Способ возведения анкерной крепи и анкерная крепь

 

Изобретение относится к креплению горных выработок анкерной крепью и может использоваться при возведении анкерной крепи в восходящих шпурах. Задачей изобретения является снижение трудоемкости ведения работ и повышение надежности крепления. Способ возведения анкерной крепи включает бурение шпура, введение в него грузонесущего стержня с опорной головкой на глубинном конце и подпорным элементом, заполнение полости шпура между опорной головкой и подпорным элементом сыпучим материалом и натяжение грузонесущего стержня. Заполнение указанной полости сыпучим материалом осуществляют его подачей под действием собственного веса из помещенной в шпуре над опорной головкой ампулы с эластичной оболочкой после разрушения ее дна продвижением грузонесущего стержня и сообщения ампулы с указанной полостью шпура. Сыпучий материал могут подавать после разрушения ампулы с остановкой грузонесущего стержня, так и с продвижением последнего до упора. Анкерная крепь содержит грузонесущий стержень с опорной головкой на глубинном конце и подпорный элемент, размещенную над опорной головкой емкость с сыпучим материалом и узел нагружения. Опорная головка выполнена по крайней мере с одним перепускным каналом, а емкость - в виде ампулы с эластичной оболочкой. Поверх перепускного канала может устанавливаться перфорирующий патрубок. 2 с. и 9 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к технологии крепления горных выработок, в частности к способам возведения анкерной крепи в восходящих шпурах, и устройствам для их осуществления.

Известен способ возведения анкерной крепи (В.Н.Семевский и др. "Штанговая крепь", М.: Недра, 1965 г., с. 38), включающий бурение скважины, установку на грузонесущий стержень между опорным и подпорным элементами емкости в виде патрона, заполнение емкости чугунной дробью или крупнозернистым песком, введение грузонесущего стержня с емкостью в скважину и натяжение стержня.

Недостаток способа - ненадежное закрепление анкера из-за отсутствия непосредственного контакта сыпучего материала с поверхностью скважины. Отделение сыпучего материала стенкой емкости от поверхности скважины ведет к ослаблению дилатансионного эффекта, уменьшению величины распорных усилий и к проскальзыванию емкости по поверхности скважины, а значит, и исчерпанию несущей способности крепи уже при приложении незначительных усилий к грузонесущему стержню.

Известен также способ сооружения анкерной крепи (а.с. СССР N 1046531, кл. E 21 D 20/00, БИ N 37, 1983 г.), включающий бурение скважины, введение в нее грузонесущего стержня с подпорным элементом, заполнение скважины сыпучим материалом и натяжение стержня, в котором во время заполнения скважины сыпучим материалом и натяжения стержня на последний оказывают возмущающее силовое воздействие, а необходимую глубину заполнения скважины сыпучим материалом определяют по установленной зависимости.

Недостаток способа - трудность сооружения крепи в восходящих скважинах из-за сложности подачи в их полость сыпучего материала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ возведения анкерной крепи (а. с. СССР N 1373828, кл. E 21 D 21/00, БИ N 6, 1988 г.), включающий бурение шпура, введение в него грузонесущего стержня с укрепленными на нем опорным и подпорным элементами, заполнение шпура сыпучим материалом на глубину, которую определяют по установленной зависимости, и натяжение грузонесущего стержня. При этом сыпучий материал до введения в шпур увлажняют, замораживают в форме трубы и надевают на грузонесущий стержень, а натяжение анкера производят после естественного оттаивания замороженного сыпучего материала.

Данный способ позволяет относительно просто ввести сыпучий материал в полость восстающего шпура и заполнить ее на участке между опорным и подпорным элементами. Однако необходимые доя реализации способа операции по увлажнению сыпучего материала, приданию ему формы трубы заданных размеров, замораживанию этой "трубы" и ее последующему естественному оттаиванию в шпуре требуют значительных трудовых затрат и существенно продлевают сроки ввода крепи в эксплуатацию. Кроме того, вода, образующаяся при размораживании "трубы" и покрывающая пленкой частицы сыпучего материала и поверхность шпура, может оказывать смазочное действие и приводить к снижению несущей способности крепи.

