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.
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.
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 - D2L/4 и
(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. 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.
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.У дна пробуренного в кровле выработки
шпура 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. 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, 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. 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), 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.
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.
5. Способ по п.3, отличающийся
тем, что подпорный элемент
устанавливают в шпуре на расстоянии
l от ампулы.
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.