способ закрепления анкера и конструкция анкера для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ закрепления анкера, включающий подготовку и введение в скважину грузонесущего стержня и картриджа с сыпучим материальным заполнителем до упора в забой скважины, распор сыпучего материала в зазоре между стенками скважины и грузонесущим стержнем головкой анкера и подпорной шайбой путем вращения стержня, предварительное натяжение анкера накручиванием опорной гайки на резьбовом конце хвостовика стержня анкера, отличающийся тем, что подготовку осуществляют введением в скважину картриджа с последующей досылкой до упора его торца в забой скважины грузонесущим стержнем с подпорной шайбой, которую предварительно, перед досылкой картриджа, подпирают временным упором, опертым противоположным концом на опорные элементы стержня анкера, а после досылки упор извлекают из скважины, причем распор сыпучего минерального заполнителя ведут ввинчиванием в картридж головки грузонесущего стержня путем его вращения с одновременной подачей на забой скважины и разрушением оболочки картриджа.

2. Анкер, включающий грузонесущий стержень с головкой, подпорной шайбой, упором, втулку из минерального заполнителя в зазоре между стенками скважины и стержнем в замковой части, хвостовик с резьбой, опорными элементами и гайкой, отличающийся тем, что имеет головку в виде крупнопрофильного винта, ввинченного в сыпучий минеральный заполнитель, имеющего одностороннюю заершенную поверхность, причем торец грузонесущего стержня выполнен скошенным под острым углом, а подпорная шайба оперта на стенки скважины, например, внешним периметром, и выполнена в виде втулки с полями с возможностью относительного перемещения грузонесущего стержня, хвостовик которого и гайка выполнены с радиальным отверстием, в которое вставлен срезной штифт.

Описание изобретения к патенту

Известен способ закрепления анкера сыпучим материалом, включающий введение в скважину грузонесущего стержня с головкой у дна скважины, заполнение зазора между грузонесущим стержнем и стенками скважины под головкой сыпучим материалом, затем быстротвердеющим раствором /1/.

Недостаток способа состоит в сложности процесса и в значительных затратах времени для последовательного введения под головку анкера сыпучего материала, затем быстротвердеющего.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому является способ закрепления анкера сыпучим материалом, включающий подготовку анкера путем размещения втулки из сыпучего материала на стержне анкера между эксцентричной головкой и шайбой, опертой на кольцевой упор стержня, введение в скважину до упора в дно скважины грузонесущего стержня вместе со втулкой из сыпучего материала, последующий распор втулки из сыпучего материала между головкой и подпорной шайбой о стенки скважины путем вращения грузонесущего стержня, предварительное натяжение анкера гайкой на хвостовике анкера через опорные элементы /2/.

Недостаток известного способа заключается в ненадежности распора сыпучего материала в эластичной оболочке сближением эксцентричной гайки с опорной шайбой при вращении стержня вследствие отсутствия жесткости сыпучего материала и вращения гайки вместе со стержнем при некачественной резьбе. Кроме того, оболочка картриджа снижает трение и сцепление сыпучего о стенки скважины и возможно проскальзывание замка анкера. Подготовка анкера, заключающаяся в монтаже картриджа на стержень анкера между головкой анкера и опорой шайбой, занимает много времени. При транспортировании анкера с втулкой в оболочке может произойти разрыв оболочки и высыпание сыпучего материала.

Известен анкер, включающий грузонесущий стержень, выполняющий функцию штока, цилиндрическую трубу с сыпучим материалом, поршень-пробку. При натяжении анкера сыпучий материал сжимается в осевом направлении и распирается о стенки скважины /3/.

Недостаток анкера состоит в том, что сыпучий материал контактирует со стенками скважины через оболочку. В этом случае частично утрачивается сцепление сыпучего материала со стенками скважины, а следовательно, сопротивление сыпучего, например песка, сдвиговым деформациям при перемещении головки анкера к устью скважины. В результате возможно проскальзывание замка анкера и снижение нагрузочной способности анкера. Кроме того, из-за того, что цилиндрическая труба с сыпучим выполнена меньшего диаметра чем скважина, то первоначальный распор вызывает значительный выпуск хвостовика анкера в выработку, что требует большей длины резьбы хвостовика анкера. Это повышает цену анкера и расход металла.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является анкер, включающий грузонесущий стержень с втулкой из сыпучего материала в оболочке, размещенной между эксцентричной головкой анкера и эксцентричной шайбой, опертой на кольцевой упор стержня, хвостовик анкера с резьбой, опорными элементами и гайкой /2/.