Известна анкерная крепь (а.с. СССР N 697732, кл. E 21 D 21/00, БИ N 42, 1979 г.), включающая грузонесущий стержень с опорным элементом, установленным на его замковом конце, замок, выполненный в виде удерживающей пробки из крошки неразмокающей горной породы с подпорным элементом, ограничивающим ее со стороны устья скважины, при этом грузонесущий стержень свободно пропущен через подпорный элемент.

Недостаток крепи - сложность технологии ее возведения в восходящих шпурах из-за трудности подачи в них сыпучего материала.

Известна также анкерная крепь (а.с. СССР N 831996, кл. E 21 D 21/00, БИ N 19, 1981 г.), включающая опорный элемент с отверстием, выполненный в виде открытой с торца цилиндрической емкости, заполненной сыпучим материалом, и стержень с головкой, пропущенный через отверстие в опорном элементе.

Недостаток крепи - ограниченная несущая способность анкера из-за возможности проскальзывания цилиндрической емкости по поверхности шпура.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является анкерная крепь (а.с. СССР N 1073471, кл. E 21 D 21/00, БИ N 6, 1984 г. ), включающая грузонесущий стержень со снабженным шнеком и конусным наконечником опорным элементом на его замковом конце, замок, выполненный в виде удерживающей пробки из крошки неразмокающей горной породы, и подпорный элемент, ограничивающий пробку со стороны устья скважины.

Возведение данной крепи требует привлечения дополнительного оборудования для обеспечения вращения и продвижения в крошке горной породы грузонесущего стержня и опорного элемента со шнеком и для перемещения крошки из патрона, в котором она помещена вначале, к подпорному элементу. С учетом того, что усилия, необходимые только для осуществления последней из этих операций, соизмеримы с несущей способностью анкера, формирование замка такой крепи требует значительных затрат труда и энергии. Не исключена и возможность проворачивания патрона в шпуре при вращении шнека, что может дополнительно осложнить формирование замка. Кроме того, сформированный замок такой крепи отделяет от поверхности шпура корпус патрона или, в случае разрушения шнеком, его фрагменты, что снижает эксплуатационную надежность крепи.

Технической задачей, решаемой изобретением, является снижение трудоемкости работ по возведению крепи за счет упрощения технологии заполнения шпура сыпучим материалом и повышение надежности закрепления анкера за счет непосредственного контакта сыпучего материала с поверхностью шпура.

Она решается за счет того, что в способе возведения анкерной крепи, включающем бурение шпура, введение в него грузонесущего стержня с опорной головкой на глубинном конце и подпорным элементом, заполнение полости шпура между опорной головкой и подпорным элементом сыпучим материалом и натяжение грузонесущего стержня, согласно предлагаемому техническому решению, заполнение указанной полости шпура сыпучим материалом осуществляют его подачей под действием собственного веса из помещенной в шпуре над опорной головкой ампулы с эластичной оболочкой после разрушения ее дна продвижением грузонесущего стержня и сообщения ампулы с указанной полостью шпура.

Технология заполнения шпура при таком способе возведения анкерной крепи сводится к трем простым кратковременным операциям - подаче в шпур ампулы с сыпучим материалом, разрушению ее дна продвижением грузонесущего стержня и перепуску истекающего из ампулы через ее разрушенное дно сыпучего материала в полость шпура между опорной головкой и подпорным элементом до ее заполнения. Для выполнения первой из этих операций необходима только установочная штанга; вторая требует приложения минимальных усилий к грузонесущему стержню; третья реализуется исключительно под действием собственного веса сыпучего материала. Указанные операции могут выполняться одним крепильщиком и, при необходимости, все они легко поддаются механизации. Размещение сыпучего материала в ампуле с эластичной оболочкой позволяет герметизировать сыпучий материал, предотвратить его увлажнение, дает возможность деформировать и распирать ампулу в шпуре, разрушать или сминать ее эластичную оболочку малыми усилиями. Следует отметить, что производство ампул с эластичной оболочкой (из полимерной, в основном, полиэтиленовой пленки) и сыпучим материалом (например, сухим песком) не представляет труда и что ампулы могут транспортироваться и доставляться в выработки к местам их установки в готовом виде. Упрощение технологии заполнения шпура сыпучим материалом ведет к снижению трудоемкости производства работ и позволяет сократить время на возведение и ввод в эксплуатацию крепи по сравнению с известным способом. Кроме того, при данном способе возведения крепи сыпучий материал, заполняющий полость шпура между опорной головкой и подпорным элементом, находится в непосредственном контакте с поверхностью шпура, что обеспечивает возможность надежного закрепления анкера.

