Винтовой анкер

 

Изобретение относится к горному делу, креплению горных пород в подземных выработках, откосов, фундаментов и т.п. в строительстве. Анкер содержит стержень с одним или несколькими радиальными выступами, расположенными по винтовой линии вдоль продольной оси стержня, угол α наклона винтовой линии равен 17 - 25 градусов, а высота радиальных выступов h определена пористостью укрепляемых пород (P), диаметром стержня (D) и углом наклона винтовой линии к продольной оси стержня (α) по следующей зависимости: h = (0,12-0,14)p^0,48Dcosα. Изобретение обеспечивает увеличение несущей способности стержня при сохранении высокой податливогсти. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к горному делу, в частности к винтовым анкерам, и может быть использовано для закрепления неустойчивых горных пород в подземных выработках. Кроме того, изобретение может быть использовано в строительстве для укрепления оснований различных сооружений, откосов, причалов, стенок котлованов и т.п.

Известно, что оптимальное закрепление горных выработок при помощи анкерной крепи достигается при условии, когда конструкция анкера обеспечивает ему высокую несущую способность в сочетании с достаточной податливостью. Под несущей способностью понимается максимальное его сопротивление расслоению пород. После достижения несущей способности анкер выдергивается из укрепленной им породы. Податливость анкера обеспечивает переход горного массива в некоторое равновесное состояние после проходки выработки без существенного нагружения анкера, чем повышается несущая способность анкера и его возможности закрепления горных пород в новом равновесном состоянии горного массива. Кроме этого, эффективность крепления горных пород, особенно слабых горных пород, во многом зависит от механизма взаимодействия анкера как конструктивного элемента с горной породой. Существенным также является простота конструкции анкера. Следовательно, актуальным является разработка простых анкеров, эффективно взаимодействующих с горными породами, обладающих высокой несущей способностью и податливостью.

Известен винтовой анкер по описанию изобретения к авторскому свидетельству СССР N 164003, приоритет 14.03.1961, представляющий собой круглый стальной стержень с винтовой накаткой (резьбой). Шаг и высоту винтовой накатки подбирают в зависимости от физико-механических свойств скрепляемых пород. Для установки анкера в породе предварительно пробуривают шпур, диаметр которого меньше наружного диаметра винтовой накатки. Затем в шпур ввинчивают анкер. В процессе ввинчивания выступы винтовой накатки нарезают соответствующую винтовую канавку в шпуре и анкер закрепляется в породе по типу резьбового соединения "болт-гайка", в котором болтом является анкер, а гайкой - порода.

В данном случае податливость анкера определяется только его допустимыми деформациями вдоль продольной оси, так как винтовая накатка выполнена в виде самотормозящейся резьбы, исключающей возможность скольжения пород вдоль его анкера с одновременным его скручиванием. Величина допустимых продольных деформаций анкера как нагруженного растягивающими усилиями стержня не обеспечивает необходимой податливости. Такой анкер практически работает как жесткий элемент.

Несущая способность анкера определяется его прочностью на разрыв, а также механизмом взаимодействия анкера с горной породой, который в данном случае представляет собой зацепление анкера с горной породой за счет расположения выступов винтовой накатки в канавках, нарезанных в шпуре самими же выступами винтовой накатки в процессе ввинчивания анкера в шпур. При таком механизме взаимодействия анкера с горной породой при достаточной прочности анкера на разрыв его несущая способность определяется максимальным значением разрушающих касательных напряжений для закрепляемой породы в условиях чистого сдвига, так как выдергивание анкера сопровождается сдвигом горной породы по площади, определяемой диаметром выступов винтовой накатки и длиной анкера. То есть при прочих равных условиях несущая способность такого анкера определяется исключительно прочностными характеристиками породы в условиях чистого сдвига, что ограничивает применение рассматриваемого анкера особенно в слабых породах.

