СПОСОБ УСТАНОВКИ АНКЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR INSTALLATION OF ANCHOR AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION OF THIS METHOD

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для крепления выработок.
Известен способ установки винтового анкера по патенту РФ №2081331, кл. E21D 2000, опубл. в БИ №16, 1997 г., включающий бурение шпура в закрепляемых породах, образование винтовой канавки в стенках шпура и завинчивание в него винтового анкера. Перед завинчиванием анкера в шпур досылают легкосжимаемый элемент, пропитанный антифрикционной жидкостью.
Недостаток этого способа заключается в трудоемкости образования в стенках шпура винтовой канавки, особенно в крепких горных породах типа гранитов и их аналогов. Поэтому его применение для крепления скальных пород малоэффективно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ установки распорного анкера по авт.св. СССР №1776811, кл. E21D 20/00, опубл. в БИ №43, 1992 г., включающий размещение на расклинивающей конусной головке анкерной штанги проволочной спирали, введение анкера в пробуренный шпур и вдавливание витков спирали в стенки шпура путем продольного перемещения внутри нее головки анкерной штанги. После введения анкера в пробуренный шпур витки проволоки на его головке сжимают посредством установочной трубы. В сжатом состоянии диаметр проволочной спирали на 5÷10 мм больше диаметра шпура. Продольное перемещение головки внутри проволочной спирали осуществляют путем ввинчивания в нее глубинного конца анкерной штанги.
В этом способе сцепление анкера с закрепляемой породой происходит только в месте контакта витков спирали с головкой анкерной штанги. В этом месте концентрируются напряжения, многократно снижающие допустимые нагрузки на анкерную штангу и надежность ее сцепления с горной породой из-за возможности разрушения стенок шпура. Поэтому способ малоэффективен.
Известен анкер по авт.св. СССР №1571265, кл. E21D 21/00, опубл. в БИ №22, 1990 г., включающий штангу с резьбой, выполненной на ее устьевом конце, опорами и жестко закрепленной одним концом пружиной, опорную плиту и гайку. Анкер дополнительно снабжен регулировочной гайкой, установленной на штанге. Свободный конец пружины закреплен на регулировочной гайке. Направление резьбы на гайке и штанге совпадает с направлением навивки пружины.
Предельные нагрузки на такой анкер ограничены силами упругости и прочностью сжатой пружины, расстояние между витками которой может изменяться. Поэтому он малоэффективен.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является съемный анкер по авт.св. СССР №1731958, кл. E21D 21/00, опубл. в БИ №17, 1992 г., включающий металлический анкерный стержень с винтовой резьбой и хвостовиком. Он снабжен трубчатой штангой, разрезанной по винтовой линии с шагом, равным шагу резьбы анкерного стержня. Профиль резьбы имеет направляющую и прижимную части, а в головной части стержня направляющая часть резьбы выполнена большей высоты, чем в остальной его части.
Для установки такого анкера требуется вкрутить анкерный стержень с винтовой резьбой в зажимающую его трубчатую штангу, что из-за возрастающего трения по мере вхождения анкерного стержня в трубчатую штангу существенно повышает трудоемкость. При этом анкер должен входить в шпур и плотно придавливаться к его поверхности, для чего необходимо проходить шпуры без отклонения от заданного диаметра и формы по всей длине. Выполнение требуемой для такого анкера точности проходки шпуров в условиях действующих горных предприятий представляет известные трудности. Все это обуславливает неэффективность анкера.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа за счет снижения трудоемкости установки анкера и повышения надежности его сцепления со стенками шпура, а также в повышении эффективности устройства за счет снижения трудоемкости и требований к условиям эксплуатации.
Задача решается тем, что в способе, включающем размещение на анкерной штанге проволочной спирали, введение анкера в пробуренный шпур и вдавливание витков проволочной спирали в стенки шпура, согласно техническому решению проволочную спираль размещают на анкерной штанге в выполненной на ней винтовой канавке, при этом диаметр проволочной спирали выполняют больше диаметра шпура, а вводимый в шпур конец проволочной спирали закрепляют на анкерной штанге и вращают в направлении, при котором диаметры витков проволочной спирали уменьшаются, после чего вдавливание витков проволочной спирали в стенки шпура осуществляют силами упругости проволочной спирали.
Размещение проволочной спирали на анкерной штанге в выполненной на ней винтовой канавке исключает возможность продольного перемещения витков проволочной спирали относительно анкерной штанги. Выполнение диаметра проволочной спирали больше диаметра шпура позволяет распирать ее витки в стенки шпура силами упругости. Это обеспечивает передачу нагрузок от витков проволочной спирали, обусловленных сдвижением горных пород, анкерной штанге по всей ее длине. Закрепление вводимого в шпур конца проволочной спирали на анкерной штанге и его вращение в направлении, при котором диаметры витков проволочной спирали уменьшаются, существенно облегчает установку анкера из-за снижения его трения о стенки шпура. Вдавливание витков проволочной спирали в стенки шпура силами упругости проволочной спирали обеспечивает установку анкера без выполнения операций по его сцеплению с горной породой. В результате снижается трудоемкость установки анкера, а надежность его сцепления со стенками шпура повышается. Все это повышает эффективность способа.
