Анкер для крепления горных выработок

 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для крепления горных выработок. Анкер содержит ввинченный в шпур винтовой стержень с хвостовиком, установленный на хвостовике опорный элемент, пружину и дополнительный стержень. Витки нижнего конца пружины размещены на забойном торце винтового стержня и входят в зацепление с упором, укрепленным между соседними витками резьбы винтового стержня. Между упором винтового стержня и забоем шпура заключен скрепляющий раствор. Дополнительный стержень расположен со стороны забойного торца винтового стержня и жестко соединен с частью витков верхнего конца пружины, обращенной в сторону забоя шпура. Витки пружины сжаты с возможностью последующего растяжения от воздействия на них нагрузок со стороны вмещающих пород. Изобретение позволит повысить несущую способность заанкерованной кровли выработки.3 ил.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для крепления горных выработок с помощью анкеров.

Известен анкер для крепления горных выработок, включающий ввинченный в шпур винтовой стержень с хвостовиком и установленный на хвостовике опорный элемент [1].

Недостатком известного анкера является то, что он не может работать в податливом режиме из-за жесткости своей конструкции.

Известен анкер для крепления горных выработок, включающий ввинченный в шпур винтовой стержень с хвостовиком, установленный на хвостовике опорный элемент, пружинный наконечник с шагом, равным шагу винтовой резьбы стержня, причем один торец пружинного наконечника свободный, а другой его торец входит в зацепление с упором, укрепленным между витками резьбы стержня, при этом по длине шпура между упором и свободным торцом пружинного наконечника заключен скрепляющий раствор [2].

Недостатком данного технического решения является ограниченная возможность обеспечить требуемую податливость в зависимости от структуры и прочности горного массива вокруг выработки, особенно при наличии повышенных смещений пород кровли, поскольку витки пружинного наконечника, имея заранее заданный шаг навивки, деформируются и растягиваются под действием нагрузок вплоть до выпрямления и последующего разрыва.

Поэтому породы, лежащие выше места разрыва, оказываются неармированными и вследствие этого подвергаются последующему расслоению под действием сил горного давления, а это приводит к увеличению нагрузки на контур выработки.

Описанные обстоятельства снижают несущую способность заанкерованной кровли выработки, а также надежную и эффективную работу анкера.

В основу изобретения поставлена задача повысить несущую способность заанкерованной кровли горной выработки при обеспечении требуемой податливости анкера в зависимости от прочности вмещающих пород, окружающих горную выработку.

Поставленная задача достигается тем, что анкер для крепления горных выработок, включающий ввинченный в шпур винтовой стержень с хвостовиком, установленный на хвостовике опорный элемент, пружину, витки нижнего конца которой размешены на забойном торце винтового стержня и входят в зацепление с упором, укрепленном между соседними витками резьбы винтового стержня, причем по длине шпура между упором винтового стержня и забоем шпура заключен скрепляющий раствор, согласно изобретению снабжен дополнительным стержнем, ориентированным со стороны забойного торца винтового стержня и жестко соединенным с частью витков верхнего конца пружины, обращенной в сторону забоя шпура, причем верхний торец дополнительного стержня упирается в забой шпура, а его нижний торец взаимодействует с витками пружины, расположенными между ним и верхним торцом винтового стержня, находящимися в сжатом состоянии и имеющими возможность последующего растяжения от воздействия на них нагрузок со стороны вмещающих пород, при этом число витков n₂ пружины на ее длине между упомянутыми торцами винтового и дополнительного стержней определяют из соотношения где l_m - длина шпура, м; l_в.с. - длина винтового анкера, м; l_д.с. - длина дополнительного стержня, м; d_в - диаметр витков пружины, м; f - коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова для выбора требуемой величины податливости в зависимости от прочности вмещающих пород, окружающих горную выработку.

В сравнении с известным уровнем техники заявляемое изобретение за счет использования податливости заранее сжатой части витков пружины, имеющих возможность растягиваться под действием сил горного давления, обеспечивает дифференцированный режим податливости анкера в условиях возрастающей нагрузки и, соответственно, повышенную несущую способность армированной анкерами кровли выработки.

Достигается это благодаря тому, что в конструкцию анкера внесен дополнительный стержень со стороны забойного торца основного винтового стержня и жестко соединен с частью витков верхнего конца пружины. Остальные витки пружины на ее длине между нижним торцом дополнительного стержня и верхним торцом основного винтового стержня находятся в сжатом состоянии, когда при ввинчивании анкера в шпур верхний торец дополнительного стержня упрется в забой шпура. Такая навивка витков пружины на указанной части ее длины позволяет в дальнейшем обеспечить растяжение этих витков под воздействием нагрузок со стороны вмещающих пород на анкер, относительное удлинение анкера, обеспечивающие ему повышенную податливость.

Известен из уровня техники металлический анкер [3], в котором имеется верхний стержень, соединенный с нижним стержнем через узел податливости в виде изогнутого полным витком стержня, выполненного из мягкой стали.