Известен также анкер по описанию изобретения к авторскому свидетельству СССР N 846744, МКИ ³ E 21 D 21/00, приоритет 26.10.79, который состоит из винтового стержня, выполненного в форме усеченного конуса, конусность которого соответствует конусности шпура, опорной плиты и хвостовика с гайкой. При этом хвостовик сопряжен с большим основанием конусного стержня. Для установки анкера бурят шпур конической формы, анкер вводят в шпур до упора резьбы в стенку шпура, после этого ввинчивают анкер в шпур и при помощи гайки прижимают опорную плиту. При таком выполнении анкера все витки резьбы по длине стержня проходят приблизительно одинаковый путь при его ввинчивании и, следовательно, равномерно изнашиваются. Кроме того, достигается одинаковая глубина внедрения резьбы в стенки шпура по всей длине стержня, что повышает эксплуатационные качества анкера. Однако, как и в вышеописанном аналоге, конструкция анкера не обеспечивает ему достаточную податливость и несущую способность, особенно в слабых породах по описанным выше причинам.

Известны и другие анкеры, в основе которых лежит винтовая нарезка с шагом, определяющим условия самотормозящейся резьбы, которые вкручивают в предварительно пробуренные шпуры. Общими недостатками таких анкеров является их низкая податливость, которая обеспечивается только возможностями деформации анкера как стержня вдоль его продольной оси, а также низкая несущая способность особенно в слабых породах, которая определяется величиной разрушающих касательных напряжений в породе в условиях чистого сдвига.

Для увеличения податливости анкеров применяют специальные конструктивные приемы, которые в большинстве случаев значительно усложняют анкер, что крайне нежелательно для широкого применения анкерной крепи.

Так, в качестве примера этому можно привести податливый анкер, известный по описанию изобретения к авторскому свидетельству СССР N 1507985, МКИ⁴ E 21 D 21/00, приоритет 30.12.97, который содержит надетую на стержень обойму, замок для закрепления стержня в шпуре, гайку, установленную на обойме, и опорную плиту, взаимодействующую с гайкой. На стержне выполнены выступы, которые упираются на внутреннюю поверхность обоймы. При смещении пород стержень остается неподвижным, так как закреплен замком в шпуре, а обойма перемещается относительно стержня. Постоянное сопротивление податливости обеспечивается трением выступов стержня по внутренней поверхности обоймы. После исчерпания податливости через обойму нагнетают тампонажный раствор, который попадает в шпур и замоноличивает в нем анкер.

Описанный анкер имеет сложную конструкцию и недостаточную несущую способность, так как последняя определяется только силой сцепления затвердевшего тампонажного раствора со стенкой шпура.

Известен также податливый анкер для крепления кровли подземных горных выработок по описанию изобретения к патенту Российской Федерации N 2004815 МКИ⁵ E 21 D 21/00, приоритет 14.05.90. Анкер состоит из стержня с распорной головкой на конце, при этом на стержне выполнена выступающая резьба. На стержень надета обойма с винтовой выемкой под выступающую резьбу стержня. Обойма в свою очередь одета во втулку. Угол наклона выступающей резьбы и винтовой выемки в описании изобретения не определен, но судя по чертежу этот угол составляет около 29 град. Анкер собирают путем навинчивания обоймы на выступающую резьбу стержня. Анкер вставляют в предварительно пробуренный шпур, стержень закрепляют распорной головкой в предварительно пробуренном шпуре, а втулку фиксируют гайкой и шайбой на устье шпура. При расслоении горных пород втулка стаскивает обойму со стержня, которая свинчивается при этом под постоянным усилием. Таким образом достигается большая податливость анкера, величина которой соизмерима с длиной участка стержня, на котором выполнена выступающая резьба за вычетом длины обоймы. После исчерпания этой податливости анкер замоноличивают тампонажным раствором, после чего он работает в жестком режиме. Опыты показали, что при указанном угле наклона выступающей резьбы сопротивление анкера в режиме податливости достигает лишь 10-15% максимальной несущей способности, когда анкер замоноличен тампонажным раствором. При увеличении угла резьба становится самотормозящейся и теряет функцию податливости. При меньших значениях угла наклона резьбы сопротивление анкера в податливом режиме падает до 5-2% от максимальной несущей способности анкера. Таким образом, данное устройство не обеспечивает одновременно высокое сопротивление сдвижению пород и большую податливость. Конструкция анкера сложная и не технологична в изготовлении. Кроме того, максимальная несущая способность такого анкера ограничена прочностными характеристиками горной породы в условиях чистого сдвига, а также степенью сцепления тампонажного раствора со стенками шпура, что ограничивает возможности применения анкера особенно в слабых породах.

