АНКЕР ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
ANCHOR FROM COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, к средствам для крепления кровли и боков горных выработок при их прохождении.
В мировой практике широко применяются различные виды анкерных крепей, которые обеспечивают в различной степени упрочнение свода горной выработки, тем самым, исключая его обрушение. В основном все виды таких крепей сводятся к стержневым анкерам, закрепляемых в шпурах клинораспорными замками или быстротвердеющими составами. При этом клинораспорные анкеры, как правило, являются металлическими, в то врем как анкеры, закрепляемые быстротвердеющими составами - сталеполимерными. Однако такие анкеры применимы только для крепления кровли горных выработок. При креплении же боковых выработок, перед выемкой угольного пласта, металлические и сталеполимерные анкера должны извлекаться из шпуров, во избежание поломки исполнительных органов очистных или проходческих комбайнов, а также исключения возможного искрения при ударе металла о металл. Извлечение анкеров из шпуров является трудоемкой операцией и, кроме того, ухудшает геофизическое состояние горных выработок.
Известен анкер ШК - 1 м (Широков А.П. и др. Анкерная крепь, справочник. - М.: Недра, 1990. - 36 с), содержащий грузонесущий стержень, на одном конце которого отлит распорный клин с надетыми на него замковыми элементами (сухарями), а другой конец снабжен резьбой с гайкой. Конструкция предусматривает закрепление металлического анкерного стержня в шпуре одним клинораспорным замком. Недостатком такого анкера является, как отмечалось выше, то, что он изготавливается из металла и поэтому необходимо его извлечение перед выемкой угольного пласта.
Известен клинораспорный анкер 2 ШК по патенту РФ №2364724, E21D 21/00, опубл. 20.08.2009, конструкция которого включает грузонесущий стержень с отлитыми двумя или более клиньями с надетыми на них замковыми элементами (сухарями), установленную между клиньями обсадную трубу, выполненную из двух половин, и гайку, навинченную на конце грузонесущего стержня. Конструкция анкера предусматривает закрепление металлического анкера в шпуре с помощью двух и более закрепляющих замков, что повышает надежность закрепления, однако анкер обладает теми же недостатками, что и рассмотренный выше. Кроме того, выполнение клиньев отлитыми на грузонесущем стержне исключает регулирование местоположения клинораспорного замка в шпуре при креплении в слоистых пластах.
Известна анкерная крепь (Фрегер Г.Е., Джигрин А.В., Тациенко В.П. Спирально армированные композиционные анкера. - М.; ННЦГП-ИГП им. А.А. Скочинского, 2001. - с.15), включающая грузонесущий стержень из стеклопластика, один конец которого, закрепляемый в шпуре, армирован спиралью из стальной проволоки, а другой заделан в стальную втулку с наружной резьбой и снабжен гайкой, контактирующей с опорной плитой, причем стальная втулка приклеена к стеклопластиковому стержню. Конструкция анкера предусматривает его крепление в шпуре за счет быстротвердеющих составов.
Недостатком данного анкера является использование в его конструкции стальных элементов - стальной спирали и стальной втулки, что ограничивает его применение в горных выработках. Кроме того, использование только клеевого соединения по ее внутреннему диаметру стальной втулки не обеспечивает должной надежности соединения. Анкер трудоемок в изготовлении, так как требует механической обработки стеклопластикового грузонесущего стержня под посадочный размер стальной втулки, изготовление и контроль клеевого соединения втулки со стержнем, что неизбежно ведет к его удорожанию. Крепление анкера в шпуре быстротвердеющими составами в условиях ведения горных выработок влечет за собой увеличение трудозатрат и удорожание работ.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является анкер шахтной крепи по патенту на полезную модель №85948, E21D 21/00, опубл. 20.08.2009 г.
Анкер включает стеклопластиковый грузонесущий стержень, один конец которого снабжен средством для его крепления в шпуре, а другой - средством крепления с элементом крепи.
Средство для крепления анкера в шпуре выполнено в виде закрепленного на поверхности концевой части стеклопластикового стержня зернистого материала, поверх зернистого материала могут быть закреплены пряди из волокнистого материала.
Средство крепления с элементами крепи включает металлическую втулку с наружной резьбой под гайку, закрепленную на стержне посредством клея и хвостовика с выполненными в нем углублениями.
