Суть изобретения: 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
Номер патента: 2112883
Класс(ы) патента: E21D21/00, E21D20/02
Номер заявки: 96120272/03
Дата подачи заявки: 08.10.1996
Дата публикации: 10.06.1998
Заявитель(и): Государственный научно-исследовательский, проектно- конструкторский и проектный угольный институт с экспериментальным заводом "Печорниипроект"
Автор(ы): Погудин Ю.М.; Долоткин Ю.Н.; Шурко В.И.; Соколов А.Б.; Канев В.И.; Левитин Л.Л.
Патентообладатель(и): Государственный научно-исследовательский, проектно- конструкторский и проектный угольный институт с экспериментальным заводом "Печорниипроект"; Открытое акционерное общество "Шахта "Воргашорская"
Описание изобретения: 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
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 nв пружины из соотношений
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 nв 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. 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.
Анкер для крепления горных выработок включает винтовой стержень, ввинченный в шпур и имеющий хвостовик, опорный элемент, установленный на хвостовике, и пружину. Виток нижнего конца пружины размещен на забойном торце винтового стержня и входит в зацепление с винтовым стержнем до упора, укрепленного между витками винтовой резьбы стержня.
Анкер содержит также дополнительный стержень, ориентированный со стороны забойного торца винтового стержня и жестко соединенный с витками верхнего конца пружины, обращенной в сторону забоя шпура. В момент готовности анкера к работе верхний торец дополнительного стержня упирается в забой шпура, а нижний торец взаимодействует со сжатыми витками пружины. По длине шпура между упором и забоем этого шпура заключен скрепляющий раствор.
Необходимое число nв витков пружины определяют из соотношения
Подсчет числа витков пружины, 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, пробуренный внешним диаметром меньше внешнего диаметра винтового стержня и глубиной больше его длины, вводят скрепляющий раствор, заключенный, например, в ампулах. Затем на хвостовик винтового стержня устанавливают опорный элемент. Далее на забойный конец винтового стержня с упором навинчивают витками нижний конец пружины совместно с дополнительным стержнем, жестко соединенным с пружиной посредством ее верхних витков. Навинчивание витков пружины на стержень осуществляют до взаимодействия ее нижнего торца с упором. Причем в момент сборки элементов анкера шаг витков пружины, расположенных между нижним торцом дополнительного стержня и верхним торцом винтового стержня, соответствует шагу резьбы винтового стержня .
После сборки анкера его ввинчивают в шпур, заполненный скрепляющим раствором. При вращательно-поступательном движении анкера по шпуру происходит одновременно перемешивание скрепляющего раствора, перемещение его в забой шпура и уплотнение.
По мере достижения торца дополнительного стержня забоя шпура продолжают вращательно-поступательное движение анкера, при этом происходит сжатие витков пружины до непосредственного контактирования их между собой. Причем упомянутое сжатие витков пружины произойдет только тогда, когда опорный элемент достигнет устья шпура.
В результате выполнения вышеописанных операций анкер ввинчен в шпур, и введен в работу. При этом скрепляющий раствор армирован в верхней части шпура пружиной совместно с дополнительным стержнем.
По мере расслоения пород кровли выработки опорный элемент смещается внутрь выработки. При этом происходит удлинение анкера за счет изменения расстояния между витками пружины, выражающегося в неравномерном растяжении этих витков, начиная с нижних со стороны винтового стержня с уменьшением расстояния между ними по длине пружины в сторону забоя шпура. Такой принцип изменения шага витков обусловлен смещением пород кровли совместно с опорным элементом.
При дальнейшем увеличении нагрузок со стороны пород кровли на опорный элемент продолжается удлинение анкера при постепенном увеличении расстояния между витками, 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 пружины в зависимости от прочности вмещающих пород вокруг выработки.
Из вышеприведенного соотношения подбора числа витков пружины видно, что чем больше крепость пород, тем меньше необходимо ввести в конструкцию анкера число витков, 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 пружины, 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.
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 nв пружины на ее длине между упомянутыми торцами винтового и дополнительно стержней определяют из соотношения
