Результат интеллектуальной деятельности: НАТЯЖНОЕ УСТРОЙСТВО КАНАТНОГО АНКЕРА

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к анкерам глубокого заложения при креплении контура горных выработок.

Известно натяжное устройство [1], включающее опорную муфту, соединенную с канатом в осевом отверстии, с внешней поверхностью, содержащей резьбу с гайкой.

Это натяжное устройство прошло эксплуатационное испытание и рекомендуется для применения при ампульном способе закрепления канатного анкера при упрочнении кровли выработок вне зоны интенсивной трещиноватости, вне зон геологических нарушений.

Недостаток состоит в том, что в зонах геологических нарушений устройство не приспособлено для совмещения процесса упрочнения кровли анкерами с процессом упрочнения приконтурного массива выработки нагнетанием в шпур упрочняющих отверждающихся растворов.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является натяжное устройство канатного анкера [2], включающего опорную муфту для соединений с концами прядей каната, выполненную с конической поверхностью, с которой взаимодействуют наружные проволоки прядей каната, между которыми размещена неплотная втулка с конической поверхностью, охватывающая центральную проволоку каната.

Такое натяжное устройство хорошо себя зарекомендовало при ампульном способе закрепления канатного анкера.

Недостаток натяжного устройства состоит в приспособленности его для нагнетания в шпур закрепляющих составов.

Целью предлагаемого изобретения является создание возможности нагнетения в шпур закрепляющих составов через натяжное устройство.

Указанная цель достигается тем, что в натяжном устройстве, включающем опорную муфту, соединенную в осевом отверстии с коническим переходом от большого диаметра к меньшему с прядями каната посредством конической втулки, охватывающей центральную прядь, коническая втулка по радиусу, как и ответная поверхность муфты, переходит в цилиндрическую, которая размещена в цилиндрической части осевого отверстия муфты с образованием зазоров между прядями каната на их выходе из торца, к которому присоединен герметезатор. У противоположного торца опорной муфты противоположные стенки осевого отверстия вскрыты отверстиями, перпендикулярными осевому, с возможностью размещения в них вилки быстроразъемного соединения.

Присоединение цилиндрического участка к коническому в клиновой втулке необходимо для образования зазоров между прядями каната, через которые пропускается под давлением сжиженный закрепляющий состав в шпур через новое отверстие муфты.

При применении быстроотвержающихся составов посредством вилки, вставляемой в отверстия, вскрывающие стенки осевого отверстия муфты, фиксируется штуцер рукава, по которому подается органоминеральный быстроотверждающийся состав.

При применении медленно отверждающихся составов типа цементных растворов в осевом отверстии опорной муфты посредством вилки фиксируется съемная пробка с клапаном для предотвращения вытекания раствора из шпура до момента отверждения раствора. После отверждения закрепляющего состава съемная пробка убирается и переставляется в другую муфту. Закрепление пробки с клапаном в осевом отверстии осуществляется по типу быстроразъемного соединения или посредством резьбы. С противоположного торца муфта соединена с герметизатором. Герметизатор предназначен для герметизации устья шпура и выполнен в виде трубки по сечению шпура. Продолжением трубки является резиновый рукав. Опорная муфта на внешней поверхности снабжена резьбой с гайкой для осуществления предварительного натяжения анкера после закрепления отверждающимися материалами.

В качестве закрепляющего материала могут служить минеральные композиции в растворе, органоминеральные смолы, например полиуретановые.

Предлагаемое конструктивное исполнение необходимо для совмещения процесса упрочнения кровли выработок анкерами с процессом упрочнения приконтурного массива нагнетанием в него отверждающихся составов, которые залечивают трещины, пустоты. Решение данной проблемы актуально в выработках, пересекающих зоны геологических нарушений.

Данное решение позволяет упростить подачу закрепляющего материала в шпур непосредственно через осевое отверстие опорной муфты.

Анализ источников информации позволяет сделать вывод о новизне решения и его полезности.

Сущность предложения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен осевой разрез натяжного устройства канатного анкера. На фиг.2 - сечение А-А фиг.1. На фиг.3 - сечение Б-Б фиг.1. На фиг.4 - осевой разрез хвостовика опорной муфты в момент перед началом подачи раствора под давлением.

