Головной конец анкера

Заявляемая полезная модель относится к горному делу и может быть использована при креплении или усилении крепи горных выработок.
Известны упругие элементы канатного анкера (патент РФ №30390, МПК E21D 21/00, опубл. 27.06.2003), включающие множество наружных прядей скрученного каната, муфту для передачи нагрузки с опорных элементов на канат. Поверхность наружных прядей каната выполнена с углублениями по профилю винтовой линии, на которые навинчена муфта.
Недостаток - при неоптимальной величине кольцевого зазора закрепляющие материалы плохо перемешиваются, в результате чего образуется неплотная структура закрепляющей втулки, которая не может обеспечить необходимую прочность закрепления при повышенных нагрузках на анкер.
В качестве прототипа принят канатный анкер (патент РФ №2178082, МПК E21D 21/00, опубл. 10.01.2002), состоящий из множества проволок прядей каната, муфты для соединения концов проволок прядей каната, ограничителей радиального перемещения прядей канатов в виде хомутов, между которыми имеются участки разъединения контактов прядей каната жесткими вставками (узел уширения), муфта соединена с канатом посредством клина, пряди каната в местах их разъединения с внешней стороны охвачены разделенной вдоль оси на части конической втулкой с упругими усами. Такой вариант исполнения эффективен для закрепления каната цементными смесями нагнетательным способом.
Недостатки такого анкера проявляются при закреплении его ампулами путем подачи и вращения. При закреплении коническая втулка с усами, а также превышающие определенные размеры узлы уширения будут препятствовать вращению анкера за счет трения о стенки шпура, что может привести к неполному перемешиванию закрепляющего материала полимерных ампул, разматыванию троса и повреждению анкера. При досылке анкера ко дну шпура высока вероятность заклинивания конической втулки с усами или узла уширения в шпуре, соответственно анкер не будет установлен в проектное положение и закреплен, а при подаче с усилием, возможно, его повреждение. При этом заклиненный анкер практически невозможно извлечь из шпура, не повредив его. Также при неоптимальной величине кольцевого зазора закрепляющий материал плохо перемешивается. Конструктивно не приспособлен для шпуров малых диаметров.
Техническим результатом является повышение прочности закрепления анкера, обеспечение наилучшего его сцепления с закрепляющим материалом и отверстием, необходимой несущей способности и работоспособности крепи при различном характере нагрузок.
Технический результат достигается тем, что головной конец анкера, содержащий стержень, узлы уширения, согласно техническому решению ширина узла уширения определяется по формуле
yy
o
кз
b=d-2b
yy
где b - ширина узла уширения, мм
o
d - диаметр отверстия (шпура, скважины), мм
кз
b - величина кольцевого зазора между стенкой отверстия и узлом уширения, мм,
кз
при этом b имеет пределы от 0,5 мм до 5 мм,
а количество узлов уширения определяется по следующей формуле
a
yy
n=N/N
где n - количество узлов уширения,
a
N - несущая способность анкера, т,
yy
N - прочность закрепления анкера при одном узле уширения, т,
yy
при этом N имеет пределы от 1 т до 10 т.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - головной конец анкера с узлами уширения, образованными кольцами, фиг. 2 - головной конец анкера с узлами уширения, образованными кольцом и шнеком, на фиг. 3 - узел уширения, образованный кольцом и шнеком, на фиг. 4 - вид Б по фиг. 3, на фиг. 5 - головной конец анкера с узлами уширения, образованными шнеком, на фиг. 6 - узел уширения, образованный шнеком, на фиг. 7 - анкер в шпуре, на фиг. 8 - вид Г по фиг. 7.
Анкер с заявляемым головным концом предназначен для закрепления в отверстиях (шпурах, скважинах), в том числе в отверстиях малых диаметров. Наиболее часто анкер с таким головным концом используется для отверстий диаметром от 25 до 50 мм при креплении ампульным или нагнетательным, или ампульно-нагнетательным способом.
