Деформируемая штанговая крепь
Изобретение относится к горной промышленности, в частности к анкерному креплению горных выработок. Техническим результатом является возможность удлинения штанги и способность выдерживать при этом высокую нагрузку. Штанговая крепь для цементирования в шпуре в горной породе содержит удлиненный цилиндрический сплошной ствол с участком с резьбой, расположенным над шпуром на участке ствола на поверхности и снабженным по меньшей мере одной гайкой и по меньшей мере одной шайбой, тяговой шайбой или торцевой пластиной для предварительного натяжения штанговой крепи в шпуре. При этом ствол содержит по меньшей мере три протяженных участка, за каждым из которых следует интегрированный анкер с малой протяженностью по сравнению с протяженностью участка ствола. Причем анкеры распределены с шагом по длине ствола и закреплены на месте относительно соответствующих им участков стенок шпура для восприятия нагрузки, возникающей вследствие деформации горной породы. Участки ствола выполнены с возможностью проскальзывания относительно цемента или шпура для сдерживания локальной деформации горной породы посредством удлинения указанных участков ствола между парами закрепленных на месте предыдущего анкера и последующего анкера. 19 з.п. ф-лы, 15 ил.
Настоящее изобретение относится анкерному креплению для армирования объектов горных пород для замедления деформации или внезапного выброса. Анкерное крепление является наиболее часто используемой мерой для армирования скальной породы в подземных выработках. Миллионы штанговых крепей используются в мире каждый год. Основным требованием к штанговой крепи является способность не только нести значительную нагрузку, но также выдерживать некоторое удлинение до разрушения штанги. В высоконапряженных породных массах, порода реагирует на выработку, как в форме значительных деформаций в слабых горных породах, так и в форме выбросов горной породы в твердых горных породах. В данных ситуациях требуются допускающие деформацию или поглощающие энергию штанги для получения должного эффекта армирования горной породы. В особенности в горнодобывающей промышленности данная потребность в допускающих деформацию штангах является более высокой, чем в других отраслях, связанных с горными работами, поскольку горнодобывающие работы уходят на все большую глубину и проблемы деформаций горной породы и выбросов горной породы становятся все более серьезными.
Предпосылки создания изобретения
Публикация WO 99/61749 "Штанговая крепь и способ выполнения штанговой крепи" описывает вдавливания, образующие лопастные секции в пластически деформируемом участке стального стержня, деформирование посредством приложения к стержню внецентренной сдвигающей силы, в результате чего образуются лопасти, такие как показанные на фиг.8 настоящей заявки. Цели создания штанговой крепи, предложенной в данной публикации, состоят в том, чтобы лопасть улучшала перемешивание и сдвиг образования лопасти не деформировал штангу пластически как в осевом, так и в боковом направлении. В данной публикации предложена расширяемая оболочка с включенными в нее радиально действующими клиньями для взаимодействия с лопастями для расширения оболочки для застопоривания штанги на стенке шпура под штанговую крепь. Данная публикация дополнительно предлагает множество лопастных секций, выполняемых вдоль длины штанги. Существенный недостаток данных лопастей состоит в том, что способ изготовления, включающий в себя деформирование участка штанги посредством приложения к стержню внецентренной сдвигающей силы, образует лопастную секцию, являющуюся самой слабой точкой, так что она не может обеспечить удовлетворительное заанкеривающее действие.
Патент США 2005/0158127 A1, «Штанга с пластически деформируемым слоем», описывает штанговую крепь с тягой, которая может пластически деформироваться при скольжении через анкеры, без пластической деформации материала тяги, и тем самым контролировать перемещение неустойчивой горной породы, в которой расположена штанга. Такая тяга может состоять из пучков проволоки или металлического стержня и имеет окружающую трубу, выполненную, как механизм для проскальзывания в цементировании. Анкеры в цементе состоят из двух симметричных частей анкера, скрепленных с тягой (см. фиг.9 настоящей заявки). Недостатком данного патента US2005/0158127 является то, что элемент, работающий на растяжение, только деформируется, а не упрочняется, в сравнении со своим прямым участком, следовательно, штанга подвержена обрыву на анкере, особенно, если элемент, работающий на растяжение, выполнен из сплошного стержня. Другим недостатком данного патента является число компонентов, требуемых для осуществления функции штанговой крепи.
