Тюбинговая крепь

 

Изобретение относится к креплению горных выработок и может быть использовано в устройствах, применяемых для этих целей, в частности в тюбинговой крепи. Задачей изобретения является повышение надежности работы, сокращение сроков монтажных работ, удобство обслуживания. Тюбинговая крепь для крепления выработки содержит кольцевые секции из тюбингов выпуклой радиусной кривизны с наружной стенкой, несущими радиально-кольцевыми и аксиально-радиальными ребрами по их контурам, с отверстиями, открытыми нишами, обращенными в полость крепи, осевые опорные силовые элементы и соединительные стержневые резьбовые элементы. Аксиально-радиальные ребра тюбингов снабжены накладками с односторонними наклонными опорными поверхностями, установленными на них со стороны ниш. Осевые опорные силовые элементы выполнены в виде клиньев с двухсторонними наклонными опорными поверхностями, установленных между тюбингов, с плотным прилеганием их поверхностей к боковым поверхностям аксиально-радиальных ребер тюбингов, с возможностью создания ими эффекта совместного заклинивания аксиально-радиальных ребер и тюбингов и скрепления через отверстия в них стержневыми резьбовыми элементами. Тюбинги секций, осевые опорные силовые элементы и накладки аксиально-радиальных ребер выполнены из слоистого пластика на основе армирующей ткани или однонаправленного материала из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них, и полимерного эпоксисодержащего, полиэфирного или винилэфирного связующего при объемном содержании армирующей ткани и полимерного связующего от 1:0,2 до 1:0,5. 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к креплению горных выработок и может быть использовано в устройствах, применяемых для этих целей, в частности в тюбинговой крепи.

К тюбинговой крепи предъявляются повышенные требования по обеспечению ею высокой прочности, жесткости и надежности закрепления выработки, герметичности, безопасности использования, минимизации затрат на ее производство и установку закладкой по месту монтажа. Аналогичные требования предъявляются и к соединительным элементам.

Известна композиционная тюбинговая крепь для крепления выработки, содержащая кольцевые секции из тюбингов выпуклой радиусной кривизны с наружной стенкой и несущими радиально-кольцевыми и аксиально-радиальными ребрами по их контурам с отверстиями, открытыми нишами, обращенными в полость крепи, осевые опорные силовые элементы и соединительные стержневые резьбовые элементы (авторское свидетельство СССР №1460297, МПК⁴ Е 21 D 11/08, опубл. 23.02.89), выбранная в качестве ближайшего аналога, принятого за прототип.

Известна аналогичная тюбинговая крепь и способ ее сборки (патент РФ №2001279, МПК⁵ E 21 D 11/04, опубл. 1994 г.).

Известна тюбинговая крепь с грузонесущими ребрами (патент РФ №2105152, МПК⁶ E 21 D 5/04, опубл. 20.02.98 г.).

Известен комбинированный тюбинг и способ его изготовления (патент РФ №2107166, МПК⁶ E 21 D 11/04, опубл. 20.03.98 г.).

Известна тюбинговая крепь с различной модификацией профиля ребер жесткости (патенты США №5295764, НКИ 405-151, опубл. 1991 г., №4585371, №3859802, НКИ 405-152, опубл. 1973 г.).

Известна тюбинговая крепь (заявка ЕПВ №0089772 А1, МПК³ E 21 D 11/00, 1983 г., №0335500 А1, МПК⁴ E 21 D 11/08, 1989 г., №0234762 А1, МПК⁴ E 21 D 11/08, 1987).

Известна конструкция тюбинговой крепи для тоннельной обделки с использованием ребристой обшивки из волокнита (патент Японии №3028890 В2, МПК⁷ E 21 D 11/08 ИСМ, выпуск 63, №7, стр. 10).

В тюбинговой крепи (патент РФ №2173388, МПК⁷ E 21 D 11/08, 2001 г.), состоящей из набора колец, образованных из тюбинговых блоков, предусмотрены профильные каналы для заполнения их твердеющей массой, а элемент шахтной крепи (патент РФ №2168637, МПК⁷ E 21 D 11/04, 2001 г.) может быть выполнен с использованием стеклоткани.

