Способ закрепления анкера и установка для его осуществления

 

Изобретение относится к креплению горных выработок, а именно к анкерной крепи и устройствам для закрепления анкеров. Сущность изобретения: в способе закрепления анкера, включающем введение в скважину грузонесущего стержня, заполнение скважины сначала сыпучим материалом, затем твердеющим материалом, перед введением в скважину к грузонесущему стержню посредством магнитного поля присоединяют транспортную магистраль, вводят их в скважину и подают сыпучий материал с пластификатором за границу свода естественного равновесия на глубину, определяемую по формуле , где l - глубина заполнения скважины сыпучим материалом за границей свода, м; K - коэффициент запаса; U_max - максимальное расстояние пород между контуром выработок и контуром свода естественного равновесия, м; K₁ - коэффициент, пропорциональный интенсивности естественной трещиноватости в закрепляемой породе; σ - прочности на сжатие, Па; R - радиус скважины, м; r₁ - радиус головки стержня анкера, мм; r - радиус стержня анкера, м;
ϕ - угол между нормалью к контуру свода естественного равновесия и осью скважины;
K₂ - эмпирический коэффициент;
h - длина головки анкера, а ниже границы свода естественного равновесия скважину заполняют минеральным твердеющим материалом, при этом по мере заполнения транспортную магистраль удаляют из скважины. Установка, включающая воздухоподводящую магистраль, камеру с входом, выход которой соединен с транспортной магистралью для транспорта сыпучего материала, емкость для жидкости со шлангом, подсоединенным к концевой части транспортной магистрали, пульт управления, состоит дополнительно из камеры с твердеющим минеральным заполнителем, параллельно подсоединенной к транспортной магистрали, конец которой по длине размещения в скважине снабжен материалом с магнитными свойствами, а со стороны входа камеры и емкость с жидкостью соединены подводящими воздуховодами с блоком управления, который соединен гибкими шлангами с пультом управления, который размещен в месте закрепления анкера и дополнительно с клапанами устьев камер в начале транспортных магистралей, при этом воздухоподводящая магистраль, соединяющая емкость с блоком управления, дополнительно соединена с запорным клапаном устья емкости. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Иизобретение относится к креплению горных работок, а именно к анкерной крепи и устройствам для закрепления анкеров.

Известен способ для закрепления анкера, включающий закрепление на грузонесущем стержне подпорного элемента, заполнение скважины сыпучим материалом через отверстие в подпорном элементе при одновременном воздействии на стержень вибратором [1]
Недостатком способа являются значительные затраты времени на закрепление анкера и невозможность использования его для закрепления слабоустойчивых пород.

Наиболее близким к предлагаемому является способ закрепления анкера, включающий введение в скважину грузонесущего стержня, заполнение сыпучим материалом, в частности породной крошкой, затем быстротвердеющим материалом [2]
Известный способ характеризуется простотой процесса установки анкерной крепи.

Однако применение породной крошки не обеспечивает надежного закрепления анкера в скважине, т. к. породная крошка может размокать и не определено место ее размещения. А последовательное введение в скважину грузонесущего стержня, поочередно породной крошки и быстротвердеющего материала требует значительных затрат времени.

Известны установки для закрепления анкеров в скважине.

Так известна установка (пневмонагнетательная машина типа ПН) для закрепления анкера полимербетонной смесью, содержащая воздухоподающий шланг, емкость под смолу и наполнитель, бак для отвердителя, смеситель, соединенный шлангами с емкостью и баком, и трубку для подачи твердеющего состава в скважину [3]
Недостатком установки является невозможность заполнения скважины по ее высоте несколькими материалами, разными по составу и свойствам, за один прием.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является установка (типа ПБМ), включающая рабочую камеру со шнеком, валом побудителем, смесителем, пневматический двигатель, подводящий воздух шланг с вентилем, выдающий шланг для транспортирования смеси сыпучего материала к соплу со смесительной камерой, емкость с водой и шлангом, подсоединенным к смесительной камере сопла, пульт управления, размещенный на общей раме установки [4]
Недостаток установки состоит в том, что она не приспособлена для заполнения скважин смесью, отличающейся по длине скважины разным составом наполнителя.