Патент Германии 3504543 предлагает анкерный стержень для введения и цементирования или вклеивания в шпуры в подземных выработках. Анкер имеет анкерный стержень с секциями, имеющими профилированную поверхность для соединения с горной породой и участок с резьбой одного конца с гайкой, интегральной со стержнем, или приваренной к нему. Анкерный стержень имеет неподвижно закрепленную, интегральную или соединенную сваркой анкерную пластину, разделяющую внешний участок с резьбой и внутренний в шпуре, частично профилированный, участок анкерного стержня и может не использоваться для предварительного натяжения анкерного стержня в шпуре. Профилирование поверхности анкерного стержня выполнено посредством образования волны в продольном направлении первоначально гладкого стержня с круглым сечением. Стержень данного патента имеет три последовательные секции для установки в шпур: гладкий, без выступов, средний участок анкерного стержня с переходом к волнистому участку стержня с обоих концов гладкой средней секции, причем переход имеет увеличенную амплитуду волны в направлении от гладкой средней секции. Гладкий участок предназначен для восприятия продольных усилий, возникающих после прохождения деформации горной породы, но может не предотвращать первоначальную деформацию горной породы вследствие того, что штанговая крепь не может быть предварительно натянута в шпуре.
Проблемы, подлежащие решению
Согласно механизму заанкеривания все устройства анкерного крепления классифицируются по трем категориям: механические штанги, полностью зацементированные штанги и фрикционные штанги.
Обычные механические штанги являются заанкеренными в двух точках в открытых шпурах. Они не являются надежными в случае больших деформаций горной породы.
Полностью зацементированные штанги в основном относятся к арматурным штангам, зацементированным в шпурах цементом или эпоксидной смолой. Арматурная штанга выполнена из стального стержня с ребрами на его цилиндрической поверхности. Данный тип штанги является жестким и допускает только малые деформации перед разрушением. Часто отмечались разрушения арматурных штанг в высоконапряженных массивах горной породы (Li, 2006а).
Фрикционные штанги могут выдерживать большую деформацию, но их грузоподъемность может быть весьма низкой. Например, стандартная штанга Split Set может нести груз только около 50 кН (Stillborg, 1994).
Среди всех альтернатив, имеющихся на сегодня в наличии для продажи штанговых крепей, штангой, наилучшим образом подходящей для противостояния деформации и выбросам горной породы, может быть так называемая южноафриканская коническая штанга (Li и Marklund, 2004). Коническая штанга может значительно удлиняться и одновременно несет весьма значительную нагрузку. Вместе с тем она является штангой, заанкеренной в двух точках с обратным конусом на внутреннем конце, в остальном ровной штангой для установки в шпур, заполненный цементом. Анкер на поверхности может представлять собой пластину, удерживаемую гайкой на внешнем конце штанги с резьбой. Разрушение одного из анкеров, например на поверхности стены, приводит к полной потере выполнения функции армирования скальной породы.
В отношении армирования горной породы в высоконапряженных породных массах недостатки существующих штанг следующие:
арматурные штанги являются слишком жесткими и допускают весьма ограниченное удлинение (около 10 мм) перед разрушением;
фрикционные штанги имеют слишком низкую грузоподъемность;
конические штанги являются недостаточно надежными, поскольку имеют механизм анкерования в двух точках.
Режимы нагрузки штанг в различных массивах горной породы
В слабых горных породах большой объем горной породы вокруг подземного проема должен подвергаться разрушению в случае высоких напряжений на месте проведения работ. Величина деформации горной породы является наибольшей на поверхности стены выработки и уменьшается в направлении внутрь породной массы. Результатом деформации горной породы такого типа является наибольшая нагрузка на штанговую крепь в области вблизи поверхности стены (Sun, 1984; Li и Stillborg, 1999). Этим объясняется разрушение многих арматурных штанг на резьбе в сильно деформированных породных массах (Li, 2006а). Иногда даже большое разрушение от сдвига может развиваться в нескольких метрах вглубь от поверхности стены (Li, 2006b). В этом случае требуется, чтобы штанги имели также способность несения нагрузки и деформации в местах работы в глубине.