Можно сыпучий материал подавать после разрушения дна ампулы с остановкой грузонесущего стержня. Это позволяет заполнить сыпучим материалом полость шпура между опорной головкой и подпорным элементом без дополнительных трудозатрат.

Целесообразно сыпучий материал подавать после разрушения дна ампулы с продвижением грузонесущего стержня до упора. Это позволяет при незначительных трудозатратах на продвижение грузонесущего стержня полностью использовать глубину шпура и исключить необходимость его перебура на дайну ампулы.

Целесообразно при разрушении дна ампулы с остановкой грузонесущего стержня подпорный элемент устанавливать в шпуре на расстоянии l от ампулы, которое определяют по формуле где D - диаметр шпура, см; d - диаметр грузонесущего стержня, см; L - длина ампулы, см; h - высота опорной головки, см.

Это позволяет полностью использовать помещенный в ампулу сыпучий материал и заполнить им всю полость шпура между опорной головкой и подпорным элементом. Указанное соотношение получено, исходя из равенства объемов сыпучего материала, заключенного в ампуле и между опорной головкой и подпорным элементом - πD²L/4 и π(D²-d²)/4 соответственно, которое выполняется при условии, что диаметр ампулы равен диаметру шпура. Исходный диаметр ампулы, для обеспечения ее беспрепятственного ввода в шпур, должен быть несколько меньшим диаметра последнего. Однако после распора в шпуре с целью закрепления в нем, диаметр ампулы увеличивается до диаметра шпура, так что принятое выше условие выполняется. Одновременно с расширением ампулы происходит уменьшение ее начальной длины. Под длиной L ампулы здесь и далее понимается именно эта ее величина, которую она приобретает в шпуре после распора в нем.

Целесообразно при разрушении дна ампулы с продвижением грузонесущего стержня до упора подпорный элемент устанавливать в шпуре на расстоянии l от ампулы, которое определяют по формуле Это позволит и в данном случае полностью использовать помещенный в ампулу сыпучий материал и заполнить им всю полость шпура между опорной головкой и подпорным элементом. Указанное соотношение получено аналогично предыдущему с учетом того обстоятельства, что теперь из-за дополнительного продвижения грузонесущего стержня на величину, равную длине L ампулы, на столько же уменьшается и величина l.

Целесообразно дно ампулы разрушать перфорацией ее оболочки. Это обеспечит формирование в последней отверстия (или отверстий) заданного размера и беспрепятственное истечение через него (них) сыпучего материала из ампулы.

Целесообразно сыпучий материал по мере его поступления в полость шпура между опорной головкой и подпорным элементом уплотнять трамбованием нижней поверхностью опорной головки. Это позволит уменьшить осадку сыпучего материала в шпуре в процессе натяжения грузонесущего стержня и, следовательно, снизить продолжительность этого процесса.

В анкерной крепи, содержащей грузонесущий стержень с опорной головкой на глубинном конце и подпорным элементом, размещенную над опорной головкой емкость с сыпучим материалом и узел нагружения, согласно предлагаемому техническому решению, опорная головка выполнена по крайней мере с одним перепускным каналом, а емкость - в виде ампулы с эластичной оболочкой.

Такое выполнение устройства позволяет перепустить под действием собственного веса сыпучий материал из установленной над опорной головкой ампулы после разрушения ее дна через перепускные каналы в опорной головке в полость шпура под ней. Перепускной канал представляет собой сквозное отверстие в опорной головке. Для беспрепятственного (т.е. без сводообразований) прохождения сыпучего материала через этот канал необходимо, чтобы его диаметр (минимальный размер) превышал диаметр предельного сводообразующего отверстия, т.е. был более 5-7 средних диаметров частиц сыпучего материала. Интенсивность перепуска сыпучего материала через перепускные каналы может регулироваться их числом и размерами сечений.

