CN103278384A - 一种煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿开采技术领域，特别涉及一种煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置及测量方法，包括施力装置、测力计、第一位移传感器、第一锚杆和第二锚杆，第一锚杆和第二锚杆均锚固在煤矿巷道煤岩体上；施力装置和测力计均设于第一锚杆上；施力装置用于对第一锚杆施加拉拔力；测力计用于检测施力装置对第一锚杆施加的拉拔力的大小；第一位移传感器的一端固定在第一锚杆上，另一端固定在第二锚杆上，用于检测第一锚杆在施力装置施加的拉拔力作用下相对于第二锚杆产生的位移。其有益效果是在煤矿巷道中得到一个位置稳定的基准点，参照该基准点测量多组拉拔力和锚杆位移量，可得到二者关系曲线，为进一步了解煤岩体锚固性能和进行锚杆支护设计打下基础。

Description

一种煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿开采技术领域，特别是涉及一种煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置及测量方法。

背景技术

随着预应力锚杆支护技术的不断改进和提高，锚固理论的不断发展和完善，以及新型高强度、超高强度锚杆材料的开发与研制，预应力锚杆已经广泛应用于水利、矿山、交通、建筑等多个领域的地下工程之中。

煤矿巷道锚杆支护设计前应进行地质力学评估，煤巷围岩地质力学评估的内容包括现场地质条件和生产条件调查、煤巷围岩物理力学性质测定、围岩结构观测、地应力测试和锚杆拉拔力试验。锚杆拉拔试验的目的是判定巷道围岩的可锚性，评价锚杆、树脂、围岩锚固系统的性能和锚杆的锚固力。围岩的可锚性试验是巷道进行锚杆支护设计的基础工作，也是判断软岩巷道或者进行瓦斯抽采的高瓦斯煤层巷道是否可采用锚杆支护的依据。特别是对于高预应力强力锚杆支护系统，围岩的可锚性是关系到锚杆支护是否成功的关键。所以，在锚杆支护设计前，必须进行煤岩体可锚性试验。

煤巷锚杆支护技术规范规定，拉拔试验主要通过对锚杆均匀逐级加载到锚杆滑动或者杆体破坏为止，由一人加载，一人记录完成。只能测出锚杆滑动或者破坏时的拉拔力，不能得到托盘等护表构件在煤壁的压入量和每个力学阶段的拉拔力与锚杆位移曲线，在进行锚杆支护设计时缺乏可靠的基础数据。

为了解决以上问题，本发明做了有益改进。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的一个要解决的技术问题是提供一种能够连续测量拉拔力和锚杆位移关系的煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置；本发明另外要解决的技术问题是还提供了采用该煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置的测量方法。

（二）技术方案

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置，包括施力装置、测力计、第一位移传感器、第一锚杆和第二锚杆，所述第一锚杆和所述第二锚杆均锚固在煤矿巷道煤岩体上；

所述施力装置和所述测力计均设于所述第一锚杆上；所述施力装置用于对所述第一锚杆施加拉拔力；所述测力计用于检测所述施力装置对所述第一锚杆施加的拉拔力的大小；

所述第一位移传感器的一端固定在所述第一锚杆上，另一端固定在所述第二锚杆上，用于检测所述第一锚杆在所述施力装置施加的拉拔力作用下相对于所述第二锚杆产生的位移。

进一步，所述第一锚杆和所述第二锚杆均锚固在煤矿巷道同侧的煤岩体上。

进一步，所述施力装置和所述测力计均设于所述第一锚杆的露于煤岩体外的一端。

进一步，所述第一位移传感器的一端与所述第一锚杆之间的固定点位于所述第一锚杆的露于煤岩体外的一端；所述第一位移传感器的另一端与所述第二锚杆之间的固定点位于与所述第二锚杆的露于煤岩体外的一端固定连接并向所述第一锚杆方向延伸的伸缩杆上。

进一步，所述第一锚杆的露于煤岩体外的一端固定连接有第一延长杆，所述第一位移传感器的一端与所述第一锚杆之间的固定点位于与所述第一延长杆固定连接的接触板上；所述第二锚杆的露于煤岩体外的一端固定连接有第二延长杆，所述第二延长杆上连接有一个旋转接头，所述第一位移传感器的另一端与所述第二锚杆之间的固定点位于与所述旋转接头固定连接并向所述第一锚杆方向延伸的伸缩杆上。

