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 канатный анкер /1/, в котором элементы открытой поверхности спиральных наружных прядей имеют форму углублений, расположенных наклонно относительно продольной оси. Углубления выполнены на поверхности проволок накаткой. На трос навинчивается муфта, имеющая многогранную форму для создания крутящего момента при затяжке троса.

Недостаток такого анкера состоит в том, что прочность внешних проволок ослабляется при переходе к накатанной резьбе. Поэтому для обеспечения необходимой несущей способности требуется введение дополнительного количества проволок вокруг центральной.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является система штанговой крепи с использованием скрученного каната /2/, которая состоит из множества отдельных канатов и узла для соединения первых концов каждого каната.

Недостаток такого анкера состоит в том, что отсутствует возможность создания высокого предварительного натяжения незамедлительно после установки анкера в скважину и закрепления его цементирующими смесями нагнетательным способом. При закреплении каната цементирующими смесями в ампулах отсутствует возможность эффективного перемешивания закрепляющих смесей с отвердителем. Такой анкер неэффективно выполняет функцию сшивки слоев пород вследствие их расслоений и конструктивных недостатков анкера, не обеспечивающего полноту передачи нагрузки со стенок скважины на грузонесущий канат.

Целью предлагаемого изобретения является повышение качества крепления за счет обеспечения возможности создания высокого (до 70% от номинальной нагрузки) предварительного натяжения, повышения качества выполняемой функции сшивки, эффективности перемешивания цементирующих смесей, обеспечение податливости.

Указанная цель достигается тем, что в канатном анкере, состоящем из множества проволок, прядей и имеющем муфту для соединения концов проволок, прядей, ограничители радиального перемещения проволок каната, опорные элементы и опорную гайку, муфта соединена резьбой со стержнем хвостовика анкера, на котором размещены опорные элементы и опорная гайка, и имеет коническую поверхность, с которой взаимодействуют наружные проволоки прядей каната, между которыми размещен клин, причем пряди каната, размещенные в скважине, образованной в геологической структуре, в интервалах между ограничителями радиального перемещения проволок прядей каната, разъединены вставками с возможностью относительного перемещения и изгиба проволок каната, и которые охвачены с внешней стороны разделенной вдоль оси на части конической втулкой, снабженной упругими усами. Клин выполнен в виде несплошной втулки, охватывающей центральную проволоку каната, и имеет внешнюю коническую поверхность и резьбу на поверхностях контакта с проволоками каната. Клин имеет впадины, совпадающие с профилем охватывающих его прядей каната.

Присоединение к муфте стержня, выполняющего функцию хвостовика анкера, позволяет создать необходимый запас резьбы для хода опорной гайки (при минимальном расходе стали) и тем самым создать достаточное предварительное натяжение анкера.

Коническая поверхность муфты и введение клина в муфту между проволоками прядей каната обеспечивает надежное соединение каната с муфтой и дополнительную податливость анкера за счет проскальзывания каната относительно муфты. Величина этого проскальзывания зависит от нагрузки. Кроме того, дополнительная податливость анкера кроме упругих деформаций каната обеспечивается опорной полусферической шайбой на величину, равную радиусу сферической поверхности.

При закреплении анкера полимербетоном для его перемешивания и прочного сцепления с цементирующим материалом в скважине проволоки пряди каната разъединены в интервалах между ограничителями жесткими вставками, выполненными в виде скоб или конических втулок.

Для обеспечения незамедлительного начального натяжения канатного анкера при закреплении его цементирующими смесями нагнетательным способом пряди каната в местах их контактного рассоединения с внешней стороны охвачены разделенной вдоль оси на части конической втулкой, снабженной упругими усами. Коническая втулка при взаимодействии с утолщением каната выполняет функцию замка анкера при закреплении его цементирующими смесями.

По сравнению с аналогом /1/ в предлагаемом решении повышается прочность каната при том же количестве проволок за счет замены резьбового соединения муфты с канатом на соединение посредством использования конической поверхности муфты и введения клина.