Натяжное устройство канатного анкера состоит из опорной муфты 1 с осевым отверстием, содержащим коническую поверхность по радиусу, переходящую в цилиндрическую. Поверхность осевого отверстия контактирует с наружными прядями каната 2. Между наружными прядями каната размещена клиновая втулка 3, охватывающая центральную прядь и имеющая осевой разрез. Клиновая втулка 3 имеет коническую поверхность 4 с таким же углом наклона, что и конусная поверхность опорной муфты. Продолжением конусной поверхности 4, клиновой втулки 3 (фиг.1) служит цилиндрическая часть 5, которая, как и коническая поверхность 4 разделяет наружные пряди каната 2 зазорами 6 (фиг.3), увеличивая их размеры. Цилиндрическая часть клиновой втулки переходит плавно по радиусу в коническую. Это необходимо для снижения изгибных напряжений в прядях каната. Цилиндрическая часть клиновой втулки 1 размещена в цилиндрической части осевого отверстия опорной муфты, разъединяя с зазором пряди каната 2 до самого торца опорной муфты. Образованные клиновой втулкой зазоры 6 между прядями необходимы для пропуска по ним закрепляющих материалов в сжиженном состоянии, например органоминеральные смолы, цементные растворы и пр.

В непосредственной близости от торца муфты 1 противоположные стенки осевого отверстия вскрыты отверстиями 7, перпендикулярными осевому, с возможностью размещения в них вилки 8 для фиксации штуцера нагнетательного рукава в осевом отверстии. По рукаву подаются быстроотверждающиеся органоминеральные смолы. При закреплении анкера медленно отверждающимися составами вилкой 8 фиксируется в осевом отверстии съемная пробка 9 с клапаном 10, с пружиной 11 и окнами 12. Клапан необходим для предотвращения вытекания раствора из шпура до его отверждения, а окна 12 - для подачи раствора через клапан 10. После отверждения раствора съемная пробка 9 с клапаном 10 отсоединяются от торца муфты натяжного устройства и фиксируются в осевом отверстии муфты другого канатного анкера.

Для герметизации устья скважины к торцу опорной муфты 1 со стороны выхода прядей каната присоединен герметизатор 13. Герметизатор 13 представляет собой трубу с проточками на концах. Внутренней проточкой с резьбой труба 13 подсоединена к опорной муфте 1. С противоположного конца к внутренней проточке трубы 13 приклеен резиновый рукав 14. Для пропуска воздухоотводящего рукава 15 в боковой стенке трубы 13 выполнено отверстие, через которое рукав 15 выведен из герметизатора 13 наружу.

Для осуществления предварительного натяжения анкера на внешней поверхности муфты выполнена резьба, на которую накручена гайка 16. Гайка 16 оперта на опорную шайбу 17.

Для герметизации зазора по контакту пробки 9 со стенками осевого отверстия предусмотрено уплотнительное кольцо 18, которое размещено в кольцевой проточке пробки. Для подсоединения к пробке 9 штуцера 19 нагнетательного рукава (фиг.4) стенки осевого отверстия пробки прошиты насквозь отверстиями, в которые вставляется вилка 20 для фиксации штуцера 19. Внешняя поверхность муфты у торца с отверстиями 7 (фиг.2) выполнена шестигранной. В таком случае муфта может использоваться и для анкеров, закрепляемых ампульным способом. Шестигранная поверхность необходима для передачи крутящего момента от буровой машины к канатному анкеру.

Работает натяжное устройство канатного анкера следующим образом.