进一步，还包括用于测量煤岩体表面压入量的第二位移传感器，所述第二位移传感器的一端固定在煤岩体表面压设的托板上，所述第二位移传感器的另一端固定在与所述第二锚杆相连接的横杆上。

进一步，还包括用于测量煤岩体表面压入量的第二位移传感器，所述第二位移传感器的一端固定在煤岩体表面压设的托板上，所述测力计为千斤顶，所述第二位移传感器的另一端固定在所述千斤顶的外壳上。

本发明的另一个技术主题是，一种煤矿巷道煤岩体锚固性能测量方法，包括如下步骤：

步骤101，将权利要求1至7任一所述的煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置置于煤矿巷道内，所述第一锚杆和所述第二锚杆均锚固在煤矿巷道煤岩体上且所述第一锚杆的锚入位置位于待测煤岩体的测量点；

步骤102，通过所述施力装置对所述第一锚杆逐步施加拉拔力；

步骤103，通过所述测力计记录所述施力装置对所述第一锚杆逐步施加拉拔力的大小；

步骤104，通过所述第一位移传感器记录所述第一锚杆在所述施力装置逐步施加的拉拔力作用下相对于所述第二锚杆产生的位移；

步骤105，根据所述测力计和所述第一位移传感器所记录的数值，得到拉拔力与锚杆位移关系曲线。

进一步，在所述步骤101中，所述第一锚杆和所述第二锚杆均锚固在煤矿巷道同侧的煤岩体上。

被发明的再一个技术主题是，一种煤矿巷道煤岩体锚固性能测量方法，包括如下步骤：

步骤201，将权利要求6或7所述的煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置置于煤矿巷道内，所述第一锚杆和所述第二锚杆均锚固在煤矿巷道煤岩体上且所述第一锚杆的锚入位置位于待测煤岩体的测量点；

步骤202，通过所述施力装置对所述第一锚杆逐步施加拉拔力；

步骤203，通过所述测力计记录所述施力装置对所述第一锚杆逐步施加拉拔力的大小；

步骤204，通过所述第一位移传感器记录所述第一锚杆在所述施力装置逐步施加的拉拔力作用下相对于所述第二锚杆产生的位移；

步骤205，通过所述第二位移传感器记录所述托板在所述施力装置逐步施加的拉拔力作用下相对于所述第二锚杆产生的位移；

步骤206，根据所述测力计和所述第一位移传感器所记录的数值，得到拉拔力与锚杆位移关系曲线；

步骤207，根据所述测力计和所述第二位移传感器所记录的数值，得到拉拔力与煤壁压入量关系曲线。

（三）有益效果

与现有技术和产品相比，本发明有如下优点：

1、由于第一锚杆在拉拔力下产生的位移很小，所以测试装置对基准点的稳定要求较高，本发明将位移传感器固定在第二锚杆上，而第二锚杆是锚固在煤岩体上的，因此我们就可以先在煤矿巷道中得到一个位置稳定的基准点，参照这个基准点我们就可以通过逐步增大拉拔力，连续测量不同拉拔力时对应的第一锚杆的位移，从而得到拉拔力与第一锚杆位移的曲线，提高了人们对煤岩体锚固性能的了解，人们还可根据该曲线算得锚杆锚固力、锚杆位移和托盘在煤壁的压入量，进一步提高煤矿井下煤岩体锚固性能测试水平，同时，还可以在锚杆支护设计时，根据该曲线来设计锚杆预紧力和进行护表构件如托盘或钢带的选择提供参考，对进一步提高锚杆支护设计的科学合理性并为完善锚杆支护理论提供了数据基础。

2、进一步，将第一锚杆和第二锚杆固定在煤矿巷道同侧的煤岩体上或任取同侧煤岩体侧壁上的任意两根相邻锚杆进行测试，可以节省测量空间，也就是测量过程仅在煤矿巷道中所测的煤岩体一侧进行，测量时不影响巷道中正常行人和行车。

