Анкер для крепления подземных сооружений криолитозоны

Полезная модель относится к горной промышленности и предназначена для анкерного крепления горных выработок подземных сооружений в криолитозоне, а также может быть использована в строительстве, например при сооружении тоннелей различного назначения, в том числе проходимых в предварительно замороженных дисперсных грунтах или породах. Анкер может быть использован для крепления горных выработок, пройденных в мерзлых дисперсных породах, прочностные характеристики которых существенно изменяются при оттаивании и промерзании.
Известна анкерная крепь (патент №2166092 опубликован 27.04.2001), в которой анкеры снабжены двумя гайками, соединенными с анкером одна - левой, другая - правой резьбами различного диаметра и выполненными фигурными со встречными скосами, между которыми установлена втулка из легко деформируемого упругого материала, например, резиновая. Причем геометрическая ось резьбовых соединений расположена эксцентрично геометрической оси гаек.
Недостатком данного изобретения является сложность монтажа и технологии изготовления, а также недостаточная прочность закрепления анкера в шпуре.
Известен анкер (патент №2082008 опубликован 20.06.1997), замок которого состоит из клиновой пары с взаимно параллельными внутренними поверхностями, один клин которой выполнен на размещаемом в шпуре конце анкерного стержня, а второй является боковым клином, причем на анкерном стержне выполнен углубленный на его толщину паз, днище которого является продолжением клиновой поверхности анкерного стержня. При этом часть бокового клина выполняют с возможностью вхождения в паз, а на сопрягаемых поверхностях элементов замка анкера делают выступы для ограничения их взаимного перемещения. Причем торцевая стенка паза и сопрягаемая с ней сторона бокового клина выполняются параллельными, а торцевую часть бокового клина скашивают в направлении его перемещения при нагрузке анкера.
Недостатком данного изобретения является изменение несущей способности анкера при изменении температурного режима горных пород, например, охлаждении в зимний период.
Известен анкер, включающий (патент №2009328 опубликован 15.03.1994) трубчатый стержень с косым продольным разрезом, края которого соединены с нахлестом, распорные тела в виде шаров, размещенные в полости стержня, и опорную плиту. Причем в соединении с нахлестом косой край разреза трубчатого стержня размещен на его внешней стороне, а косой край разреза трубчатого стержня выполнен ступенчатым.
Недостатком данного изобретения является уменьшение несущей способности анкера при изменении температурного режима горных пород, например, охлаждении в зимний период.
Известна анкерная крепь, (патент. №2081332 опубликован 28.07.1994), включающая пустотелый анкерный стержень с продольной щелью, выступом для поддержания опорной плиты, опорную плиту и размещенное в анкерном стержне вещество, способное увеличивать свой объем при кристаллизации. При этом конструкция снабжена пробкой и буртиком для ее удержания, выполненным на устьевом конце стержня, а вещество, способное увеличивать свой объем при кристаллизации, состоит из сыпучего и жидкого компонентов, причем анкерный стержень заполнен сыпучим компонентом с возможностью его пропитки жидким компонентом непосредственно перед установкой.
Недостатком данного изобретения является большой расход компонентов, невозможность использования при отрицательных температурах воздуха и горных пород, а также снижение несущей способности трубчатого анкера из-за нарушения его целостности разрезом по всей длине.
Известен анкер для крепления горных выработок (патент. №2540708 опубликован 10.02.2015) (прототип), включающий полый анкерный стержень, в нижней части которого выполняют внешнюю резьбу, а в верхней части выполняют разрезы на расстояние не менее 0,1 длины стержня и делают их не менее двух. В верхней части полости размещают плотно прилегающую к стенкам стержня цилиндрическую капсулу, длина которой равна длине надрезов. Капсулу изготавливают из легко разрушающегося материала и наполняют расширяющимся при твердении с выделением большого количества тепла веществом, например, суспензией на основе оксида кальция. В нижней части капсула фиксируется металлическим диском, выполненным из материала с коэффициентом линейного расширения больше, чем у материала анкера. Диск соединяют с помощью жесткого стержня с резьбовой заглушкой, которую с помощью внутренней резьбы соединяют с внешней резьбой анкерного стержня, прижимая к опорной плите. После окончания процесса твердения материала в анкере заглушку с диском снимают и заменяют обычной прижимной гайкой.
