Способ анкерного крепления горных выработок

Авторы патента:

E21D21/00 - Анкерные болты для крепления кровли, для крепления подошвы выработки или для защиты крепи шахтных стволов (дюбели, нагели и другие устройства, укрепляемые в отверстиях стен F16B 13/00)

Владельцы патента RU 2639008:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" (RU)

Изобретение относится к горной промышленности и, в частности, к анкерному креплению горных пород в криолитозоне, а также может быть использовано в строительстве и, в частности, при сооружении тоннелей различного назначения, в том числе проходимых в предварительно замороженных дисперсных грунтах или породах. Технический результат - увеличение несущей способности анкерной крепи в аварийных ситуациях, например, при возникновении подземного пожара в горных выработках, пройденных в дисперсных мерзлых породах. По способу осуществляют бурение шпура. Устанавливают металлический анкер с несущим замком и опорной плитой с натяжным элементом. При креплении горных выработок в условиях вечномерзлых горных пород часть пространства между анкером и поверхностью шпура от поверхности выработки заполняют теплопроводным материалом, имеющим коэффициент теплопроводности, примерно равный коэффициенту теплопроводности материала анкера. Натяжной элемент и опорную плиту покрывают огнезащитным материалом, например, биопиреном, имеющим возможность изменения своего термического сопротивления при повышении температуры воздуха в выработке. 2 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для анкерного крепления горных пород в криолитозоне, а также может быть использовано в строительстве, например, при сооружении тоннелей различного назначения, в том числе проходимых в предварительно замороженных дисперсных грунтах или породах.

Известна анкерная крепь (авторское свидетельство №694647, опубл. 30.10.1979), представляющая собой пустотелые стержни, заполненные теплоносителем. Один конец стержня снабжен замком из клина и распорной гильзы, а другой - резьбой под натяжную гайку. На выступающий конец анкера установлены оребренные съемные пластины, выполненные из теплопроводящего материала. В холодный период года, установленный в породе анкер выполняет функцию испарителя, а выступающий в выработку оребренный конец анкера - конденсатора, при этом тепло передается от пород, имеющих более высокую температуру, к охлажденному рудничному воздуху. Такое направление теплообмена, интенсифицированного благодаря оребрению выступающего в выработку конца анкера, приводит к охлаждению вмещающих пород до температуры, близкой к температуре рудничного воздуха.

Недостатком данного способа является неспособность обеспечить несущую способность анкера при возникновении аварийных ситуаций, например, шахтных пожарах.

Известен способ установки анкера в мерзлых породах (авторское свидетельство №1559184, опубл. 23.04.1990). Анкер включает стержень и распорный замок из пустотелых полугильз с отверстиями в торцах и теплоизоляцией. Поверхность полугильз покрывают теплоизоляцией плазменным напылением полимерами или окунанием. Полости полугильз на поверхности или в камере околоствольного двора заполняют сухим компонентом расширяющегося во времени заполнителя с регулируемыми скоростью и величиной расширения при положительной температуре, например невзрывного расширяющегося состава (НРС). Перед установкой анкера в полости полугильз вводят жидкие компоненты заполнителя. Затем анкер вводят в пробуренный шпур. Вследствие расширения заполнителя происходит раздутие полугильз и внедрение их в стенки шпура. В результате замок анкера закрепляется, и анкер приобретает способность выполнять несущую функцию.

Недостатком данного способа является сложность монтажа и технологии изготовления, а также неспособность обеспечить необходимую степень закрепления замка анкера при возникновении аварийных ситуаций.

Известен способ установки анкера в мерзлых породах (авторское свидетельство №1601382, опубл. 23.10.1990), заключающийся в следующем: бурят скважину, в ее донную часть вводят экзотермический состав в ампуле. Посредством этого состава разогревают окружающие породы на дне скважины с образованием ореола протаивания. Затем с помощью деревянного зарядчика с резиновым поршнем удаляют оттаявшую влагу путем ее выдавливания и отсоса за счет создания разрежения в донной части. После этого в скважину вводят ампулу с дополнительным химическим составом. Поступательно-вращательным движением анкерного стержня разрушают ампулу и перемешивают ее компоненты. Посредством создаваемого давления на химический состав его вводят в освобожденное от влаги поровое пространство оттаявших пород. После затвердевания состава на выступающую часть анкерного стержня надевают опорную плиту и навинчивают натяжную гайку для создания первичного распора.