Целесообразно после ввода анкера в шпур незакрепленный конец проволочной спирали вращать в направлении, при котором диаметры ее витков увеличиваются, после чего зафиксировать его на анкерной штанге. Это позволяет изменением момента вращения незакрепленного конца проволочной спирали регулировать усилие вдавливания витков проволочной спирали в стенки шпура, что повышает эффективность способа.
Целесообразно использовать проволочную спираль с заостренными в сторону стенок шпура витками. Это увеличивает вдавливание витков проволочной спирали в горную породу и тем самым усиливает сцепление анкера со стенками шпура, что также повышает эффективность способа.
Задача решается также тем, что в устройстве для установки анкера, включающем анкерную штангу, согласно техническому решению на внешней поверхности анкерной штанги выполнена винтовая канавка, в которую уложена проволочная спираль с диаметром, большим диаметра шпура, при этом вводимый в шпур конец проволочной спирали закреплен на анкерной штанге, а на выходящем из шпура конце анкерной штанги выполнена головка для вращения ее ключом.
Анкерная штанга с винтовой канавкой на внешней поверхности и уложенная в винтовую канавку проволочная спираль обеспечивают возможность виткам проволочной спирали изменять свои диаметры, но исключают их продольное относительно анкерной штанги перемещение за пределы винтовой канавки. Выполнение проволочной спирали диаметром, большим диаметра шпура, обеспечивает прижатие ее витков к горной породе по всей длине шпура силами упругости. Закрепление вводимого в шпур конца проволочной спирали на анкерной штанге позволяет вращением анкерной штанги вкручивать проволочную спираль в шпур, последовательно уменьшая диаметры ее витков до диаметра шпура. Выполнение на выходящем из шпура конце анкерной штанги головки для ее вращения ключом позволяет вращать анкерную штангу с помощью ключа или гайковерта. Из-за возможности последовательного изменения диаметра витков проволочной спирали устройство вводится в шпур с малым усилием вращения анкерной штанги. Способность витков проволочной спирали увеличивать свои диаметры и придавливаться к горной породе в сравнительно больших пределах изменения размеров и формы шпура существенно снижает требования к качеству проходки шпуров. В результате повышается эффективность устройства за счет снижения трудоемкости и требований к условиям эксплуатации.
Целесообразно на конце анкерной штанги со стороны ее головки выполнить ступенчатое утончение с резьбой, на которую навинтить гайку, а между гайкой и ступенью ступенчатого утончения надеть втулку с продольной прорезью, в которую вставить незакрепленный на анкерной штанге конец проволочной спирали. Это позволяет вращением втулки относительно анкерной штанги изменять диаметры витков проволочной спирали и с помощью гайки придавливать втулку к ступени ступенчатого утончения, там самым фиксировать положение вставленного в ее прорезь конца проволочной спирали на анкерной штанге. В результате создается возможность дополнительного прижатия к горной породе витков проволочной спирали с требуемым усилием и извлечения анкера из шпура вращением втулки в направлении, в котором витки проволочной спирали уменьшают свои диаметры. Все это повышает эффективность устройства.
Целесообразно поперечное сечение винтовой канавки выполнить в виде треугольника, а поперечное сечение проволоки проволочной спирали - в виде ромба. Это позволяет использовать витки проволочной спирали в качестве заклинивающих элементов и увеличивать их внедрение в горную породу, что существенно повышает сцепление анкера со стенками шпура и тем самым повышает его эффективность.
Сущность технического решения поясняется примером реализации способа, конкретным исполнением устройства и чертежом.
На чертеже показана схема установки анкера и устройства для его осуществления, продольный разрез.
Проволочную спираль 1 (далее - спираль 1) размещают на анкерной штанге 2 (далее - штанга 2) в выполненной на ней винтовой канавке 3 (далее - канавка 3). Диаметр спирали 1 выполняют больше диаметра пробуренного шпура 4. Затем штангу 2 вместе со спиралью 1 (анкер) вводят в шпур 4. При этом вводимый в шпур 4 конец 5 спирали 1 закрепляют на штанге 2 и вращают в направлении, при котором диаметры витков спирали 1 уменьшаются. В результате спираль 1 ввинчивается в шпур 4 до упора в его забой штанги 2. Витки спирали 1 после прекращения вращения ее конца 5 под действием сил упругости вдавливаются в горную породу и таким образом сцепляют анкер со стенками шпура 4 по всей его длине. Для увеличения сцепления анкера со стенками шпура 4 вводимый в шпур конец 5 спирали 1 закрепляют на штанге 2 и после ввода анкера в шпур 4 другой конец 6 спирали 1 вращают в направлении, при котором диаметры ее витков увеличиваются. После этого фиксируют конец 6 спирали 1 на штанге 2. Для увеличения внедрения витков спирали 1 в горную породу (при фиксированном усилии прижатия спирали 1 к стенкам шпура 4) и тем самым повышения надежности крепления анкера используют спираль 1 с заостренными в сторону стенок шпура 4 витками.