Известны винтовые анкеры, в которых винтовой элемент (винтовая накатка или резьба) выполнен с углом наклона винтовой линии к продольной оси анкера, определяющим условия несамотормозящейся резьбы во взаимодействии винтового анкера с горной породой. Так, известен полый скрученный анкер по акцептованной заявке Японии N 4-73519 МКИ E 21 D 20/00, приоритет 26.01.87, который представляет собой полый многогранный стержень, поперечное сечение которого выполнено в виде многоугольника, в частности в виде шестиугольника. Передняя часть стержня выполнена сплошной и заостренной. На задней части стержня имеется резьбовой участок для присоединения напорного трубопровода с возможностью сообщения внутренней полости стержня с каналом напорного трубопровода. Полый стержень выполнен равномерно скрученным вокруг продольной оси по всей его длине. Таким образом, каждый из углов, образованных пересечением соседних граней многогранника, образует выступ, расположенный по винтовой линии вдоль продольной оси стержня. Угол наклона винтовых линий выступов по отношению к продольной оси стержня соответствует условиям несамотормозящейся резьбы во взаимодействии стержня с горной породой и приблизительно равен 10 град. На гранях стержня выполнены отверстия, соединяющие полость стержня с окружающей средой.

Для крепления выработки в горной породе бурят шпур диаметром, большим внешнего диаметра анкера, в который забивают анкер ударным воздействием в торец задней части стержня. Наличие винтовых выступов, а также их угол наклона по отношению к продольной оси анкера, определяющий условия несамотормозящейся резьбы, обеспечивают продвижение анкера в шпуре с вращением вокруг продольной оси. Согласно описанию изобретения вращение анкера снижает сопротивление продвижению анкера в шпуре, в котором всегда присутствуют обвалившиеся куски породы, песок и тому подобное. Резьбовой участок на задней части стержня при забивке анкера закрывают защитным колпачком.

Забивка анкера в шпур с вращением вокруг продольной оси по утверждению автора предотвращает изгибание от воздействия ударных нагрузок и облегчает установку анкера. После установки анкера в шпур к нему присоединяют напорный трубопровод, навинчивая переходную муфту на резьбовой участок на задней части стержня, нагнетают цементный раствор в полость стержня, из которой он поступает в шпур через отверстия, выполненные в боковых гранях стержня, замоноличивая анкер в шпуре.

Общими признаками аналога и заявляемого решения являются стержень с радиальными выступами, расположенными по винтовой линии вдоль продольной оси стержня.

Описанный анкер сопротивляется расслоению породных слоев, зацепляясь винтовыми выступами за цементный камень, полученный в результате замоноличивания анкера. Цементный камень, в свою очередь, сцеплен со стенками шпура. В таких условиях анкер работает в жестком режиме с минимальной податливостью, которая определяется только возможностями деформирования анкера в направлении его продольной оси. Кроме того, несущая способность анкера ограничена в лучшем случае максимальным значением касательных напряжений для закрепляемой породы в условиях ее чистого сдвига. В худшем случае несущая способность анкера определяется прочностью сцепления цементного раствора с породными стенками шпура. Чаще всего наиболее слабым звеном является сцепление цементного или другого тампонажного раствора со стенками шпура. Зачастую такие анкера выдергиваются из шпуров вместе с затвердевшим тампонажным раствором, не выполняя функций крепления породы. Типичные образцы проявления такого дефекта приведены в литературе [Peng S.S. Roof bolting problems in weak roof (1994) MINING ENGINEERING, July, p.p. 652-653]. Таким образом, конструкция описанного анкера не обеспечивает высокого уровня податливости и несущей способности.