В трещиноватой породной массе штанга локально нагружена в местах, где штанга пересекает открытые трещины горной породы (Bjornfot и Stephansson, 1984). Может существовать несколько пиков нагрузки вдоль длины штанги, и наиболее нагруженная секция штанги может располагаться глубоко внутри горной породы. В породной массе такого типа от штанги требуются большая грузоподъемность, а также способность выдерживать большую деформацию по всей длине.
Идеальная штанга для сильно деформированной породной массы должна быть способна нести большую нагрузку и выдерживать большое удлинение. Дополнительно к этому механизм заанкеривания штанги должен быть надежным.
Сущность изобретения
Согласно изобретению создана штанговая крепь для цементирования в шпуре в горной породе, содержащая удлиненный цилиндрический сплошной ствол с участком с резьбой, расположенным над шпуром на участке ствола на поверхности и снабженным по меньшей мере одной гайкой и по меньшей мере одной шайбой, тяговой шайбой или торцевой пластиной для предварительного натяжения штанговой крепи в шпуре, при этом ствол содержит по меньшей мере три протяженных участка, за каждым из которых следует интегрированный анкер с малой протяженностью по сравнению с протяженностью указанного участка ствола, причем анкеры распределены с шагом по длине ствола и закреплены на месте относительно соответствующих им участков стенок шпура для восприятия нагрузки, возникающей вследствие деформации горной породы, указанные участки ствола выполнены с возможностью проскальзывания относительно цемента или шпура для сдерживания локальной деформации горной породы посредством удлинения упомянутых участков ствола между парами закрепленных на месте предыдущего анкера и последующего анкера.
Отношение длины указанных участков ствола к длине анкеров может составлять от 5:1 до 40:1 и может составлять 10:1.
Шаг распределения анкеров может составлять около 0,55 м, длина анкеров составляет около 0,05 м, и по длине ствола шаг распределения анкеров имеет одинаковую длину.
Ствол и интегрированные анкеры могут быть выполнены из стали.
Указанные участки ствола могут быть выполнены с более высокой деформационной способностью на единицу длины по сравнению с анкерами.
Анкеры могут быть закаленными.
Первый предел текучести анкеров может превышать второй предел текучести указанных участков ствола.
Указанные участки ствола могут иметь гладкую поверхность для проскальзывания относительно цемента или локального периметра стенки шпура.
Штанговая крепь может быть механически или электрически отполированной.
Указанные участки ствола могут быть снабжены скользящим слоем, который может представлять собой воск или краску.
Ствол может быть подвергнут поверхностной обработке для устранения сцепления с отвержденным цементом. Указанной обработкой может быть химическая обработка, такая как добавление слоя оксида металла на ствол.
Анкеры могут быть выполнены с конусным сужением для рассеивания энергии посредством смещения и деформирования примыкающего цемента под значительной нагрузкой.
Резьба может иметь рабочий диаметр, равный или больший рабочего диаметра ствола.
Участок с резьбой может быть закаленным.
Участок конца ствола со стороны забоя может быть снабжен концевым перемешивателем, который может быть образован анкером.
Настоящее изобретение имеет преимущества по сравнению с решением, раскрытым в публикации WO 99/61749, состоящие в том, что анкеры настоящего изобретения являются не слабейшими, но наиболее прочные элементами штанговой крепи, поэтому они не подвержены деформации или обрыву под нагрузкой и могут создавать удовлетворительное закрепляющее действие. Настоящее изобретение также создает преимущества по сравнению с патентом США 2005/0158127 А1 вследствие того факта, что натяжной элемент переработан для образования упрочненных анкеров в сравнении с гладкими участками ствола штанговой крепи, и, следовательно, штанга подвержена пластической деформации на участках ствола, а не на анкерах. Другим преимуществом по сравнению с патентом США 2005/0158127 является существенное сокращение числа компонентов (по меньшей мере, шесть компонентов), требуемых для создания и функционирования штанговой крепи, в простейшем варианте осуществления, с удлиненным стальным стволом с интегрированными анкерами, выполненными из единой заготовки.
Описание чертежей
Изобретение показано на прилагаемых чертежах, предназначенных для иллюстрирования изобретения, которые не следует воспринимать как ограничивающие изобретение, которое должно ограничиваться только прилагаемой формулой изобретения.
