ES2897299T3 - Un perno de anclaje para roca en resina con un extremo perforante - Google Patents

Abstract

Un perno (10) de resina que incluye un árbol (12) alargado que se extiende entre un extremo (14) delantero y un extremo (16) trasero y una cabeza (22) de posicionamiento que está formado integralmente con el árbol en el extremo delantero y que se extiende en el eje alargado del árbol desde un borde (24) perimetral hasta una corona (26), en el que la cabeza de posicionamiento está formado con al menos tres proyecciones (28), teniendo cada proyección una superficie (30) delantera, que se inclina, al menos parcialmente, desde la corona hasta el borde perimetral, y una superficie (36) de arrastre que se extiende desde el borde perimetral hasta el árbol, caracterizada porque cada saliente es un lóbulo, con los lóbulos igualmente espaciados radialmente y con los lóbulos extendiéndose igualmente lateralmente más allá de la dimensión radial del árbol, y caracterizado además porque la cabeza de posicionamiento está formada con una pluralidad de formaciones (32) cóncavas empotradas, cada una entre un par de lóbulos adyacentes

Description

DESCRIPCIÓN

Un perno de anclaje para roca en resina con un extremo perforante

Antecedentes de la invención

Esta invención se refiere a un perno de roca para su uso en una aplicación anclada con resina.

Es bien conocido en la técnica anclar un perno de roca en un agujero de la roca con una lechada o una resina de dos partes. La lechada o resina se introduce en el agujero de la roca, por delante del perno, mediante lechada o cápsulas de resina.

El perno de roca debe adaptarse para perforar la cápsula y liberar el contenido. Con la resina de dos partes, el contenido debe mezclarse completamente para lograr un fraguado óptimo.

Estrictamente, la resina no es un adhesivo ya que no adhiere el perno de roca al agujero de la roca. La resina bloquea mecánicamente el perno de roca en el agujero de la roca. Por lo tanto, existe una dependencia del enclavamiento mecánico con irregularidades en la superficie del perno de roca y las paredes del agujero de la roca para evitar que el perno de roca sea sacado del agujero de la roca. Las irregularidades en la superficie del perno de roca son proporcionadas por una superficie perfilada.

Otro factor que influye en el bloqueo mecánico óptimo es la eficacia del perno de roca para mezclar las dos partes de la resina. Típicamente, la eficiencia de la mezcla disminuye en una dirección radial desde la superficie del perno de roca hasta la pared del agujero de la roca. Esto significa que cuanto mayor sea la relación entre el diámetro del agujero de la roca y el perno de roca, es decir, cuanto mayor sea el espacio anular entre el perno de roca y la pared del agujero de la roca, mayor será la ineficiencia de mezcla hacia una circunferencia exterior del espacio anular. Potencialmente, esto reduce la capacidad de carga del perno de roca.

Este factor establece un límite en el tamaño diametral del perno de roca que se puede usar para un tamaño de agujero en particular. Hay un motivo económico para usar un perno de roca lo más pequeño posible.

Por lo tanto, un perno de roca de resina debe tener características que sean un compromiso entre una función de mezcla y una de anclaje. Desafortunadamente, las funciones no son complementarias. La optimización de las funciones de mezcla tiende a disminuir las capacidades de anclaje del perno. Un perno de roca típico anclado con resina con lechada de roca está perfilado con una serie de crestas en ángulo de 45°. Estas crestas proporcionan un compromiso entre la funcionalidad de anclaje y mezcla.

El uso de guantes es otro problema en el atornillado de resina. Este fenómeno ocurre cuando la pared de plástico de la cápsula se altera o se rompe de forma incompleta por el perno de roca cuando el perno penetra en la cápsula. El plástico luego recubre parte del perno de roca, cubriendo las superficies perfiladas del perno de roca y disminuyendo su funcionalidad de anclaje y mezcla.