Целесообразно поверх перепускного канала установить перфорирующий элемент в виде патрубка. Такое выполнение устройства обеспечит надежную подачу сыпучего материала из ампулы в перепускной канал через полость перфорирующего элемента. Для беспрепятственного прохождения сыпучего материала через патрубок его диаметр (минимальный размер) должен превышать 5-7 диаметров частиц сыпучего материала.

Целесообразно при этом патрубок выполнить тонкостенным со скошенным верхом и высотой не менее его диаметра (под высотой патрубка понимается расстояние от нижней кромки его скоса, до опорной головки). Такое выполнение патрубка облегчает его внедрение в ампулу и предотвращает возможность перекрытия его входа перфорируемым участком ее оболочки.

Целесообразно также ампулу выполнить длиной, равной 5-6 диаметрам шпура. Это позволяет обеспечить надежное закрепление анкера в шпуре при минимальных расходе сыпучего материала и трудозатратах. Это следует из результатов исследований зависимости несущей способности анкера от высоты столба сыпучего материала (замка), заключенного между опорной головкой и подпорным элементом. Как показали эксперименты, проведенные с использованием в качестве сыпучего материала песка, а также мраморной и железорудной крошки, эта зависимость характеризуется асимптотическим ростом несущей способности с увеличением высоты замка до значений, равных 5-6 диаметрам шпура. Дальнейшее увеличение этой высоты не приводит к заметному увеличению несущей способности анкера. Поэтому целесообразно формировать замок высотой около 5-6 диаметров шпура. Формирование замка такой оптимальной высоты и обеспечивает, с небольшим запасом, ампула той же длины. Действительно, поскольку высота H формируемого данным способом замка H = LD²(D² - d²) и, как правило, d/D ≅ 0,5, то соответственно H/L ≅ 1,3. С учетом того, что слой сыпучего материала высотой, примерно равной высоте перфорирующего элемента, удерживается на опорной головке, фактическая разница между высотой замка и длиной ампулы еще менее значительна. Применение ампул длиной, большей 5-6 диаметров шпура, нецелесообразно, поскольку это ведет к неоправданному увеличению расхода сыпучего материала и повышению трудоемкости проводимых с ней операций, но не приводит к заметному увеличению несущей способности крепи.

Сущность технического решения иллюстрируется примерами конкретного исполнения и чертежами, где на: - фиг. 1 изображена принципиальная схема возведения анкерной крепи с остановкой грузонесущего стержня; - фиг. 2 - то же, с продвижением грузонесущего стержня до упора;
- фиг. 3 показан анкер до его закрепления в шпуре с остановкой грузонесущего стержня;
- фиг. 4 - то же, после закрепления;
- фиг. 5 показан анкер до его закрепления в шпуре с продвижением грузонесущего стержня до упора;
- фиг. 6 - то же, после закрепления.

Реализация способа осуществляется следующим образом.

У дна пробуренного в кровле выработки шпура 1 (фиг. 1) помещают заполненную сыпучим материалом 2 ампулу 3 с оболочкой 4 из эластичного материала. Затем вводят в шпур 1 грузонесущий стержень 5 с опорной головкой 6 и подпорным элементом 7 и закрепляют последний на поверхности шпура 1 на расстоянии l от ампулы 3, которое определяют по формуле

где D - диаметр шпура, см;
d - диаметр грузонесущего стержня, см;
L - длина ампулы, см;
h - высота опорной головки, см.

После этого продвигают грузонесущий стержень 5 к ампуле 3, разрушают ее дно перфорацией оболочки 4 и сообщают ампулу 3 с полостью шпура 1 между опорной головкой 6 и подпорным элементом 7. Сыпучий материал 2 под собственным весом истекает из ампулы 3, поступает в указанную полость шпура 1 и заполняет ее. Затем производят натяжение грузонесущего стержня 5 любым известным способом.