На фиг.1 показан вид сбоку штанговой крепи согласно изобретению, содержащей только ствол с равномерно распределенными интегрированными анкерными участками для крепления в цементе или смоле при отверждении в шпуре.
На фиг.2 показан вид сбоку штанговой крепи согласно изобретению, расположенной в секции шпура с интегрированными анкерными участками, закрепленными отвержденным цементом или альтернативно смолой, при этом для упрощения показан только цемент, примыкающий к анкерам, участок ствола показан перекрывающим трещину, раскрывшуюся между двумя блоками горной породы, и удлиненными, при этом примыкающие анкеры остаются неподвижно закрепленными относительно своих локальных периметров в шпуре.
На фиг.3 показан вид сбоку штанговой крепи согласно варианту осуществления изобретения, с участком резьбой с шайбой и/или торцевой пластиной и гайкой слева на чертеже и дополнительно с возможным концевым перемешивателем справа на чертеже.
На фиг.4 показан вид сбоку штанговой крепи согласно варианту осуществления изобретения, выполненной зацементированной между забоем шпура и шайбой на поверхности горной породы, при этом только участки цемента вокруг анкеров показаны для упрощения, нормально все кольцевое пространство вокруг штанги должно быть заполнено цементом.
На фиг.5а, b, с, d и е показаны различные варианты осуществления анкеров согласно изобретению. На фиг.5а показан вариант осуществления анкера, в котором короткий участок ствола сплющивается для создания расширенного, интегрированного анкера. Сплющивание может происходить при небольшой одновременной продольной высадке для обеспечения предела текучести упомянутых анкеров, более высокого, чем предел текучести примыкающих участков ствола. На фиг.5b показан другой вариант осуществления анкера, в котором короткие участки ствола укорочены продольной высадкой. На фиг.5с показан трехлопастный анкер, показывающий некоторое конусное сужение в зоне перехода к каждому из концов. На фиг.5а показана штанговая крепь согласно изобретению с анкерами, имеющими отверстие в форме проушины. На фиг.5е показан вариант осуществления анкера, выполненного высадкой, аналогично высадке, показанной на фиг.5b.
На фиг.6 показаны две альтернативных формы концевых перемешивателей существующего уровня техники, которые можно, при необходимости, выполнить на конце со стороны забоя штанговой крепи изобретения. На фиг.6а показано Y-образное расщепление концевого перемешивателя, и на фиг.6b показана пластина концевого перемешивателя, приваренная к концу стержня со стороны забоя.
На фиг.7 показано, что, хотя основная часть деформации должна поглощаться удлинением участка ствола между анкерами, часть деформации может также поглощаться относительно коротким скользящим перемещением анкера в отвержденном цементировании.
На фиг.8 показан изометрический вид, взятый из публикации WO 99/61749, показывающий вдавливания, образующие секции лопастей, выполненные деформированием участка стального стержня, причем деформирование выполнено посредством приложения механической внецентренной сдвигающей силы к стержню.
На фиг.9 показан вид продольного сечения, взятый из патента США 005/0158127 и иллюстрирующий элемент, работающий на растяжение или проволоку, работающую на растяжение в трубе, деформируемой скрепляющим анкером из двух частей.
На фиг.10 показаны два варианта осуществления концевых перемешивателей.
Описание вариантов осуществления изобретения
Штанговая крепь, согласно изобретению, приближается к штанге, создающей требуемые качества идеальной штанги, упомянутые выше. Крепи дано наименование деформируемой штанги, сокращенно «D-штанга». Деформируемая штанга согласно изобретению представляет собой штангу, заанкеренную во множестве точек, выполненную для цементирования цементом или эпоксидной смолой в шпуре. На фиг.1 показан вид сбоку штанги согласно основному варианту осуществления изобретения, содержащей предпочтительно гладкий стальной ствол 1 с тремя или более интегрированными анкерами 2а, 2b, 2с, …, 2n, распределенными по длине стержня ствола. Изобретение предлагает штанговую крепь для цементирования цементом g в шпуре b, содержащую удлиненный цилиндрический сплошной ствол 1, содержащий протяженные участки 1s ствола, разделенные интегрированными анкерами 2, распределенными с шагом La по длине ствола 1. Анкеры 2а выполнены для закрепления на месте относительно их участков стенок шпура для восприятия нагрузки, возникающей вследствие деформации горной породы. Участки 1s ствола выполнены с возможностью проскальзывания относительно цемента или шпура, так чтобы каждый из участков 1s ствола воспринимал локальное напряжение при растяжении между парами закрепленных предыдущего анкера 2 и последующего анкера 2.