Другим важным недостатком установки являются большие трудозатраты вследствие необходимости обслуживания двумя специалистами (сопловщик и оператор), а также значительные затраты времени на установку анкера, обусловленные последовательностью операций установки анкера, введения сопла в скважину.

Кроме того, продувку шланга осуществляют с пульта управления, установленного на общей раме установки, что требует возвращения сопловщика от объекта к пульту или присутствия у пульта еще одного человека (оператора).

Целью изобретения является сокращение времени закрепления анкера и повышение надежности его закрепления. Поставленная цель достигается тем, что в способе закрепления анкера, включающем введение в скважину грузонесущего стержня, заполнение скважины сначала сыпучим материалом, затем твердеющим материалом, перед введением в скважину к грузонесущему стержню посредством магнитного поля присоединяют транспортную магистраль, вводят их в скважину и подают сыпучий материал с пластификатором за границу свода естественного равновесия на глубину, определяемую по формуле
,
где l глубина заполнения скважины сыпучим материалом за границей свода, мм;
k коэффициент запаса;
U_max максимальное расслоение пород между контуром выработок и контуром свода естественного равновесия, мм;
k₁ коэффициент, пропорциональный интенсивности естественной трещиноватости в закрепляемой породе;
σ прочность пород на сжатие, кгс/см²;
R радиус скважины, мм;
r₁ радиус головки стержня анкера, мм;
r радиус стержня анкера;
v угол между нормалью к контуру свода естественного равновесия и осью скважины;
k₂ эмпирический коэффициент;
h длина головки анкера, а ниже границы свода естественного равновесия скважину заполняют минеральным твердеющим материалом, при этом по мере заполнения транспортную магистраль удаляют из скважины.

В предлагаемом способе в качестве сыпучего материала берут песок, пластификатор-воду при кремнистом цементе породного массива и водный раствор жидкого стекла при глинисто-карбонатном цементе породного массива, а в качестве минерального твердеющего материала могут быть выбраны следующие:
смесь песка с фосфогипсом;
смесь песка с водой с затворенным цементом;
смесь песка с отходами тепловых станций, доменного производства, обогащения, содержащих ≥ 5% окиси кальция с добавлением 3-4% цемента.

Для реализации способа создана специальная установка для закрепления анкера.

Установка, включающая воздухоподводящую магистраль, камеру с входом, выход которой соединен с транспортной магистралью для транспортного сыпучего материала, емкость для жидкости со шлангом, подсоединенным к концевой части транспортной магистрали, пульт управления состоит дополнительно из камеры с твердеющим минеральным заполнителем, параллельно подсоединенной к транспортной магистрали, конец которой по длине размещения в скважине снабжен материалом с магнитными свойствами, а со сторону входа камеры и емкость с жидкостью соединены подводящими воздуховодами с блоком управления, который соединен гибкими шлангами с пультом управления, который размещен в месте закрепления анкера, и дополнительно с клапанами устьев камер в начале транспортных магистралей, при этом воздухоподводящая магистраль, соединяющая емкость с блоком управления, дополнительно соединена с запорным клапаном устья емкости.

Дополнительным отличием предлагаемой установки является то, что блок управления, включающий центральный канал, соединяющий подводящую магистраль с камерой с сыпучим заполнителем, в начале длины открыт золотником, перекрывающим канал для отвода воздуха к клапанам устьев камер, далее перекрыт золотником, после которого имеет отвод для подачи воздуха в емкость для жидкости, затем открыт золотником, который перекрывает отвод для камеры твердеющего минерального заполнителя, при этом золотники размещены в сквозных отверстиях с горловинами, разделяющими отверстия на полости, в одной из которых размещен золотник, а другая содержит поршень, смонтированный на штоке с пружиной, проходящий через горловину и являющийся продолжением золотника, при этом поршневые полости соединены с пультом управления гибкими шлангами.

