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 в виде втулки с упругими полями, опертыми на стенки скважины и надетую на грузонесущий 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 из скважины с обратным потоком воздуха 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 РФ №2321749, МПК Е21D 21/00, опубл. 2008.04.10), принятый за прототип, включающий грузонесущий стержень с закрепленной на конце опорной головкой, втулку из сыпучего материала с эластичным связующим частиц и продольным отверстием, подпорный элемент из огибающей грузонесущий стержень упругой проволоки с выступающими концами, распирающимися в стеки скважины, 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 его относительно низкой стоимости.
Указанная задача достигается тем, что в анкере, включающем грузонесущий стержень с закрепленной на конце опорной головкой, втулку из сыпучего материала с эластичным связующим частиц и продольным отверстием, подпорный элемент, огибающий грузонесущий стержень, опорные элементы и гайку вне скважины, согласно изобретению подпорный элемент выполнен в виде взаимно перекрученных проволок с разведенными концами, распирающимися в стенки скважины.
Кроме того, особенность конструкции заключается в том, что проволоки подпорного элемента перекручены друг с другом по всей длине с последующей навивкой вокруг грузонесущего стержня; проволоки подпорного элемента огибают грузонесущий стержень с двух сторон со скруткой взаимно пересекающихся концов.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид анкера в сборе в скважине; на фиг.2 изображен общий вид втулки; на фиг.3 (а, б) изображены варианты конструкций подпорных элементов.
Анкер, закрепленный в скважине 1 (фиг.1), состоит из грузонесущего стержня 2 с навинченной на донный конец опорной головкой 3, втулки 4 с продольным отверстием, 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). Также анкер включает подпорный элемент 5 из огибающих грузонесущий стержень 2 упругих перекрученных проволок с выступающими разведенными концами, распирающимися в стеки скважины 1, стандартных опорных элементов вне скважины в виде решетчатой затяжки 6 и опорной шайбы 7, гайки 8, навинченной на хвостовик анкера. При этом подпорный элемент 5 выполнен в варианте а) (фиг.3а), где проволоки перекручены друг с другом по всей длине с последующей навивкой вокруг грузонесущего стержня, и в варианте б) (фиг.3б), где проволоки огибают грузонесущий стержень с двух сторон со скруткой взаимно пересекающихся концов.
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 навинченной на донный конец опорной головкой 3 со стороны хвостовика анкера надевают до упора в опорную головку 3 втулку 4 с продольным отверстием. Вслед за втулкой 4 на грузонесущий стержень 2 анкера надевают подпорный элемент 5. 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 (см. фиг.3 а, б). 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 монтаже и предварительном нагружении собранной конструкции анкера выступающие концы подпорного элемента распираются в шероховатую поверхность стенок скважины, блокируя относительные смещения втулки. Разведенные концы подпорного элемента позволяют создать несколько точек контакта с поверхностью скважины, повышая эффективность его работы, которая напрямую влияет на надежность введения в зацепление втулки, а соответственно, и на работу самого анкера. Увеличение несущей способности подпорного элемента возможно при увеличении величины распора и диаметра проволоки подпорного элемента. При этом диаметр проволоки ограничен величиной ее необходимой упругости для возможности введения конструкции анкера в скважину и величиной конструктивного кольцевого зазора между стенкой скважины и грузонесущим стержнем. Для решения данной задачи использованы несколько перекрученных проволок, тип скрутки и количество которых регламентируется паспортом крепления горной выработки и определяется при натурных испытаниях для конкретных условий применения. Увеличение количества проволок в конструкции подпорного элемента увеличивает его несущую способность. Помимо основных функций подпорный элемент предотвращает выпадение анкера при его монтаже в вертикальных скважинах.
После стабилизации начальных смещений втулки и дальнейшем 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.