СПОСОБ УСТАНОВКИ АНКЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO INSTALL ANCHOR AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для крепления выработок, а также для крепления различных изделий к стенкам и перекрытиям сооружений.
Известен 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 спирали осуществляют путем ввинчивания в нее глубинного конца штанги.
В известном 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 имеет сравнительно низкую эффективность.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ установки анкера по патенту РФ №2353776, кл. E21D 20/00, E21D 21/00, опубл. в БИ №12, 2009 г., включающий размещение на анкерной штанге проволочной спирали, введение анкера в пробуренный шпур и вдавливание витков проволочной спирали в стенки шпура. Проволочную спираль размещают на 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 этого вдавливание витков проволочной спирали в стенки шпура осуществляют силами упругости проволочной спирали.
В этом способе вращение анкера осуществляют на всем протяжении ввода его в шпур, вне зависимости от длины участка, на котором требуется сцеплять его с горной породой. Спираль нужно предварительно размещать и закреплять ее конец на анкерной штанге. Для вдавливания витков спирали в стенки шпура необходимо применять спирали, способные создавать относительно большие силы упругости, что повышает их стоимость. Все это обуславливает его сравнительно низкую эффективность.
Известен 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 относительно низкую эффективность анкера.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является анкер по патенту РФ №2353776, кл. E21D 20/00, E21D 21/00, опубл. в БИ №12, 2009 г., включающий анкерную штангу, имеющую на внешней поверхности винтовую канавку, 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.
Такой анкер необходимо вращать на всем протяжении ввода в шпур, вне зависимости от длины участка, на котором требуется сцеплять его с горной породой. Вводимый в шпур конец спирали должен быть закреплен на анкерной штанге. Исходное сцепление анкера с горной породой оказывается относительно слабым, так как осуществляется только силами упругости спирали. В результате анкер обладает сравнительно низкой эффективностью.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа и устройства за счет повышения надежности сцепления анкера со стенками шпура.
Задача решается тем, что в способе установки анкера, включающем бурение шпура в стенке выработки, введение в него спирали, анкерной штанги с винтовой канавкой на внешней поверхности и вдавливание витков спирали в стенки шпура, согласно техническому решению вначале в шпур вводят спираль, а затем вкручивают в нее анкерную штангу, деформируя поперечное сечение витков спирали при вдавливании их в стенки шпура, при этом размеры анкерной штанги выбирают таким образом, чтобы поперечное сечение витков спирали в исходном состоянии было большим, чем расстояние между стенками шпура и дном винтовой канавки анкерной штанги.
Способ реализует идею использования спирали с возможностью деформирования поперечного сечения ее витков, за счет чего она плотно прилегает к стенкам шпура на сравнительно большой площади и поэтому на ее контакте с горной породой снижается концентрация напряжений, что позволяет увеличивать нагрузку на анкер. При этом надежность сцепления анкера с горной породой повышается также за счет его взаимодействия даже с микроскопическими неровностями на стенках шпура. Выбор размеров анкерной штанги таким образом, чтобы поперечное сечение витков спирали в исходном состоянии было большим, чем расстояние между стенками шпура и дном винтовой канавки анкерной штанги, является необходимым условием плотного контакта анкера с горной породой. В результате повышается эффективность способа за счет повышения надежности сцепления анкера со стенками шпура.
Целесообразно длину спирали выбирать равной или меньшей длины участка шпура, который расположен за пределами зоны расслоения стенок выработки. Это существенно снижает стоимость и трудоемкость установки анкера, так как практически при одинаковой надежности крепления выработки уменьшается количество оборотов анкерной штанги, которое требуется на установку анкера.
Задача также решается тем, что в устройстве для установки анкера в шпуре, включающем анкерную штангу с винтовой канавкой на внешней поверхности и спираль, согласно техническому решению витки спирали выполнены с возможностью деформирования поперечного сечения, при этом поперечное сечение витков спирали выполнено большим, чем расстояние между стенками шпура и дном винтовой канавки анкерной штанги.
Витки спирали с возможностью деформирования их поперечного сечения обуславливают совпадение внешней поверхности анкера с шероховатой поверхностью шпура, что существенно увеличивает его сцепление с горной породой. Спирали можно выполнять из материала, который по сравнению с пружинной сталью дешевле и не требует специальной закалки. При этом упрощается и конструкция анкера, так как устраняется необходимость закрепления конца спирали на анкерной штанге. Выполнение поперечного сечения витков спирали большим, чем расстояние между стенками шпура и дном винтовой канавки анкерной штанги, позволяет устанавливать устройство в шпурах, пройденных с относительно большим разбросом их диаметров. Связано это с тем, что спирали в предлагаемом устройстве предполагается выполнять также из различных профилей, способных изменять свои формы. Все это повышает эффективность устройства за счет повышения надежности его сцепления со стенками шпура, причем при меньших затратах на изготовление.
Целесообразно на вводимом в шпур конце анкерной штанги глубину винтовой канавки уменьшить. Это при установке анкера существенно уменьшает зависимость момента вращения анкерной штанги от длины спирали. В этом случае основное трение, связанное с деформированием витков спирали, приходится на участок контакта спирали с той частью анкерной штанги (где глубина винтовой канавки уменьшена), на которой расстояние между дном винтовой канавки и стенками шпура наименьшее. Остальная часть анкерной штанги вкручивается в спираль как винт в гайку без значительного трения.