Недостатком данного решения является ограниченная податливость анкера за счет того, что в начальный период его нагружения полувиток стержня растягивается, чем исчерпывается его податливость и в дальнейшем с увеличением нагрузок анкер, выходя на заданное сопротивление, начинает работать в жестком режиме.

В заявляемом изобретении наличие сжатой части витков пружины обеспечивает регулирование степени податливости анкерной крепи в более широком диапазоне действующих на нее возрастающих нагрузок со стороны горного массива.

Причем в зависимости от горно-геологических условий использования анкерной крепи обеспечивается требуемая ей податливость путем подбора необходимого числа сжатых витков n_в пружины из соотношений где
l_m - длина шпура, м;
l_в.с. - длина второго анкера, м;
l_д.с. - длина дополнительного стержня, м;
d_в - диаметр витков пружины, м;
f - коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

Такой подход к подбору расчетного числа витков пружины, сжатых в начальный период работы анкера, по приведенному соотношению позволит более длительное время работать анкеру в податливом режиме, воспринимая повышенные нагрузки со стороны вмещающих пород. Это позволит повысить несущую способность заанкерованной кровли выработки, а значит надежность крепления и поддержания ее в дальнейшем при эксплуатации.

Поскольку число сжатых витков n_в пружины можно регулировать в зависимости от крепости окружающих выработку пород, это позволит расширить диапазон применимости заявляемой анкерной крепи и обеспечить эксплуатационное состояние выработки на весь период ее службы.

Известен из уровня техники податливый анкер [4], в котором проволочная спираль, имеющая определенный шаг навивки, установлена на несущем элементе с возможностью перемещения на участке между резаком и ограничительным кольцом, жестко закрепленная на несущем элементе. При достижении заданной нагрузки на анкер происходит его смещение на величину заданной податливости до упора резака в омоноличенную твердеющим раствором проволочную спираль.

Недостатком данного решения является то, что при увеличении нагрузки податливость анкера осуществляется только за счет перемещения стержня анкера относительно скрепляющего состава и омоноличенной проволочной спирали, при этом данная спираль не выполняет функцию узла податливости.

Из сказанного следует, что заявляемое изобретение имеет новые свойства, которые не присущи известным техническим решениям [2, 3, 4]. Эти новые свойства выражаются в том, что анкерная крепь имеет значительную способность воспринимать повышенные нагрузки со стороны пород, окружающих выработку, за счет регулирования величины податливости в этих условиях, а также возможность использовать ее в широком диапазоне по крепости пород за счет подбора расчетным путем количества витков пружины, сжатых в период установки анкера. Все это обеспечивает повышенную несущую способность заанкерованной кровли выработки, т.е. достигается технический результат, который явным образом не следует из сведений об известном уровне техники, а поэтому заявляемое изобретение имеет изобретательский уровень.

На фиг. 1 изображен предлагаемый анкер, момент установки элементов анкера в шпуре; на фиг. 2 - то же, что и на фиг.1, момент окончания сжатия части витков пружины и готовности замоноличенных элементов к работе; на фиг. 3 - фрагмент анкера, принцип работы сжатых витков пружины анкера в податливом режиме.

Анкер для крепления горных выработок включает винтовой стержень 1, ввинченный в шпур 2 и имеющий хвостовик 3, опорный элемент 4, установленный на хвостовике 3, и пружину 5. Виток 6 нижнего конца пружины 5 размещен на забойном торце винтового стержня 1 и входит в зацепление с винтовым стержнем до упора 7, укрепленного между витками 8 винтовой резьбы стержня.

Анкер содержит также дополнительный стержень 9, ориентированный со стороны забойного торца винтового стержня 1 и жестко соединенный с витками 10 верхнего конца пружины 5, обращенной в сторону забоя шпура 2. В момент готовности анкера к работе верхний торец дополнительного стержня 9 упирается в забой шпура 2, а нижний торец взаимодействует со сжатыми витками 11 пружины 5. По длине шпура 2 между упором 7 и забоем этого шпура заключен скрепляющий раствор 12.

Необходимое число n_в витков 11 пружины 5 определяют из соотношения

где
l_ш - длина шпура, м;
l_в.с. - длина винтового анкера, м;
l_д.с. - длина дополнительного стержня, м;
d_в - диаметр витков пружины, м;
f - коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

Подсчет числа витков 11 пружины 5, которые должны быть сжаты в начальный период работы анкера, обеспечивают требуемую податливость в зависимости от прочности смещающих пород и горно-геологических условий, в которых она проводится, в дальнейшем поддерживается предлагаемый конструкцией анкерной крепи.

Анкер устанавливают следующим образом.