Недостатком известного анкера является значительное перемещение анкерного болта при уплотнении сыпучего материала вследствие того, что диаметр патрона с сыпучим материалом меньше диаметра скважины, т.к. в противном случае его нельзя разместить в ней. Перемещение стержня приводит к необходимости удлинить его резьбовую часть, что удорожает конструкцию. Кроме того, из-за отсутствия жесткости сыпучего материала в эластичной оболочке и некачественной резьбы при вращении стержня вращается и эксцентричная головка. В результате не происходит осевое сближение головки анкера с эксцентричной шайбой. Сыпучий материал не сжимается в осевом направлении и не распирается о стенки скважины в радиальном направлении, и анкер не закрепляется.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности закрепления анкера, сокращение трудозатрат и времени на подготовку анкера к процессу закрепления анкера.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем подготовку и введение в скважину грузонесущего стержня и картриджа с сыпучим минеральным заполнителем до упора в забой скважины, распор сыпучего материала в зазоре между стенками скважины и грузонесущим стержнем, головкой анкера и подпорной шайбой путем вращения стержня, предварительное натяжение анкера накручиванием опорной гайки на резьбовом конце хвостовика стержня, подготовку осуществляют предварительным введением в скважину картриджа, затем досылкой до упора его торца в забой скважины грузонесущим стержнем с подпорной шайбой, которую предварительно подпирают временным упором, опертым противоположным концом на опорные элементы стержня, а после досылки шайбы упор извлекают из скважины, причем распор сыпучего минерального заполнителя ведут ввинчиванием в картридж головки грузонесущего стержня путем его вращения с одновременной подачей на забой скважины и разрушением оболочки картриджа.

В предлагаемом способе в качестве сыпучего минерального заполнителя берут песок, отходы доменного производства или другие неразмокающие материалы и смеси.

Реализация предлагаемого способа повышает надежность закрепления анкера за счет того, что оболочка картриджа разрушается при вращении стержня анкера и его подаче на забой, тем самым исключается снижение трения и сцепления сыпучего минерального заполнителя (например, песка) о стенки скважины. Разрушение оболочки картриджа обеспечивается конструкцией анкера. Кроме того, исключается возможность нераспора анкера, т.к. при вращении и подаче анкера винт головки анкера неизбежно как шнек забирает и транспортирует материал по скважине, добавляя с каждым оборотом новые порции сыпучего в зазор между стенками скважины и грузонесущим стержнем до максимального момента вращения стержня гайковертом. По мере ввинчивания головки анкера с подачей на забой сыпучий минеральный заполнитель заполняет все пространство между подпорной шайбой и торцом головки анкера в зазоре между стенками скважины, стержнем анкера и витками головки анкера. Из-за трения скольжения и сцепления по мере ввинчивания растет сопротивление вращению и подаче. Постепенно момент сопротивления вращению возрастает до максимального, приложенного машиной. Вращение и подача прекращаются.

В предлагаемом способе подготовка процесса закрепления анкера включает в себя введение в скважину картриджа и подпор стойкой подпорной шайбы и занимает значительно меньше времени и труд чем размещение картриджа в виде втулки на стержне между опорной шайбой и головкой анкера (прототип). В процессе монтажа втулки на стержень (прототип) возможен разрыв ее оболочки. После надевания втулки на стержень анкера требуется время для навинчивания на стержень головки. Таким образом, предлагаемый способ позволяет сократить время подготовки процесса закрепления анкера и увеличить его надежность.