Недостатком данного способа является низкий уровень механизации, а также неспособность обеспечить несущую способность анкера при возникновении аварийных ситуаций.

Известен способ установки анкерной крепи (Справочник инженера-шахтостроителя. М., «Недра», 1972, т. 2, с. 620-623), принятый за прототип, который состоит из введения в пробуренный шпур металлического стержня с трубчатой головкой, снабженного прорезью, и конусообразного клина с цилиндрическим концом в замковой части, и прижимной плитой с гайкой, размещаемых в выработке.

Недостатком данного изобретения является изменение (снижение) несущей способности замка анкера при повышении температуры горных пород, в частности при возникновении пожара в выработке

Техническим результатом изобретения является увеличение несущей способности анкерной крепи в аварийных ситуациях, например, при возникновении подземного пожара в горных выработках, пройденных в дисперсных мерзлых породах.

Технический результат достигается тем, что при креплении горных выработок в условиях вечномерзлых горных пород часть пространства между анкером и поверхностью шпура от поверхности выработки заполняют теплопроводным материалом, имеющим коэффициент теплопроводности, примерно равный коэффициенту теплопроводности материала анкера, а натяжной элемент и опорную плиту покрывают огнезащитным материалом, например, биопиреном, изменяющим свое термическое сопротивление при повышении температуры воздуха в выработке.

Способ анкерного крепления горных выработок поясняется следующими чертежами:

фиг. 1 - схема установки анкерной крепи;

фиг. 2 - схема работы анкерной крепи в период пожара в выработке, где:

1 - горные породы;

2 - шпур;

3 - анкер;

4 - клин;

5 - опорная плита;

6 - натяжная гайка;

7 - элементы крепи;

8 - заполнитель;

9 - огнезащитный материал;

10 - ореол оттаивания.

Способ реализуется следующим образом.

В выработке, пройденной в вечномерзлых горных породах, пробуриваются шпуры. В них устанавливаются анкерные стержни, имеющие на конце прорезь, в которую вставляется клин, что образует замок анкера. Внутреннее пространство шпура на определенную глубину заполняется материалом, имеющим коэффициент теплопроводности, примерно равный коэффициенту теплопроводности материала стержня, например бетон с высоким содержанием металлической стружки. Благодаря заполнителю увеличивается площадь контакта стержня анкера и горных пород. При повышении температуры воздуха в выработке происходит отвод значительной части тепла от стержня анкера в горные породы. Тем самым осуществляется снижение количества тепла, которое по стержню анкера передается за счет теплопроводности к замковой части анкера. Это приводит к образованию ореола оттаивания вблизи контура выработки, а не замка анкера и увеличению длительности периода сохранения несущей способности замка анкера. На нижнюю часть анкера устанавливают опорную плиту и навинчивают натяжную гайку. Для увеличения эффекта за счет снижения температуры элементов анкерной крепи, находящиеся во внутреннем пространстве выработки, на опорную плиту и натяжной механизм наносят слой материала, способного изменять свое термическое сопротивление при значительном повышении температуры окружающего воздуха на основе биопирена. В качестве такого материала может быть применен огнезащитный состав «Нортекс». В случае пожара данный состав, вспучиваясь, будет выполнять теплозащитную функцию и препятствовать распространению тепла от воздуха к стержню анкера.

На фиг. 1 показан пробуренный в массиве мерзлых горных пород - 1 шпур - 2, в который устанавливается анкерная крепь, состоящая из анкера - 3, клина - 4, опорной плиты - 5, натяжной гайки - 6, заполнителя - 8 (теплопроводный материал, например бетон с наполнителем из металлических опилок или стружки, заполняющий шпур на глубину - Н) и огнезащитного материала - 9, нанесенного на элементы крепи, находящихся на поверхности выработки - 7.

