» » Армирующие стержни и штанги анкерных крепей из композиционных материалов

Армирующие стержни и штанги анкерных крепей из композиционных материалов

30.08.2016

Под анкером, строго говоря, понимают стержень, один конец которого закрепляется в массиве (якорь), а другой несет нагрузку. В отличие от анкера под армирующим элементом будем понимать стержень, по всей длине закрепленный («заделанный») в массиве и в основные функции которого входит повышение жесткости и устойчивости горных пород или угля. Концы армирующих стержней необязательно несут нагрузку. Исходя из этих понятий, рассмотрим созданные на основе применения полимерных материалов конструкции штанг анкерной крепи и армирующих стержней.
Стержни анкерных крепей в большинстве случаев изготавливают из стальных прокатных профилей — круглой или арматурной стали (периодический профиль). По технологическим и экономическим соображениям в ряде случаев применение стальных анкеров не только не эффективно, но и не целесообразно.
Во-первых, отработавшие свой срок анкеры из горных массивов, как правило, не извлекаются и повторно не используются, т. е. металл теряется безвозвратно. Во-вторых, стальные анкеры нельзя применять, например, в таких случаях, как повышение устойчивости подлежащих впоследствии отработке мощных угольных пластов или целиков, для предупреждения вспучивания почвы, укрепления углеспускных печей и других подобных случаев, когда закрепляемый массив в будущем может подвергнуться воздействию режущих органов комбайнов, подирочных машин или других механизмов.
В указанных случаях вместо стальных целесообразно применять стержни, обладающие высокой прочностью на растяжение, но слабым сопротивлением на срез. К таким материалам относятся одноосно ориентированные стеклопластики, прессованная и пластифицированная древесина, специальные композиты.
Стеклопластиковые анкеры из протяжного профиля

Анкеры из стеклопластиков разработаны в ИГД им А.А. Скочинского. Конструктивно анкер представляет собой стеклопластиковый стержень 4 (рис. 6.5), армированный на выходном конце спиралью из стальной проволоки 6. Второй конец анкера заделывается в стальную втулку 3, имеющую наружную резьбу под гайку 1. В комплект анкера входит также резиновая уплотнительная манжета 5 и стальная опорная плитка 2.
Армирующие стержни и штанги анкерных крепей из композиционных материалов

Манжета 5 применяется для предотвращения выткания из шпура жидкого состава в момент вскрытия ампулы. В шпурах, пробуренных горизонтально или с уклоном вниз, необходимость в манжете отпадает.
Несущий стеклопластиковый стержень анкера изготавливается способом протяжки пучка стекложгутов ЖС-1 (прядь ориентированных, равномерно натянутых первичных алюмоборосиликатных нитей), пропитанных связующими на основе полиэфирной смолы, через калиброванные фильерные отверстия и камеру полимеризации (t=130/140° С) на протяжной машине 4УПС-12. Диаметр стержня 19±0,5 мм, длина — в зависимости от назначения анкера, однако наиболее часто в пределах 1000—2000 мм.
Металлическая оплетка 6 служит для повышения надежности заделки гладкого анкера в шпуре. Оплетка 6, как и стальная втулка 3, соединяется со стеклопластиковым стержнем при помощи эпоксидного клея.
Процесс полимеризации склеенного изделия длится 3—5 ч. Предел прочности стеклопластикового материала стержня на растяжение σpc≥500 МПа, на срез τс≤80 МПа.
Изготовление описанных анкеров освоено в Кузбассе (ПО «Прокопьевскуголь») и нашло широкое применение при креплении деревянных стоек к поверхности подлежащих впоследствии выемке угольных пластов, а также печей. Закрепление стеклопластиковых анкеров в шпурах массива осуществляется исключительно химическими составами в ампулах (рис. 6.4, а, б). Для улучшения процесса разрушения ампулы стержень имеет скос под углом 45°. Этому же служит выступающий носик оплетки 6 (рис. 6.5).
Экспериментальные конструкции полимерных анкеров

ВНИИгидроуголь (В.Ф. Завертайло) разработано несколько новых вариантов конструкций стеклопластиковых анкеров, общим отличительным признаком которых является присутствие пенопластового заполнителя. Действительно, с целью экономии как стеклопластика, так и химического закрепляющего вещества (особенно при больших диаметрах шпуров — 42—44 мм) эта мера целесообразна.
На рис. 6.6, a показан анкер, представляющий собой трубчатую стеклопластиковую оболочку 2 (основу), заполненную пенопластом 3. Выходная часть анкера (головка) изготовлена из прочного полимербетона. Другой тип анкера — металлополимерный — показан на рис. 6.6, б. Здесь стержень из арматурной стали 4 заключен в полимербетонную оправку 5, концевая часть которой развита в прижимную головку 1, используемую, например, для крепления стеклопластиковых затяжек к бокам горных выработок. Оба вида анкеров ВНИИгидроугля предназначены для приконтурного крепления массива вокруг выработок и изготавливаются длиной 1,6—3 м.
Полимерные анкеры для глубокого упрочнения массива (длиной от 3 до 40 м) заранее не изготавливаются, а возводятся непосредственно в шпуре или скважине (рис. 6.6, в). Анкер представляет собой стеклопластиковую арматуру 8, создаваемую путем разматывания стеклопластиковой ленты из рулона 6. В качестве наполнителя во внутреннее пространство арматуры вкладывается несколько (на длину скважины) сердечников из жесткого пенопласта 9. Анкер закрепляется в шпуре химическим составом 7. Описанные анкеры испытаны на шахтах Кузбасса.
Анкеры из лигнамона

Лигнамон — материал, получаемый способом химической пластификации древесины. Сущность способа заключается в последовательном или одновременном воздействии на натуральную древесину газообразного аммиака, механического давления и температур, в результате чего древесина как комплекс природных полимеров превращается в новый материал с качественно более высокими свойствами. Удельный вес лигнамона (плотность) 1200 кг/м3. Прочность на разрыв такого материала достигает σр=280 МПа, на срез τс=60 МПа, что позволяет применять анкеры из пластифицированной древесины в тех же условиях, что и стеклопластиковые.
Армирующие стержни и штанги анкерных крепей из композиционных материалов

На рис. 6.7 показан один из вариантов разработанных ИГД им. А.А. Скочинского конструкций анкера из лигнамона. Концевая часть стержня 1 из лигнамона имеет срез под углом 45° для разрушения ампул при введении анкера в шпур. В головной части стержня делается сквозной прорез (150—200 мм), в который при закреплении анкера забивается деревянный или металлический клин 2. Для предохранения головной части анкера на нее надевается разрезная стальная втулка 3, а опорная плита (шайба) 4 имеет эллиптическое (разоваленное) отверстие, ограничивающее раздвижку обеих половин головки анкера при силовом воздействии клина.
Технология изготовления анкеров из лигнамона разработана Институтом химии древесины АН Латвии. Сравнительная простота технологии изготовления и доступность исходного сырья (древесины) служат предпосылкой расширения области применения лигнамона: для создания верхняков, затяжек и других деталей крепления горных выработок.