Otro problema más en el atornillado de resina es que el perno de roca rara vez se inserta en alineación coaxial completa con el agujero de la roca, lo que provoca la excentricidad del perno en el agujero de la roca, alrededor del extremo distal del perno. En el extremo distal, el espacio anular es irregular, con un arco anular delgado y grueso. En el arco anular delgado no hay resina suficiente para proporcionar un enclavamiento mecánico óptimo. Mientras está en el arco anular grueso, la resina no se mezcla lo suficiente. Y con resina insuficiente en el pequeño arco anular, la barrera protectora proporcionada por la resina se adelgaza, aumentando la posibilidad de que el agua ácida de la mina penetre en el perno de roca.

Tanto la excentricidad como el enguantado tienden a ocurrir en la parte superior crítica de la sección del extremo delantero del perno instalado.

La invención tiene como objetivo, al menos en parte, abordar los problemas mencionados anteriormente.

El documento de la técnica anterior US 4,055,051 divulga una broca y un perno de techo combinados y un procedimiento para formar un agujero en el techo de una mina y para reforzarlo. La broca y el perno de techo forman el mismo elemento estructural que preferiblemente comprende un tubo hueco alargado. En un extremo del tubo se forma una broca de múltiples hojas. El diámetro del agujero cortado por las cuchillas es algo mayor que el diámetro del tubo alargado. Formadas entre las hojas de la cabeza de la broca hay una pluralidad de aberturas. Las aberturas realizan la doble función de proporcionar un pasaje de salida para las virutas de roca a medida que avanza la perforación, además de proporcionar un medio a través del cual se extruye una resina adhesiva de fraguado rápido desde el interior del perno hueco hasta el agujero anular recién perforado que se extiende alrededor. La extrusión se logra por medio de un elemento de sonda forzado hacia arriba del tubo. De manera similar, el documento US 4,744,699 divulga un perno de techo de una sola pasada adaptado para perforar y para ser asegurado en un orificio en el techo de una mina para soportar el techo que comprende un cuerpo tubular abierto en un extremo de este, que constituye el extremo interior del perno, y una estructura de corte en el extremo opuesto del cuerpo tubular, que constituye el extremo exterior del perno. El perno está adaptado para perforar un orificio en el techo de la mina al girar el perno, siendo la estructura de corte más ancha que el cuerpo tubular para formar un anillo entre el cuerpo tubular y la pared del orificio. El perno tiene una cabeza en su extremo interior para facilitar la rotación del perno y para apoyarse contra el techo de la mina en relación presurizada. El cuerpo tubular tiene además un puerto de transferencia en su extremo exterior y está libre de obstrucciones de flujo entre sus extremos, por lo que durante la perforación, el aire fluye a través del perno para eliminar los recortes del orificio, y al finalizar la perforación, el material de lechada de una fuente externa al perno del techo puede ser entregado al espacio anular a través del puerto de transferencia para asegurar el perno en el orificio. También se divulga un sistema de atornillado de techo que incluye una máquina para rotar, aplicar fuerza y entregar el material de lechada al perno para instalarlo. Además, se divulga un procedimiento para instalar el perno.

El documento WO 69/07015 divulga un perno de roca y un procedimiento para instalar un perno de roca, particularmente un perno hueco. El procedimiento de instalación utiliza un anclaje químico, cuyos componentes se proporcionan en un cartucho que se inyecta a través del perno o se fija de manera extraíble a un extremo de este. El perno incluye preferiblemente una rosca formada deformando plásticamente las paredes del perno para maximizar la resistencia a la tracción mientras se minimiza el grosor de la pared.

El documento WO 2013/152393 divulga un mezclador de resina de perno de roca y se refiere en general a un aparato para instalar un tendón o perno de roca dentro de una cavidad de estratos de roca. El tendón o perno de roca se instala y encapsula completamente dentro de la cavidad utilizando resina o lechada preinstalada, como cápsulas de resina, para ubicarla en un extremo de la cavidad. El tendón o perno de roca anclado se tensa dentro de la cavidad para soportar los estratos de roca circundantes. El aparato también comprende un mezclador de resina adaptado para ubicarse en un extremo distal del tendón o perno de roca para mezclar la resina o lechada tal como. El tendón o perno de roca se desliza progresivamente dentro de la cavidad mediante el aparato en un movimiento predominantemente deslizante. El mezclador de resina también incluye uno o más elementos de mezcla tales como y configurados para promover la mezcla de la resina o lechada.

