте реализации имеет коническую форму и образует конус (наружный конус). На показанных в качестве примера чертежах угол конической секции может изменяться в пределах объема охраны настоящей заявки. На показанных в качестве примера чертежах угол внутреннего конуса и наружного конуса не ограничивают объем охраны изобретения. В альтернативном варианте реализации секция может иметь другую подходящую форму или формы.
Расширяемый корпус 5 предпочтительно содержит по меньшей мере одно отверстие 12, проходы, промежутки или тому подобное, которые проходят в расширяемом корпусе в продольном направлении от одного конца 13 расширяемого корпуса 5 до второго конца 14 расширяемого корпуса 5. Размер отверстия 12 выполнен подходящим к диаметру стержня 4 и расширяемого корпуса 5. По меньшей мере одна секция (часть) отверстия 12 имеет внутреннюю коническую часть (внутренний конус), которая имеет больший диаметр в одном осевом направлении (направление, в котором при использовании анкера направлен к дну отверстия), а в другом направлении имеет меньший диаметр (направлен к устью отверстия).
Расширение расширяемого корпуса 5 в радиальном направлении достигается, например, за счет конструкции, показанной на чертежах.
Как показано на чертежах, внутренняя коническая часть 15 расширяемого корпуса 5 и наружная коническая часть 16 стержня 4. Коническая часть 15 имеет больший диаметр у конца стержня, который уменьшается во втором направлении относительно породы. В альтернативных вариантах реализации внутренняя коническая часть (конус) 15 и наружная коническая часть (конус) 16 образованы блоком, который имеет поперечное сечение с тремя, четырьмя, пятью или большим количеством краев. На показанных в качестве примера чертежах угол конической секции может изменяться в пределах объема охраны настоящей заявки. На показанных в качестве примера чертежах угол конусообразных частей, таким образом, не ограничивает объем изобретения.
Расширяемый корпус 5 предпочтительно в поперечном направлении разделен по меньшей мере на первую часть 17 и по меньшей мере вторую часть 18. Между первой частью и второй частью создается за счет увеличения расширяющегося диаметра корпуса по меньшей мере первое промежуточное пространство 26 и по меньшей мере второе промежуточное пространство, проходящее от сквозного отверстия через расширяемый корпус в радиальном направлении.
В предпочтительном варианте реализации расширяемый корпус состоит по меньшей мере из первой части (частичной секции) 17, по меньшей мере второй части (частичной секции) 18, по меньшей мере третьей части (частичной секции) 19 и по меньшей мере четвертой части (частичной секции) 20. В примерном варианте реализации при раздельном сжатии расширяемых частей секций корпуса создаются четыре подразделения, первое промежуточное пространство 26 между первой частью 17 и второй частью 18, второе промежуточную пространство 27 между второй частью 18 и третьей частью 19, третье промежуточное пространство 28 между третьей частью 19 и четвертой частью 20 и четвертое промежуточном пространство 29 между четвертой частью 20 и первой частью 17. В примерном варианте реализации каждый соответствующий элемент (17-20) имеет в поперечном сечении форму кругового сегмента. Каждая часть (частичная секция) с 17 по 20 содержит частичную секцию внутреннего конуса в сквозном отверстии.
В предпочтительном варианте реализации анкер также содержит по меньшей мере одни ограничительные средства 21. Ограничительные средства 21 служат для удержания частей расширяемого корпуса 5, собранных с ним, когда анкер вставляется в отверстие. После расширения расширяемого корпуса 5 в радиальном направлении удерживающее действие ограничительных средств 21 прекращается. Ограничительные средства могут состоять из кольцевого элемента, такого как О-образное кольцо, пружина и т.п. При механизированной установке анкера, когда усилие машины снижается по отношению к породе, части анкера могут быть скреплены друг с другом точечными сварными швами. В альтернативных вариантах реализации ограничительные средства 21 могут иметь другие подходящие соединительные средства.
В альтернативных вариантах реализации расширяемый корпус содержит по меньшей мере одну канавку 22, проходящую по окружности расширяемого корпуса. Канавка 22 предназначена для вставки ограничительных средств. Канавка 22 защищает ограничительные средства, такие как О-образное кольцо, пружина и т.п., так что риск повреждения ограничительного средства 21 во время вставки анкера в отверстие снижается или исключается.
Первая функция расширения достигается в примерном варианте реализации за счет расклинивающего действия, при котором части 17-20 расширяемого корпуса 5 расширяются по меньшей мере одним корпусом 6, который содержит по меньшей мере одну клиновидную часть и предпочтительно также по меньшей мере вторую клиновидную часть, которая (или которые) при вставке анкера в глухое пробуренное отверстие упирается в дно отверстия и входит в зазор между частями 17-20 расширяемого корпуса. Часть клиновидного корпуса 6 вызывает увеличение соответствующих промежутков между частями 17-20, и наружный размер расширяемого корпуса увеличивается (расширяется) и, соответственно, расширяемый корпус прижимается к стенкам пробуренного отверстия, в результате чего конструкция прикрепляется к стенкам отверстия. Предпочтительно клиновидный корпус содержит несколько клиньев и включает клиновидную часть, которая вызывает расширение двух противоположных сегментов, вторую клиновидную часть, которая вызывает расширение двух других противоположных сегментов.