Головной конец анкера (фиг. 1, 2, 5) содержит стержень 1, узлы уширения 2. Стержень 1 может быть выполнен из различных материалов (металлических, полимерных, композитных и т.п.). Наиболее оптимально применение стержня в виде многожильного троса (далее трос 1), который может быть выполнен правой или левой свивки, например, семижильного. При этом узел уширения 2 может быть образован кольцом 3 и шнеком 4 (фиг. 3) или кольцами и шнеком, или кольцом, или кольцами, или шнеком (фиг. 6). Возможны другие варианты исполнения узлов уширения 2. Также узлы уширения 2 можно чередовать и создавать различные комбинации. Кольца 3 могут быть надеты на центральную или на внешнюю жилу троса 1, или на внешние жилы троса 1, или на центральную и внешнюю жилы троса 1. Они могут быть выполнены из различных материалов и иметь разную геометрическую форму, например, выполнены в виде гайки, тора, втулки и т.д. Узел уширения 2 может быть фиксирован, например, сплетением жил троса и/или проволоки (шнека). Шнек 4 может быть образован из проволоки или проволок (ленты, полосы) и других подобных элементов различной формы поперечного сечения, выполненных из различных материалов (например, стальных, полимерных, композиционных). Шнек 4 может быть образован проволокой, которая охватывает (обвивает) трос 1 и проходит между жилами троса 1 или охватывает трос 1 с узлами уширения 2 с внешней стороны. Шнек 4 имеет такую навивку, чтобы при вращении анкера противодействовать стеканию закрепляющего материала, а также выгонять воздух.
Известно, что при конструировании, например, клеевых соединений одним из факторов, который необходимо учитывать, является рекомендуемая величина зазора:
- 0,05…0,15 мм при склеивании металлов между собой;
- 0,05…0,2 мм при склеивании металлов с неметаллическими материалами;
- 0,1…0,2 мм при склеивании металлов с резиной.
Надежное клеевое соединение обеспечивается при зазоре не более 0,25 мм, влияющим на адгезионные и когезионные процессы. Соблюдая рекомендуемые величины, удается достичь прочного и стойкого клеевого соединения способного выдерживать длительное сопротивление действующим нагрузкам.
yy
кз
Для анкеров с узлами уширения на головном конце важными параметрами являются величина ширины узла уширения b и количество узлов уширения, влияющие на работоспособность крепи. Ширину узла уширения предлагается определять с учетом допустимой величины кольцевого зазора b между стенкой отверстия и узлом уширения:
yy
o
кз
b=d-2b
yy
где b - ширина узла уширения, мм
o
d - диаметр отверстия (шпура, скважины), мм
кз
b - величина кольцевого зазора между стенкой отверстия и узлом уширения, мм,
кз
при этом b имеет пределы от 0,5 до 5 мм.
а количество узлов уширения определяется по следующей формуле:
a
yy
n=N/N
где n - количество узлов уширения,
a
N - несущая способность анкера, т,
yy
N - прочность закрепления анкера при одном узле уширения, т,
yy
при этом N имеет пределы от 1 т до 10 т.
кз
yy
Опытным путем подтверждено, что для обеспечения прочности закрепления анкера в отверстии при соблюдении b=0,5…5 мм (кольцевого зазора между стенкой отверстия и узлом уширения), обеспечивается прочное закрепление анкера. Ширина узла уширения (фиг. 4) представляет собой диаметр описанной окружности вокруг узла уширения или максимальную его ширину с учетом выступающих частей на всем протяжении, так как узел уширения имеет неровный контур и варианты его исполнения могут быть различными. Например, узлы уширения 2 с кольцами 3 имеют более равномерный контур, а узлы уширения 2 со шнеком 4, а также со шнеком 4 и кольцами 3 менее равномерный. Также на прочность закрепления анкера влияет количество узлов уширения. Опытным путем было установлено, что прочность закрепления анкера при одном узле уширения (N) от 1 т до 10 т, исходя из этого, учитывая несущую способность анкера, определяется необходимое количество узлов уширения (при получении нецелочисленного значения производят округление в большую сторону). На выбор определенного количества узлов уширения также влияют размеры шпура, характер и величина нагрузки на крепь, технические характеристики анкера, его диаметр, закрепляющий материал.