Sumario de la invención

La invención proporciona un perno de resina como se define en la reivindicación 1 adjunta. Otras características opcionales se definen en las reivindicaciones dependientes asociadas.

La superficie posterior puede ser una superficie plana.

Preferiblemente, las proyecciones tienen un alcance lateral uniforme.

La corona puede ser un vértice o una punta para proporcionar un medio para penetrar una cápsula o cartucho de resina en uso.

La superficie delantera de cada saliente puede tener un borde de hoja que se extiende en una dirección radial como un medio para romper y romper aún más un cartucho de resina en uso.

El perno de resina puede incluir al menos una formación de paleta formada integralmente en el eje, detrás de la cabeza de posicionamiento.

También se describe en los párrafos 21 a 31, y no forma parte de la presente invención, una cabeza de posicionamiento para usar con un perno de resina que incluye un cuerpo que tiene una corona, una superficie delantera, una superficie de salida separada de la superficie delantera por un borde perimetral, y un medio de fijación en la superficie de la base para fijar la cabeza a un extremo del perno de resina, en el que el cuerpo está formado con una pluralidad de proyecciones, cada uno de los cuales se extiende lateralmente y en el que la superficie delantera de cada saliente se inclina, al menos parcialmente, desde la corona hasta el borde perimetral.

Las proyecciones pueden ser lóbulos o crestas o similares.

La cabeza de posicionamiento puede ser un cuerpo sólido hecho de un metal adecuado o un material compuesto o plástico rígido.

La superficie posterior puede ser plana.

Preferiblemente, la cabeza de posicionamiento tiene al menos tres proyecciones que están igualmente espaciadas radialmente para centralizar la posición de un extremo delantero del perno de resina al que se aplica la cabeza en uso. Preferiblemente, las proyecciones tienen un alcance lateral uniforme.

Los medios de fijación pueden ser un elemento roscado macho o hembra.

La cabeza de posicionamiento puede formarse con una pluralidad de formaciones cóncavas rebajadas o ranuradas, entre cada par de proyecciones adyacentes.

La corona puede ser un vértice o una punta para proporcionar un medio para penetrar una cápsula o cartucho de resina en uso.

La superficie delantera de cada saliente puede tener un borde de hoja que se extiende en una dirección radial. Un perno de resina que incluye un eje alargado que se extiende entre un extremo delantero y un extremo trasero y una cabeza penetrante, formado integralmente con el eje desde el extremo delantero, que se extiende en el eje alargado desde una base hasta una punta, un par diametralmente opuesto de púas estriadas uniformes formadas en una superficie exterior de la cabeza penetrante, cada uno de los cuales se proyecta hacia atrás desde la punta hasta el final en la base donde la púa excede la dimensión radial del árbol.

Breve descripción de los dibujos

La invención se describe adicionalmente a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 es una vista en alzado de un perno de resina de acuerdo con una primera realización de la invención; La figura 2 es una parte del extremo delantero del perno de resina de la figura 1;

La figura 3 es una vista isométrica de un extremo penetrante del perno de resina de la figura 1;

La figura 4 es una vista parcial en alzado de un perno de resina de acuerdo con una segunda realización de la invención;

La figura 5 es una vista isométrica de un extremo penetrante del perno de resina de la figura 4;

La figura 6 es una vista parcial en alzado de un perno de resina que no está de acuerdo con la invención;

La figura 7 es una vista isométrica de un extremo penetrante del perno de resina de la figura 6;

Las figuras 8A, 8B y 8C son cada una, una vista en sección transversal desde el extremo de penetración de un perno de roca de las figuras 2, 4 y 6 respectivamente;

La figura 9 es una fotografía que muestra cuatro columnas, cada fila representa un solo perno encapsulado en resina, en un tubo, seccionado a intervalos;

La figura 10 es una fotografía que muestra cinco filas, cada fila representa un solo perno revestido de resina, de acuerdo con la invención, en un tubo, seccionado a intervalos;