Необходимость введения операции подпора шайбы временным упором обусловлена следующими обстоятельствами. Подпорная шайба и стержень выполнены таким образом, что допускается ограниченное относительное перемещение стержня. Причем подпорная шайба выполнены полужесткой и несколько большего диаметра, чем диаметр скважины. Поэтому, чтобы дослать подпорную шайбу вместе со стержнем до определенного горизонта, необходим временный упор между шайбой и опорным элементом на хвостовике анкера. После досылки шайбы до определенного горизонта и упора торца в забой скважины этот временный упор извлекается из скважины. Шайба уже не может выпасть из скважины, т.к. она оперта на стенки скважины. Уборка временного упора необходима для выполнения основной операции по ввинчиванию головки анкера в картридж, разрушению его оболочки. Но это возможно, если имеется перемещение стержня анкера относительно подпорной шайбы. Подпорная шайба, как только на нее попала небольшая порция сыпучего минерального заполнителя (например, песка), теряет возможность перемещаться вглубь скважины. Без относительного перемещения шайбы и стержня невозможно перемещение стержня на забой скважины.

Для реализации способа создана конструкция анкера.

Анкер, включающий грузонесущий стержень с головкой, подпорной шайбой, упором, сыпучий минеральный заполнитель в зазоре между стенками скважины и грузонесущим стержнем в замковой части, хвостовик с резьбой, опорными элементами и гайкой, имеет головку в виде крупнопрофильного винта, ввинченного в сыпучий минеральный заполнитель и имеющего одностороннюю заершенную поверхность, причем торец грузонесущего стержня выполнен скошенным под острым углом, а подпорную шайбу опертой на стенки скважины. Крупнопрофильный винт предназначен как шнек для транспортирования сыпучего материала картриджа в зазор между стенками скважины и грузонесущим стержнем и для выполнения функции головки-поршня анкера, имеющего зазор со стенками скважины 1-1,5 мм. Несущая способность анкера в таком случае обеспечивается благодаря свойству сыпучих материалов сопротивляться сдвиговым деформациям при перемещении головки анкера при его натяжении под нагрузкой. Возможность проскальзывания сыпучего между витками крупнопрофильной резьбы при движении головки к устью скважины под нагрузкой ограничена наклоном винтовой линии, при котором значительны силы трения и сцепления, которое возникает между частицами сыпучего и заершенной поверхностью. Подпорная шайба, предназначенная для предотвращения высыпания сыпучего, выполнена в виде втулки с упругими полями, которыми оперта на стенки скважины и надета на стержень анкера с возможностью относительного перемещения. Ниже подпорной шайбы имеется упор, предназначенный для первоначального уплотнения сыпучего со стороны устья скважины путем поджатия подпорной шайбы. При осевой нагрузке на стержень анкера подпорная шайба при высоте столба втулки из сыпучего материала свыше 400 мм (для скважин диаметром 30-43 мм) не испытывает давления со стороны сыпучего. При перемещении головки-поршня сыпучий материал под головкой переуплотняется, измельчается сдвиговыми деформациями, увеличиваясь в объеме с одновременным уменьшением пористости в ближайшей от головки области на интервале 5-6 диаметров скважины. Здесь развиваются значительные осевые и радиальные давления в сыпучем. Далее этого интервала они затухают по экспоненциальному закону, и на расстоянии 400 мм сыпучий материал практически не деформируется и не оказывает давления на подпорную шайбу. Шайба опирается на стенки скважины и допускает относительное перемещение стержня анкера при его перемещении под нагрузкой предварительного натяжения и эксплуатационной. Торец стержня выполнен скошенным под острым углом, что необходимо для разрушения оболочки картриджа.

Совокупность новых признаков обеспечивает работоспособность анкера с более высокой надежностью вследствие того, что конструкция обеспечивает разрушение оболочки картриджа при ввинчивании головки анкера в картридж при установке анкера и тем самым увеличение силы трения и сцепления сыпучего о стенки скважины. Снижение затрат времени и труда на подготовку анкера к процессу его закрепления обеспечивается за счет способа закрепления и конструктивных изменений головки анкера и подпорной шайбы. Головка анкера, выполненная в виде винта на стержне, выполняет одновременно функцию шнека для транспорта сыпучего и функцию поршня при перемещении стержня для осуществления увеличения плотности столба сыпучего, образования переуплотненной подушки под головкой-поршнем и создания в этой подушке реакции отпора, которая возникает вследствие проявления свойства сыпучего сопротивляться сдвиговым деформациям за счет трения и сцепления.

Таким образом, предлагаемые способ закрепления анкера и конструкция его обеспечивают повышение надежности закрепления и сокращение затрат труда и времени на подготовку анкера к закреплению.

Сущность предложения поясняется чертежами.

