錨桿錨固質(zhì)量測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)研發(fā)應(yīng)用

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摘要：針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)的局限性，設(shè)計(jì)研發(fā)了錨桿錨固質(zhì)量測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由固定架、錨固裝置、拉拔裝置組成。根據(jù)相關(guān)理論確定實(shí)驗(yàn)臺(tái)各裝置的合理參數(shù)，完成實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有對(duì)錨桿錨固過(guò)程進(jìn)行模擬、對(duì)錨固質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)、對(duì)錨固體的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試等功能。應(yīng)用結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)和錨固施工過(guò)程模擬要求。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)；錨桿錨固；錨固質(zhì)量；錨桿拉拔

引言

錨桿支護(hù)作為煤礦巷道的一種主動(dòng)支護(hù)方式，降低了巷道支護(hù)成本，提高了巷道支護(hù)的效果，簡(jiǎn)化了支護(hù)工藝，為工作面快速推進(jìn)創(chuàng)造了條件。在錨桿支護(hù)中錨固質(zhì)量決定著巷道圍巖的穩(wěn)定性。如何對(duì)巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)并提前采取預(yù)警措施、減少災(zāi)害的發(fā)生，一直是巷道支護(hù)工程亟待解決的問(wèn)題。隨著我國(guó)煤礦的開(kāi)采深度逐漸加大，受高應(yīng)力、圍巖性質(zhì)等因素的影響，在同一條巷道中，即使有少數(shù)錨桿拉拔力不能滿足設(shè)計(jì)要求，仍可能引起巷道垮落、冒頂?shù)仁鹿?。目前，多?shù)錨桿受力狀態(tài)和錨固質(zhì)量檢測(cè)仍停留在破壞錨固孔圍巖的試驗(yàn)階段，這種監(jiān)測(cè)方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，對(duì)錨固的圍巖體存在干擾。如果能對(duì)拉拔力進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，必將減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約支護(hù)成本，有利于煤礦安全生產(chǎn)。因此，應(yīng)用相關(guān)理論知識(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，研發(fā)了一種錨桿錨固質(zhì)量測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。

1基于相似理論確定實(shí)驗(yàn)臺(tái)相關(guān)參數(shù)

（1）相似條件與相似比實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于模擬煤礦井下錨固體的錨固質(zhì)量測(cè)試，為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，需要使實(shí)驗(yàn)臺(tái)各參數(shù)的相似條件最大程度地滿足原型，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)使用礦用螺紋鋼錨桿和樹(shù)脂錨固劑，圍巖模型所用材料與巷道圍巖的強(qiáng)度相似?？紤]到錨桿的工作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)需滿足時(shí)間、幾何等相似條件。錨桿錨固后受力變形受巷道圍巖應(yīng)力的影響，利用拉拔裝置模擬煤礦巷道錨桿受力情況，因此在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試錨桿錨固質(zhì)量時(shí)，施加拉拔力需要滿足相似條件。相似條件是指在模擬錨桿錨固實(shí)驗(yàn)時(shí)，圍巖模型變形速度與巷道圍巖形變速度的相似性。速度和時(shí)間的相似性計(jì)算應(yīng)以實(shí)際巷道圍巖變形特征為依據(jù)，油缸的加載速度通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和相關(guān)理論可以確定vR和CV的取值，從而得到油缸動(dòng)力加載的合理速度。（2）相似參數(shù)的確定實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以放置不同長(zhǎng)度圍巖模型，并滿足煤礦巷道施工時(shí)的最大錨固長(zhǎng)度，選擇合適的高度方便實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)幾何相似條件確定實(shí)驗(yàn)臺(tái)的尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為2000mm×1000mm×1000mm。圍巖模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選用不同的直徑、長(zhǎng)度的PVC管，在其內(nèi)部澆注相似模擬材料。圍巖模型采用的相似材料由與巷道中煤、巖力學(xué)性能相似的材料配制而成，例如C60強(qiáng)度的巖石由砂、硅灰、減水劑、粉煤灰、水泥、礫石、水按照一定配比混合制作而成，其他圍巖模型材料通過(guò)對(duì)應(yīng)材料配比進(jìn)行配置。在圍巖模型制作時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在其中部留設(shè)不同直徑、深度的錨固孔。