La figura 11 es una fotografía de una serie de tubos que se han seccionado para mostrar, en cada uno, un extremo delantero seccionado de un perno de roca revestido de resina;

La figura 12 es una fotografía de un extremo delantero de un perno revestido de resina que muestra el embalaje de la cápsula de resina agrupada hacia un extremo delantero del perno;

La figura 13 es una fotografía de un perno de resina revestido de resina, que muestra una línea de huecos en la resina; La figura 14 es un gráfico de carga/deflexión que representa los resultados de las pruebas de extracción realizadas en cinco muestras de un perno de resina de acuerdo con la técnica anterior;

y

La figura 15 es un gráfico de carga/deflexión que representa los resultados de una prueba de extracción conductora de cinco muestras de un perno de resina de acuerdo con la invención.

Descripción de la realización preferida

Con referencia a las figuras 1, 2 y 3, se describe una primera realización de la invención. Esta realización proporciona un perno 10A de resina que tiene un árbol 12 de acero sólido alargado que se extiende entre un extremo 14 delantero y un extremo 16 trasero.

El eje del perno 10A de resina en este ejemplo es de fabricación típica con una serie de crestas 18 perfiladas formadas en una superficie exterior del eje. Y, en esta realización particular, el perno de resina tiene un par de formaciones de paletas, designadas 20A y 20B respectivamente, que son integrales al cuerpo con el plano de cada paleta desplazado en 90°. Las paletas no solo aumentan el alcance diametral del perno de resina al mezclar el contenido de resina de las cápsulas de resina preinstaladas (no mostradas) sino que también aumentan el anclaje del perno dentro del agujero de la roca.

En el extremo 14 delantero del árbol 12, el perno de resina tiene una cabeza 22A de posicionamiento formada integralmente. La cabeza tiene un pico, que se extiende en el eje alargado del eje, desde un borde de base o lado 24 hasta una corona 26 que, en los ejemplos que siguen, es un vértice o punta.

La cabeza de posicionamiento está formada por una pluralidad de lóbulos, designados respectivamente 28A, 28B, 28C. Cada uno de los lóbulos tiene un alcance lateral igual y está espaciado radialmente uniformemente, esto es particularmente evidente en la figura 8A. Entre los lóbulos, en una superficie 30 delantera, la cabeza está marcada en una pluralidad de rebajes cóncavos, designados respectivamente como 32A, 32B y 32C.

Cada uno de los lóbulos 28 se inclina desde el vértice 26 hasta el borde 24 de la base. En este ejemplo, la pendiente es escalonada, con una superficie 30A de pendiente gradual, que termina a lo largo de una línea 34 de relieve, y una superficie 30B de pendiente más pronunciada, que se extiende entre la línea de relieve y el borde de la base. En el borde de la base, cada lóbulo excede y se superpone a la dimensión radial del eje, proporcionando una superficie 36 de arrastre plana que se extiende desde el borde de la base hasta el eje 32.

En uso, el perno 10A de resina se inserta en un agujero 25 de la roca, posicionando la cabeza 22 hacia adelante. El vértice 26 de la cabeza ayuda a perforar la pared frangible de la cápsula o cápsulas de resina, que se han preinstalado en el agujero de la roca, a medida que avanza el perno de resina. Los lóbulos 28 tienen un tamaño de un diámetro mayor que el diámetro de la cápsula para obligar a la cápsula a triturarse o empujarse hasta la parte superior del agujero, por delante del extremo 14 delantero. Esto evita que se produzca el fenómeno del uso de guantes.

Al mismo tiempo, los rebajes 32 cóncavos proporcionan canales para el paso del contenido de resina de las cápsulas rotas más allá de la cabeza de posicionamiento de avance, reduciendo la resistencia al avance del perno de resina.

Los lóbulos 28 también realizan la función de centralizar el perno de resina, cuando se inserta el perno, al menos a lo largo de una porción 40 de extremo delantero. Esto es una consecuencia de la uniformidad de los lóbulos tanto en la separación circunferencial como en la extensión lateral. Con uno o más lóbulos apoyados en la pared 38 del agujero en un momento dado, en el borde de la base, el perno se mantiene concéntrico con respecto al agujero.