В распорном стыке тюбинговой крепи (патент РФ №1259023, МПК⁴ E 21 D 11/08, 1986 г.) использован фиксирующий элемент, выполненный из материала, обладающего свойством памяти формы при повышении температуры.

Как следует из уровня техники, кольцевая тюбинговая крепь имеет различные конструктивные модификации, приспособленные под различные породы, с использованием стыковых соединений, обеспечивающих их монтаж. К общим недостаткам известной крепи следует отнести использование в ней металла, что утяжеляет составные части крепи, увеличивает трудоемкость их монтажа. Кроме того, металлическая крепь подвержена воздействию коррозии и, следовательно, ее ослаблению и снижению надежности. Для преодоления этих недостатков требуется нанесение дорогостоящих антикоррозионных покрытий на металлической основе. Основной задачей изобретения является создание тюбинговой крепи с использованием композиционного материала на основе армирующих нитей и полимерного связующего минимальной массы. Техническим результатом от использования изобретения является получение тюбинговой крепи, эффективной в применении, сокращение сроков монтажных работ, удобство обслуживания.

Основная задача решена, и технический результат достигнут за счет создания тюбинговой крепи с принципиально новыми композитными структурами армирующего материала, создания заклинивания тюбингов с зажатием ребер, использования новой концепции. Для этого в тюбинговой крепи для крепления выработки, содержащей кольцевые секции тюбингов выпуклой радиусной кривизны с наружной стенкой и несущими радиально-кольцевыми и аксиально-радиальными ребрами по их контурам с отверстиями, открытыми нишами, обращенными в полость крепи, осевые опорные силовые элементы и соединительные стержневые резьбовые элементы, аксиально-радиальные ребра тюбингов снабжены накладками с односторонними наклонными опорными поверхностями, установленными на них со стороны ниш, а осевые опорные силовые элементы выполнены в виде клиньев с двухсторонними наклонными опорными поверхностями, установленных между тюбингов с плотным прилеганием их поверхностей к боковым поверхностям аксиально-радиальных ребер тюбингов, с возможностью создания ими эффекта совместного заклинивания аксиально-радиальных ребер и тюбингов и скрепления через отверстия в них стержневыми резьбовыми элементами, причем тюбинги секций, осевые опорные силовые элементы и накладки аксиально-радиальных ребер выполнены из слоистого пластика на основе армирующей ткани из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них, и полимерного эпоксисодержащего, полиэфирного или винилэфирного связующего при объемном соотношении армирующей ткани и полимерного связующего от 1:0,2 до 1:0,5. В каждом тюбинге крепи, симметрично между аксиально-радиальными ребрами, в распор между радиально-кольцевыми ребрами, может быть размещен по меньшей мере один промежуточный опорный силовой элемент из прессованного слоистого пластика на основе ткани из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них, и полимерного эпоксисодержащего, полиэфирного или винилэфирного связующего, облицованный совместно с наружной стенкой и радиально-кольцевыми ребрами слоями ткани из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них. Слои пластика в осевых опорных силовых элементах могут быть расположены радиально или с наклоном к радиальному направлению. Слои материала тюбингов в угловых зонах непрерывного перехода радиально-кольцевых ребер в аксиально-радиальные ребра могут быть армированы размещенными между ними или на них местным и упрочняющими угловыми элементами из слоев ткани стекло-, базальто- или углеволокон. Осевые опорные силовые элементы могут быть выполнены с продольными каналами. Тюбинги по внутренней поверхности наружной стенки и ребра по боковым поверхностям, опорным силовым элементам могут быть облицованы слоем лент из токопроводящих нитей, например, углеродных или термопластичных нитей, наполненных сажей, или покрыты лакокрасочным покрытием с токопроводящими свойствами. Наружная поверхность наружной стенки каждого тюбинга может быть облицована слоем упруго-эластичного материала типа резины или термопластичного материала, например полиуретана.