Недостатком данного изобретения является недостаточная эффективность использования энергии, выделяющейся при твердении суспензии, для оттаивания пород по радиусу шпура, так как часть энергии расходуется на оттаивание пород в торце шпура, что снижает эффективность процесса раскрытия и вдавливания в породу лепестков замка анкера.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности анкерного крепления мерзлых горных пород за счет увеличения доли тепловой энергии, идущей на оттаивание пород по радиусу шпура.
Технический результат достигается тем, что в известном техническом решении, включающем пустотелый анкерный стержень с надрезами в замковой части, где размещена плотно прилегающая к стенкам трубы цилиндрическая капсула с расширяющимся при твердении с выделением большого количества тепла веществом, выше капсулы в анкере установлена дополнительная цилиндрическая капсула с россыпным теплоизоляционным материалом, которая контактирует с породой в торце шпура.
Технический результат достигается также тем, что в качестве россыпного теплоизоляционного материала используется вспученный перлитовый песок.
Полезная модель реализуется следующим образом.
Крепят с помощью анкеров горную выработку, пройденную в дисперсных горных породах и эксплуатируемую при переменном тепловом режиме. Максимальная глубина оттаивания в кровле выработки составляет 0,6 м. Для анкерования мерзлых горных пород используем пустотелую трубу из упругого материала, например стальную длиной 1 м, на которой предварительно в верхней части выполняем четыре взаимно перпендикулярных надреза на расстояние 0,1 от общей длины трубы, т.е. 10 см. На нижнем конце анкера выполнена резьба на длину, обеспечивающую надежное крепление прижимной гайки для удержания опорной плиты. В месте надрезов, в полости трубы, в ее верхней части размещаем полиэтиленовую капсулу с теплоизоляционным материалом, например, вспученным перлитовым песком, толщиной 1-2 см и плотно прилегающую к стенкам стержня цилиндрическую капсулу, длиной 9-8 см, т.е. на 1-2 см меньше длины надрезов, выполненную из легко разрушающегося материала, например, полиэтилена. Капсулу, непосредственно перед установкой, заполняем расширяющимся при твердении с выделением большого количества тепла материалом (РТМ), например, невзрывчатым разрушающимся составом НРС-2.
Закрепление анкера в шпуре с помощью РТМ происходит следующим образом.
За счет выделения большого количества тепла вокруг замка анкера образуется талая зона, прочность пород в которой намного ниже, чем у мерзлых. Одновременно с прогревом и оттаиванием пород идет процесс расширения материала. Это приводит к нарастанию давления на стенки анкерного замка - разрезанной части трубы, которое через 6-24 ч твердения (зависит от состава) развивает напряжение превышающие прочность талых пород в месте надреза трубы. Т.е. происходит раскрытие надрезанной части анкера и перемещение «лепестков» за пределы шпура. Таким образом, в верхней части трубы получается конус, верхний диаметр которого больше диаметра шпура. Степень раскрытия зависит от прочности талых пород и может достигать 30-70%. При расширении материала происходит разрушение верхней капсулы с теплоизоляционным материалом, в результате чего в верхней части шпура образуется подвижный теплоизоляционный слой, контактирующий с породой, который расширяется одновременно с раскрытием «лепестков» анкера. Наличие теплоизоляционной слоя снижает непроизводительный расход тепловой энергии на оттаивание пород в торце шпура. Большая часть энергии идет на оттаивание пород по радиусу, что ускоряет процесс оттаивания пород и раскрытие «лепестков» анкера. После окончания процесса твердения, происходит обратное замерзание оттаявшей зоны, что обеспечивает надежное закрепление анкера в шпуре. Оптимальная толщина пробки для каждого конкретного случая может быть определена на основании математического моделирования процесса оттаивания пород. Предварительные расчеты показывают, что для характерных условий криолитозоны, толщина теплоизоляционной капсулы в 1-2 см, является вполне приемлемым вариантом, учитываю небольшой срок оттаивания пород.
Существенным отличием и новизной предлагаемого анкера является то, что дополнительно в верхней части устанавливается разрушаемая теплоизоляционная капсула, обеспечивающая больший расход тепловой энергии, для оттаивания горных пород по радиусу шпура, за счет снижения оттока тепла в породы через торцевую часть шпура.
Существенным элементом также является то, что теплоизоляционный слой расширяется по мере раскрытия «лепестков» анкера, т.к. состоит из сыпучего материала, например вспученного перлитового песка.