El perno 10A de resina se hace girar, ya que se inserta en el agujero de la roca para maximizar el efecto de trituración de la cabeza 22A de posicionamiento en los cartuchos. Los lóbulos 28 centralizan el perno en este proceso. Las paletas 20, que siguen a la cabeza 22A de penetración, pueden mezclar óptimamente los componentes de resina a medida que pasan por la cabeza de penetración, hacia el espacio anular detrás de la superficie 36 de arrastre.

A medida que la resina se endurece, la superficie 36 de arrastre proporciona una superficie de bloqueo que actúa contra la resina fraguada para evitar que la forma del perno se extraiga del agujero.

Las figuras 4 y 5 y las figuras 6 a 7 ilustran respectivamente una segunda realización (perno 10B de resina) y una tercera realización (perno 10C de resina). Cada una de estas realizaciones difiere en el número de lóbulos 28 en la cabeza 22 penetrante. En el perno 10B, la cabeza 22B penetrante tiene cuatro lóbulos, designados 28A, 28B, 28C y 28D respectivamente en la figura 5. En el perno 10C, la cabeza 22C tiene forma de yunque con un par de lóbulos, designados respectivamente como 20A y 28B de la figura 7.

Aunque fuera del alcance de la presente invención, la cabeza 22 de penetración podría ser un elemento discreto que esté unido al extremo 14 delantero del árbol 12. La unión de la cabeza podría lograrse de cualquier forma adecuada. Por ejemplo, la cabeza puede tener un miembro roscado en la superficie 36 de arrastre que puede encajar con un rebaje 44 roscado en el extremo delantero. Esta característica de adjunto se ilustra en la figura 6, en contorno de puntos. La cabeza también se puede fijar mediante soldadura.

La cabeza 22 de posicionamiento, como elemento discreto, podría estar hecho de cualquier material rígido adecuado. Podría estar hecho, por ejemplo, de un material plástico rígido.

Se contempla dentro del alcance de la invención que el perno 10 puede tener cualquier combinación adecuada de una pluralidad de cabezas (22) de posicionamiento y paletas (20) espaciadas a lo largo del árbol 12.

Para ilustrar el efecto de centralización en un perno 12 de resina proporcionado por una cabeza 20 de posicionamiento, se probó un perno estándar contra un perno de resina de acuerdo con la invención. El perno estándar es un perno de paleta típico que tiene un extremo delantero recortado a 45°. Ambos tipos de pernos se instalaron en tubos de acero con un diámetro interno de 38mm y se recubrieron con resina. Los tubos representan un agujero de roca. Luego, cada muestra se cortó a lo largo de su longitud en segmentos de aproximadamente 50 mm y estos segmentos se analizaron para determinar el grado de excentricidad o centralización.

La primera prueba se realizó en un conjunto de cinco pernos estándar, con una punta recortada de 45°, como se usa comúnmente. La figura 9 muestra las rodajas de 50mm cortadas a través de las cinco muestras de prueba de estos pernos estándar. Se observa claramente la excentricidad de los pernos de resina instalados. En particular, varios de los pernos estaban muy cerca o en contacto con la pared interior de los tubos de acero. Estas áreas de contacto se designan A, B, C y D en la figura 9. En aplicaciones subterráneas, este posicionamiento excéntrico ofrecería poca protección contra la corrosión al perno de resina instalado.

La figura 10 muestra los segmentos cortados de un conjunto de cinco pernos de resina de diferentes diámetros con una cabeza 20 de posicionamiento trilobulada, de acuerdo con la primera realización de la invención, después de la instalación en los tubos.

La centralización proporcionada por la cabeza trilobulada en los pernos de resina es notablemente mejor que con el diseño convencional de punta recortada a 45°. Ninguno de estos pernos entró en contacto con la pared interior del tubo. Significativamente, estas secciones pasan por la sección de anclaje superior crítica del perno de resina instalado.

Para ilustrar una desventaja adicional con el posicionamiento excéntrico, se produjo una línea de huecos a lo largo de la longitud de la muestra de barra estriada estándar, ver figura 13. En el examen, se encontró que la línea se correlaciona con el anillo de resina delgada en la sección transversal de la muestra.