Функция пластификатора состоит в том, чтобы сыпучий материал не отскакивал назад, а залипал в зазоре между стенками скважины и анкерным стержнем. Кроме того, он предназначен для герметизации парового пространства между зернами и стенками скважин. В процессе натяжения анкера при его установке пластификатор в виде жидкого стекла отжимается к стенкам скважины, заполняет трещины. Затем он остывает и превращается в твердое тело, герметизируя трещины.

На фиг. 1 представлена установка для закрепления анкера; на фиг.2 - кинематическая схема блока управления; на фиг.3 схема закрепления анкера с помощью установки.

Установка для закрепления анкера состоит из камеры 1 для сыпучего материала и камеры 2 для твердеющего минерального материала, емкости 3 для жидкости. Камеры 1 и 2 параллельно подсоединены к выдающей магистрали 4, выполненной в виде гибкого армированного шланга. К этой магистрали подсоединена выдающая магистраль 5 от емкости 3 с жидкостью. Конец выдающей магистрали 4 на длине ее введения в скважину снабжен материалом 6 с магнитными свойствами, например ферритом бария, для присоединения к стержню анкера 7 перед введением последнего в скважину 8. Феррит бария в виде порошка может быть введен в структуру гибкого шланга при изготовлении последнего или приклеен отдельными брусками 6 выполненными на контакте воздуховода со стержнем анкера 7 по форме примыкающих поверхностей. Конец магистрали 6 на длине введения в скважину может быть выполнен в виде жесткой трубы с наклеенными брусками феррита бария. Со стороны входа емкости 1 и 2 соединены с блоком управления (БУ) 9 посредством подводящих воздуховодов 10.

Блок управления 9 присоединен к воздушной магистраль 11, а также гибкими шлангами 12 к пульту управления (ПУ) 13 и дополнительно к запорным клапанам 14 емкостей 1 и 2 посредством шланга 15.

Пульт управления 13 соединен напрямую гибким шлангом 16 с воздушной магистралью 11. Запорный клапан 17 емкости 3 соединен воздуховодом 18 напрямую с воздухопроходящим воздуховодом 10, минуя емкость 3. Шланги 15 необходимы для подачи воздуха к запорным клапанам 14, в частности для перекрытия устья камер 1 и 2 и для продувки магистрали 16 при закрытых клапанах 14. Шланг 118 необходим для открытия клапана 17 емкости 3 во время подачи воздуха в емкость. Емкость 3 и камеры 1 и 2 герметичны и рассчитаны на избыточное давление до 0,6 Мпа. Они снабжены загрузочными окнами 19 с герметизирующими крышками.

Блок управления 9 (фиг.1) выполнен (см. фиг. 2) в виде коробки 20 с центральным отверстием 21, соединенным с воздухоподводящей магистралью 11 (фиг. 1) и магистралью 10, соединяющей (выход "с") блок управления с камерой 1, заполненной сыпучим минеральным заполнителем, например песком. Отвод 22 (выход "д") предназначен для подачи воздуха к емкости 3 с жидкостью. Центральный канал 21 пересекает сквозные отверстия 23, 24, 25, которые выполнены с горловинами 26, которые разделяют эти отверстия на две полости. В одних размещены золотники 27, 28, 29, в других поршни 30, закрепленные на штоках 31, являющиеся продолжением золотников и проходящие через окна горловин 26. Причем на штоки 31 надеты пружины 32. Отверстие 23 имеет отводной канал 33 (отвод "б") для запитки шлангов 115, а отверстие 25 отводной канал 34 (отвод "в") для запитки воздуховода 10, присоединенного к камере 2 со смесью твердеющего наполнителя, пластификатора. Центральный канал 21 открыт золотниками 27, 29 и перекрыт золотником 28. Поршневые полости отверстий 23, 24, 25 соединены с отводами "l", "k", "i" с пультом управления 13.

Технология сооружения анкерной крепи заключается в следующем.

По данным геофизических исследований и классификации определяют координаты границ 35 свода естественного равновесия, который сформируется в процессе эксплуатации выработок (фиг.3).