В качестве прототипа выбран анкер для поддержания кровли, известный по описанию изобретения к патенту США N 4325657, МКИ³ E 21 D 21/00, приоритет 05.12.87. Анкер содержит стержень с некруговым поперечным сечением (в частности с прямоугольным сечением) с угловыми выступами. Стержень скручен вокруг его продольной оси таким образом, что каждый из угловых выступов ориентирован вдоль оси стержня по винтовой линии. Угол наклона винтовой линии по отношению к продольной оси стержня соответствует углу наклона несамотормозящейся резьбы во взаимодействии стержня с горной породой и приблизительно равен 8-9 град. Кроме того, анкер имеет опорную плиту с отверстием, форма которого соответствует форме поперечного сечения стержня. Стержень проходит через указанное отверстие в опорной плите. Из описания изобретения следует, что количество выступов на стержне может быть различным и определяется формой стержня в его поперечном сечении. Очевидно, что стержень может быть выполнен и с одним угловым выступом, ориентированным по винтовой линии вдоль оси стержня.

Для установки анкера в закрепляемой породе бурят шпур, диаметр которого должен быть меньше наружного диаметра стержня с винтовыми выступами. Опорную плиту устанавливают в устье шпура. В отверстие в опорной плите устанавливают стержень с винтовыми выступами и забивают стержень в шпур. При этом отверстие в опорной плите выполняет функции направляющей, что облегчает забивку стержня в шпур с проворачиванием вокруг продольной оси. В процессе забивки стержня с проворачиванием угловые выступы нарезают соответствующую винтовую канавку в стенках шпура, так как диаметр шпура меньше наружного диаметре стержня с винтовыми выступами. Установленный таким образом в шпуре анкер соединен с горной породой за счет расположения угловых выступов в нарезанных ими же канавках.

Общими признаками прототипа и заявляемого винтового анкера являются стержень с по крайней мере одним радиальным выступом, расположенным по винтовой линии вдоль продольной оси стержня.

Винтовые анкера, у которых угол наклона винтовой линии винтовых элементов анкера соответствует условию несамотормозящейся резьбы в сравнении с другими типами анкеров обладают более высокой податливостью при простоте конструкции. Объясняется это следующим. Механизм нагружения такого анкера при расслоении закрепляемых им пород, аналогичный механизму нагружения болта растягивающим усилием при условии, что растягивающее усилие приложено к двум гайкам, навинченным на винтовой участок болта. Аналогия выражается в том, что функцию болта выполняет стержень анкера, а функцию гаек выполняют удерживаемые анкером слои породы. При таком нагружении болта при условии, что резьба выполнена несамотормозящейся, происходит деформация скручивания стержня вокруг его продольной оси под воздействием двух противоположных крутящих моментов со стороны гаек. В результате указанной деформации болта происходит перемещение гаек вдоль болта в противоположных направлениях. В случае анкерной крепи будет иметь место некоторое перемещение удерживаемых слоев породы за счет скручивания стержня анкера. Результат такого взаимодействия анкера с горной породой выражается в податливости анкерной крепи. Кроме того, податливость такого анкера дополнительно обеспечивается частичным срезанием породы винтовыми выступами анкерного стержня При высокой податливости такого анкера его несущая способность без принятия специальных мер недостаточна, особенно в слабых породах, так как определяется в основном прочностными характеристиками породы в условиях сдвига.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования анкера, в котором за счет выбора конструктивных параметров анкера обеспечивается увеличение несущей способности анкера в сочетании с его высокой податливостью, и тем самым достигается повышение эффективности анкерной крепи, в том числе и для крепления слабых пород.

Поставленная задача решается тем, что в анкере, содержащем стержень с по крайней мере одним радиальным выступом, расположенным по винтовой линии вдоль продольной оси стержня, согласно изобретению угол наклона указанной винтовой линии по отношению к продольной оси стержня равен 17-25 град., а высота выступа определена из соотношения h = (0,12 - 0,14)P^0,48Dcos α, где h - высота каждого радиального выступа, мм; P - пористость породы, %; D - диаметр стержня, мм; α - угол наклона винтовой линии радиальных выступов по отношению к продольной оси стержня, град.

Указанные признаки составляют сущность изобретения, так как являются необходимыми и достаточными для достижения технического результата - увеличения несущей способности анкера в сочетании с его высокой податливостью.