Отличительными особенностями тюбинговой крепи являются следующие признаки:

- снабжение аксиально-радиальных ребер тюбингов накладками с односторонними наклонными опорными поверхностями, установленными на них со стороны ниш;

- выполнение осевых опорных силовых элементов в виде клиньев с двухсторонними наклонными опорными поверхностями, установленных между тюбингов;

- плотное прилегание боковых поверхностей осевых опорных силовых элементов к боковым поверхностям аксиально-радиальных ребер;

- создание эффекта совместного заклинивания аксиально-радиальных ребер и тюбингов осевыми опорными силовыми элементами, накладками, скрепленными через отверстия в них стержневыми резьбовыми элементами;

- выполнение тюбингов секций, осевых опорных силовых элементов и накладок из слоистого пластика на основе армирующей ткани из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них, и полимерного эпоксисодержащего, полиэфирного или винилэфирного связующего;

- объемное соотношение армирующей ткани и полимерного связующего 1:0,2-1:0,5.

Дополнительными отличительными особенностями тюбингов являются следующие признаки:

- размещение по меньшей мере одного промежуточного опорного силового элемента между аксиально-радиальными ребрами в распор между радиально-кольцевыми ребрами;

- выполнение дополнительного опорного силового элемента из прессованного слоистого пластика на основе ткани из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них, и полимерного эпоксисодержащего, полиэфирного или винилэфирного связующего;

- облицовка дополнительного опорного силового элемента совместно с наружной стенкой и радиально-кольцевыми ребрами слоями ткани из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них;

- расположение слоев пластика осевых опорных силовых элементов радиально или с наклоном к радиальному направлению;

- армирование слоев материала тюбингов в угловых зонах непрерывного перехода радиально-кольцевых ребер в аксиально-радиальные ребра с размещением между ними или на них местными упрочняющими угловыми элементами из слоев ткани стекло-, базальто- или углеволокон;

- выполнение осевых опорных силовых элементов с продольными каналами;

- наличие облицовки по внутренней поверхности наружной стенки и ребрам, силовым элементам из слоев лент из токопроводящих нитей, например углеродных или термопластичных, наполненных сажей;

- наличие лакокрасочного покрытия с токопроводящими свойствами на внутренней поверхности тюбингов;

- наличие облицовки на наружной поверхности тюбингов в виде слоя упруго-эластичного материала типа резины или термопластичного материала типа полиуретана.

Указанные отличительные особенности тюбингов являются существенными признаками, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата: введение в тюбинговую крепь накладок с односторонними скосами и выполнение осевых опорных силовых элементов в виде клиньев с двухсторонними наклонными поверхностями, установленных между тюбингами, позволяет создать эффект совместного заклинивания аксиально-радиальных ребер и тюбингов, изготовление тюбингов и указанных элементов из слоистого пластика позволяет распределить армирующие материалы по направлениям преобладающих напряжений, что обеспечивает существенное снижение массы по сравнению с металлической крепью. Использование укрепляющих элементов в виде уголков из ткани в угловых зонах перехода ребер из кольцевого направления в аксиальное позволяет создать равнопрочную конструкцию тюбингов. Введение токопроводящих слоев или покрытий в тюбингах позволяет предотвращать накопление зарядов статического электричества. Облицовка тюбингов упруго-эластичным материалом типа резины или полиуретана обеспечивает защиту крепи от накопления влаги, проникновения через стенку внутрь горной выработки грунтовых вод. Наличие дополнительных осевых силовых опорных элементов повышает несущую способность крепи в процессе проходки выработки и монтажа обделки.

Указанные отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение соответствием критерию “новизна”.

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достигнуть нового технического результата, связанного с созданием тюбинговой крепи нового поколения на основе новой концепции, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Предложенное техническое решение является результатом опытно-экспериментальной работы и исследований, связанных с получением оригинальных конструкций, без использования каких-либо стандартных проектировочных решений или рекомендаций в данной области техники, характеризуется творческим вкладом, новизной, неочевидностью, соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Сущность изобретения поясняется чертежами с кратким их описанием.