Al instalarse excéntricamente, la pared del perno gira excéntricamente en el tubo. A medida que el perno se mueve alrededor del perímetro del tubo, las nervaduras del perno giratorio limpian la resina desde el interior del tubo en el punto del anillo de resina más delgado. La rotación del perno debido a la revolución de la maquinaria de instalación se indica con una flecha de gran diámetro y la rotación excéntrica del perno alrededor del tubo se indica con una flecha de pequeño diámetro.

Para evaluar hasta qué punto la cabeza 22A trilobulada rompe el relleno de Mylar de una cápsula de resina de masilla, se cortaron los extremos de varias muestras de pernos de resina hilados en tubos de acero. Como se puede ver en la figura 11, la cabeza lobulada es eficaz para triturar la cápsula a medida que se mueve a través de la cápsula.

La figura 12 es un ejemplo de un perno de resina de acuerdo con la invención instalado en un tubo de Perspex, revestido con resina y luego retirado el tubo. El embalaje de Mylar de la cápsula de resina se encuentra casi en su totalidad en la parte superior del perno, delante de la zona de anclaje, mostrando que la cabeza de 20 posicionamiento del perno no solo es eficaz para triturar el embalaje, también es eficaz para mantener el embalaje alejado de la zona de anclaje detrás de la superficie 36 dearrastre de la cabeza de posicionamiento.

Se realizaron una serie de pruebas de tracción de encapsulación corta (SEPT) y pernos de resina estándar y pernos de resina de acuerdo con la invención, para determinar comparativamente la capacidad de carga de la cabeza de cada versión.

El perno estándar probado fue una barra deformada de 20 mm, con cuatro paletas de anclaje y una punta recortada a 45°. Los resultados del SEPT se ilustran en el gráfico de la figura 14. Los resultados muestran que dos de las muestras de prueba, es decir, un 40% de las pruebas, no alcanzaron una capacidad de carga de 10 toneladas y continuaron deslizándose a través de la resina a aproximadamente 9.5 toneladas cuando se probaron en el agujero de 38 mm.

El perno de resina de la invención era una barra deformada de 20 mm de diámetro, con cuatro paletas de anclaje y una formación 20 de posicionamiento de tres lóbulos, de acuerdo con la primera realización de la invención. Los resultados del SEPT en estos pernos se ilustran en el gráfico de la figura 15. Los resultados muestran que las cinco muestras de prueba alcanzaron una capacidad de carga de 10 toneladas según lo requerido cuando se probaron en el agujero de 38 mm.

Claims (5)

REIVINDICACIONES

1. Un perno (10) de resina que incluye un árbol (12) alargado que se extiende entre un extremo (14) delantero y un extremo (16) trasero y una cabeza (22) de posicionamiento que está formado integralmente con el árbol en el extremo delantero y que se extiende en el eje alargado del árbol desde un borde (24) perimetral hasta una corona (26), en el que la cabeza de posicionamiento está formado con al menos tres proyecciones (28), teniendo cada proyección una superficie (30) delantera, que se inclina, al menos parcialmente, desde la corona hasta el borde perimetral, y una superficie (36) de arrastre que se extiende desde el borde perimetral hasta el árbol, caracterizada porque cada saliente es un lóbulo, con los lóbulos igualmente espaciados radialmente y con los lóbulos extendiéndose igualmente lateralmente más allá de la dimensión radial del árbol, y caracterizado además porque la cabeza de posicionamiento está formada con una pluralidad de formaciones (32) cóncavas empotradas, cada una entre un par de lóbulos adyacentes

2. Un perno de resina según la reivindicación 1, en el que la superficie trasera es una superficie plana.

3. Un perno de resina según la reivindicación 1 o 2, en el que la corona es un vértice o punta penetrante.

4. Un perno de resina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la superficie delantera de cada saliente tiene un borde en forma de hoja que se extiende en una dirección radial.

5. Un perno de resina según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el perno de resina incluye al menos una formación de paleta (20) formada integralmente en el árbol, detrás de la cabeza de posicionamiento.