Целесообразно, но не обязательно каждый радиальный выступ в поперечном сечении стержня выполнить в форме трапеции, соединенной большим основанием со стержнем, причем длину большего основания каждого радиального выступа выполнить по соотношению b - длина большего основания каждого радиального выступа, мм; Per - периметр стержня в его поперечном сечении, мм; n - количество радиальных выступов; α - угол наклона винтовой линии радиальных выступов по отношению к продольной оси стержня.

С точки зрения экономии металла предпочтительно стержень выполнить полым с соотношением наружного диаметра стержня к диаметру полости, равным 1,5-1,7. Такое соотношение указанных диаметров не влияет существенным образом на несущую способность стержня, но предотвращает сминание стержня, как трубчатого элемента, под действием нагрузок в его взаимодействии с горной породой.

Целесообразно на заднем участке стержня выделить участок, на котором угол наклона винтовой линии радиальных выступов выполнить большим или меньшим на 3-4 град. по сравнению с углом наклона винтовой линии на переднем участке стержня, причем длину указанного заднего участка стержня выбрать равной 5-15 диаметров стержня. Такое выполнение обеспечивает надежное стопорение анкера в шпуре до его нагружения сдвигающимися слоями горных пород.

Причинно-следственная связь признаков, составляющих сущность изобретения, с достигаемым техническим результатом объясняется следующим.

Многочисленными экспериментами с винтовыми анкерами установлено, что при использовании анкеров, в которых винтовые выступы непосредственно зацепляются с закрепляемой породой и в которых угол наклона винтовой линии соответствует условиям несамотормозящейся резьбы во взаимодействии винтового анкера с закрепляемой породой имеет место податливый режим работы анкера, механизм которого подробно раскрыт в описании прототипа. В то же время экспериментально установлено, что указанный угол наклона винтовой линии существенным образом влияет не только на податливость анкера, но и на несущую способность анкера. Результаты экспериментов представлены на прилагаемых к описанию изобретения графических иллюстрациях, где на фиг. 1 представлена зависимость несущей способности анкера от угла наклона винтовой линии радиального выступа стержня относительно продольной оси стержня. Из указанной зависимости следует, что несущая способность анкера существенно повышается в диапазоне углов наклона винтовой линии радиального выступа равном 17-25 град., достигая максимума при 20-23 град. Это объясняется механизмом взаимодействия винтового анкера с горной породой. Так, в начальный период нагружения анкера растягивающими усилиями податливость анкера обеспечивается деформациями скручивания анкера относительно его продольной оси, механизм которого раскрыт в описании прототипа. При дальнейшем нагружении анкера происходит срезание горной породы в условиях чистого сдвига винтовыми выступами, взаимодействующими с горной породой. Срезание породы сопровождается накоплением штыба в полостях между телом стержня и радиальными винтовыми выступами, перемещением штыба в указанных полостях вдоль винтовых выступов в результате эффектов несамотормозящейся резьбы, уплотнения штыба в указанных полостях с развитием нормальных напряжений, воздействующих на горную породу со стороны уплотненного штыба. С развитием нормальных напряжений сопротивляемость горной породы сразу увеличивается. Это подтверждается известной зависимостью Кулона - Мора, которая представлена на фиг. 2, прилагаемой к описанию изобретения. Из указанной зависимости следует, что с увеличением нормальных напряжений в горной породе увеличивается сопротивляемость горной породы срезу, которая определяет несущую способность винтового анкера. Ниже 17 град. эффект, обусловленный влиянием штыба становится слабо заметным. При углах более 25 угол наклона винтовых выступов к оси стержня перестает удовлетворять условию самоторможения.

Существенным является также тот факт, что увеличение несущей способности определяется не только углом наклона винтовой линии по отношению к продольной оси анкера, но и высотой радиальных винтовых выступов, которая определяет объем полости, ограниченной телом стержня и винтовыми выступами на стержне, а значит условия уплотнения штыба в этой полости и условия развития нормальных напряжений, Бездействующих на горную породу в зоне ее взаимодействия с анкером. Экспериментально подтверждено, что существенное увеличение несущей способности анкера имеет место, когда высота радиальных винтовых выступов на стержне анкера выбирается по зависимости h = (0,12-0,14)P^0,48Dcos α, где h - высота каждого радиального выступа, мм;
P - пористость закрепляемых пород;
D - диаметр стержня, мм;
α - угол наклона винтовой линии радиальных выступов по отношению к продольной оси стержня, град.