После бурения шпура в его устье вставляется канатный анкер 2 вместе с воздухоотводящим рукавом 15. На заключительной стадии досылки канатного анкера в устье шпура входят резиновый рукав 14 и труба 13 герметизатора натяжного устройства. Досылка анкера ведется до упора гайки 16 в опорный элемент 17 крепи. При этом воздухоотводящий рукав 15 выводится наружу из опорного элемента 17 (например, полусферическая шайба). В таком положении канатный анкер фиксируется своей головной частью в шпуре с усилием, достаточным для предварительного распора. Гайкой 16 осуществляется предварительное натяжения анкера. В таком исходном положении опорная муфта 1 натяжного устройства соединена клиновой втулкой 3 (фиг.1) с канатом 2. Благодаря наличию цилиндрической части 5 клиновой втулки 3, размещенной в цилиндрической части осевого отверстия опорной муфты 1, на выходе из нее наружные пряди каната 2 разделены зазорами 6 (фиг.1, 2). Пробка 9 с клапаном 10 зафиксированы вилкой 8 в осевом отверстии противоположного торца опорной муфты. Осевое отверстие пробки 9 перекрыто клапаном 10, подпружиненным пружиной 11. В таком положении к осевому отверстию пробки 9 подсоединяется штуцер 19 (фиг.4) напорного рукава (на фиг. не указано). При этом перемещается клапан 10, сжимая пружину 11, отверстия 12 на боковых стенках клапана 10 входят во внутреннюю полость опорной муфты 1. Далее по рукаву начинает осуществляться подача раствора закрепляющего материала под избыточным давлением. Раствор через штуцер 14 рукава, через окна 12 клапана 10 устремляется в зазоры 6 (фиг.3) между прядями каната 2. Обтекая поверхность клиновой втулки 3 и муфты 1, раствор устремляется в герметизатор 13. Под давлением столба раствора резиновый рукав 14, растягиваясь, прижимается к стенкам шпура, герметизируя стенки и препятствуя выходу нагнетаемого раствора в устье шпура.

Далее по мере подачи закрепляющий раствор поднимается вверх по шпуру до дна шпура и устремляется по воздухоотводящему рукаву 15, проникает в трещины окрестности шпура. Появление раствора из устья рукава 15 служит контролем полноты заполнения шпура. Процесс нагнетания раствора прекращается. Его избыточное давление исчезает. Штуцер 19 после извлечения вилки 20 извлекается из осевого отверстия пробки 9. Под действием пружины 11 клапан 10 возвращается в исходное положение, его боковые окна 12 перекрыты боковыми стенками пробки 9. Раствор не может пройти через клапан 10 и остается в шпуре до отверждения. После отверждения раствора из отверстий 7 муфты 1 извлекается вилка 8, освобождая пробку 9 с клапаном 10. Пробка 9 с клапаном 10 и пружиной 11 вынимаются из осевого отверстия муфты 1 и устанавливаются в другой муфте другого натяжного устройства канатного анкера. После отверждения закрепляющего материала примерно на 60% гайкой 16 муфты 1 осуществляют дораспор канатного анкера.

Натяжное устройство функционирует далее, передавая нагрузку от пород приконтурного массива через опорные элементы 17, гайку 16, опорную муфту 1 на пряди каната 2. По мере контактных взаимодействий опорных элементов с приконтурным массивом гайка 16 расслабляется. Поэтому гайку 16 периодически подкручивают на начальной стадии работы анкера. В дальнейшем вследствие уплотнения пород массива нагрузка на такой анкер возрастает и возможность подкручивания гайки исчезает полностью. Таким образом работает натяжное устройство.

Предлагаемая конструкция натяжного устройства реализует наиболее простой способ нагнетания в шпур закрепляющих составов. При этом закрепляется анкер и упрочняется приконтурный массив выработок, т.к. под давлением упрочняющий раствор проникает в трещины массива, склеивая их, что важно в местах пересечения выработок геологических нарушений, зон интенсивной трещиноватости. Таким образом происходит упрочнение массива залечиванием трещин и анкером. Связанные анкером породные структуры приобретают дополнительные свойства:

- сцепление по поверхностям напластования повышается от нуля до отношения N/S, где N - предельное усилие на разрыв каната, S - площадь по напластованию, приходящаяся на один анкер;

- сопротивление сдвигу по поверхностям напластования увеличивается на величину

Δτ≅0,7N+fF,

где f - коэффициент трения скольжения на поверхностях напластования; F - усилие предварительного распора плюс усилие от делатансии породных структур от процесса дезинтеграции в направлении оси шпура.

Источники информации

1. Свидетельство на полезную модель №29749 (Заявка №2000131814, 27.05.03. Бюл. №15).

2. Патент №2178082 (Заявка 99117674. 10.01.2002 г. Бюл. №1).