SK286735B6

SK286735B6 - Frictional rock bolt

Info

Publication number: SK286735B6
Application number: SK648-2002A
Authority: SK
Inventors: Libor Paloncy; Česlav Hanzlík; Augustin Koláček
Original assignee: Minova International Limited
Priority date: 2002-05-09
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2009-04-06
Also published as: SK6482002A3

Abstract

The present invention relates to a friction rock bolt the anchor portion of which is formed by one or several rods (1) of solid section and an expanding element (2) abutting parallel to these rods (1) for their pressing against a borehole (13) wall. Said expanding element (2) is formed for example by a thin-walled expansion tube (3) with distorted cross section in the form of a longitudinal groove intended for placing therein each rod (1).

Description

Oblasť technikyTechnical field

Vynález sa týka konštrukčného riešenia trecieho horninového svorníka na spevňovanie a kotvenie horninového masívu, najmä pri tunelovaní a razení podzemných diel.The invention relates to a structural design of a frictional rock bolt for solidification and anchoring of rock mass, especially in tunneling and excavation of underground structures.

Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Existuje rad rôznych typov svorníkov na spevňovanie a kotvenie hornín, t. j. na udržanie súdržnosti horninového masívu, ktorého súdržnosť je zvolňovaná pri tunelovaní, razení podzemných diel a vykonávaní niektorých zemných prác. Jednu konkrétnu skupinu svorníkov tvoria trecie (fikčné) horninové svorníky, ktoré sa zapravujú do vrtov v horninovom masíve a súdržnosť horniny zaisťujú vyvodením trecej sily kotevnej časti svorníka o stenu vrtu. Komerčne najznámejší v tejto skupine svorníkov je trecí horninový svorník typu Swellex. Známe sú rovnako svorníky s komerčnými názvami Split-set, Rock-Nail, Cotter-pin, Pipe anchor, Pipe bolt a BOLTEX. K najnovším riešeniam trecích svorníkov sa radí potom systém horninových svorníkov podľa medzinárodnej patentovej prihlášky č. PCT/AU91/00315. Všetky tieto známe trecie horninové svorníky majú jeden hlavný spoločný znak, ktorým je technické riešenie kotevnej časti, ktorá je tvorená jednou rúrkou rôzneho prierezu, a to buď uzatvoreného alebo otvoreného, pozdĺžne rôznym tvarom zboreného alebo premačknutého. Kotviaci účinok je pri týchto známych svorníkoch dosiahnutý trecou silou na obvodovej ploche týchto rúrkovitých telies vyvodzovanou expanziou rúrky. Trecí odpor v dôsledku expanzie je využívaný buď v mieste priameho dotyku expandovanej rúrky so stenou vrtu, alebo sprostredkovane prostredníctvom ďalšieho rozperného plášťa okolo expanznej rúrky, ktorý je tvorený napríklad pozdĺžne rozrezanou rúrkou. Nevýhodou tohto známeho konštrukčného systému trecích horninových svorníkov je ich limitovaná pevnos,ť t. j. únosnosť svorníkov. Únosnosť svorníka ja závislá od veľkosti prierezu expanznej rúrky kotevnej časti, prípadne zväčšeného o rozperný plášť a od pevnosti ocele expanznej rúrky a rozperného plášťa. Voľba veľkosti prierezu expanznej rúrky je pritom rovnako obmedzená možným priemerom rúrky na daný vrt a hrúbkou steny jej plášťa dovoľujúcou expanziu rúrky vo vrte privedeným tlakovým médiom pri kotvení svorníka. Dosiahnuteľná únosnosť týchto svorníkov je často nedostatočná na ich použitie v náročných geologických pomeroch. Využívaním kvalitnejších ocelí na výrobu expanzných rúrok svomíkových telies je síce možné únosnosť svorníka zvýšiť, ale len do určitej medze z týchto dôvodov. Kvalitnejšie ocele s vyššou pevnosťou sú drahšie, čím sa zväčšuje cena svorníka s vyššou únosnosťou. Kvalitnejšie ocele s vyššou pevnosťou sa však vyznačujú horšou tvárnosťou, čo sťažuje jednak výrobu zborených tvarov expanzných rúrok svomíkových telies z kvalitnejších ocelí, ale aj ich expanziu vo vrte do potrebného objemu.There are a number of different types of bolts for strengthening and anchoring rocks, i. j. to maintain the cohesion of the rock mass, the cohesion of which is slowed down during tunneling, excavation of underground works and the execution of certain earthworks. One particular group of bolts consists of friction (fictional) rock bolts, which are incorporated into boreholes in the rock mass and ensure the cohesion of the rock by applying the frictional force of the anchoring part of the bolt to the wall of the borehole. The Swellex friction rock bolt is the most commercially known in this group of bolts. Knobs are also known with the commercial names Split-set, Rock-Nail, Cotter-pin, Pipe anchor, Pipe bolt and BOLTEX. The latest solutions of friction bolts include the rock bolt system according to international patent application no. PCT / AU91 / 00315th All these known friction rock bolts have one main common feature, which is the technical solution of the anchoring part, which is formed by one tube of different cross-section, either closed or