На фиг. 2 показана анкерная крепь, при возникновении пожара в выработке. В результате теплового воздействия - Qn изменяется структура огнезащитного материала - 9, он вспучивается и пропускает только часть тепловой энергии - q. При этом образуется ореол оттаивания - 10 в приконтурной зоне выработки. Поскольку часть пространства заполнена теплопроводным материалом - 8, то значительная часть тепловой энергии, поступающей от элементов анкера, находящихся в выработке, по стержню анкера к его замковой части рассеивается в породы, на расстоянии - Н. Поскольку не весь шпур заполнен, то в околозамковой части теплопроводность осуществляется непосредственно к замку анкера по стержню, а воздушное пространство между анкером и породами является своеобразным теплоизолятором и не позволяет создать ореол оттаивания вокруг призамковой части. Если бы шпур был заполнен полностью, то отвод тепла в горные породы создал бы дополнительную ослабленную зону вблизи замка анкера и снизил бы его несущую способность.

Длину, на которую должен быть заполнен шпур теплопроводным материалом, выбирают на основе специальных тепловых расчетов. Этот параметр зависит от материала заполнителя, теплофизических свойств горных пород и длины анкера. Например, выполненные расчеты в программном комплексе ELCUT показали что, если использовать теплопроводный заполнитель на основе бетона (песчано-цементный раствор с наполнителем из металлической стружки) с коэффициентом теплопроводности, равным 10,0 Вт/(м²К), то для характерных дисперсных горных пород (льдистость 20%, коэффициент температуропроводности 10^-6 м²/с) наибольший эффект достигается при заполнении шпура на 2/3 по глубине от поверхности выработки при длине анкера 1,5 м и 4/5 по глубине от поверхности выработки при длине анкера 2,1 м. Причем, чем выше коэффициент теплопроводности заполнителя, тем меньше его объем требуется для достижения одного и того же эффекта.

Пример реализации способа на практике. На основе расчетов установлено, что при длине анкера 1,5 м он должен быть на длине 1,0 м, через теплопроводный наполнитель (песчано-цементный раствор с наполнителем из металлической стружки) находится в контакте с горными породами для отвода тепла от тела анкера к породам. Расчетным методом определяем, что при диаметре шпура 0.03 м и диаметре анкера 0,02 м объем наполнителя должен быть равен (15,7×10^-4) м³. С учетом адгезии на стенках шпура принимаем объем закачиваемого в шпур материала равным 0,0016 м³. Далее, в пробуренный шпур нагнетаем жидкий раствор с наполнителем из металлической стружки в указанном объеме и устанавливаем собственно анкер. Под собственным весом раствор постепенно опускается вниз и заполняет кольцевое пространство между стержнем анкера и поверхностью выработки на расчетную глубину (1,0 м) и постепенно затвердевает. Натяжной механизм и опорную плиту покрывают слоем 1-2 мм краской «Нортекс» на основе биопирена. При повышении температуры в выработке до 100-200°С материал вспучивается, образую коксовую шубу с низким коэффициентом теплопроводности (до 0,05 Вт/(м²К)), при этом толщина его увеличивается до 7-15 см, т.е. термическое сопротивление резко возрастает, что снижает тепловой поток от воздуха в выработке к анкеру. Проходя по анкеру, часть тепла рассеивается в горные породы за счет наличия теплопроводного материала в кольцевом пространстве. Таким образом, общая тепловая нагрузка на замок анкера снижается, а срок его безопасной работы увеличивается, т.к. прогрев (оттаивание) пород вокруг замка происходит более длительный период времени.

Отличием способа анкерования от известных способов является то, что пространство между анкером и поверхностью шпура от поверхности выработки до определенного уровня заполняют материалом с высоким коэффициентом теплопроводности, что приводит к относительному сохранению несущей способности замка анкера при возникновении пожара в выработке, за счет рассеивания тепловой энергии в горные породы и снижения температуры в замке анкера. Еще одним отличием является то, что на опорную плиту и натяжную гайку наносят слой материала, способного изменять свое термическое сопротивление при значительном повышении температуры окружающего воздуха, что позволяет снизить температуру на внешнем конце анкера. Два этих отличия позволяют достичь максимального перепада температур между наружным (натяжной механизм и опорная плита) и внутренним (замок) концом анкера и увеличить время безопасной эксплуатации выработки, обеспечив необходимую несущую способность анкерной крепи.

