КАНАТНЫЙ АНКЕР

Предложение относится к горной промышленности, в частности к анкерам глубокого заложения для крепления контура выработок, когда необходимая длина анкера превосходит высоту выработки.

Известен гибкий анкер /1/, включающий грузонесущий канат с ограничителями радиального перемещения в виде втулок, с головкой, выполненной в виде опресованных и неопресованных втулок у дна скважины, муфту, закрепляемую на хвостовике каната у устья скважины. Этот анкер работоспособен при нагнетательном способе закрепления его по всей длине цементными растворами или смолами.

Недостаток такого анкера состоит в том, что при ампульном закреплении и значительном кольцевом зазоре между канатом и стенками скважины, большем оптимального, плохо перемешивается смола с катализатором (отвердителем), размещенными в двухкамерной ампуле. В результате смола или медленно отверждается, или совсем не отверждается. Из 100 анкеров 2 анкера вообще не закрепляются. То же самое относится при закреплении минеральными композициями в ампулах. Кроме того, анкер имеет пологую нагрузочную характеристику в начальный период после закрепления.

Известен канатный анкер /2/, состоящий из множества скрученных проволок, муфты для соединения концов проволок прядей каната, ограничителей радиального перемещения прядей канатов в виде хомутов (втулок), между которыми имеются участки разъединения контактов прядей каната жесткими вставками.

Такой вариант исполнения технологичен для закрепления каната цементными смесями нагнетательным способом.

Недостаток такого каната проявляется при закреплении его ампулами механическим способом путем подачи и вращения. Полимерная закрепляющая втулка имеет неплотную структуру с разрывами сплошности, с воздушными пузырями, что снижает прочность закрепляющего материала. При неоптимальном кольцевом зазоре смола плохо перемешивается с отвердителем.

При использовании для закрепления ампул с минеральными композициями анкер некачественно разрывает оболочку ампул, структура закрепляющей втулки не плотная, содержит пузырьки воздуха и поэтому имеет пологую нагрузочную характеристику в начальный период после закрепления, что способствует значительному расслоению кровли. Кроме того, анкер в начальный период (~ до 1 ч) на интервале закрепляющей втулки недостаточно выполняет функцию сшивки пород из-за относительного проскальзывания свивок каната относительно стенок скважины через пластичный слой закрепляющей втулки.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение крутизны нагрузочной характеристики анкера в начальный период после закрепления качества крепления, повышение плотности закрепляющей втулки и надежности закрепления анкера.

Указанная цель достигается тем, что канатный анкер, состоящий из множества скрученных прядей каната, муфты для соединения концов прядей каната с хвостовиком, опорных элементов, головки анкера у дна скважины, выполнен с ограничителями радиального перемещения прядей каната и местами разъединения контакта прядей, при этом ограничителем радиального перемещения проволок прядей каната является спираль, которая в местах разъединения контакта прядей каната пропущена между ними и обвивает пряди каната с возможностью их относительного перемещения, а головка анкера имеет шнек с линией винта, противоположной навивке спирали. Введение спирали необходимо для качественного перемешивания смолы с отвердителем в случаях, когда кольцевой зазор между стенками скважины и грузонесущим канатом больше оптимального. Такая ситуация возникает в случаях невозможности бурения скважин оптимального диаметра. Кроме того, спираль необходима для уплотнения закрепляющей втулки. Спираль имеет правую навивку для того, чтобы при вращении анкера по часовой стрелке она перегоняла смолу от устья к забою скважины, уплотняя ее, выгоняя воздух. В таком случае получается плотная забойка скважины смолой или цементом. Таким образом, спираль, с одной стороны, выполняет функцию смесителя для качественного перемешивания смолы с отвердителем, уменьшая кольцевой зазор между стенками скважины и грузонесущим канатом до оптимального (2-5 мм), с другой - функцию шнека для транспорта и уплотнения закрепляющего материала к забою скважины. При этом структура закрепляющей втулки получается без разрыва сплошности. В предлагаемом решении исключается возможность неотверждения смолы вследствие того, что спираль уменьшает кольцевой зазор до оптимального, разрывает оболочку двух камер ампулы и качественно перемешивает смолу с отвердителем.