По сравнению с прототипом /2/ улучшается качество крепления путем обеспечения возможности создания высокого предварительного натяжения за счет запаса резьбы на шпильке, выполняющей функцию хвостовика анкера, и за счет введения замков анкера. Кроме того, введение клина и конической поверхности в муфте увеличивает величину податливости анкера.

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

Сущность предложения поясняется фиг. 1-8.

На фиг. 1 представлен общий вид канатного анкера, закрепленного в скважине геологической структуры.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение муфты, соединяющей концы семижильного каната.

На фиг. 3 - поперечное сечение муфты, соединяющей концы двух прядей каната.

На фиг. 4 - поперечное сечение муфты, соединяющей концы трех прядей каната.

На фиг. 5 - поперечное сечение муфты, соединяющей концы четырех прядей каната.

На фиг. 6 - конструкция муфты.

На фиг. 7а, б - упругое кольцо.

Канатный анкер, установленный в скважине 1 (фиг. 1), включает канаты 2 (канат), охваченные ограничителями 3 радиального перемещения проволок прядей каната, вставки 4 в виде скоб или конических втулок, прерывающие контактное взаимодействие прядей каната в интервалах между ограничителями 3, стержень (шпильку) 5, соединенный резьбовым соединением с муфтой 6, соединенной с канатами (канатом) 2 посредством клина 7. Установленный в скважине 1 канатный анкер закреплен цементной смесью (или полимербетоном) 8. В устье скважины 1 для подачи цементных смесей 8 установлен герметизатор 9, выполненный с отверстиями для шлангов 10, 11. Шланг 10 предназначен для подачи раствора цементных смесей. Шланг 11 предназначен для отвода воздуха. Муфта 6 (фиг. 6) выполнена в виде втулки. Осевое отверстие выполнено ступенчатым с коническим переходом с большего диаметра на меньший. Отверстие большего диаметра имеет резьбу для соединения со стержнем (шпилькой) 5. Стержень 5 выполняет функцию хвостовика анкера, на котором установлены опорные элементы: полусферическая опорная шайба 12, промежуточная шайба 13, опорная гайка 14. Опорные элементы взаимодействуют с геологической структурой через решетчатую перетяжку 15. Для создания высокого начального натяжения канатного анкера, закрепляемого нагнетательным способом цементирующими смесями, канат снабжен замками. Клином замков служит канат 2 в местах прерывания контактного взаимодействия прядей каната вставками 4 в интервалах между ограничителями 3. В качестве распорной гильзы используется коническая втулка 16, разделенная вдоль оси на части, которые соединены между собой, образуя коническую втулку 16, упругими кольцами 17. Концы упругих колец 17 (фиг. 7) загнуты и образуют упругие усы. Кольца 17 размещены в кольцевой проточке втулки 16, выполненной со стороны контакта втулки со стенками скважины. Упругие усы колец 17 предотвращают обратный ход втулки 16. Расстояние между концами упругих усов до момента размещения каната в скважине больше диаметра скважины на 6-8 мм. В собранном виде к канату 2 прикреплен воздухоотводящий шланг 11 для отвода воздуха из скважины при нагнетательном способе закрепления анкера.

Основным элементом, соединяющим муфту 6 с канатами (канатом) 2, является клин 7. Число прядей каната в анкере определяется из расчета необходимой несущей способности анкеров в зависимости от их длины, плотности установки. Несколько прядей каната 2 закрепляются (фиг. 3, 4, 5) в муфте 6 посредством клина 7, выполненного коническим с продольными впадинами, совпадающими с профилем охватывающих его прядей каната 2.

При использовании каната с прядями в виде проволок (7 штук, например, арматурный канат К-7) клин 7 выполнен в виде несплошной втулки (фиг. 2), охватывающей центральную проволоку каната, и имеет внешнюю коническую поверхность и резьбу на поверхностях контакта с проволоками каната. Несплошность втулки 7 создается продольной прорезью. Резьба предназначена для увеличения сцепления и трения клина 7 с проволоками каната 2.