Недостатком данного анкера, как и рассмотренного выше, является использование в его конструкции стальных элементов - стальной втулки и хвостовика, что ограничивает его применение в горных выработках. Кроме того, использование клеевого соединения по ее внутреннему диаметру стальной втулки и хвостовика не обеспечивает должной надежности соединения. Анкер трудоемок в изготовлении, так как требует механической обработки стеклопластикового грузонесущего стержня под посадочные размеры стальной втулки и хвостовика, изготовление и контроль клеевых соединений втулки и хвостовика со стержнем, что неизбежно ведет к его удорожанию.
Технической задачей полезной модели является разработка универсальной конструкции анкера, обеспечивающего возможность его применения, как для крепления кровли, так и для боков горных выработок, а также имеющего низкую себестоимость производства.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности закрепления анкера, повышение его несущей способности, снижение затрат на его изготовление, а также обеспечение возможности применения анкера для крепления горных выработок, пройденных в массиве полезного ископаемого, подлежащего в последующем механизированной выемке.
Для достижения указанного технического результата в анкере из композиционного материала, включающем грузонесущий стержень, один конец которого снабжен средством для крепления в шпуре, а другой - средством крепления с элементами крепи, согласно изобретению, грузонесущий стержень выполнен с периодическим профилем боковой поверхности винтовой формы; средство для крепления в шпуре выполнено в виде клинораспорного замка и включает распорный клин и надетую на него распорную втулку, выполненные из композиционного материала, при этом распорный клин выполнен в виде усеченного конуса с центральным каналом и сквозной продольной прорезью, внутренняя поверхность канала выполнена в виде периодического профиля винтовой формы, повторяющего профиль боковой поверхности грузонесущего стержня, и распорный клин навинчен на грузонесущий стержень; распорная втулка выполнена в виде цилиндра с каналом конусной формы, разделенного, по крайней мере, двумя продольными прорезями на сегменты, соединенные перемычками, а средство крепления с элементами крепи включает опорную шайбу с гайкой, причем гайка выполнена из композиционного материала с профилем резьбы соответствующим профилю боковой поверхности грузонесущего стержня.
Технический результат достигается также тем, что распорный клин в виде усеченного конуса с центральным каналом и сквозной продольной прорезью выполнен, по крайней мере, из двух сегментов, соединенных перемычками.
Указанный технический результат достигается также и тем, что для крепления в слоистых породах, согласно изобретению, средство для крепления в шпуре выполнено, по крайней мере, в виде двух клинораспорных замков, каждый из которых включает, распорный клин с надетой на него распорной втулкой, а между распорными клиньями до соприкосновения с распорными втулками установлена обсадная труба.
На фиг.1 изображен общий вид анкера.
На фиг.2 изображена часть грузонесущего стержня с распорным клином и распорной втулкой с вырезанным сегментом.
На фиг.3 изображен общий вид анкера с двумя клинораспорными замками.
Анкер из композиционного материала (фиг.1) содержит грузонесущий стержень 1 с периодическим профилем боковой поверхности винтовой формы, навинченный на его конец распорный клин 2, выполненный в виде усеченного конуса со сквозной продольной прорезью, надетую на него распорную втулку 3, разделенную сквозными прорезями на сегменты, соединенные перемычками, опорную шайбу 4 и гайку 5 навинченную на другой конец грузонесущего стержня.
Анкер из композиционного материала (фиг.3) содержит грузонесущий стержень 1 с периодическим профилем боковой поверхности винтовой формы, навинченные на его конец распорные клинья 2, надетые на них распорные втулки 3, опорную шайбу 4 и гайку 5 навинченную на другой конец грузонесущего стержня, обсадную трубу 6, установленную между распорными клиньями до соприкосновения с распорными втулками.
Закрепление анкера осуществляется в следующей последовательности: на грузонесущий стержень 1 навинчивается распорный клин 2 с надетой на него распорной втулкой 3, после чего подготовленный к закреплению анкер устанавливается в отбуренный в массиве горных пород шпур. После установки анкера в шпур вставляется металлическая обсадная труба до ее соприкосновения с распорной втулкой 3. После серии механических ударов распорная втулка 3, перемещаясь по распорному клину 2, расклинивается о стенки шпура и одновременно обжимает распорный клин на грузонесущем стержне 2, осуществляя, таким образом, закрепление анкер в шпуре. После этого обсадная труба извлекается из шпура, на грузонесущий стержень 1 надевается опорная шайба 4 и затягивается гайкой 5.