Настоящие отличия от известных способов являются существенными, так как только с их помощью достигается цель изобретения: повышение надежности анкерного крепления мерзлых горных пород при резком изменении температуры воздуха в выработках, например пожарах.

Способ анкерного крепления горных выработок, включающий бурение шпура, установку металлического анкера с несущим замком и опорной плиты с натяжным элементом, отличающийся тем, что при креплении горных выработок в условиях вечномерзлых горных пород часть пространства между анкером и поверхностью шпура от поверхности выработки заполняют теплопроводным материалом, имеющим коэффициент теплопроводности, примерно равный коэффициенту теплопроводности материала анкера, а натяжной элемент и опорную плиту покрывают огнезащитным материалом, например, биопиреном, имеющим возможность изменения своего термического сопротивления при повышении температуры воздуха в выработке.

Похожие патенты:

Канатный анкер // 2626478

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для крепления контура подземных горных выработок. Технический результат - повышение технологичности изготовления и установки, а также конструктивной надежности канатного анкера и эффективности его закрепления в шпуре.

Смесь ускорителей для отверждаемых пероксидами смесей смол, смесь смол, содержащая смесь ускорителей, строительный раствор реакционноспособных смол и двухкомпонентная система строительного раствора, содержащая строительный раствор реакционноспособных смол, а также ее применение // 2612502

Настоящее изобретение относится к смеси ускорителей для отверждаемых пероксидами смесей смол, которая содержит основной ускоритель (I) и соускоритель (II), причем основным ускорителем (I) является соединение формулы (I): а соускорителем (II) - соединение формулы (II-1) или (II-2): в которых R1 и R2 соответственно независимо друг от друга означают алкильную группу с одним или двумя атомами углерода, гидроксиалкильную группу с 1-3 атомами углерода или однократно или многократно этоксилированную или пропоксилированную гидроксиалкильную группу с 1-3 атомами углерода.

Анкер для угольных шахт // 2611778

Изобретение относится к угольной промышленности, в частности к области упрочнения бортов выработок и груди забоев в монтажных камерах в период монтажа очистного механизированного комплекса с механическими исполнительными органами выемочных машин.

Устройство инжектирования смолы для бурильного устройства для установки анкерных болтов в грунт // 2600120

Группа изобретений относится к области установки анкерных болтов штанговой крепи в грунт/слои горной породы. Технический результат - повышение эффективности установки крепи за счет использования самонарезающегося анкерного болта на смоле с одностадийной установкой.

Способ изготовления головной части канатного анкера // 2597911

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для производства элементов горной крепи для шахт, а именно канатных анкеров. Технический результат - возможность технологичного производства головной части канатных анкеров с любыми заданными параметрами длин шага фиксации.

Композитный шахтный анкер // 2593665

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и, в частности, к анкерным крепям, и может найти применение для крепления контуров горных выработок. Технический результат - придание грузонесущему стержню дополнительного свойства с повышением его механической прочности.

Расширяемый анкерный болт // 2592083

Группа изобретений относится к расширяемым трубчатым анкерам. Технический результат - повышение устойчивости анкера к действующим на него силам и коррозии.

Анкер (варианты) // 2558573

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для крепления горных выработок. Техническим результатом является повышение надежности установки анкера и снижение трудоемкости его подготовки к установке в скважине.

Податливая анкерная крепь // 2542067

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при проходке выработок в породном массиве, склонном к повышенным смещениям контура. Техническим результатом изобретения является обеспечение податливости анкерной крепи с относительно постоянным сопротивлением.

Анкер для крепления горных выработок // 2540708

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к креплению горных выработок. Техническим результатом являются повышение надежности анкерного крепления мерзлых горных пород и исключение зависимости несущей способности анкерной крепи от температурного режима горной выработки.