Прогнозируют максимальное расслоение (U_max) пород в контуре свода естественного равновесия. По формуле (1) определяют глубину l закрепления анкера сыпучим материалом за границей свода естественного равновесия и определяют общую глубину бурения скважины. Она равна (см. фиг.3).

L l + l₁
где l глубина закрепления анкера сыпучим материалом за границей свода естественного равновесия, определяемая по формуле (1);
l₁ расстояние от контура выработок до контура будущего свода естественного равновесия, мм.

Длина l вытекает из необходимости обеспечения податливости анкера перемещением головки анкера в сыпучем материале на величину U_max плюс величина размещения за границей свода опорной подушки из сыпучего материала, создаваемой силами трения и скольжения, и из условия неразрушения распором опорной подушки контура свода естественного равновесия в породах, обладающих прочностью на сжатие ≥ 8 МПа. Формула (1) построена по данным обобщения экспериментов в различных условиях. После этого бурят скважину 8 (фиг.1,2) на глубину L. После бурения скважины 8 (фиг.1,3) к грузонесущему стержню анкера 7 присоединяют с использованием магнита 6 воздуховыдающую (воздуховод) магистраль 4 (или ее окончание в виде жесткой трубки) и вместе вставляют в скважину до упора анкера 7 в забой скважины и сразу включают с пульта управления 13 подачу песка из камеры 1 путем нажатия кнопки "К" ПУ. При этом воздух по шлангу 16 (а-а) через пульт управления 13 шлангу К-К¹ устремляется в поршневую полость 24 блока управления 9 (фиг.1,2). При этом под давлением воздуха поршень 30, сжимая пружину 32, перемещает золотник 28. Последний открывает центральный канал 21 блока управления. Воздух от магистрали 11 устремляется по центральному каналу к выходу "С" и отводу "Д" и по магистралям 10 к емкости 3 и камере 1. В результате эжекции захваченный воздухом песок устремляется по магистрали 4 в скважину 8. Одновременно воздух по отводу 22 (фиг. 1,2), магистраль 10 устремляется в емкость 3 с пластификатором, например водой или водным раствором жидкого стекла, и к клапану 17, открывая его.

Пластификатор из емкости 3 по шлангу 5 подается к устью скважины 8 и подается в магистраль 4, смачивая сыпучий минеральный заполнитель, например песок. Смоченный минеральный наполнитель забивает скважину, закрепляя головку анкера у забоя скважины.

При этом воздух устремляется к устью скважины, а песок, набравший кинетическую энергию, забивает скважину. Песчинки, смоченные пластификатором, плотно упаковываются, залипают, зависают в зазоре между грузонесущим стержнем анкера 7 и стенкой скважины 8.

Воздух по мере заполнения скважины песком выталкивает конец магистрали 4 из скважины. Этому способствует вес шлангов 4 и 5. Одновременно магниты 6, притягиваясь к стержню анкера 7, препятствуют этому. Магнитное взаимодействие удерживает магистраль 4 от перемещения в начале процесса заполнения скважины. По мере приближения забоя наполнителя к концу трубки возрастает выталкивающая сила, и трубка 4 опускается, скользя по анкеру 7. Конец шланга (трубки) 4 размечен метками. После появления первой метки на трубке 4 у устья скважины оператор, устанавливающий анкер 7, нажимает дополнительно на кнопку "i" пульта управления 13. Воздух от ПУ устремляется в БУ в поршневую полость отверстия 25 и давит на поршень 30, сжимая пружину 32 штока 31 золотника 23. Последний перемещается в другое крайнее положение, перекрывая выход "c" (т.е. отключается камера 1) и открывая выход "в", т.е. доступ воздуха в камеру 2.