Устройство для реализации способа (далее - устройство) состоит из штанги 2 (см. чертеж), на внешней поверхности которой выполнена канавка 3, в которую уложена спираль 1 с диаметром, большим диаметра шпура 4. Вводимый в шпур 4 конец 5 спирали 1 закреплен на штанге 2. На выходящем из шпура 4 конце 6 штанги 2 выполнена головка 7 для вращения штанги 2 ключом. На конце штанги 2 со стороны ее головки 7 выполнено ступенчатое утончение 8 (далее - утончение 8) с резьбой 9, на которую навинчена гайка 10. Между гайкой 10 и ступенью 11 утончения 8 надета втулка 12 с продольной прорезью 13, в которую вставлен конец 6 спирали 2. Поперечное сечение канавки 3 выполнено в виде треугольника, а поперечное сечение 14 проволоки спирали 1 - в виде ромба. Конец 5 спирали 1 вставлен в отверстие 15 в штанге 2. На втулке 12 выполнены пазы 16 для ее вращения ключом.
Устройство работает следующим образом.
Устройство со стороны закрепленного на штанге 2 конца 5 спирали 1 вставляют в шпур 4 до упора в его устье спирали 1. С помощью ключа через головку 7 к штанге 2 прикладывают усилие в направлении забоя шпура 4 и одновременно вращают ее в направлении, при котором витки спирали 1, последовательно уменьшая диаметры, входят в шпур 4. В результате спираль 1 вместе со штангой 2 ввинчивается в шпур 4. Подав штангу 2 в шпур 4 до упора в его забой, вращают втулку 12 в том же направлении, что и при вкручивании спирали 1 в шпур 4, от чего витки спирали 1 вдавливаются в горную породу с силой, обусловленной усилием вращения втулки 12. Достигнув нужного усилия прижатия витков спирали 1 к стенкам шпура 4, втулку 12 придавливают к ступени 11 утончения 8 с помощью гайки 10 и таким образом фиксируют ее на штанге 2.
Усилие ввинчивания спирали 1 в шпур 4 определятся в основном упругостью одного ее витка и передается последовательно от витка к витку. Поэтому момент вращения штанги 4, с помощью которой ввинчивают закрепленную на ней концом 5 спираль 1, слабо зависит от глубины вхождения спирали 1 в шпур 4. Вместе с этим сцепление устройства (анкера) со стенками шпура 4 определяется суммарным сцеплением всех витков спирали 1 с горной породой. В результате при минимальном усилии подачи устройства в шпур 4 достигается максимальное его сцепление с закрепляемым участком породного массива. Величину сцепления устройства со стенками шпура 4 можно регулировать в больших пределах изменением количества витков спирали 1 (шага канавки 3 на штанге 2), учитывая при этом, что соответственно изменяется число оборотов штанги 2, которые необходимо выполнить для полного ввинчивания спирали 1 в шпур 4. Размеры поперечного сечения 14 проволоки спирали 1, которые должны быть не меньше зазора между штангой 2 и стенками шпура 4, также можно варьировать в больших пределах. Неровности поверхности шпуров 4, характерные для ударно-вращательного и ударно-поворотного способов бурения, также способствуют сцеплению устройства с горной породой. Таким образом, настоящим способом и устройством снижается трудоемкость установки анкера, повышается его сцепление со стенками шпура 4, а к качеству проходки шпуров 4 не предъявляются дополнительные требования.
Размеры (длина и диаметр) спирали 1 при вращении одного ее конца 6 относительно другого конца 5 меняются. Поэтому в устройстве предусмотрена возможность перемещения одного конца 6 спирали вдоль штанги 2 в пределах прорези 13, длина которой определяется размерами устройства и условиями его эксплуатации. Отметим, что при вращении втулки 12 удерживать штангу 2 за головку 7 не нужно. Штанга 4 удерживается от вращения силами трения спирали 1 о стенки шпура 4 и тем, что втулку 12 вращают в направлении, при котором штанга 2 упирается в забой шпура 4.
Следует заметить, что спираль 1 должна быть упругой, но не обязательно стальной (например, может быть пластмассовой). Материал для изготовления остальных деталей выбирают исходя из условий применения способа и работы устройства. Нагрузочная способность штанги 2 из-за того, что ее площадь поперечного сечения и шпура 4 отличаются незначительно, приближается к предельно возможному значению.
Устройство имеет простую конструкцию и может быть изготовлено в условиях практически любой механической мастерской.