Штанговая крепь предпочтительно вся выполнена из стали. Другие металлы, являющиеся прочными и деформируемыми, также могут использоваться.
Согласно первому применению штанговой крепи согласно изобретению участки 1s ствола приспособлены для восприятия локального напряжения при растяжении вследствие долгосрочной деформации горных пород, которая может происходить в течение дней, месяцев или годов после проходки, такой которая должна происходить в слабых мягких горных породах.
Согласно второму применению штанговой крепи согласно изобретению участки 1s ствола могут воспринимать краткосрочные динамические нагрузки, такие как динамические нагрузки вследствие выбросов горных пород или взрывов. Это происходит вследствие того, что локальное удлинение штанговой крепи вследствие неожиданно появляющейся трещины с на фиг.2 и 4, открывающейся с разделением разошедшихся поверхностей трещины на несколько сантиметров, может распределяться на около 50 сантиметров стали при использовании штанговой крепи согласно изобретению. Участки ствола между анкерами должны только проскальзывать относительно отвержденного цемента или периметра шпура. Данный эффект не может быть достигнут с использованием арматурной штанговой крепи, каждый участок которой является ребристым и поэтому локально прихваченным по всей секции ствола в цементировании и в котором восприятие локального ударного удлинения ΔLa может обуславливаться только на нескольких сантиметрах и которая, следовательно, обрывается, что часто происходит в имеющемся уровне техники. В данном применении также динамические нагрузки, аналогичные выбросам горной породы, такие как взрывы, могут восприниматься без обрыва штанговой крепи.
В одном варианте осуществления изобретения штанга должна содержать участок 3ас резьбой, выполненный на конце на устье шпура и снабженный гайкой 3b для удержания шайбы 3с или пластины на поверхности горной породы. Согласно варианту осуществления противоположный конец, представляющий собой внутренний конец штанговой крепи относительно шпура, может оборудоваться концевым перемешивателем 4, который должен быть полезным при вставлении штанговой крепи в эпоксидную смолу.
Шаг La между двумя соседними анкерами может быть равномерным. Следовательно, длина штанги в варианте осуществления составляет приблизительно L=nLa, где n - число участков стержня между анкерами или число анкеров. Неравномерное распределение анкеров по участку ствола может также использоваться.
Предпочтительно в штанговой крепи согласно изобретению участки 1s ствола приспособлены для обеспечения более высокой деформационной способности на единицу длины по сравнению с анкерами 2. Дополнительно в штанговой крепи интегрированные анкеры 2 могут предпочтительно быть закаленными для предотвращения деформирования под нагрузкой при фиксировании в отвержденном цементе и предотвращения стачивания в отвержденном цементе. Иначе говоря, предел прочности анкеров 2 должен быть выше, чем предел текучести ствола, составленного участками 1, 1s ствола.
Участки 1s ствола выполнены с возможностью проскальзывания относительно отвержденного цемента или ствола шпура, так чтобы каждый из участков 1s ствола воспринимал локальное напряжение при растяжении между парами закрепленных предыдущего анкера 2 и последующего анкера 2. Ствол 1 штанги имеет, согласно варианту осуществления изобретения, гладкую, предпочтительно цилиндрическую поверхность. Участки ствола могут быть более или менее тонко отшлифованы или отполированы с помощью технологий, таких как химическое полирование или электрическое полирование. Поверхность можно дополнительно обработать таким образом, чтобы не было сцепления поверхности стержня с отвержденным цементом или оно было пренебрежительно малым. Одним средством для достижения данной цели является покрытие поверхности стержня тонким слоем парафина, лака, краски или другого не адгезивного или смазочного материала. При воздействии растягивающей нагрузки участок ствола между двумя смежными анкерами должен более или менее свободно удлиняться без сцепления с отвержденным цементом вокруг него.