На фиг.1 представлен общий вид тюбинговой крепи, на фиг.2 - показ тюбинга с наружной стенкой и ребрами, на фиг.3 - показ осевого опорного силового элемента, на фиг.4 - показ соединительных стержневых резьбовых элементов, на фиг.5 - радиальное расположение слоев пластика в осевых опорных силовых элементах, на фиг.6 - наклонное расположение к радиальному направлению слоев в осевых опорных силовых элементах, на фиг.7 - промежуточный опорный элемент и армирование пластика в угловых зонах с размещением упрочняющих угловых элементов между слоями, на фиг.8 - армирование пластика в угловых зонах с размещением упрочняющих угловых элементов на слоях пластика, на фиг.9 - осевой опорный силовой элемент с продольным каналом, на фиг.10 - осевой опорный силовой элемент, размещенный между радиально-кольцевыми ребрами, с продольным каналом, на фиг.11 - схема облицовки тюбинга по внутренней поверхности токопроводящим слоем ткани или покрытия слоем токопроводящей краски, на фиг.12 - схема размещения облицовочного слоя из упруго-эластичного материала на наружной поверхности тюбинга.

Более подробное описание сущности изобретения.

Тюбинговая крепь для крепления выработки (фиг.1) содержит кольцевые секции 1 из тюбингов 2 выпуклой радиусной кривизны с наружной стенкой 3 и несущими радиально-кольцевыми и аксиально-радиальными ребрами 4, 5 по их контурам, с отверстиями 6, 7, открытыми нишами 8, обращенными в полость 9 крепи (фиг.2), осевые опорные силовые элементы 10 (фиг.3) и соединительные стержневые резьбовые элементы 11 (фиг.4). Аксиально-радиальные ребра 4, 5 тюбингов 2 снабжены накладками 12 с односторонними наклонными опорными поверхностями 13, установленными на них со стороны ниш 8, а осевые опорные силовые элементы 10 выполнены в виде клиньев с двухсторонними наклонными опорными поверхностями 14, 15, установленных между тюбингов 2, с плотным прилеганием их поверхностей 14, 15 к боковым поверхностям 16, 17 аксиально-радиальных ребер 5 тюбингов, с возможностью создания ими эффекта совместного заклинивания аксиально-радиальных ребер 5 и тюбингов 2 и скрепления через отверстия 18, 7 и 19 в них стержневыми резьбовыми элементами 11, причем тюбинги 2 секций 1 с ребрами 4, 5 и накладки 12 аксиально-радиальных ребер 5 выполнены из слоистого пластика на основе армирующей ткани 20 из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них, и полимерного эпоксисодержащего, полиэфирного или винилэфирного связующего при объемном соотношении армирующей ткани и полимерного связующего от 1:0,2 до 1:0,5. В каждом тюбинге 2 крепи симметрично между аксиально-радиальными ребрами 5 может быть размещен, по меньшей мере, один промежуточный опорный силовой элемент 21 из прессованного слоистого пластика на основе ткани 20 из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них, и полимерного эпоксисодержащего, полиэфирного или винилэфирного связующего, облицованный совместно с наружной стенкой 3 и радиально-кольцевыми ребрами 4 слоями 22 ткани 20 из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них (фиг.7). Слои 23 пластика в осевых опорных силовых элементах 10 расположены радиально (фиг.5) или с наклоном к радиальному направлению (фиг.6). Слои 20 материала тюбингов 2 в угловых зонах 24 непрерывного перехода радиально-кольцевых ребер 4 в аксиально-радиальные ребра 5 армированы размещенными между ними (фиг.7) или на них (фиг.8) угловыми упрочняющими элементами 25 из слоев ткани стекло-, базальто- или углеволокон. Осевые опорные силовые элементы 10 и 21 могут быть выполнены с продольными каналами 26 (фиг.9) и 27 (фиг.10). Тюбинги 2 по внутренней поверхности 28, наружной стенке 3, ребра 4, 5 по боковым поверхностям и силовые элементы 10, 21 могут быть облицованы слоем 29 лент из токопроводящих нитей, например углеродных или термопластичных, наполненных сажей, или лакокрасочного покрытия (фиг.11). Наружная поверхность 30 наружной стенки 3 каждого тюбинга 2 может быть облицована слоем 31 упруго-эластичного материала типа резины или термопластичного материала, например полиуретана (фиг.12).

Объемные соотношения армирующих слоев ткани и полимерного связующего выбраны из условия технологичности переработки материалов и получения наилучших прочностных показателей. При соотношении армировки и связующего более 1:0,2 количество связующего недостаточно для получения минимально допустимых прочностных свойств материала, наблюдается обеднение слоев связующим, при соотношении армировки и связующего менее 1:0,5 увеличенное количество связующего приводит к большим технологическим потерям, увеличивается толщина стенок тюбинга и его масса, что не допускается.