В шпур 2, пробуренный внешним диаметром меньше внешнего диаметра винтового стержня 1 и глубиной больше его длины, вводят скрепляющий раствор 12, заключенный, например, в ампулах. Затем на хвостовик 3 винтового стержня 1 устанавливают опорный элемент 4. Далее на забойный конец винтового стержня 1 с упором 7 навинчивают витками 6 нижний конец пружины 5 совместно с дополнительным стержнем 9, жестко соединенным с пружиной 5 посредством ее верхних витков 10. Навинчивание витков 6 пружины 5 на стержень 1 осуществляют до взаимодействия ее нижнего торца с упором 7. Причем в момент сборки элементов анкера шаг витков 11 пружины 5, расположенных между нижним торцом дополнительного стержня 9 и верхним торцом винтового стержня 1, соответствует шагу резьбы винтового стержня 1.

После сборки анкера его ввинчивают в шпур 2, заполненный скрепляющим раствором 12. При вращательно-поступательном движении анкера по шпуру 2 происходит одновременно перемешивание скрепляющего раствора 12, перемещение его в забой шпура 2 и уплотнение.

По мере достижения торца дополнительного стержня 9 забоя шпура 2 продолжают вращательно-поступательное движение анкера, при этом происходит сжатие витков 11 пружины 5 до непосредственного контактирования их между собой. Причем упомянутое сжатие витков 11 пружины 5 произойдет только тогда, когда опорный элемент 4 достигнет устья шпура 2.

В результате выполнения вышеописанных операций анкер ввинчен в шпур 2, как это показано на фиг. 2, и введен в работу. При этом скрепляющий раствор армирован в верхней части шпура 2 пружиной 5 совместно с дополнительным стержнем 9.

По мере расслоения пород кровли выработки опорный элемент 4 смещается внутрь выработки. При этом происходит удлинение анкера за счет изменения расстояния между витками 11 пружины 5, выражающегося в неравномерном растяжении этих витков 11, начиная с нижних со стороны винтового стержня 1 с уменьшением расстояния между ними по длине пружины в сторону забоя шпура 2. Такой принцип изменения шага витков 11 обусловлен смещением пород кровли совместно с опорным элементом 4.

При дальнейшем увеличении нагрузок со стороны пород кровли на опорный элемент 4 продолжается удлинение анкера при постепенном увеличении расстояния между витками 11, чем и обеспечивается повышенная податливость анкера с сохранением его несущей способности на весь период эксплуатации горной выработки.

При этом величину податливости анкера регулируют подбором числа сжатых витков 11 пружины 5 в зависимости от прочности вмещающих пород вокруг выработки.

Из вышеприведенного соотношения подбора числа витков 11 пружины 5 видно, что чем больше крепость пород, тем меньше необходимо ввести в конструкцию анкера число витков 11, т.к. удлинение анкера, исходя из горно-геологических условий, в которых он применяется, будет незначительным, а следовательно, и его величина податливости для таких условий должна быть незначительной. И наоборот, чем меньше крепость пород, тем больше потребуется число сжатых витков 11 пружины 5, чтобы обеспечить требуемую податливость анкера.

Таким образом, при работе анкера, ввинченного в шпур, происходит постепенное вовлечение заранее сжатых витков пружины в обеспечение его податливости, образуя как бы из них податливый узел, способный воспринимать повышенные нагрузки со стороны вмещающих пород, окружающих выработку, что позволит обеспечить повышенную несущую способность кровли выработки, а значит, надежность поддержания горной выработки на весь период ее эксплуатации.

Источники информации
1. Аллик А. М. Перспективы совершенствования анкерной крепи. - Уголь, 1978, N 3, с.38 - 39.

2. Патент Российской Федерации N 2015336, кл. E 21 D 21/00, 1992 (прототип).

3. Авторское свидетельство СССР N 1671883, кл. E 21 D 21/00, 1989.

4. Авторское свидетельство СССР N 1592509, кл. E 21 D 21/00, 1988.

Формула изобретения

Анкер для крепления горных выработок, включающий ввинченный в шпур винтовой стержень с хвостовиком, установленный на хвостовике опорный элемент и пружину, витки нижнего конца которой размещены на забойном торце винтового стержня и входят в зацепление с упором, укрепленным между соседними витками резьбы винтового стержня, причем по длине шпура между упором винтового стержня и забоем шпура заключен скрепляющий раствор, отличающийся тем, что анкер снабжен дополнительным стержнем, ориентированным со стороны забойного торца винтового стержня и жестко соединенным с частью витков верхнего конца пружины, обращенной в сторону забоя шпура, причем верхний торец дополнительного стержня упирается в забой шпура, а его нижний торец взаимодействует с витками пружины, расположенными между ним и верхним торцом винтового стержня, находящимися в сжатом состоянии и имеющими возможность последующего растяжения от воздействия на них нагрузок со стороны вмещающих пород, при этом число витков n_в пружины на ее длине между упомянутыми торцами винтового и дополнительно стержней определяют из соотношения

где l_ш - длина шпура, м;
l_в.с - длина винтового стержня, м;
l_д.с - длина дополнительного стержня, м;
d_в - диаметр витков пружины, м;
f - коэффициент крепости пород по шкале проф.М.М.Протодьяконова,
для выбора требуемой величины податливости в зависимости от прочности вмещающих пород, окружающих выработку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3