На фиг. 1г представлена конструкция закрепленного анкера.

На фиг. 1в представлен процесс закрепления анкера путем ввинчивания головки стержня анкера в картридж с сыпучим материалом при его вращении и подаче на забой.

На фиг. 1б представлен фрагмент окончания процесса досылки картриджа до забоя скважины стержнем анкера.

На фиг. 1а представлен фрагмент процесса перемещения картриджа по скважине грузонесушим стержнем анкера с одновременным введением подпорной шайбы в скважину.

На фиг.2 представлен разрез А-А фиг. 1б.

На фиг.3 представлена конструкция подпорной шайбы.

На фиг.4 представлена конструкция головки анкера.

Анкер, закрепленный в скважине 1 (фиг. 1г), состоит из грузонесушего стержня 2, головки 3, втулки из сыпучего материала (песка) 4, подпорной шайбы 5, упора 6, опорной шайбы 7, гайки 8 на хвостовой части стержня 2, а также срезанного штифта 9. Головка анкера 3 выполнена (фиг.4) в виде крупнопрофильного винта 3 на стержне 2, ввинченного в сыпучий минеральный заполнитель с односторонней заершенной поверхностью 10, и предназначена для транспортирования сыпучего материала 4 из картриджа в зазор между стенками скважины и грузонесущим стержнем 2 от торца стержня до подпорной шайбы 5, а также для уплотнения сыпучего материала 4 и, самое главное, для выполнения функции головки-поршня анкера. Для предотвращения проскальзывания сыпучего материала (без преодоления сцепления) между витками в процессе натяжения анкера один борт винта выполнен заершенным в одну сторону. Торец стержня анкера выполнен скошенным под острым углом, что необходимо для разрушения внешней оболочки картриджа 11, в котором первоначально до установки и закрепления анкера размещен сыпучий материал 4. Диаметр винта 3 меньше диаметра скважины на 1,5-3 мм. Уменьшение зазора не позволит анкерным болтом дослать картридж до забоя скважины 1. Винт 3 может быть выполнен многозаходным.

Подпорная шайба 5 (фиг. 1, 3) выполнена в виде втулки с кольцевым карманом, примыкающим к грузонесущему стержню 2 и полями, опирающимися на стенки скважины, и предназначена для предотвращения высыпания сыпучего материала 4 к устью скважины. Внутренний диаметр втулки выполнен несколько большим диаметра стержня анкера для обеспечения перемещения стержня 2 относительно шайбы 5, а верхняя стенка кольцевого кармана выполнена нежесткой и точно по диаметру стержня или несколько меньшего диаметра и выполняет функцию чистильщика. Функция кармана состоит в образовании тонкой гибкой стенки и предотвращении заклинивания сыпучим материалом при относительном перемещении стержня 2 путем обеспечения возможности накапливания сыпучего в кармане. Ниже подпорной шайбы 5 на стержне 2 помещен упор 6, выполненный в виде ребра, выступающего за поверхность стержня, образованного пластическим деформированием стержня 2. Упор 6 предназначен для передачи давления стержня через подпорную шайбу на втулку 4 из сыпучего материала для уплотнения последнего на завершающей стадии закрепления анкера, перед предварительным натяжением.

Гайка 8 и стержень 2 выполнены с радиальными отверстиями, в которые вставлен штифт 9. По мере развития процесса закрепления анкера растет вращающий момент сопротивления, связанный с ввинчиванием винта 3 головки анкера в сыпучий материал 4 и его уплотнением под головкой анкера. На завершающей стадии этот момент становится равным сопротивлению штифта на срез. Срез штифта означает завершение этапа закрепления анкера и начало этапа предварительного натяжения анкера путем продолжения вращения гайки 8 по резьбе хвостовика стержня 2.

Технология закрепления анкера осуществляется следующим образом. Вначале осуществляют процесс подготовки операции закрепления анкера. Подготовку осуществляют следующим образом. Вначале между подпорной 5 и опорной 7 шайбами устанавливают временный упор 12 (фиг. 2), выполненный в поперечном сечении в виде скобы. Упор 12 предназначен для досылки подпорной шайбы 5 в скважину на глубину, достаточную для размещения всего объема сыпучего материала 4 (фиг. 1) в картридже 11 в зазоре между стенками скважины 1 и стержнем 2. После этого в устье скважины 1 вставляют картридж 11 с сыпучим материалом 4 и досылают его грузонесущим стержнем 2 до упора в забой скважины. Затем извлекают из скважины упор 12.