При удлинении под напряжением ствол 1 может проскальзывать относительно местного периметра шпура с высвобождением поверхности относительно упомянутого отвержденного цемента по причине уменьшения диаметра вследствие так называемого эффекта Пуассона.
Штанговая крепь, согласно изобретению, может иметь участки 1s ствола с поверхностью, обработанной так, чтобы отсутствовала связь с упомянутым отвержденным цементом. Этого можно достигнуть химической обработкой поверхности, такой как добавление слоя оксида металла на ствол 1.
В точках анкерования штанга сцепляется с породной массой. Основным требованием к анкерам является их прочность, превышающая прочность стержня. Этим подразумевается, что стержень достигает текучести до разрушения анкера. Анкеры могут иметь различную форму. На фиг.1 показана одна из нескольких целесообразных форм анкеров. В показанном варианте осуществления анкер выполнен простым сплющиванием стержня в одном диаметральном направлении и увеличением размера в ортогональном направлении. Соседние анкеры могут иметь аналогичную сплющенную форму, выполненную ортогонально направлению сплющивания настоящего анкера. Предпочтительно, при условии, что шпур является более или менее прямым и имеющим гладкие стенки, равномерно разнесенные анкеры могут обеспечить отсутствие прямого контакта стального стержня со стенкой шпура, что может содействовать полному охвату штанги цементом. Это может обеспечить улучшенную защиту от коррозии ствола штанги по сравнению с обычной штангой, имеющей только анкер на забое и анкер на поверхности.
Из существующего уровня техники известно, что для цементирования смолой на конец штанги со стороны забоя может добавляться смешивающее устройство, называемое концевой перемешиватель (фиг.6). Одной альтернативой для концевого перемешивателя является расщепление конца стержня в форме буквы «Y» (фиг.6а). Другие альтернативы, такие как лопасть, приваренная к концу (фиг.6b), также являются возможными для концевого перемешивателя. На фиг.10 показаны два варианта осуществления концевого перемешивателя, подходящие для использования в шпурах с эпоксидной смолой.
Штанговая крепь, согласно изобретению, может армировать горную породу способом, объясняемым ниже.
Деформация горной породы должна в основном нагрузить штангу согласно изобретению через анкеры. Ствол, то есть участки ствола штанги между двумя смежными анкерами, в свою очередь, должен быть растянут и удлинен. Под чрезвычайно высокой нагрузкой ствол достигает площадки текучести. В некоторых случаях, например при относительно слабом цементе, анкеры могут даже несколько проскальзывать внутри цемента без существенной потери армирования. Поскольку действуют эти два механизма, штанга может допускать значительное удлинение и нести при этом высокую нагрузку. Фактически данная штанга, согласно изобретению, в большой степени использует возможности стального материала, как его деформационную способность, так и прочность. Действие заанкеривания горной породы штангой гарантируется в сегментах между анкерами. Потеря заанкеривания на отдельном анкере только локально влияет на армирующее действие штанги. В целом штанга должна будет успешно работать с потерей одного или нескольких отдельных анкеров, пока один или несколько анкеров неподвижно закреплены в шпуре. Предположим, например, что участок штанги с резьбой, согласно изобретению, разрушается и заанкеривание на поверхности теряется. При штангах с двумя точками заанкеривания, согласно существующему уровню техники, такая потеря заанкеривания на поверхности приводит к полному разрушению штанги, в то время как результатом разрушения анкера на поверхности для штанги изобретения является потеря армирования только на участке штанги между резьбой и первым анкером, самым близким к поверхности. На оставшийся участок штанги не воздействует разрушение сегмента с резьбой на поверхности, поскольку он продолжает быть успешно заанкеренным в горной породе оставшимися анкерами, не подвергшимися воздействию.
Резьба должна быть, по меньшей мере, такой же, как стальной ствол или даже прочнее. Поэтому номинальный диаметр резьбы должен быть больше диаметра ствола с тем, чтобы рабочий диаметр резьбы был равным или больше диаметра ствола. Другой вариант осуществления изобретения предусматривает проведение специальной металлургической обработки участка с резьбой, чтобы его прочность была выше, чем прочность ствола. Деформационная способность резьбы не является особенно значимой. Главным фактором для резьбы является выполнение резьбы настолько прочной, чтобы стальной ствол между резьбой и первым анкером имел возможность достижения площадки текучести. Если это выполняется, предельная деформация до разрушения стержня должна быть весьма значительной.