Канатный анкер устанавливают и закрепляют способом нагнетания цементных смесей (смол) или механическим способом полимербетоном. Нагнетательный способ используется при наличии водопритоков из скважины. Механический способ используется при отсутствии водопритоков из скважины. Механический способ состоит в досылке ампул с закрепляющим материалом в скважину анкером, в досылке анкера с вращением до упора его торца в дно скважины, в перемешивании полимербетона анкером путем его вращения, в ожидании времени отвердения, в предварительном натяжении. В таком случае вращение анкера необходимо для перемешивания закрепляющих смесей с отвердителем. При закреплении анкера смолой в ампулах вставки 4, увеличивающие диаметр каната, выполняют функцию смесителя для качественного перемешивания смолы с отвердителем. В дальнейшем, после отвердения смолы, образованные вставками 4 "узлы" каната увеличивают силу сцепления каната со смолой.

Установка канатного анкера, закрепляемого цементирующими смесями нагнетательным способом, осуществляется следующим образом. После окончания бурения скважины 1 (фиг. 1) в нее вставляют в собранном виде канатный анкер. В местах уширения вкладыш 4 разъединяет пряди каната. В этих местах канат имеет увеличенный диаметр. Интервал уширения ограничен обжимными втулками 3, которые ограничивают радиальное перемещение прядей каната. На втулки 3 оперты торцы конических втулок 16, которые состоят из долек, соединенных в коническую втулку кольцами 17 с упругими усами. Расстояние между концами упругих усов на 6-8 мм больше диаметра скважины. В собранном виде к канату 2 прикреплен воздухоотводящий шланг 11.

После досылки до упора в дно скважины анкер не может выпасть, т. к. удерживается упругими усами колец 17 конических втулок 16. Верхний открытый торец шланга 11 размещен у забоя скважины. У устья скважины канат соединен с муфтой 6 посредством клина 7. В муфту ввинчен конец стержня 5. После досылки анкера на хвостовик 5 надевают герметизатор 9 до упора его фланцами в устье скважины. Затем на хвостовик 5 надевают опорные элементы 12, 13 и закрепляют их гайкой 14. При вращении гайки 14 на хвостовике 5 муфта 6 и канат 2 перемещаются к устью скважины. Дольки конической втулки 16 не имеют обратного хода, т. к. оперты на стенки скважины упругими усами колец 17, размещенных в кольцевой впадине втулки 16. Уширения каната 2 заходят в коническую втулку 16, раздвигая ее дольки до упора в стенки скважины 1. Конические втулки 16 с внешней стороны выполнены с кольцевыми выступами, которыми они внедряются в стенки скважины, увеличивая сцепление с ними. Уширения каната 2, образованные вкладышами 4, выполняют функцию распорного клина при взаимодействии с конической втулкой 16 при перемещении каната к устью скважины. Таким образом, вращением гайки 14 на хвостовике 5 создается предварительное натяжение каната 2 при его взаимодействии с коническими втулками 16. После предварительного натяжения в устье скважины 1 через отверстие фланца герметизатора 9 вставляют конец подающего шланга 10. Противоположный конец шланга 10 подсоединен к насосу. После установки анкера насосом через шланг 10 заполняют скважину 1 цементирующей смесью 8. При этом воздух из скважины 1 отводится через воздухоотводящий контрольный шланг 11. Контролем полного заполнения скважины раствором смеси 8 является появление на выходе шланга 11 этого раствора. По окончании процесса заполнения скважины 1 раствором смеси 8 подающий шланг 10 зажимают хомутом и отрезают от остальной части. Под действием сил горного давления контур неустойчивой части массива вокруг выработки расширяется, т. е. увеличивает свой объем за счет расслоения, появления новых и раскрытия старых трещин, дислокации. При этом устье скважины перемещается в сторону выработки, оказывая силовое давление через перетяжку 15 на опорную 12 и промежуточную 13 шайбы, на опорную гайку 14, которая соединена со стержнем 5 резьбовым соединением. Стержень 5 через резьбовое соединение передает растягивающую нагрузку на муфту 6, которая конической поверхностью и узким отверстием взаимодействует с наружными проволоками каната. Конец каната под действием нагрузки со стороны муфты 6 проскальзывает. Вместе с проскальзыванием каната 2 относительно муфты 6 перемещается и клин 7, который размещен внутри прядей (проволок) каната. Сцепление и трение клина с проволоками каната усилено резьбой на поверхности клина. Поэтому клин относительно каната не перемещается. С перемещением клина 7 в сторону узкого отверстия муфты 6 усиливается трение наружных проволок каната о коническую поверхность муфты. В конечном итоге силы трения каната 2 о стенку муфты 6 уравновешивают действующие осевые нагрузки на муфту.