Воздух через вход "а" от магистрали 11 устремляется через центральный канал 21 к золотнику 29, через его внутреннюю полость, выход "в" по магистрали 10 к камере 2. Путем эжекции твердеющая смесь увлекается воздухом из камеры 2, далее по магистрали 4 доставляется воздухом в скважину 8, заполняя ее до устья. При этом трубка 4 опускается до верхней метки. При появлении верхней метки на трубке 4 оператор опускает прижатые кнопки "i" "K" на пульте управления 13. Воздух не поступает к входу "K'" и "i'" корпуса 20 блока управления (фиг.2), сами каналы ("К-К'"), i-i' сообщаются с атмосферой. Пружина 32 на штоке 31 золотника 28 отжимает поршень в исходное положение и через шток 31 перемещает золотник в исходное крайнее положение. При этом золотник 28 перекрывает центральное отверстие 21, отключая выходы "с", "в" и "Д" к камерам 1 и 2 и емкости 3. Далее цикл повторяется при закреплении следующего анкера. По мере расхода содержимого камер 1,2 и емкости 3 последние периодически заправляются через окна 19, которые герметично перекрываются крышками. Периодическую продувку магистрали 4 осуществляют нажатием кнопки "l" на пульте управления 13. Воздух от пульта управления по шлангу 12 (путь l-l' устремляется к входу "l" корпуса 20 блока управления (фиг.2), отжимает поршень 30, сжимая пружину золотника 27. Последний перекрывает центральный канал и соединяет отвод "б" с входом "а" центрального канала 21. Воздух от магистрали 11 через вход "а", полость золотника, отвод "б" устремляется по воздуховоду 15 к тройникам и запорным клапанам 14, далее через них к выдающей магистрали 4, продувая ее от остатков частиц минерального заполнителя. После продувки кнопка "l" пульта управления отпускается. Она под действием пружины (не показано) возвращается в исходное положение, при этом пульт управления отсекает магистраль (l-l') от воздухоподающей магистрали 16. При этом с помощью пульта управления 13 магистраль (l-l') и поршневая полость 23 золотника 27 сообщаются с атмосферой. Сжатая пружина 32 возвращает золотник 27 в исходное положение. При этом отвод "б" перекрывается, а центральный 21 канал открывается сквозным отверстием золотника 27.

Все операции по управлению установкой осуществляются одним оператором с пульта управления, который подвешен у него к поясу или через плечо на время закрепления анкера. Оператор устанавливает анкер и закрепляет его, используя пульт управления.

Установка и способ закрепления анкера были испытаны в промышленных условиях.

Пример осуществления предлагаемого способа в промышленных условиях.

По данным геофизического обследования и классификации определены координаты контура будущего свода естественного равновесия относительно контура выработки, а также максимальное расслоение пород в контуре свода естественного равновесия. Глубина заполнения скважины сыпучим материалом за границей свода естественного равновесия, вычисленная по формуле (1), составила 500 мм. Расстояние до контура свода естественного равновесия в переслаивании алевролита с аргиллитом (прочностью на сжатие 150 КГС/см²) составило 1700 мм. Общая глубина скважины под анкер составила 2200 мм. С учетом высоты шайб, верхняка, гайки был выбран анкерный стержень длиной 2340 мм. После бурения скважины на глубину 2260 мм оператор к грузонесущему стержню присоединил воздуховод с магнитом, ввел анкер с воздуховодом в скважину и дистанционно включил подачу сыпучего материала и пластификатора. В качестве сыпучего материала был использован ручной песок.

После включения установки стержень анкера не поддерживается, т.к. мгновенно закрепляется песком. Транспортная магистраль (трубка) при этом самостоятельно выдвигается из скважины. При выдвижении трубки из скважины на длину 500 мм, о чем оператор судит по метке, нанесенной предварительно, он отключает подачу песка и включает подачу твердеющего наполнителя смесь песка с фосфогипсом. После выдвижения транспортной трубки из скважины до метки 150 от устья скважины, оператор отключает подачу пластификатора и твердеющего материала. Время заполнения скважины ⊘ 32 мм составило 8 с.

После заполнения скважины и удаления транспортной трубки производят стандартные технологические операции. На стержень надевают подпорные элементы: стальную эксцентричную шайбу, резиновую и стальную втулки. На выступающий конец стержня под верхняк надевают опорную шайбу и накручивают гайку.

Далее производят испытания анкера.