Увеличенный кольцевой зазор образуется при использовании стандартных буровых коронок для бурения шпуров для стандартных анкеров из арматурной стали. Арматурный канат имеет меньшее сечение. Поэтому кольцевой зазор увеличивается до неоптимального. При увеличенном зазоре канат не разрывает карман ампулы, содержащий отвердитель (катализатор), и плохо его перемешивает со смолой. Смола не отверждается и вытекает вниз, анкер не закрепляется. Введение спирали исключает возможность не перемешивания смолы.

При вращении анкера с подачей к дну скважины в смоле образуются воздушные пузыри, пробки, нарушается сплошность закрепляющей втулки, что уменьшает ее прочность на сдвиг и сжатие. Введение спирали устраняет этот недостаток, т. к. спираль, выполняя функцию шнека, транспортирует закрепляющий материал к забою скважины. При этом пузырьки воздуха вытесняются к устью скважины, а смола становится плотной, прочной, без разрывов сплошности.

Для качественного взаимодействия каната с закрепляющей втулкой (полимерной или цементной) канат должен иметь места увеличенного сечения, в которых разъединяется контакт прядей (проволок). Для этого спираль в местах разъединения контакта прядей проходит между ними, образуя места увеличенного сечения каната. В этих местах увеличивается сопротивление сдвигу каната относительно закрепляющей втулки. Конец спирали у головного конца каната закреплен на канате сваркой. Остальная часть спирали обвивает пряди каната с возможностью их относительного перемещения при изгибе.

Для обеспечения высокой нагрузочной способности анкера сразу после его установки анкер имеет на головном конце утолщение (поршень) с малым кольцевым зазором до стенок скважины (1,2-1,5 мм). Это утолщение выполнено в виде шнека (1,5 витка) с навивкой противоположной навивке спирали вдоль каната. Шнек на головном конце при предварительном натяжении анкера перемещается к устью скважины и так же, как поршень, уплотняет закрепляющий материал, отжимает из него воду и воздух, увеличивая тем самым сопротивление сдвигу. Уплотнение материала происходит вследствие малости кольцевого зазора между головкой анкера и стенкой скважины. Выполнение головки анкера в виде шнека необходимо также для прохождения головки через закрепляющий материал в ампулах, для разрыва оболочки ампул и уменьшения сопротивления подачи при вращении. При вращении по часовой стрелке шнек головки анкера ввинчивается в закрепляющий материал, который имеет сцепление со стенками скважины. При ввинчивании создается осевая сила втягивания каната в скважину. Другая спираль противоположной навивки, наоборот, увеличивает сопротивление введению канатного анкера в скважину вследствие возникновения сил сопротивления перемешиванию закрепляющего материала и его уплотнению при вращении анкера.

Шнек крепится на канате сваркой. Шнек на головке анкера может быть выполнен на втулке с коническим отверстием, которая надета на канат и закреплена на нем посредством клина.

Таким образом, по сравнению с аналогом и прототипом /1, 2/ в предлагаемом решении обеспечивается качественное перемешивание закрепляющего материала за счет введения на внешней поверхности спирали, которая к тому же обеспечивает более плотную структуру закрепляющей втулки без разрыва сплошности за счет одновременного выполнения функции смесителя и шнека.

Выполнение головки анкера в виде шнека с противоположным направлением и пологим винтом навивки обеспечивает создание высокого предварительного натяжения анкера незамедлительно после установки независимо от того, закрепляется анкер смолой или минеральной композицией. С другой стороны, это способствует также уплотнению закрепляющего материала и снижению усилия подачи анкера на забой.

Анализ источников информации позволяет сделать вывод о том, что предложение удовлетворяет признаку "новизна и достижимость технического результата".

Сущность предложения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид канатного анкера.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение головки анкера в варианте выполнения шнека на втулке.

Канатный анкер, установленный в скважине 1 (фиг.1), включает канат 2, выполненный из прядей (проволок), охваченных ограничителями в виде спиралей 3, образованных проволокой, которая в местах утолщения каната прерывает контактное взаимодействие прядей каната путем пропуска спирали между прядями. Спираль 3 может изготовляться из проволоки или из полосы другого профиля.