open, longitudinally collapsed or crushed in different shapes. The anchoring effect of these known bolts is achieved by frictional force on the circumferential surface of these tubular bodies due to the expansion of the tube. The frictional resistance due to expansion is utilized either at the point of direct contact of the expanded tube with the borehole wall, or indirectly by means of an additional sheath around the expansion tube, which is formed, for example, by a longitudinally cut tube. A disadvantage of this known construction system of friction rock bolts is their limited strength, t. j. bearing capacity of bolts. The load-bearing capacity of the bolt depends on the cross-sectional area of the expansion tube of the anchoring part, possibly increased by the expansion sleeve and the strength of the steel of the expansion tube and the expansion sleeve. The choice of the cross-sectional size of the expansion tube is also limited by the possible diameter of the tube for the borehole and the wall thickness of its jacket allowing expansion of the tube in the borehole by the pressurized medium supplied by the bolt anchoring. The achievable carrying capacity of these bolts is often insufficient for their use in demanding geological conditions. By using higher-grade steels for the production of expansion tubes of the solid bodies, it is possible to increase the bearing capacity of the bolt, but only to a certain limit for these reasons. Higher quality steels with higher strength are more expensive, which increases the price of bolts with higher load capacity. However, higher quality steels with higher strength are characterized by worse ductility, which makes it difficult to manufacture both the collapsed expansion tube shapes of higher-quality steels and their expansion in the borehole to the required volume.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené nevýhody odstraňuje nové konštrukčné riešenie trecieho horninového svorníka podľa tohto vynálezu. Riešenie vychádza zo známej fyzikálnej skutočnosti, že veľkosť trecieho odporu medzi dvomi dotýkajúcimi sa telesami nie je závislá od veľkosti styčných plôch telies, ale len od prítlačnej sily pôsobiacej medzi nimi a koeficientu trenia styčných plôch telies. Podstata riešenia trecieho horninového svorníka podľa vynálezu, ktorý obsahuje kotevnú časť a hlavovú časť alebo iba kotevnú časť, spočíva v tom, že jeho kotevná časť je tvorená jednou alebo väčším počtom združených tyčí s plným prierezom a paralelne priľahlým rozpínacím elementom na pritlačenie tyče alebo tyčí ku stene vrtu. Ďalej je podstatou riešenia to, že prítlačný rozpínací element tyči je tvorený uzatvorenou rúrkou, ktorá je vybavená plniacou koncovkou a na umiestnenie každej kotevnej tyče pozdĺžne vyvalcovaným zborením prierezu rúrky v tvare žliabku. Podstatou riešenia podľa vynálezu je rovnako to, že tyč môže byť na konci svojej hlavovej časti vybavená závitom na maticu a prítlačnou podložkou a že v uskutočnení kotevnej časti svorníka s dvomi a viacerými kotevnými tyčami sú ich konce v hlavovej časti a plniaca koncovka rozpínacieho elementu prichytené v spoločnom sedle, že tyče s rozpínacím elementom môžu byť spolu spojené v hlavovej časti plniacej koncovky rozpínacieho elementu, pričom povrch kotevných tyčí môže byť vybavený rebrovaním na zvýšenie kotevného účinku.These disadvantages are overcome by the novel design of the friction rock bolt according to the invention. The solution is based on the known physical fact that the amount of frictional resistance between two contacting bodies is not dependent on the size of the contact surfaces of the bodies, but only on the contact force applied between them and the coefficient of friction of the contact surfaces of the bodies. The principle of a friction rock bolt according to the invention which comprises an anchor part and a head part or only an anchor part consists in that its anchor part is formed by one or more full cross-sectional associated rods and parallel expansion element for pressing the rod or rods against well wall. It is furthermore an object of the invention that the pressure expanding element of the rod is formed by a closed tube which is equipped with a filling end and for the placement of each anchor rod by the longitudinally rolled corrugation of the groove-shaped tube cross-section. The invention is also based on the fact that the rod can be provided with a nut thread and a thrust washer at the end of its head part and that in the embodiment of the bolt anchor part with two or more anchor rods, their ends in the head part and the filling end of the expanding element are It is common to the saddle that the bars with the expanding element can be joined together in the head portion of the filling end of the expanding element, wherein the surface of the anchor rods can be provided with ribs to increase the anchoring effect.