Возможна реализация способа (фиг. 2), когда подпорный элемент 7 закрепляют на расстоянии l от ампулы 3, которое определяют по формуле

а грузонесущий стержень 5 после разрушения дна ампулы 3 продвигают до упора. Такое продвижение грузонесущего стержня 5 сопровождают истечение сыпучего материала 2 из ампулы 3 и ее смещение под воздействием опорной головки 6 со смятием оболочки 4 - с одной стороны, и приращение полости шпура 1 между смещающейся опорной головкой 6 и подпорным элементом 7 и ее заполнение поступающим из ампулы 3 сыпучим материалом 2 - с другой стороны. Достижение упора сопровождается опорожнением ампулы 3 с полным смятием ее оболочки 4 и заполнением сыпучим материалом 2 всей сформированной продвижением грузонесущего стержня 5 полости шпура 1 между опорной головкой 6 и подпорным элементом 7.

В обоих случаях обеспечивают формирование непосредственно контактирующего с поверхностью шпура 1 столба сыпучего материала 2 (замка) высотой LD²/(D² - d²) и, следовательно, одну и ту же несущую способность крепи. Однако во втором случае, который требует незначительных дополнительных трудозатрат на продвижение грузонесущего стержня 5, отпадает необходимость в перебуре шпура 1 на глубину, равную дайне ампулы 3. Кроме того, в этом случае имеется возможность производить уплотнение сыпучего материала по мере его поступления в полость шпура 1 над подпорным элементом 7 трамбованием нижней поверхностью опорной головки 6, для чего достаточно осуществлять малой амплитуды возвратно-поступательные перемещения грузонесущего стержня 5 в процессе его продвижения. Это позволяет уменьшить осадку сыпучего материала 2 при натяжении грузонесущего стержня 5 и снизить трудозатраты на проведение этой операции.

Анкерная крепь (фиг. 3-6) содержит грузонесущий стержень 5 с опорной головкой 6 на его глубинном конце и резьбой на наружном, надетый на стержень 5 подпорный элемент 7, выполненный из упругого материала, например, резины, опорную плиту 8 и натяжную гайку 9. В опорной головке 6 выполнен по крайней мере один перепускной канал 10, поверх которого установлен перфорирующий элемент 11 в виде тонкостенного патрубка со скошенным верхом и высотой не менее его диаметра. Перепускной канал 10 может быть образован зазором между опорной головкой 6 и стенкой шпура 1. Предназначенный для заполнения полости шпура 1 между опорной головкой 6 и подпорным элементом 7 сыпучий материал 2 (фиг. 3, 5), например, сухой песок, помещен в установленную над опорной головкой 6 емкость в виде ампулы 3 длиной 5-6 диаметров шпура 1 и с оболочкой 4 из эластичного материала, например, полимерной пленки.

Работа анкерной крепи осуществляется следующим образом.

В пробуренный в кровле выработки шпур 1 (фиг. 3) вводят наполненную сыпучим материалом 2 ампулу 3 и посредством установочной штанги 12 досылают ее до дна шпура 1 и распирают. После этого с помощью той же штанги 12 вводят в шпур 1 грузонесущий стержень 5 с опорной головкой 6 и установленным под ней на стержне 5 подпорным элементом 7 и фрикционно закрепляют последний на поверхности шпура 1 на расстоянии l от ампулы 3, которое определяют из выражения

где L = 5-6D. Затем удаляют штангу 12 и продвижением грузонесущего стержня 5 перфорирующими элементами 11 разрушают дно оболочки 4 и внедряют их в ампулу 3 (фиг. 4). Тонкостенность перфорирующего элемента 11 и скошенность его верха сводят к минимуму усилия на проведение двух последних операций. Формирующийся при разрушении оболочки 4 эластичный язычок 13, диаметром, не превышающим диаметр, а следовательно, и высоту перфорирующего элемента 11, отгибается им в сторону, располагается не выше его кромки и не способен поэтому перекрыть его вход. Ампула 3 через полости перфорирующих элементов 11 и перепускные каналы 10 сообщается с полостью шпура 1 между опорной головкой 6 и подпорным элементом 7. Под действием собственного веса сыпучий материал 2 истекает из ампулы 3 и через полость перфорирующих элементов 11 и перепускные каналы 10 поступает в указанную полость шпура 1 и заполняет ее. Затем устанавливают опорную плиту 8 и вращением натяжной гайки 9 производят натяжение грузонесущего стержня 5.

