способ закрепления анкера в массиве

Формула изобретения

Способ закрепления анкера в массиве, включающий его механическое заклинивание, отличающийся тем, что используют анкер, состоящий из штанги, замка, распорных элементов, термочувствительных силовых элементов, имеющих температуру в предустановочном состоянии, отличную от температуры массива, и заднего упора, а заклинивание, фиксацию и натяжение анкера в массиве осуществляют за счет деформации термочувствительных силовых элементов вследствие разности их температур и массива и последующих перемещений распорных элементов в направлении от оси анкера в стороны и вниз, а анкера - вверх.

Описание изобретения к патенту

Изобретение может быть использовано в горном деле для крепления капитальных, подготовительных и очистных горных выработок как средство борьбы с пучением пород почвы, закрепления горно-шахтного оборудования, а также для достижения аналогичных целей в других отраслях промышленности (в частности, в строительстве), в быту и пр.

При анкерном креплении горные породы подвергаются искусственному упрочнению и в массиве формируется грузонесущая конструкция, аналогичная составной балке, плите, своду или арке. Скрепляемые породы подвергаются в этом случае, главным образом, сжатию, а анкеры воспринимают растягивающие усилия.

Для крепления горных выработок широко применяется так называемая распорная анкерная крепь (напр., АК-8, АД-1, АР-2 [1]), которая характеризуется механическим (замковым) закреплением в породах, срабатывающим при перемещении анкера, установленного в скважине, шпуре, в обратном направлении. При этом распорная головка замка (клин или др.) взаимодействует с полумуфтами, раздвигая их в радиальном направлении до соприкосновения со стенками скважины. Окончательный распор производится с помощью завинчивания натяжной гайки, расположенной в нижней части анкера. Недостатками крепления распорных анкеров в массиве является потребность в наличии дополнительных инструментов (напр., установочной трубы) и дополнительных затрат времени и труда.

От части указанных недостатков свободен способ закрепления анкера, замок которого отличается самозаклинивающим действием [2] (прототип). Такая способность реализуется, например, благодаря особой конструкции полумуфт - наличию в них желоба с параллельным сужением (анкер типа ШК-3), - при их движении по клину исключается смещение вдоль и вокруг оси штанги. При установке анкера в скважину полумуфты сдвигаются в сторону резьбовой части штанги, опираясь на пружину, прикрепленную к штанге. Затяжкой гайки осуществляется предварительное натяжение в анкере. При этом установочная труба не применяется. К сожалению, такой способ закрепления анкера не исключает затрат времени и труда на создание предварительного натяжения, что, очевидно, обуславливает потребность в решении задачи механизации этого процесса, но, кроме того, он не обеспечивает достаточной надежности фиксации анкера в дальнейшем, с течением времени, вследствие естественного деформирования массива или его ослабления по причине ведения горных работ.

Задача изобретения - снижение трудоемкости и повышение надежности закрепления анкера в массиве.

Для достижения указанного технического результата в способе закрепления анкера, включающем его механическое заклинивание, используют анкер, состоящий из штанги, замка с распорными элементами и термочувствительными силовыми элементами и заднего упора, а заклинивание, фиксацию и натяжение анкера в массиве осуществляют за счет деформации термочувствительных силовых элементов вследствие разности их температур и массива и последующих перемещений распорных элементов в направлении от оси анкера в стороны и вниз, а анкера - вверх. Деформирование АЭ, возникающее в ходе восстановления их формы, и развиваемые в них реактивные напряжения обеспечивают срабатывание замка анкера, которое осуществляет как его распор и фиксацию, так и создание предварительного натяжения. Кроме того, далее по мере ослабления с течением времени силы реакции породы на распирающие элементы замка деформирование и оказание силового воздействие АЭ не прекращается, поддерживая достаточный уровень фиксации анкера и саморегулирование его натяжения с течением времени.

Материалом для исполнения активного элемента замка могут служить сплавы NiTi, имеющие гистерезисную кривую типа представленной на фиг. 1. Точки Мн и Мк на этой схеме отвечают температурам начала и конца мартенситного превращения соответственно; Ан и Ак - температурам начала и конца обратного превращения (мартенсита в аустенит). Пунктиром на рисунке показан результат смещения гистерезисной кривой вследствие действия механических напряжений, С - степень превращения.

Постоянство температуры горного массива является одним из благоприятствующих факторов использования термочувствительного материала [3]. Отметим, что несмотря на несомненные достоинства сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ), их востребование в целях конструирования активных силовых элементов для новых средств крепления горных выработок до настоящего времени не реализовано.

Вариант конструкции анкера схематически представлен на фиг.2. В состав анкера входят штанга 1, замок 2, распорные элементы 3 (например, полумуфты), активный элемент с ЭПФ 4, задний упор 5 (в сборе с последним может быть предусмотрена контрольная шайба 6).

Перед размещением анкера в шпуре замок с конструктивным элементом из сплава с ЭПФ имеет температуру Т < АН, что несложно обеспечить (во многих практических случаях АН может быть взятой, например, равной 0^oС), особенно, если хранить замки или только активные элементы в отдельной упаковке, поддерживающей требуемую температуру в процессе их транспортировки к месту установки. После подготовки шпура замок 2 соединяют со штангой 1 (либо активный элемент 4 вставляют в замок, уже присоединенный к штанге) и в собранном виде анкер вставляют в шпур. В течение нескольких минут после этого активный элемент 4 приобретает температуру горного массива (породы) и, восстанавливая форму, механически воздействует на распорные элементы 3. Последние перемещаются в направлении от оси анкера в стороны и вниз, проникая своими выступами в поверхность шпура, что сопровождается определенной подачей анкера вверх. Обеспечивается надежная фиксация анкера и создается предварительное натяжение, о чем может свидетельствовать деформирование контрольной шайбы 6. Так как свободное восстановление формы активного элемента 4 замка 2 на этом этапе полностью не исчерпывается вследствие противодействия породы дальнейшему проникновению в нее распорных элементов 3, последующее ослабление уровня фиксации и натяжения анкера на достаточно продолжительном промежутке времени практически исключается.

Данный способ реализуем и в том случае, когда температура активного элемента анкера непосредственно перед его установкой выше температуры массива. При этом в предлагаемую схему достаточно наряду с АЭ включить контрпружину, которая при ослаблении АЭ в процессе прямого мартенситного превращения обеспечит необходимое распорное действие замка анкера. Тогда, до установки анкера следует выдерживать температуру АЭ равной или несколько большей точки Мн (что в ряде практических случаев вполне оправдано).

Кроме того, авторы допускают использование в данном способе и других материалов для изготовления термочувствительных силовых АЭ (например, биметаллов), испытывающих деформацию требуемого для осуществления распорного действия замка уровня, в условиях изменения температуры в заданном интервале.

Литература

1. Мельников Н.И. Анкерная крепь. - М.: Недра, 1980. - 252 с.:С.15-16.

2. Мельников Н.И. Анкерная крепь. - М.: Недра, 1980. -252.: с. 17-20.

3. Косков И.Г. Новые материалы и конструкции крепи горных выработок. - М.: Недра, 1987. -196 с.