2錨桿錨固質(zhì)量測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)以相似準(zhǔn)則為理論依據(jù)、結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定各個(gè)裝置的合理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的各功能，并滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的總體要求。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由固定架、錨固裝置、拉拔裝置組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)遵循模塊化設(shè)計(jì)理念，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行相關(guān)模塊的拼裝，具有操作便捷、便于移動(dòng)、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。（1）固定架的設(shè)計(jì)固定架結(jié)構(gòu)如圖1所示。固定架用于支撐和固定相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置，主要是由支腿、上框架和下框架構(gòu)成，4個(gè)支腿分別焊接于上、下框架的4個(gè)角，上、下框架相互平行放置，支腿下端安裝底座，通過(guò)螺栓將底座固定于實(shí)驗(yàn)地面，滿足相關(guān)實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性要求。固定架的前端為安裝板，用于安裝環(huán)形油缸等相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置；固定架的上部有固定板，用于固定不同類型的圍巖模型。上、下框架分別設(shè)有固定手動(dòng)油泵、壓力表、鋼管夾具等裝置的接口。（2）錨固裝置的設(shè)計(jì)錨固裝置包括手持式錨桿鉆機(jī)、空氣壓縮機(jī)和錨桿連接器等裝置，用于將錨桿錨固于錨固孔內(nèi)。主要操作步驟：將錨固孔模型固定于固定架的固定板上，將樹(shù)脂錨固劑塞入錨固孔內(nèi)；其次，手持式錨桿鉆機(jī)夾緊錨桿連接器小直徑的一端，錨桿連接器的另一端夾緊錨桿尾部，通過(guò)錨桿鉆機(jī)帶動(dòng)錨桿在錨固孔內(nèi)攪拌樹(shù)脂錨固劑，實(shí)現(xiàn)錨桿的錨固。空氣壓縮機(jī)為錨桿鉆機(jī)提供動(dòng)力。（3）拉拔裝置的設(shè)計(jì)拉拔裝置用于對(duì)錨固后的錨桿進(jìn)行拉拔力測(cè)試，主要由環(huán)形油缸、手動(dòng)油泵和壓力表組成。拉拔裝置固定在固定架上，其工作原理：在錨桿的外露端靠近錨固孔的位置安放1個(gè)錨桿托盤(pán)，錨桿穿過(guò)環(huán)形油缸，在外端再加1個(gè)錨桿托盤(pán)并用螺母擰緊達(dá)到預(yù)緊的效果。環(huán)形油缸在手動(dòng)油泵的逐漸加壓下，使錨桿所受的拉力逐漸增大，并緩慢將錨桿從錨固孔內(nèi)拉出，壓力表實(shí)時(shí)顯示拉拔力，最終完成錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)的模擬。手動(dòng)油泵最大可以施加拉拔力300kN，環(huán)形油缸最大伸縮量為60mm。

3錨桿錨固質(zhì)量測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用

（1）錨桿錨固過(guò)程的模擬在實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行錨桿錨固前，先進(jìn)行錨固孔模型的制作。首先將相應(yīng)模擬材料按設(shè)定好的配比制作成漿液，將漿液澆入大直徑的PVC管中，PVC管的中心有一段直徑較小的PVC管用來(lái)形成錨固孔，通常錨固孔直徑為準(zhǔn)26～30mm；待砂漿固化至一定層度后，慢慢地將細(xì)PVC管抽出來(lái)，等其完全凝固，帶有錨固孔的圍巖模型便制作完成。將制作好的錨固孔模型通過(guò)弧形夾具固定于固定架上，聯(lián)接錨固裝置，在錨固孔內(nèi)塞入樹(shù)脂錨固劑，用手持式錨桿鉆機(jī)帶動(dòng)錨桿攪拌樹(shù)脂錨固劑，完成錨桿錨固。（2）錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)錨桿錨固完成后，在錨桿外露端安裝拉拔裝置，采用拉拔裝置模擬煤礦巷道錨桿受力，將手動(dòng)油泵放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上部，通過(guò)壓手動(dòng)油泵搖桿來(lái)給環(huán)形油缸施加壓力。接下來(lái)進(jìn)行錨桿錨固質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)，具體操作步驟：將傳感器安裝于錨桿尾部，通過(guò)手動(dòng)油泵對(duì)環(huán)形油缸進(jìn)行加壓，油缸壓力每增加10kN用力錘敲擊錨桿端頭1次。在實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量減少不必要的擾動(dòng)，傳感器實(shí)時(shí)接收錨桿傳遞的信號(hào)。接收信號(hào)通過(guò)無(wú)損檢測(cè)儀處理后得到響應(yīng)曲線，如圖2所示。（3）錨桿錨固的拉拔力分析錨桿錨固質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)完成后，繼續(xù)對(duì)錨桿端部施加拉拔力，使得圍巖-錨固劑界面或錨桿-錨固劑界面的黏結(jié)力達(dá)到極限狀態(tài)，隨著壓力的增加圍巖被破壞，錨桿逐漸從錨固模型中拉出。在錨桿體拉拔的過(guò)程中，得到錨桿伸長(zhǎng)量和承載力之間的關(guān)系，如圖3所示。當(dāng)錨桿承載力約為30kN時(shí)，錨固孔附近逐漸開(kāi)始出現(xiàn)小的裂縫；當(dāng)加載至65kN時(shí)錨固孔附近裂縫逐漸變大；加載至78kN時(shí)，錨桿伸長(zhǎng)量達(dá)到1.8cm，之后壓力值明顯降低，表明錨桿達(dá)到了極限拉拔力。

4結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以完成錨桿錨固過(guò)程和錨固體拉拔過(guò)程的模擬，以及錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，滿足現(xiàn)場(chǎng)錨桿錨固施工過(guò)程和錨固質(zhì)量檢測(cè)仿真教學(xué)和科研要求。應(yīng)用結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠良好地完成實(shí)驗(yàn)，達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。本文只進(jìn)行了錨桿錨固拉拔模擬、錨桿錨固質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)，目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)改變圍巖的應(yīng)力，將會(huì)在之后工作中做進(jìn)一步深入研究，不斷完善該試驗(yàn)。

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作者：呂情緒 單位：國(guó)家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)