Изготовление тюбинговой крепи может быть произведено способами прессования, формования из слоев армирующей ткани, пропитанной полимерным связующим. В качестве армирующих материалов могут быть использованы ткани из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них. Отверждение связующего может быть произведено способами холодного или горячего отверждения или их комбинацией.

Тюбинговая крепь благодаря такому новому конструктивному решению на основе использования уникальных свойств армирующих тканей и полимерного связующего обеспечивает надежное функционирование в обделке тоннелей.

Техническое решение в совокупности предложенных новых и известных существенных признаков при реализации в тюбинговой крепи хорошо воспроизводится промышленным способом. Испытания тюбингов на прочность показали положительные результаты.

Таким образом, новое техническое решение при реализации в изделии соответствует и критерию “промышленная применимость”, т.е. условию изобретения.

Объем изобретения следует понимать шире, чем приведенное в описании, формуле и чертежах конкретное выполнение. Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения представляет собой только возможные предпочтительные варианты его осуществления, могут быть различные комбинации в отношении размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема технического решения, изложенного в пунктах формулы.

Формула изобретения

1. Тюбинговая крепь для крепления выработки, содержащая кольцевые секции из тюбингов выпуклой радиусной кривизны с наружной стенкой и несущими радиально-кольцевыми и аксиально-радиальными ребрами по их контурам, с отверстиями, открытыми нишами, обращенными в полость крепи, осевые опорные силовые элементы и соединительные стержневые резьбовые элементы, отличающаяся тем, что аксиально-радиальные ребра тюбингов снабжены накладками с односторонними наклонными опорными поверхностями, установленными на них со стороны ниш, а осевые опорные силовые элементы выполнены в виде клиньев с двухсторонними наклонными опорными поверхностями, установленных между тюбингов, с плотным прилеганием их поверхностей к боковым поверхностям аксиально-радиальных ребер тюбингов, с возможностью создания ими эффекта совместного заклинивания аксиально-радиальных ребер и тюбингов и скрепления через отверстия в них стержневыми резьбовыми элементами, причем тюбинги секций, осевые опорные силовые элементы и накладки аксиально-радиальных ребер выполнены из слоистого пластика на основе армирующей ткани, или однонаправленного материала из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них и полимерного эпоксисодержащего, полиэфирного или винилэфирного связующего при объемном содержании армирующей ткани и полимерного связующего от 1:0,2 до 1:0,5.

2. Крепь по п.1, отличающаяся тем, что в каждом тюбинге крепи, симметрично между аксиально-радиальными ребрами, в распор между радиально-кольцевыми ребрами, размещен, по меньшей мере, один промежуточный опорный силовой элемент из прессованного слоистого пластика на основе ткани, или однонаправленного материала из стекло-, базальто- или углеволокон, или комбинации из них и полимерного эпоксисодержащего, полиэфирного или винилэфирного связующего, облицованный совместно с наружной стенкой и радиально-кольцевыми ребрами слоями ткани из стекло-, базальто- или углеволокон или комбинации из них.

3. Крепь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что слои пластика в осевых опорных силовых элементах расположены радиально или с наклоном к радиальному направлению.

4. Крепь по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что слои материала тюбингов в угловых зонах непрерывного перехода радиально-кольцевых ребер в аксиально-радиальные ребра армированы размещенными между ними или на них местными упрочняющими угловыми элементами из слоев ткани стекло-, базальто- или углеволокон.

5. Крепь по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что осевые опорные силовые элементы могут быть выполнены с продольными каналами.

6. Крепь по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что тюбинги по внутренней поверхности наружной стенки и ребра по боковым поверхностям, силовые элементы, облицованы слоем лент из токопроводящих нитей, например, углеродных, или термопластичных нитей, наполненных сажей.

7. Крепь по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что тюбинги по внутренней поверхности наружной стенки, ребрам и осевым силовым элементам покрыты лакокрасочным покрытием с токопроводящими свойствами.

8. Крепь по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что наружная поверхность наружной стенки каждого тюбинга облицована слоем упругоэластичного материала типа резины или термопластичного материала, например, полиуретана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12