Канатный анкер // 2640610

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для крепления контура подземных горных выработок. Технический результат - повышение надежности закрепления анкера в шпуре и концов каната. Канатный анкер с ампулой закрепляющей смеси в шпуре включает головку канатного анкера. Она выполнена в виде щекового клина, который имеет собственно клин, распирающую щеку и пружинные кольца для удержания щеки. Канат анкера выполнен из скрученных прядей, состоящих из множества проволок. Имеются в составе устройства также ограничители перемещения, опорная шайба, муфта с натяжной гайкой, защемляющий клин. Головка на забойном конце канатного анкера выполнена в виде конического шнека с самонарезной резьбой. Головка имеет зазор с распирающей щекой и клин, удерживаемый на распирающей щеке пружинными кольцами. Распирающая щека имеет цилиндрическую форму со скосом и снизу осевое отверстие для крепления каната. Муфта на внешней поверхности имеет резьбу и гайку для натягивания каната, а также в конце - отверстия (пазы) для выпуска концов прядей, не несущих основной нагрузки каната. Муфта внутри имеет канал для пропуска и крепления каната, повторяющий форму защемляющего клина, в котором находится деформационная щель по всей длине, а на обеих сторонах конической части вторую деформационную щель, нарезанную перпендикулярно первой. В канал пропущен канат. Несущие части каната пропущены в отверстие защемляющего клина, имеющего коническую форму, переходящую в цилиндрическую. Для надежного закрепления защемляющего клина внутри конца муфты имеется резьба, по которой обеспечена возможность подпирания болтом защемляющего клина после натяжения каната. 1 ил.

Полимерный состав для изоляции и укрепления горных пород // 2641553

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при изоляции горных выработок от притоков воды и газа и инъекционном химическом укреплении горных пород и грунтов. Полимерный состав содержит раздельно нагнетаемые в породный массив в объемном соотношении 1:1 преполимер с короткими полимерными цепями, образующийся при смешивании растворителя 2,2,4-триметил-1,3-пентандиолдиизобутират, гидроксилсодержащего компонента полипропиленгликоль и полиизоцианата марки «Wannate PM-200», взятого в двойном избытке. При этом нагнетание осуществляют при следующем соотношении компонент в преполимере, мас.%: полиизоцианат – 73-75, полипропиленгликоль – 11-12, растворитель – 14-15 и гидроксилсодержащий пластификатор, образующийся при смешивании растворителя 2,2,4-триметил-1,3-пентандиолдиизобутират и полипропиленгликоля с добавкой регулятора полимеризации «АМИН А33» при следующем соотношении компонент в пластификаторе, мас.%: растворитель – 84-87, полипропиленгликоль – 11-13, регулятор полимеризации – 0.1-4.5. Техническим результатом является повышение глубины проникновения и эффективности нагнетания полимерного состава в породный массив за счет снижения вязкости рабочих жидкостей при сохранении низкой сжимаемости состава под действием давления и малом содержании в нем остаточного изоцианата. 1 ил.

Анкер // 2648386

Изобретение относится к области горных работ и строительству тоннелей и других подземных сооружений в скальных породах, где необходимо укреплять кровлю и боковые стенки с помощью анкеров для предотвращения их обрушения или оползания. Технический результат – повышение надежности работы анкера. Анкер содержит по меньшей мере один удлиненный корпус. На одном его конце имеется по меньшей мере одна первая наружная коническая часть (16), проходящая через по меньшей мере одно отверстие по меньшей мере в одном цилиндрическом расширяемом корпусе. Отверстие в осевом направлении содержит по меньшей мере одну внутреннюю коническую часть, предназначенную для взаимодействия с наружной конической частью. Расширяемый корпус содержит по меньшей мере одну первую подсекцию и по меньшей мере одну вторую подсекцию. Эти подсекции разделяют поперечное сечение расширяемого корпуса на подсегменты. Эти подсегменты при относительном осевом перемещении наружной конической части удлиненного корпуса и внутренней конической части в отверстии оказывают влияние на их положения по отношению друг к другу в радиальном направлении расширяемого корпуса. Относительное осевое перемещение между удлиненным корпусом и расширяемым корпусом обеспечено по меньшей мере одним натяжным устройством. При этом анкер дополнительно содержит по меньшей мере одно клиновое устройство. Оно содержит по меньшей мере одну клиновидную часть, которая при вставке анкера в отверстие ударяется о дно скважины и оказывается размещенной между подсекциями расширяемого корпуса с обеспечением расширения корпуса. Кроме того, анкер содержит по меньшей мере один соединительный элемент, который удерживает вместе подсекции расширяемого корпуса в отверстии и имеет возможность разрыва при расширении корпуса. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.