Возможно исполнение анкерной крепи, при котором подпорный элемент 7 устанавливают в шпуре 1 на расстоянии l от ампулы 3 (фиг. 5), которое определяют из выражения

где L = 5-6D, а грузонесущий стержень 5 после перфорирования оболочки 4 (фиг. 6) продвигают до упора. Продвижение грузонесущего стержня 5 приводит к смещению под воздействием опорной головки 6 ампулы 3, уровень сыпучего материала 2 в которой понижается из-за непрерывающегося истечения, а освобождающаяся от сыпучего материала 2 эластичная оболочка 4 сминается о дно шпура 1. Прирастающее при этом пространство под опорной головкой 6 заполняет сыпучий материал 2, поступающий из ампулы 3. Продвижение грузонесущего стержня 5 до упора сопровождается опорожнением ампулы 3, полным смятием ее оболочки 4 и заполнением сыпучим материалом 2 всей полости между опорной головкой 6 в ее крайнем верхнем положении и подпорной шайбой 7.

Преимущество данного исполнения состоит в том, что оно позволяет использовать всю глубину шпура 1. Кроме того, при этом возможно трамбование опорной головкой 6 поступающего в полость шпура 1 над подпорным элементом 7 сыпучего материала 2 с целью уменьшения его осадки при натяжении грузонесущего стержня 5 и облегчения этой заключительной операции.

Ампула 3 длиной 5-6 диаметров шпура 1 обеспечивает надежное закрепление анкера при минимальных расходе сыпучего материала 2 и трудоемкости проводимых с ней операций.

Формула изобретения

1. Способ возведения анкерной крепи, включающий бурение шпура, введение в него грузонесущего стержня с опорной головкой на глубинном конце и подпорным элементом, заполнение полости шпура между опорной головкой и подпорным элементом сыпучим материалом и натяжение грузонесущего стержня, отличающийся тем, что заполнение указанной полости шпура сыпучим материалом осуществляют его подачей под действием собственного веса из помещенной в шпуре над опорной головкой ампулы с эластичной оболочкой после разрушения ее дна продвижением грузонесущего стержня и сообщения ампулы с указанной полостью шпура.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сыпучий материал подают после разрушения дна ампулы с остановкой грузонесущего стержня.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сыпучий материал подают после разрушения дна ампулы с продвижением грузонесущего стержня до упора.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что подпорный элемент устанавливают в шпуре на расстоянии l от ампулы, которое определяют по формуле

где D - диаметр шпура, см;
d - диаметр грузонесущего стержня, см;
L - длина ампулы, см;
h - высота опорной головки, см.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что подпорный элемент устанавливают в шпуре на расстоянии l от ампулы, которое определяют по формуле

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что дно ампулы разрушают перфорацией ее оболочки.

7. Способ по любому из пп.3, 5 и 6, отличающийся тем, что сыпучий материал по мере его поступления в полость шпура между опорной головкой и подпорным элементом уплотняют трамбованием нижней поверхностью опорной головки.

8. Анкерная крепь, содержащая грузонесущей стержень с опорной головкой на глубинном конце и подпорным элементом, размещенную над опорной головкой емкость с сыпучим материалом и узел нагружения, отличающаяся тем, что опорная головка выполнена по крайней мере с одним перепускным каналом, а емкость - в виде ампулы с эластичной оболочкой.

9. Крепь по п.8, отличающаяся тем, что поверх перепускного канала установлен перфорирующий элемент в виде патрубка.

10. Крепь по п.9, отличающаяся тем, что патрубок выполнен тонкостенным со скошенным верхом и имеет высоту не менее его диаметра.

11. Крепь по любому из пп.8 - 10, отличающаяся тем, что ампула имеет длину, равную 5 - 6 диаметрам шпура.

РИСУНКИ

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