Riešenie trecieho horninového svorníka podľa vynálezu je evidentne značne výhodnejšie oproti doteraz známym riešeniam, lebo sa ním umožňuje dosiahnuť teoreticky neobmedzená nosnosť svorníka. Pri reálne dosiahnuteľnom koeficente trenia 1, rebrovaním povrchu tyčí kotevnej časti svorníka bude projektovanie výšky jeho nosnosti limitované prakticky len maximálne možným počtom tyčí kotevnej časti svorníka umiestniteľných spolu s expanzným elementom do vrtu. Na základe tohto riešenia je možné vytvoriť celú novú generáciu trecích horninových svorníkov s pomerne presne projektovanou potrebnou nosnosti. Tieto budú mať všetky výhody jednak súčasných trecích svorníkov, tzn. rýchle, spoľahlivé a účinné kotvenie a jednak výhody veľkej nosnosti súčasných tyčových svorníkov a možnosťou využitia akéhokoľvek materiálu plného prierezu.The inventive friction rock bolt solution according to the invention is obviously much more advantageous than the prior art solutions, since it allows to achieve a theoretically unlimited load-bearing capacity of the bolt. With a truly achievable coefficient of friction 1, by ribbing the surface of the bolt anchoring part rods, the design of its bearing capacity will be limited by virtually the maximum possible number of bolt anchoring rods positioned together with the expansion element in the borehole. Based on this solution, it is possible to create a whole new generation of friction rock bolts with a relatively accurately designed necessary load-bearing capacity. These will have all the advantages of the present friction bolts, ie. fast, reliable and efficient anchoring, as well as the advantages of the large load-bearing capacity of current bar studs and the possibility of using any material of full cross-section.

Prehľad obrázkov na výkresochBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Na pripojených výkresoch je znázornených niekoľko príkladných uskutočnení trecieho horninového svorníka podľa vynálezu umiestnených vo vrte spevňovanej horniny. Na obr. 1 je v priečnom reze svorník tvorený jednou tyčou a hydraulickým expanzným elementom v tvare polmesiaca pred expanziou. Obr. 2 znázorňuje v priečnom reze svorník podľa obr. 1 po expanzii hydraulického expanzného elementu. Obr. 3 znázorňuje v priečnom reze svorník s tromi tyčami a hydraulickým expanzným elementom v tvare trojlístka pred expanziou. Na obr. 4 je znázornený svorník podľa obr. 3 po expanzii hydraulického expanzného elementu. Obr. 5 znázorňuje v priečnom reze svorník so štyrmi tyčami a hydraulickým expanzným elementom v tvare štvorlístka pred expanziou. Na obr. 6 je znázornený svorník podľa obr. 5 po expanzii hydraulického expanzného elementu. Obr. 7 znázorňuje v priečnom reze svorník s jednou tyčou a chemickým expanzným elementom v tvare polmesiaca pred expanziou. Na obr. 8 je znázornený svorník podľa obr. 7 po expanzii chemického expanzného elementu. Na obr. 9 je znázornený v priečnom reze svorník podľa obr. 2 alebo obr. 8. Obr. 10 znázorňuje v pozdĺžnom reze svorník v situácii podľa obr. 4. Na obr. 11 je znázornený v pozdĺžnom reze svorník v situácii podľa obr. 6.In the accompanying drawings, several exemplary embodiments of a friction rock bolt according to the invention are shown in a reinforced rock well. In FIG. 1 is a cross-section of a bolt formed by a single rod and a hydraulic expansion element in the form of a crescent before expansion. Fig. 2 is a cross-sectional view of the bolt of FIG. 1 after expansion of the hydraulic expansion element. Fig. 3 is a cross-sectional view of a three-rod bolt with a three-leaf hydraulic expansion element prior to expansion. In FIG. 4 shows the bolt of FIG. 3 after expansion of the hydraulic expansion element. Fig. 5 shows a cross-section of a four-rod bolt and a four-leaf hydraulic expansion element prior to expansion. In FIG. 6 shows the bolt of FIG. 5 after expansion of the hydraulic expansion element. Fig. 7 shows a cross-section of a single rod bolt and a chemical expansion element in the shape of a crescent before expansion. In FIG. 8 shows the bolt of FIG. 7 after the expansion of the chemical expansion element. In FIG. 9 is a cross-sectional view of the bolt of FIG. 2 or FIG. 8. FIG. 10 shows a longitudinal section of the bolt in the situation of FIG. 4. In FIG. 11 is a longitudinal sectional view of the bolt in the situation of FIG. 6th