Наличие узлов уширения 2, размер которых входит в получаемый расчетный диапазон, позволяет свободно устанавливать анкер в отверстии без заклинивания и, не препятствуя вращению анкера, предотвращает быстрое стекание закрепляющего состава по кольцевому зазору между стенкой отверстия и стержнем анкера как при ампульном, ампульно-нагнетательном, так и при нагнетательном способе закрепления. Таким образом, происходит равномерное перемешивание и уплотнение закрепляющего материала (по направлению к дну отверстия), в результате чего обеспечивается плотная забойка отверстия, то есть образуется плотная и прочная закрепляющая втулка 5. Вследствие чего, повышается прочность закрепления анкера в отверстии (шпуре, скважине), влияющая на увеличение его несущей способности. Определенного размера узлы уширения образуют расстояние до стенки отверстия, заполненное закрепляющим материалом, при котором обеспечивается надежное сцепление. В образованной закрепляющей втулке 5 неровный контур головного конца с такими размерами узлов уширения 2 и определенным их количеством препятствует его вырыванию из втулки 5, а так же вырыванию втулки из шпура. Следовательно, для надежного и качественного взаимодействия закрепляющего материала с головным концом анкера необходимо наличие и определенное количество узлов уширения. Это позволяет повысить качество и прочность закрепления анкера в отверстии и гарантировать заданную несущую способность крепи при различном характере нагрузок. Соединение может выдерживать статические, динамические, циклические нагрузки и способствовать повышению безопасности горных работ. Для повышения сопротивления нагрузкам анкерной крепи и ее работоспособности, кроме количества узлов уширения и их размеров, можно учитывать вид узлов уширения для конкретной нагрузки. Например, динамические и циклические нагрузки могут возникать при движении дизелевоза по подвесной монорельсовой дороге, закрепленной на анкерной крепи. Для головных концов при таких условиях выбирают узлы уширения 2 с кольцами 3 или кольцами 3 и шнеком 4. Такие узлы уширения 2 являются жесткими, поэтому при растягивающих нагрузках, действующих на анкер, при растяжении троса 1 свойства узлов уширения 2 сохраняются. Анкер с таким головным концом способен выдерживать динамические и циклические нагрузки без повреждения закрепляющей втулки 5, так как кольца 3 не позволяют анкеру сжиматься и разжиматься и тем самым разрушать ее, предотвращая вырывание анкера из нее. Для шпуров малого диаметра больше подходят анкеры с головными концами, имеющими узлы уширения 2 с кольцами 3, в связи с тем, что они менее объемны, но при этом являются жесткими и прочными.
кз
кз
кз
кз
Несоблюдение допустимого диапазона b ведет к тому, что при b менее 0,5 мм перемешивание закрепляющего материала будет происходить с трудом, при b большем 5 мм невозможно гарантированно обеспечить образование надежной закрепляющей втулки 5, так как ухудшаются адгезионные и когезионные процессы. В результате чего, велика вероятность когезионного разрыва (разрыв в объеме менее прочного из соприкасающихся материалов) закрепляющей втулки, а также вырывания закрепляющей втулки из шпура или анкера из закрепляющей втулки (ухудшения сцепления(удерживания) между шпуром, закрепляющей втулкой и головным концом анкера. Например, при b равном 0,18 мм происходит заклинивание анкера, при этом невозможно его вращение и закрепление.
yy
yy
a
yy
Пример установки при ампульном способе закрепления канатного анкера, выполненного из троса, с головным концом, имеющим узлы уширения 2 (фиг. 7, 8). Трос имеет семь жил 9. Каждый узел образован кольцом 3 в виде гайки, надетым на центральную жилу троса и шнеком 4. В пробуренный шпур диаметром 30 мм вставляют ампулы и досылают их до упора в дно. После этого к муфте 6 анкера, помещенного в шпур, присоединяют анкероустановщик при помощи переходника, который путем вращения и подачи устанавливает анкер в проектное положение. Диаметр стержня анкера составляет 15,2 мм. Узлы уширения на головном конце анкера имеют величину от b=30-2⋅0,5=29 мм до b=30-2⋅5=20 мм. Несущая способность анкера N=21 т. Прочность закрепления анкера при одном узле уширения N=5 т. При данных условиях получаем n=21 т/5 т=4,2, следовательно, необходимо не менее 5 узлов уширения. Таким образом, благодаря шнеку 4 и узлам уширения 2 оболочки ампул эффективно разрушаются, закрепляющие материалы качественно перемешиваются при уплотнении их в направлении дна шпура. Полученного количества узлов уширения и размеров достаточно для обеспечения прочности закрепления и несущей способности крепи. После отверждения закрепляющего материала на муфту 6 надевают опорный элемент 7 и накручивают гайку 8.
кз
Головной конец анкера, имеющий определенное количество узлов уширения, величина ширины которых рассчитана с учетом кольцевого зазора b, позволяет обосновать параметры головного конца анкера для закрепления в отверстии, обеспечивающие наилучшее его сцепление с закрепляющим материалом и отверстием, гарантированную прочность закрепления, необходимую несущую способность и работоспособность крепи при различном характере нагрузок.