Пример штанговой крепи согласно изобретению представлен ниже и показан на фиг.3. Параметры штанги принимаются следующими:
| Диаметр ствола, d: | 20 мм |
| Шаг анкеров, Ls: | 0,55 м |
| Длина анкера, La: | 0,05 м |
| Длина резьбы, Lt: | 0,10 м |
| Число анкеров, n: | 5 |
| Длина штанги, L: | 5×0,55=2,75 м |
| Сопротивление разрушению штанги: | 200 кН |
| Предел текучести штанги: | 150 кН |
| Деформация текучести при разрушении: | 20% |
Штанга примера имеет 5 сегментов штанги, каждый участок длиной Ls-La=0,5 м. Принимая в расчет удлинение пластической деформации, каждый сегмент может удлиняться на 0,5 м × 20%=10 см. Таким образом, каждый участок ствола длиной 0,5 м может выдерживать максимальное удлинение 10 см. В это же самое время участок ствола может выдерживать нагрузку между 150 и 200 кН. Первый участок стержня (от резьбы до первого анкера) может быть немного короче, чем другие. В примере варианта осуществления он составляет около 0,4 м (Ls-La-Lt). Предельное удлинение данного участка составляет (0,4 m × 20%)=8 см. Для арматурных штанг это влияет только на деформационную способность части резьбы. Предельное удлинение от растянутой части с резьбой устанавливается максимально равным 1 см. Для более прочной резьбы предельное удлинение D-штанги на поверхности стены (8 см) будет существенно улучшенным в сравнении с обычными арматурными штангами с резьбой. С данной деформационной способностью/грузоподъемностью штанга может обеспечивать эффективное армирование горной породы в сильно деформирующихся или подверженных выбросам массах горной породы.
Штанга, согласно изобретению, имеет более трех анкеров длиной между 0,03 м и 0,02 м, причем каждая пара анкеров разделена сегментами, которые могут соответственно изменяться по длине между около 0,3 м и 2 м, в зависимости от условий горной породы и толщины ствола. Отношение длины участков ствола к длине анкеров может изменяться между 5 к 1 и 40 к 1. Диаметр штанговой крепи ствола может составлять между 10 мм и 40 мм или больше. Штанговая крепь, согласно изобретению, отличается как возможностью высокой деформации, так и высокой грузоподъемностью. Дополнительно к этому, качество установки штанг является надежным вследствие механизма с множеством точек заанкерования. Штанга особенно подходит для строительной и горнодобывающей отраслей, в которых сталкиваются с проблемами большой деформации горных пород или выбросами горной породы. Штанга может создавать хорошее армирование не только в случае продолжительной деформации горных пород (в мягких и слабых массах горной породы), но также в случае открытия индивидуальных трещин горных пород (в глыбистых массах горных пород). Смещение при открытии единственной трещины горной породы должно ограничиваться двумя анкерами, перекрывающими трещину.
Анкеры можно выполнять различными способами для создания нескольких различных форм: на фиг.5а, b, с, d, e показаны варианты осуществления анкеров согласно изобретению. На фиг.5а показан вариант осуществления анкера, в котором короткий участок ствола сплющивается для создания расширенного, интегрированного анкера, имеющего две лопасти в сечении с конусным сужением к каждому из переходов к участку ствола. Сплющивание может происходить при небольшой одновременной продольной высадке для обеспечения предела текучести упомянутых анкеров, более высокого, чем предел текучести примыкающих участков ствола. На фиг.5b показан другой вариант осуществления анкера, в котором короткие участки ствола укорочены продольной высадкой. На фиг.5с показан трехлопастный анкер, показывающий некоторое конусное сужение в зоне перехода на каждом из концов. На фиг.5а показана штанговая крепь, согласно изобретению, с анкерами, имеющими отверстие в форме проушины. Значительная площадь сечения анкера на отверстии, перпендикулярном оси штанговой крепи, по меньшей мере равновелика площади сечения ствола. На фиг.5е показан вариант осуществления анкера, которому придана форма с двумя концами, разделенными шейкой, имеющей толщину, по меньшей мере, аналогичную стволу. Выполнение высадки, аналогично высадке, показанной на фиг.5b. В данном варианте осуществления анкеру можно дополнительно придать форму с тремя лопастями.