Измеренная прочность 14 т. При дальнейшем приложении нагрузки анкер проскальзывает с усилием 12,5 14 т. При этом нагрузка то нарастает до 14 т, то убывает до 12,5 т. Таким образом, способ обеспечивает податливость анкера и надежность закрепления. В дальнейшем после доработки лавы выработка в охраняемом целике раскрепляется, кровля обрушивается на высоту до 1,0 1,9 м. Над выработкой образовываются купола, но анкеры не разрушились, были погнуты, но не выдергивались, высыпания песка не наблюдалось.

Таким образом при закреплении анкера предлагаемым способом при помощи предлагаемой установки осуществляется заполнение скважины по ее длине разными минеральными материалами в один прием. Формирование непосредственно под головкой анкера столба из сыпучего материала обеспечивает режим податливости с заданной нагрузкой. Размещение этого сыпучего материала за границей свода естественного равновесия повышает надежность работы анкера и в случае вывалообразования вследствие формирования опорной подушки за контуром свода естественного равновесия.

При последующем заполнении скважины ниже границы свода естественного равновесия до ее устья твердеющим минеральным материалом формируется столб, герметизирующий скважину и предотвращающий высыпание верхнего слоя материала в случае обнаружения скважины при вывалообразовании.

Предлагаемый способ позволяет расширить область применения надежного анкерного крепления на слабоустойчивые породы непосредственной кровли с прочностью на сжатие менее 30 МПа.

Формула изобретения

1. Способ закрепления анкера, включающий введение в скважину грузонесущего стержня, и заполнение скважины сначала сыпучим материалом, а затем твердеющим материалом, отличающийся тем, что перед введением в скважину к грузонесущему стержню посредством магнитного поля присоединяют транспортную магистраль, вводят их в скважину и подают сыпучий материал с пластификатором за границу свода естественного равновесия на глубину, определяемую по формуле

где l глубина заполнения скважины сыпучим материалом за границей свода, м;
K коэффициент запаса;
U_max максимальное расслоение пород между контуром выработки и контуром свода естественного равновесия, м;
K₁ коэффициент, пропорциональный интенсивности естественной трещиноватости в закрепляемой породе;
σ прочность пород на сжатие, Па;
R радиус скважин, мм;
r₁ радиус головки стержня анкера, м;
v угол между нормалью к контуру свода естественного равновесия и осью скважины;
К₂ коэффициент пропорциональности;
h длина головки анкера, м,
а ниже границы свода скважину заполняют минеральным твердеющим материалом, при этом по мере заполнения транспортную магистраль удаляют из скважины.

2. Установка для закрепления анкера, включающая воздухоподводящую магистраль, камеру с сходом, выход которой соединен с транспортной магистралью для транспорта сыпучего материала, емкость для подачи жидкости со шлангом, присоединенным к концевой части, выдающей магистрали, пульт управления, отличающаяся тем, что установка дополнительно снабжена камерой с твердеющим минеральным заполнителем, параллельно подсоединенной к транспортной магистрали, конец которой по длине размещения в скважине снабжен материалом с магнитными свойствами, а со стороны входа камеры и емкость с жидкостью соединены подводящими воздуховодами с блоком управления, который соединен гибким шлангом с пультом управления, который размещен в месте закрепления анкера, и дополнительно с клапанами устьев камер в начале транспортных магистралей, при этом воздухоподводящая магистраль, соединяющая емкость с блоком управления, дополнительно соединена с запорным клапаном устья емкости.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что блок управления, включающий центральный клапан, соединяющий воздухоподводящую магистраль с камерой с сыпучим минеральным заполнителем, в начале длины открыт золотником, перекрывающим канал для отвода воздуха к клапанам устьев камер, далее перекрыт золотником, после которого имеет отвод для подачи воздуха в емкость для жидкости, затем открыт золотником, который перекрывает отвод для камеры со смесью твердеющего заполнителя, при этом золотники размещены в сквозных отверстиях с горловинами, разделяющими отверстия на полости, в одной из которых размещен золотник, а другая поршневая содержит поршень, смонтированный на штоке с пружиной, проходящий через горловину и являющийся продолжением золотника, при этом поршневые полости соединены с пультом управления гибкими шлангами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3