Установка анкера с несколькими клинораспорными замками, например, двумя, осуществляется следующим образом: на конец грузонесущего стержня 1 навинчивается распорный клин 2 с надетой на него распорной втулкой 3, затем на грузонесущий стержень 1 надевается обсадная труба 6 до упора в распорную втулку 3. Затем на грузонесущий стержень 1 навинчивается распорный клин 2 с распорной втулкой 3 второго клинораспорого замка до соприкосновения распорной втулки 3 с обсадной трубой 6, после чего подготовленный анкер устанавливается в шпуре. После установки анкера в шпур вставляется металлическая обсадная труба до ее соприкосновения с распорной втулкой 3. второго клинораспорного замка. После серии механических ударов распорная втулка 3, перемещаясь по распорному клину 2, расклинивается о стенки шпура и одновременно обжимает распорный клин на грузонесущем стержне 2, осуществляя, таким образом, закрепление второго клинораспорного замка в шпуре. При закреплении второго клинораспорного замка ударная нагрузка с его распорной втулки 3 через обсадную трубу 6 передается на распорную втулку 3 первого клинораспорного замка, в результате чего происходит его закрепление. Далее, металлическая обсадная труба извлекается из шпура, на грузонесущий стержень 1 устанавливается опорная шайба 4 и затягивается гайкой 5.
Заявляемая конструкция анкера обеспечивает его изготовление полностью из композиционных материалов, что позволяет применять его без ограничений для крепления горных выработок, в том числе и горных выработок, пройденных в массиве полезного ископаемого, подлежащего в последующем механизированной выемке.
Конструкция анкера предусматривает его изготовление без дополнительной механической обработки входящих в его состав деталей. В качестве грузонесущего стержня используется стандартный арматурный стержень из волокнистого материала, пропитанного связующим на основе термореактивных смол, с периодическим профилем боковой поверхности винтовой формы. Остальные детали анкера получают литьевым способом, например из полиамидных смол, наполненных стекловолокном. Таким образом, распорный клин и гайка с внутренними поверхностями каналов в виде периодического профиля винтовой формы, повторяющего профиль боковой поверхности грузонесущего стержня, обеспечивает их использование совместно с грузонесущим стержнем как винтовую пару винт - гайка без дополнительной механической обработки.
Возможность перемещения распорного клина по винтовой поверхности грузонесущего стержня обеспечивает в каждом конкретном случае установку клинораспорного замка анкера в шпуре в заданном месте. Это особо важно при креплении анкера с несколькими клинораспорными замками в шпуре, пройденном в слоистых породах.
Выполнение распорного клина с продольной сквозной прорезью с одной стороны снижает требование к чистоте обработки поверхностей винтовой пары грузонесущий стержень - распорный клин и исключает необходимость их дополнительной механической обработки, а с другой - обеспечивает повышение надежности закрепления анкера, повышение его несущей способности, т.к. в момент крепления клинораспорного замка в шпуре распорная втулка, перемещаясь по распорному клину, расклинивается в шпуре и, в свою очередь, обжимает распорный клин, обеспечивая его надежную фиксацию на грузонесущем стержне.
Выполнение распорного клина в виде усеченного конуса с центральным каналом и сквозной продольной прорезью, по крайней мере, их двух сегментов, соединенных перемычками, повышает надежность его фиксации на грузонесущем стержне.
При выполнении анкера с несколькими клинораспорными замками между распорными клиньями до соприкосновения с распорными втулками устанавливается обсадная труба. Обсадная труба может быть изготовлена из композитных материалов, например, из стеклопластика, или из металла. Длина обсадной трубы должна соответствовать требуемой длине межзамковой части анкера, которая определяется исходя из горно-геологических условий и мощности каждого из слоев пород, в которых будет закреплен анкер. Сама по себе обсадная труба является вспомогательным элементом анкера с несколькими клинораспорными замками, выполняет чисто технологические функции при установке анкера в шпуре и не влияет на его несущую способность.
Предлагаемый анкер из композиционного материала прост по конструкции и в дешев в изготовлении. Отсутствие в его конструкции анкера клеевых соединений деталей из композиционного материала с металлическими повышает его несущую способность, увеличивает надежность закрепления выработок. Отсутствие металлических деталей обеспечивает также возможности применения анкера для крепления горных выработок, пройденных в массиве полезных ископаемых, и не требует извлечение анкеров крепи при выемке при их последующей механизированной выемке.