Целесообразно спираль выполнить из ленты, выпуклой к оси устройства. Это позволяет в больших пределах изменять деформационные возможности поперечного сечения витков спирали, например, выбором кривизны выпуклости ленты и ее толщины. В результате упрощается выполнение требуемых условий для деформирования и внедрения витков спирали в горные породы, что повышает эффективность устройства.
Целесообразно на обращенном к забою шпура конце спирали выполнить выступ, смещенный относительно ее оси. Это снижает вероятность прокручивания спирали в шпуре при вкручивании в нее анкерной штанги.
Целесообразно в обращенный к забою шпура конец спирали вставить пробку, на торце которой установить круг на оси вращения, смещенной относительно центра круга и оси пробки. Это исключает прокручивания спирали в шпуре.
Целесообразно на вводимом в шпур конце анкерной штанги выполнить ступенчатое утончение, которое вставить в конец спирали. Это исключает соскакивание спирали с анкерной штанги и, тем самым, ее заклинивание в зазоре между стенками шпура и анкерной штангой во время перемещения к забою шпура.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1-3.
На фиг.1 показана схема установки анкера и устройства для его осуществления, продольный разрез; на фиг.2 - схема установленного в шпуре устройства, продольный разрез; на фиг.3 - пробка с установленным на ее торце кругом, вставленная в конец спирали, продольный разрез.
Способ реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.
В пробуренный из выработки (не показана) в породном массиве 1 (фиг.1) шпур 2 до упора в его забой вводят устройство, состоящее из спирали 3, выполненной с возможностью деформирования поперечного сечения ее витков и с обращенным к забою шпура 2 выступом 4 на конце, смещенным относительно ее оси, и анкерной штанги 5 (далее - штанга 5) с винтовой канавкой 6 (далее - канавка 6) на внешней поверхности и головкой 7 для вращения ключом. При этом вначале в шпур 2 вводят спираль 3 с помощью штанги 5, которая следует за ней. Спираль 3 выполнена из ленты, выпуклой к оси устройства. На вводимом в шпур 2 конце штанги 5 глубина канавки 6 уменьшена. Размеры штанги 5 выбирают таким образом, чтобы поперечное сечение витков спирали 3 в исходном состоянии было большим, чем расстояние между стенками шпура 2 и дном канавки 6 штанги 5. Длину спирали 3 выбирают равной или меньшей длины участка шпура 2, который расположен за пределами зоны расслоения стенок выработки. В обращенный к забою шпура 2 (фиг.3) конец спирали 3 вставлена пробка 8, на торце которой установлен круг 9 на оси 10 вращения, смещенной относительно центра круга 9 и оси пробки 8. На вводимом в шпур 2 конце анкерной штанги выполнено ступенчатое утончение 11, которое вставлено в конец спирали 3. Затем в спираль 3 вкручивают штангу 5 и тем самым деформируют ее витки распирающим усилием со стороны штанги 5. В результате витки спирали 3 плотно прилегают к горной породе и частично внедряются в нее. При этом внешняя поверхность спирали 3 приобретает форму поверхности шпура 2, от чего анкер надежно сцепляется с породным массивом 1.
Момент вращения на головке 7 возрастает по мере вкручивания штанги 5 в спираль 3 из-за роста трения, обусловленного увеличением длины участка их взаимного контакта. В предлагаемом устройстве указанный рост трения снижается до минимального значения благодаря уменьшению (не показано) на вводимом в шпур конце штанги 5 глубины канавки 6.
Сравнительно большое деформирование поперечного сечения витков спирали 3, обеспечивающее возможность установки устройства в шпурах 2 со значительным разбросом их диаметров, достигается выполнением ее из профилей, способных относительно легко изменять форму под действием внешних нагрузок. Например, спираль 3 можно выполнить из трубок различной формы (ромбической, квадратной и т.д.), швеллера, уголка. Выполнение спирали 3 из ленты, выпуклой к оси устройства, обусловлено простотой ее исполнения и экономической целесообразностью.
Вкручивание штанги 5 в спираль 3 производят в направлении распора спирали 3 в стенки шпура 2. Кроме этого начальный диаметр спирали 3 можно выполнить таким, чтобы она подавалась в шпур 2 с небольшим усилием и ее витки плотно прилегали к горной породе. Поэтому в большинстве случаев дополнительных мер для удержания спирали 3 от вращения в шпуре 2 не требуется. Вместе с этим случаи прокручивания спирали 3 в шпуре 2 возможны, например, при проходке шпуров 2 в глинистых увлажненных (скользких) породах или когда из-за технологических отклонений диаметр шпура 2 оказывается существенно больше диаметра спирали 3. Поэтому в устройстве предусмотрено удержание спирали 3 от вращения. Например, возможно выполнение на обращенном к забою шпура 2 конце спирали 3 выступа 4 (фиг.1), смещенного относительно ее оси. Выступ 4 взаимодействует с неровностями поверхности забоя и существенно снижает вероятность прокручивания спирали 3. При этом штангой 5 поддавливают спираль 3 к забою, от чего спираль 3 увеличивает свой диаметр и прижимается к стенкам шпура 2. Возможно введение в обращенный к забою шпура 2 (фиг.3) конец спирали 3 пробки 8, на торце которой установлен круг 9 на оси 10 вращения, смещенной относительно центра круга 9 и оси пробки 8. Это исходя из известных закономерностей взаимодействия двух цилиндрических тел, объединенных смещенной относительно их центров осью вращения, исключает вращение спирали 3 на любом участке шпура 2. Ширину канавки 6 выполняют с учетом всех возможных погрешностей изготовления и установки спирали 3 в шпуре 2.