Таким образом, указанные выше обстоятельства свидетельствуют о том, что признаки анкера, включающие:
- стержень анкера;
- по крайней мере один радиальный выступ на стержне;
- расположение радиальных выступов по винтовой линии вдоль продольной оси стержня;
- выбор угла наклона винтовой линии по отношению к продольной оси анкера в диапазоне 17-25 град.;
- выбор высоты радиальных выступов по зависимости
h = (0,12 -0,14)P^0,48Dcos α,
находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом - увеличением несущей способности анкера в сочетании с его высокой податливостью.

Сущность изобретения, а также возможность его использования подтверждаются графическими материалами.

Фиг. 1 - зависимость несущей способности анкера от угла наклона винтовой линии радиальных выступов.

Фиг. 2 - зависимость предельных (разрушающих) касательных напряжений для горной породы от действующих нормальных напряжений.

Фиг. 3 - общий вид анкера с одним радиальным винтовым выступом.

Фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 3.

Фиг. 5 - общий вид анкера с двумя радиальными винтовыми выступами.

Фиг. 6 - сечение Б-Б на фиг. 5.

В соответствии с фиг. 3 один из вариантов реализации заявляемого винтового анкера представляет собой цилиндрический стержень 1 с радиальными выступами 2, расположенным по винтовой линии 3 вдоль продольной оси 4 стержня 1. Угол наклона винтовой линии З по отношению к продольной оси 4 стержня 1 выбран в диапазоне 17-25 град. На фиг. 4 показано поперечное сечение анкера. Высота радиального выступа 2 выбрана по зависимости
h = (0,12 -0,14)P^0,48Dcos α,
где h - высота радиального выступа, мм;
P - пористость горной породы, %;
D - диаметр стержня, мм;
α - угол наклона радиальной винтовой линии радиального выступа по отношению к продольной оси стержня, град.

Форма радиального выступа 2 в поперечном сечении стержня 1 может быть треугольной, овальной, трапециевидной. Предпочтительной формой с точки зрения технологичности изготовления является трапециевидная форма. Трапециевидный радиальный выступ 2 соединен со стержнем 1 большим основанием 5. Длина большего основания 5 определена по зависимости

где b - длина большего основания, мм;
Per - периметр стержня в его поперечном сечении, мм;
n - количество радиальных выступов на стержне;
α - угол наклона винтовой линии радиального выступа по отношению к продольной оси стержня, град.

На заднем участке 6 стержня 1 угол наклона винтовой линии 3 радиального выступа 2 отличается от угла наклона винтовой линии 3 радиального выступа 2 на переднем участке 7 стержня 1 на 3-4 град.

Экспериментальной проверке на стенде подвергался конкретный анкер указанной конструкции со следующими параметрами :
- длина стержня - 2 м,
- диаметр стержня - 22 мм,
- высота радиального выступа - 4,4 мм,
- угол наклона винтовой линии радиального выступа на переднем участке стержня, по отношению к продольной оси стержня - 24 град,
- форма радиального выступа - трапециевидная,
- длина большего основания трапеции - 8 мм,
- длина заднего участка стержня - 200 мм,
- угол наклона винтовой линии радиального выступа на заднем участке стержня по отношению к продольной оси стержня - 20 град,
- пористость закрепляемой горной породы (аргиллит) - 2,9%.

Указанные параметры соответствуют приведенным выше зависимостям, определяющим сущность изобретения, а также предпочтительные варианты выполнения.

Для установки анкера в закрепляемой породе бурили шпур, диаметр которого равен 22,5 мм, то есть был меньше наружного диаметра стержня с винтовыми выступами. Затем анкер забили в шпур с помощью кувалды. В процессе забивки анкера винтовой выступ нарезал соответствующую винтовую канавку в стенках шпура, так как диаметр шпура меньше наружного диаметра стержня с винтовыми выступами. Установленный таким образом в шпуре анкер соединен с горной породой за счет расположения винтового выступа в нарезанной им же канавке.