На конце каната у дна скважины закреплен сваркой шнек (1,5 витка) 4. Шнек может быть выполнен на втулке 5 (фиг. 2) с коническим отверстием, охватывающим канат. Втулка 5 закрепляется на канате клином 6, выполненным в виде конической втулки, надетой на центральную проволоку (прядь) каната. Нижний конец каната 2 соединен с муфтой 7, соединенной с распорной втулкой 8 с гайкой 9 на внешней резьбовой поверхности. Гайка 9 взаимодействует с опорным элементом 10.

Закрепляющая втулка 11 в скважине 1 может быть полимерной или минеральной. Опорными элементами анкера являются опорная полусферическая шайба 10, гайка 9. Гайка 9 может взаимодействовать с опорной шайбой 10 через дополнительную плоскую шайбу.

Установка канатного анкера осуществляется следующим образом. После окончания бурения скважины 1 (фиг.1) в нее вставляют ампулы и досылают их анкером 2 до упора в дно скважины 1. После этого хвостовик соединяют с буровой машиной, которая начинает вращать анкер по часовой стрелке с подачей его в скважину до упора в дно скважины. При этом шнек 4 внедряется в оболочку ампулы с закрепляющим материалом и разрывает ее. Закрепляющий материал контактирует со стенками скважины, перемешивается спиралью 3. Ближние к устью скважины участки смолы под действием спирали 3 (шнека) во время вращения анкера перемешиваются с отвердителем и транспортируются к дну скважины, уплотняясь и вытесняя воздух.

Шнек 4 при вращении анкера, внедряясь в закрепляющий материал, создает осевую тяговую силу направленную к дну скважины, вследствие того, что нижняя часть закрепляющей втулки уже имеет сцепление со стенками скважины. В момент упора головки анкера в дно скважины подача анкера прекращается. Вращение продолжается с прижатием буровой машины в течение 10-15 с. Далее после времени ожидания (~15 с) отверждения смолы буровая машина отсоединяется от хвостовика анкера. Далее вращением гайки 9 осуществляют предварительное натяжение анкера до 3-5 т. В период предварительного натяжения головка анкера, спираль 3 и скрученные пряди (проволоки) каната получают опору на материал закрепляющей втулки 11. Малый кольцевой зазор вокруг шнека 4 (~1,5 мм) не позволяет материалу закрепляющей втулки 11 в процессе нагружения перетечь в свободное пространство над головкой анкера. Закрепляющая втулка 11 подвергается головкой анкера чистому срезу, т.к. закрепляющий материал 11 имеет сцепление со стенками скважины 1 и анкером.

При использовании в качестве закрепляющего материала смоченной в воде минеральной композиции вода из нее в ближней области (5-6 диаметров скважины) от головки анкера отжимается, затворенная водой минеральная композиция теряет пластичность при перемещении головки анкера и по нарастающей компоненте начинает сопротивляться срезу.

При использовании минеральной композиции анкер нагружают незамедлительно после установки без времени ожидания отверждения.

С течением времени прочность закрепляющей втулки растет, растет ее сопротивление срезу. Длина полимерной закрепляющей втулки в 1200 мм через 3 ч набора прочности обеспечивает при данной конструкции анкера прочность закрепления, равную прочности арматурного каната (24-26 т).

Предлагаемая конструкция анкера обеспечивает надежность закрепления анкера смолой или минеральными композициями при неоптимальном кольцевом зазоре за счет введения в конструкцию спирали с правой свивкой вдоль каната и шнека с левым винтом на головке анкера. При этом закрепляющая втулка получается плотной без разрыва сплошности, а смола, хорошо перемешанная с катализатором спиралью, быстро отверждается и набирает проектную механическую прочность при неоптимальном кольцевом зазоре между анкером и стенками скважины. Пропуск спирали между прядями необходим для образования мест утолщения каната для увеличения сцепления с закрепляющим материалом. Это упрощает технологию изготовления и сборки канатного анкера, не требует изготовления специальных втулок.

Источники информации
1. Заявка 97118201/03(019475) от 10.08.1999. Гибкий анкер.

2. Заявка 99117674/20(018443) от 20.06.2001. Канатный анкер.