Натяжное устройство 7 включает по меньшей мере одно первое зажимное средство 23 и по меньшей мере второй стентовый элемент. В примерном варианте реализации стент представляет собой резьбовую часть стержня 4 или тому подобное. В альтернативных вариантах реализации натяжное устройство 7 состоит из (или содержит) по меньшей мере одного другого подходящего зажимного средства 23. В примерном варианте реализации второй зажимное средство представляет собой по меньшей мере гайку или другой компонент, имеющий по меньшей мере одно резьбовое отверстие, и каждый второй натяжной элемент предназначен для навинчивания на резьбовую часть удлиненного корпуса (4). Натяжное устройство 7 может также включать некоторую форму быстроразъемного соединителя или т.п., при помощи которого может быть достигнуто осевое перемещение стержня относительно расширяемого корпуса.
В примерном варианте реализации, расширяемый корпус 5 имеет круглое поперечное сечение. Внешняя форма расширяемого корпуса 5 может изменяться в пределах объема настоящего изобретения. Например, поперечное сечение расширяемого корпуса 5 может иметь многоугольную форму, овальную форму или другую подходящую форму. В альтернативных вариантах реализации расширяемый корпус 5 имеет другое подходящее поперечное сечение.
Расширяемый корпус 5 имеет функцию, заключающуюся в том, что диаметр или размер расширяемого корпуса 5 увеличивается во время перемещения стержня 4 относительно расширяемого корпуса 5 в одном направлении и уменьшается во время перемещения стержня 4 относительно расширяемого корпуса 5 во втором направлении.
В альтернативном варианте реализации анкер 1 согласно настоящему изобретению содержит по меньшей мере один индикатор усилия, устройство индикации усилия или тому подобное. Индикатор усилия, устройство индикации усилия содержит по меньшей мере один поглощающий усилие элемент и/или силы средство 24 индикации усилия. Средство индикации усилия индикации может содержать по меньшей мере одно упругое средство, размеры которого изменяются в зависимости от величины сжимающей силы.
В примерном варианте реализации устройство индикации усилия конструкции включает по меньшей мере один воспринимающий усилие элемент 24, такой как по меньшей мере одна пластинчатая пружина 25.
Как показано на чертеже, воспринимающий усилие элемент содержит четыре или более тарельчатые пружины. В показанном варианте реализации тарельчатые пружины расположены таким образом, что каждая вторая тарельчатая пружина повернута на 180 градусов по отношению к соседней тарельчатой пружине. Тарельчатые пружины являются предпочтительно пружинами различных типов, где по меньшей мере одна тарельчатая пружина сжимается предопределенным усилием, а по меньшей мере вторая тарельчатая пружина сжимается большим или меньшим усилием, чем первая тарельчатая пружина.
При присоединении анкера 1 к породе, анкер частично вставляется в отверстие в породе. Когда вставленный конец крепи достигает дна отверстия, клиновидный корпус 6 ударяется о грунт и входит между секциями 17-20 расширяемого корпуса 5, что вызывает расширение расширяемого корпуса 5 в радиальном направлении и тем самым закрепление (удержание) анкера в породе. После того, как расширяемый корпус анкера расширяется клиновидным корпусом 6 и, таким образом соединяется (плотно прижимается к) со стенками отверстий, вступает в действие натяжное устройство, при этом расширяемый корпус расширяется далее в радиальном направлении за счет относительного перемещения между наружной конической секцией удлиненного корпуса и внутренней конусообразной секцией расширяемого корпуса. При расширении расширяемый корпус окончательно фиксируется относительно стенок породы. Крутящий момент может быть выбран, исходя из преобладающих условий и размеров анкера.
В подробном описании настоящего изобретения детали конструкции опущены, поскольку они очевидны для специалистов в области техники, к которой относится устройство. Такие очевидные детали конструкции включены в объеме, необходимом для надлежащего понимания конструкции в соответствии с настоящим изобретением. Хотя некоторые предпочтительные варианты реализации были показаны подробно, вариации и модификации способа и устройства являются очевидными для специалистов в области техники, к которой относится изобретение. Все такие модификации и варианты считаются попадающими в объем прилагаемой формулы изобретения. Например, конструкция может включать натяжное устройство любого другого типа. В альтернативных вариантах реализации внутренний конус и наружный конус могут включать устройство, которое имеет три, четыре, пять или более краев.
Преимущества изобретения
С помощью настоящего изобретения достигается ряд преимуществ. Преимущество анкера согласно настоящему изобретению заключается в получении полностью механического анкера. Понятие "полностью механический анкер" означает, что для анкерования анкера в отверстии не требуется заделывания. Время, необходимое для затвердевания заливочного компаунда (для конструкций, требующих его использования), исключается.
Еще одно преимущество конструкции в соответствии с настоящей заявкой является ее простота в использовании. Еще одно преимущество конструкции в соответствии с настоящей заявкой заключается в том, что ограниченное количество деталей делает конструкцию экономически эффективной в производстве. Еще одним преимуществом является то, что анкер может выдерживать значительные динамические перемещения породы. Кроме того, анкер в соответствии с представленной конструкцией имеет то преимущество, что он обеспечивает визуальную индикацию нагрузки на крепь.