Эксперимент на выдергивание показал, что указанный анкер надежно закрепляется в шпуре, сохраняет высокую податливость, а его несущая способность выше несущей способности аналогичного анкера-прототипа на 43% (11,2 кН/мм против 6,4 кН/мм).

По другому варианту реализации изобретения, который представлен на фиг. 5, винтовой анкер представляет собой цилиндрический стержень 8 с двумя радиальными выступами 9 и 10, расположенными по винтовым линиям 11 и 12 вдоль продольной оси 13 стержня 8. Угол наклона винтовых линий 11 и 12 по отношению к продольной оси 13 стержня 8 выбран в диапазоне 17-25 град. На фиг. 6 показано поперечное сечение анкера. Высота радиальных выступов 9 и 10 выбрана по зависимости, указанной для вышеприведенного варианта реализации анкера. Форма радиальных выступов 9 и 10 в поперечном сечении стержня 8 трапециевидная. Трапециевидные выступы 9 и 10 соединены со стержнем 5 большими основаниями 14 и 15. Длина оснований 14 и 15 определена по зависимости, указанной в описании первого варианта реализации анкера.

На заднем участке 16 стержня 8 угол наклона винтовых линий 11 и 12 радиальных выступов 9 и 10 отличается от угла наклона этих линий на переднем участке 17 стержня 8 на 3-4 град.

Конкретный анкер указанной конструкции, который подвергался экспериментальной проверке на стенде, имел следующие параметры:
- количество радиальных выступов - 2;
- диаметр стержня - 22 мм;
- высота каждого радиального выступа - 3,9 мм;
- угол наклона винтовых выступов на переднем участке стержня по отношению к его продольной оси - 22 град.;
- форма радиальных выступов - трапециевидная;
- длина большего основания трапеции - 4 мм;
- длина заднего участка стержня - 150 мм;
- угол наклона винтовых линий на заднем участке стержня - 25 град.;
- пористость укрепляемой горной породы - 2,5%.

Параметры указанного стержня соответствуют признакам, определяющим сущность изобретения и предпочтительные варианты исполнения анкера.

В породных блоках, установленных на испытательном стенде пробурили шпур диаметром 22,5 мм. Затем с помощью бурильного перфоратора забили анкер в пробуренный шпур. Испытания на выдергивание показали, что анкер надежно закрепляется в шпуре, его несущая способность превышает несущую способность анкера-прототипа на 45% (12,8 кН/мм против 7 кН/мм) при сохранении высокой податливости.

Приведенные параметры показывают преимущества заявляемого анкера и подтверждают решение поставленной задачи.

Формула изобретения

1. Винтовой анкер, содержащий стержень с по крайней мере одним радиальным выступом, расположенным по винтовой линии вдоль продольной оси стержня, отличающийся тем, что угол наклона винтовой линии по отношению к продольной оси стержня равен 17 - 25 град., а высота радиального выступа определяется из соотношения
h = (0,12 - 0,14)h^0,48 Dcosα,
где h - высота радиального выступа, мм;
p - пористость горной породы, %;
D - диаметр стержня, мм;
α - угол наклона винтовой линии радиального выступа по отношению к продольной оси стержня, град.

2. Анкер по п.1, отличающийся тем, что каждый радиальный выступ в поперечном сечении стержня выполнен в форме трапеции, соединенной большим основанием со стержнем, причем длина большего основания каждого радиального выступа определена из соотношения

где b - длина большего основания, мм;
Per - периметр стержня в его поперечном сечении, мм;
n - количество радиальных выступов на стержне;
α - угол наклона винтовой линии радиального выступа по отношению к продольной оси стержня, град.

3. Анкер по п.1, отличающийся тем, что стержень выполнен полым с соотношением наружного диаметра к диаметру полости, равным 1,5 - 1,7.

4. Анкер по п.1, отличающийся тем, что угол наклона винтовой линии на заднем участке стержня выполнен большим или меньшим на 3 - 4 град. по сравнению с углом наклона винтовой линии на переднем участке стержня, причем длина заднего участка стержня выбрана равной 5 - 15 диаметров стержня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6