Далее осуществляют операцию закрепления анкера, которая заключается во вращении стержня 2 и подаче его на забой гайковертом. При этом стержень 2 головкой 3 ввинчивается в картридж 11, разрушая его внешнюю оболочку скошенным острым торцом стержня 2 и транспортируя сыпучий материал в зазор между стенками скважины 1 и стержнем 2 до подпорной шайбы 5. При попадании небольшой порции сыпучего (песка) на подпорную шайбу 5 последняя теряет возможность перемещаться на забой из-за заклинивания ее сыпучим материалом. Перемещение стержня 2 на забой скважины 1 с вращением продолжают до тех пор, пока нарастающее сопротивление вращению не превысит сопротивление срезу штифта 9, который вставлен в радиальное отверстие гайки и стержня. По мере подачи на забой стержня 2 упор 6 приближается к втулке подпорной шайбы 5. Упор контактирует с шайбой 5 в момент, когда оболочка картриджа 11 полностью разрушена, сыпучий материал 4 полностью размещен между стенками скважины 1 и стержнем 2, а торец стержня 2 не дошел еще до забоя скважины на 20-30 мм. Подачей на забой скважины стержня 2 в момент контакта упора 6 во втулку подпорной шайбы 5 осуществляют уплотнение столба сыпучего материала 4 со стороны устья скважины. При контакте упора 6 с втулкой шайбы 5 во время вращения стержня 2 и подаче его на забой из-за трения упора о втулку растет сопротивление его вращению гайковертом. Сопротивление вращению растет главным образом из-за уплотнения сыпучего материала 4 винтом 3 при подаче вращающегося стержня 2 к забою скважины 1. Когда сопротивление вращению становится равным сопротивлению срезу шплинта 9, последний срезается, что является свидетельством окончания процесса закрепления анкера. Далее продолжают вращать гайковертом гайку 8. Она при этом накручивается по резьбе хвостовика стержня анкера до упора опорной шайбы 7 в устье скважины 1. После упора опорной шайбы 7 в устье скважины 1 продолжают ее вращение. При этом стержень 2 перемещается к устью скважины вместе с головкой-поршнем 3. Головка-поршень 3 выполнена в виде винта, при перемещении к устью скважины уплотняет сыпучий материал 4 (например, песок).

Сыпучий материал 4 при перемещении винта 3 уплотняется и измельчается. Причиной измельчения являются сдвиговые деформации, обусловленные перемещением винта 3 и сцеплением между частицами сыпучего (песка) и между сыпучим и стенками скважины. При уплотнении одновременно с уменьшением объема за счет пористости идет процесс увеличения объема за счет роста числа дислокаций и появления новых поверхностей. Происходит рост сопротивления движению поршня и вращению гайки. Наконец это сопротивление превышает максимальный момент вращения гайковерта и последний останавливается. Это является свидетельством того, что анкер закреплен с предварительным натяжением. Во время предварительного натяжения анкера, когда головка анкера перемещается к устью скважины, частицы сыпучего (песка) между стенками винтовой заершенной поверхности из-за трения и сцепления переуплотняются и запирают каналы пологой винтовой линии и она в целом выполняет функцию головки-поршня анкера.

Предлагаемый способ закрепления анкера повышает надежность закрепления за счет увеличения трения и сцепления сыпучего о стенки скважины, которое достигается предлагаемой конструкцией анкера. Одновременно снижается трудоемкость и время подготовки к процессу закрепления анкера путем введения новых операций: введение в скважину картриджа с сыпучим материалом, установку временного упора между подпорной шайбой и опорным элементом анкера, уборку временного упора после досылки картриджа до забоя скважины. Кроме того, сокращается также время установки анкера за счет фиксации гайки на хвостовике стержня анкера штифтом.

Источники информации

1. А.С. СССР N 1164433. Опубл. 30.06.85 Б N24.

2. Семевский В.Н. и др. Штанговая крепь. М., "Недра", 1965, с.38.

3. А.С. СССР N 581292. Опубл. 25.11.77 Б N43.