Изобретена штанговая крепь с несколькими прямыми участками ствола, за каждым из которых следует короткий анкер. Этим создаются короткие, относительно жесткие анкеры и значительная доля отрезков ствола с высокой деформационной способностью.
Таким образом, штанговая крепь должна прочно прикрепляться к множеству мест, разнесенных по стенке шпура вдоль стержня и сдерживать деформацию горной породы. Признак предварительного напряжения может предотвращать или замедлять первоначальное образование трещины и может также обеспечивать раннее сдерживание реголита. Штанговая крепь, согласно изобретению, может применяться для сдерживания деформации горной породы, как вследствие долгосрочных деформаций, так и выбросов горной породы.
1. Штанговая крепь для цементирования в шпуре в горной породе, содержащая удлиненный цилиндрический сплошной ствол с участком с резьбой, расположенным над шпуром на участке ствола на поверхности и снабженным по меньшей мере одной гайкой и по меньшей мере одной шайбой, тяговой шайбой или торцевой пластиной для предварительного натяжения штанговой крепи в шпуре, при этом ствол содержит по меньшей мере три протяженных участка, за каждым из которых следует интегрированный анкер с малой протяженностью по сравнению с протяженностью участка ствола, причем анкеры распределены с шагом по длине ствола и закреплены на месте относительно соответствующих им участков стенок шпура для восприятия нагрузки, возникающей вследствие деформации горной породы, участки ствола выполнены с возможностью проскальзывания относительно цемента или шпура для сдерживания локальной деформации горной породы посредством удлинения указанных участков ствола между парами закрепленных на месте предыдущего анкера и последующего анкера.
2. Штанговая крепь по п.1, в которой отношение длины указанных участков ствола к длине анкеров составляет от 5:1 и до 40:1.
3. Штанговая крепь по п.1, в которой шаг распределения анкеров составляет около 0,55 м, и длина анкеров составляет около 0,05 м.
4. Штанговая крепь по п.1, в которой шаг распределения анкеров по длине ствола имеет одинаковую длину.
5. Штанговая крепь по п.1, в которой ствол и интегрированные анкеры выполнены из стали.
6. Штанговая крепь по п.1, в которой указанные участки ствола выполнены с более высокой деформационной способностью на единицу длины по сравнению с анкерами.
7. Штанговая крепь по п.1, в которой интегрированные анкеры являются закаленными.
8. Штанговая крепь по п.1, в которой первый предел текучести анкеров превышает второй предел текучести указанных участков ствола.
9. Штанговая крепь по п.1, в которой указанные участки ствола имеют гладкую поверхность для проскальзывания относительно цемента или локального периметра стенки шпура.
10. Штанговая крепь по п.9, которая является механически или электрически отполированной.
11. Штанговая крепь по п.1, в которой указанные участки ствола снабжены скользящим слоем.
12. Штанговая крепь по п.11, в которой скользящий слой представляет собой воск или краску.
13. Штанговая крепь по п.1, в которой ствол подвергнут поверхностной обработке для устранения сцепления с отвержденным цементом.
14. Штанговая крепь по п.13, в которой поверхностная обработка ствола является химической, такой, как добавление слоя оксида металла на ствол.
15. Штанговая крепь по п.1, в которой анкеры выполнены с конусным сужением для рассеивания энергии посредством смещения и деформирования примыкающего цемента под значительной нагрузкой.
16. Штанговая крепь по п.1, в которой резьба имеет рабочий диаметр, равный или больший рабочего диаметра ствола.
17. Штанговая крепь по п.1, в которой участок с резьбой является закаленным.
18. Штанговая крепь по п.1, в которой участок конца ствола со стороны забоя снабжен концевым перемешивателем.
19. Штанговая крепь по п.18, в которой концевой перемешиватель образован анкером.
20. Штанговая крепь по п.1, в которой отношение длины указанных участков ствола к длине анкеров составляет 10:1.