Противоположный конец каната 2 закреплен на отрезке скважины 1 в устойчивой части приконтурного массива выработки. Цементирующая смесь 8 заполняет все впадины неровной поверхности скважины 1, имеет прочную адгезию со стенками скважины и канатом, заполняет разрывы контактной сплошности проволок каната 2, образованные вставками 4. Под действием осевой нагрузки канат 2, опираясь на стенки отвердевшей цементной смеси прядями, ограничителями радиального перемещения проволок каната, "узлами" каната, образованными вставками 4, подвергает отвердевшую смесь 8 на интервале устойчивой части массива сдвиговым напряжениям. Вследствие того что сдвиговая прочность смеси 8 превосходит действующие нагрузки, канат 2 в устойчивой части массива надежно закреплен и не может перемещаться к устью скважины относительно ее стенок. Этому препятствуют "узлы" каната. В неустойчивой части приконтурного массива канат подвержен упругим деформациям, цементная смесь 8 под действием растягивающих нагрузок растрескивается, расслаивается вместе с приконтурным массивом. Однако отделится от устойчивой части массива она не может, т. к. этому препятствуют опорные элементы 12, 13, 14 анкера в устье скважины и "узлы" каната, с которыми связана отвердевшая цементная смесь. Вследствие того что дилатансионные процессы (расширение) приконтурного массива в неустойчивой части неизбежны, то для защиты каната от перегрузок предназначена податливая опорная полусферическая шайба 12. Ее нагрузочная характеристика выбирается более низкой по отношению к нагрузочной характеристике системы "канат -муфта - стержень". Податливость опорной полусферической шайбы определяется меридиональным радиусом полусферы. Толщина стенок опорной полусферической шайбы и радиус определяют параметры ее нагрузочной характеристики.

За счет значительного предварительного натяжения анкер быстрее включается в работу, снижая расслоение. При этом создается некоторое состояние объемного сжатия приконтурного массива, которое увеличивает остаточную прочность приконтурного массива в его неустойчивой части. Осуществление предварительного натяжения на любую заданную величину возможно благодаря введению замков в виде конических втулок и достаточному запасу резьбы на стержне 5 при меньших затратах на металл по сравнению с прототипом.

Таким образом соединение каната с жестким хвостовиком муфтой посредством клина в отличие от прототипа /2/ улучшает качество крепления путем обеспечения возможности создания высокого предварительного натяжения за счет наличия резьбы на хвостовике 5 с опорной гайкой 14 и за счет введения замков 16.

Образование вставками 4 участков уширения по длине каната улучшает функцию сшивки анкера, при которой увеличивается доля передачи нагрузки со стороны слоев пород приконтурного массива на анкер и тем самым снижается нагрузка на опорные элементы анкерной крепи. Это позволяет применять более дешевые облегченные конструкции опорных элементов анкерной крепи.

Источники информации
1. Патент GB 2281366 A1 Е 21 D 21/00. Изобретения стран мира. Вып. 063 01/70 с. 3.

2. Патент WO 9505524 A1 Е 21 D 21/00. Изобретения стран мира. Вып. 063 05/96 с. 10.