Príklad uskutočnenia vy nálezuExemplary embodiment of the invention

Trecí horninový svorník podľa vynálezu má ako každý iný svorník kotevnú časť umiestnenú vo vrte a hlavovú časť pred ústím vrtu. V najjednoduchšom uskutočnení je kotevná časť svorníka tvorená jednou tyčou 1 z guľatiny plného prierezu a rozpínacím elementom 2, ktorým je tenkostenná rúrka 3, ktorej kruhový prierez je valcovaním zborený do tvaru polmesiaca tak, že je na nej vytvorený pozdĺžny žliabok 4, v ktorom je priľahlo umiestnená táto tyč 1, ako je znázornené na obr. 1 a 7. Rúrka 3 je na konci kotevnej časti svorníka zaslepená zvarom a v hlavovej časti svorníka vybavená plniacou koncovkou 5 a tyč 1 vonkajším závitom 6 s maticou 11 na pritiahnutie podložky 12 na prekrytie ústia vrtu 13, ako je znázornené na obr. 9. Na dosiahnutie väčšej nosnosti trecích svorníkov je ich kotevná časť tvorená väčším počtom tyčí 1 plného prierezu, napr. tromi alebo štyrmi a jedným paralelne priľahlým rozpínacím elementom 2. V tomto prípade ním bude rovanko uzatvorená tenkostenná rúrka 3, ale so zboreným prierezom v tvare trojlístka, štvorlístka alebo viaclístka. V ich žliabkoch 4 je umiestnený zodpovedajúci počet tyčí 1, podobne ako pri uskutočnení kotevnej časti svorníka s jednou tyčou 1, ako je znázornené na obr. 3 a 5. Tyče 1 spolu s plniacou koncovkou 5 rúrky 3 sú príkladne prichytené v spoločnom sedle 7 guľovitého tvaru, ktorým je pritlačená podložka 12 na ústie vrtu 13, ako je znázornené na obr. 10. Vzájomné spojenie tyčí 1 s rozpínacím elementom 2, to je rúrkou 3, je možné uskutočniť objímkou 8 na konci kotevnej časti svorníka a hlavicou 9 plniacej koncovky 5 rúrky 3, ako je znázornené na obr. 11, alebo iba hlavicou 9. Rozpínací element 2 vo forme rúrky 3, ako je opísané, je rozpínaný hydraulicky pomocou tlakovej vody do tvarov znázornených na obr. 2, 4 a 6. Môže byť rozpínaný tiež médiom v rúrke 3 v tvare podľa obr. 7 expandujúcim chemickou reakciou a spôsobujúci jej roztiahnutie do tvaru, ako je znázornený na obr. 8. Rozpínací element 2 môže byť uskutočnený pre zvláštne podmienky vo forme mechanického prítlačného zariadenia, napr. ako skrutka s prítlačnými klinmi alebo čeľusťami. Privedeným hydraulickým médiom do rúrky 3 alebo reakciou chemického média v rúrke 3 dôjde ku zväčšeniu jej objemu a tým k pritlačeniu tyče alebo tyčí 1 ku stene vrtu 13. Pri uskutočnení kotevnej časti svorníka s jednou tyčou 1 a so štyrmi tyčami 1 dôjde k roztiahnutiu rúrky 3 natoľko, že sa rovnako táto pritlačí ku stene vrtu 13, ako je znázomnené na obr. 2, 6 a 8. Týmto sa zväčší styčná plocha svorníka s otvorom 13, čo sa prejaví zmenšením možnosti jeho preklzu v otvore 13. Trecími svorníkmi podľa vynálezu sa dosiahne kotevný účinok, ktorý je úmerný súčtu pevností tyčí 1 a rozpínacieho elementu 2 a koeficientu trenia ich styčných plôch. Najvyšší koeficient trenia je pritom možno dosiahnuť použitím tyčí 1 a rebrovaným povrchom, ako je znázornené na obr. 3,4, 7, 8, 9 a 10, napr. vyrobených z rebierkovej ocele.The friction rock bolt according to the invention has, like any other bolt, an anchoring part located in the borehole and a head part in front of the borehole. In the simplest embodiment, the anchoring part of the bolt is formed by a single bar 1 of solid cross-section and an expanding element 2, which is a thin-walled tube 3, whose circular cross-section is rolled into a crescent shape so as to form a longitudinal groove 4 the rod 1 as shown in FIG. 1 and 7. The tube 3 is welded at the end of the anchoring part of the bolt and provided with a filling end 5 and a rod 1 with an external thread 6 with a nut 11 for tightening the borehole 13 overlay 12 as shown in FIG. 9. In order to achieve greater bearing capacity of the friction bolts, their anchoring part is formed by a plurality of bars of solid cross-section, e.g. In this case, the thin-walled tube 3, but with a collapsed cross-section in the shape of a cloverleaf, cloverleaf or multi-cloverleaf, will be closed in a straight line. In their grooves 4, a corresponding number of rods 1 is disposed, similar to the embodiment of the anchoring portion of a single rod bolt 1, as shown in FIG. 3 and 5. The rods 1 together with the feed end 5 of the tube 3 are, for example, fixed in a common spherical seat 7 by which the washer 12 is pressed against the borehole mouth 13, as shown in FIG. 10. The interconnection of the rods 1 with the expansion element 2, i.e. the tube 3, can be effected by a sleeve 8 at the end of the anchoring part of the bolt and by the head 9 of the filling end 5 of the tube 3 as shown in FIG. 11 or only the head 9. The expansion element 2 in the form of a pipe 3 as described is expanded hydraulically by means of pressurized water into the shapes shown in FIG. 2, 4 and 6. It can also be expanded by the medium in the tube 3 in the shape of FIG. 7 by expanding the chemical reaction and causing it to expand into shape as shown in FIG. 8. The expansion element 2 can be designed for special conditions in the form of a mechanical pressing device, e.g. as a screw with clamping wedges or jaws. By supplying the hydraulic medium to the tube 3 or by the reaction of the chemical medium in the tube 3, its volume is increased and thereby the rod or rods 1 are pressed against the wall of the borehole 13. When the bolt anchoring part is made with one rod 1 and four rods 1 to the extent that it is also pressed against the wall of the borehole 13, as shown in FIG. 2, 6 and 8. This increases the contact area of the bolt with the bore 13, which results in a reduced slip in the bore 13. The friction bolts of the invention achieve an anchor effect proportional to the sum of the strengths of the bars 1 and the expansion element 2 and their interface. The highest coefficient of friction can be achieved by using the rods 1 and the ribbed surface as shown in FIG. 3,4, 7, 8, 9 and 10, e.g. made of ribbed steel.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial usability

Riešenie podľa vynálezu je využiteľné pri konštrukcii dokonalejších trecích horninových svorníkov na spevňovanie a kotvenie hornín. Vynález je preto použiteľný pri výrobe tyčových vystužovacich zariadení potrebných v rudnom a uhoľnom baníctve a podzemnom staviteľstve hlavne pri výstavbe tunelov a podzemných diel a spevňovaní svahov.The solution according to the invention is useful in the construction of improved friction rock bolts for rock reinforcement and anchoring. The invention is therefore applicable in the manufacture of rod reinforcement devices required in ore and coal mining and underground construction, particularly in the construction of tunnels and underground works and slope reinforcement.

Claims

PATENT CLAIMS

A friction rock bolt comprising an anchor portion and a head portion or an anchor portion only, characterized in that the bolt anchor portion is formed by at least one solid cross-sectional bar (1) with an expanding element (2) parallel to the bar (1) to press it. to the well wall (13).

A friction rock bolt according to claim 1, characterized in that the expansion element (2) is a closed tube (3), which is provided for positioning each rod (1) with longitudinal collapse of the channel-shaped tube (3) and the filling end (5) in the head part of the bolt.

Rock friction bolt according to claims 1 and 2, characterized in that the end of the rod (1) is provided with an external thread (6) in the head part.

Friction rock bolt according to claims 1 and 2, characterized in that in the anchoring part of bolts with two or more rods (1) their ends in the head part and the filling end (5) of the expanding element (2) are fastened in a common seat (7). ).

Rock friction bolt according to claims 1 and 2, characterized in that, in the anchoring part of the bolt with two or more rods (1), the rods (1) together with the expansion element (2) are connected in the bolt head part by the filling end cap (9). (5) the expansion element (2).

Rock friction bolt according to claims 1 to 3 or 1, 2 to 4, or 1, 2 and 5, characterized in that the rod (1) of the anchoring part of the bolt is provided on its surface with ribs (10) to increase the anchoring effect.