3、还可以进一步测量护表构件在煤壁表面的压入量与拉拔力的曲线。

4、本发明结构简单，易于实现，成本低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、施力装置，2、测力计，3、第一位移传感器，4、第一锚杆，5、第二锚杆，6、旋转接头，7、伸缩杆，8、接触板，9、托板，10、第二位移传感器，11、第一延长杆，12、第二延长杆，13、横杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

如图1所示，本发明包括施力装置1、测力计2、第一位移传感器3、第一锚杆4和第二锚杆5，第一锚杆4和第二锚杆5均锚固在煤矿巷道煤岩体上，第一锚杆4的露于煤岩体外的一端连接连接有第一延长杆11，第一延长杆11上连接有施力装置1和测力计2；这里设置第一延长杆11的目的是：有的锚杆露在煤岩体外的部分太短，因此增设延长杆后便于在上面再设置传感器和拉拔装置。施力装置1用于对第一锚杆4施加拉拔力；测力计2用于检测施力装置1对第一锚杆4施加拉拔力的大小。其中，施力装置1可以采用手动泵，测力计2可采用普通的压力传感器或液压千斤顶；在设备连接方面，既可以是施力装置1通过测力计2再连接到第一锚杆4上，为连接方便，当然是优选连接到第一锚杆4的露于煤岩体外的一端，还可以是施力装置1直接与第一锚杆4相连，然后在施力装置1上单独设置测力计2。

第一锚杆4的露于煤岩体外的一端固定连接有第一延长杆11，第一延长杆11上还连接有接触板8，第一位移传感器3的一端固定在接触板8上；第二锚杆5的露于煤岩体外的一端固定连接有第二延长杆12，第二延长杆12上连接有一个旋转接头6，旋转接头6连接有一根向第一锚杆4方向延伸的伸缩杆7，第一位移传感器3的另一端固定在伸缩杆7上；这里所说的第一位移传感器3的连接，实际上是指第一传感器上的位置感应片的连接，例如，第一位移传感器3的一端固定在一端固定在伸缩杆7上，第一位移传感器3里面的位置感应片顶住接触板8，第一位移传感器3用于检测第一锚杆4在施力装置1施加的拉拔力作用下相对于第二锚杆5产生的位移，或者说检测的是第一锚杆相对于一个固定的基准点的位移。这样设置的好处是，由于每次测量时，第一锚杆4露于煤岩体外的长度和第二锚杆5露于煤岩体外的长度难免不一致或者两根锚杆的角度不一致，这时可以通过旋转接头6进行调整；还有每次测量时，第一锚杆4和第二锚杆5之间的距离也难免是不一样的，这时可通过伸缩杆7进行调整。

此时，虽然第一位移传感器3被固定在接触板8和伸缩杆7之间，但伸缩杆7是通过旋转接头6固定在锚固于煤岩体内的第二锚杆5上的，触发板8是固定连接在第一锚杆4上的，那么实际上相当于第一位移传感器3被固定在第一锚杆4和第二锚杆5之间，由于第二锚杆5是一个锚入煤岩体的稳固的、不会发生变形的基准点，第一位移传感器3的另一端就相当于是固定在煤矿巷道中的一个位置稳定的基准点上。而在煤矿巷道中测试拉拔力与锚杆位移的曲线要求比较严格，要求测量装置能测量出每次拉拔力变化所带来的微小位移，因此本装置对参照点位置稳定和位移传感器稳定的要求都比较高，而巷道中又很难找到稳定的位置参照点，上述的设置方式有效的避免了因找不到稳定的基准点只能在锚杆发生动作时测量单点数据而无法得到多组连续测量数据的情况，而且还可以进一步通过旋转接头6和伸缩杆7的调整，即使锚杆设置的位置不同，但仍具有较好的适用性。通过这个基准参照点我们就可以准确、连续的测量多组拉拔力和锚杆位移的数值，从而得到拉拔力与锚杆位移的曲线。

如果锚杆露于煤岩体外的长度如果足够长，当然还可以无需设置延长杆，上述施力装置、测力计、第一位移传感器直接设置在锚杆露于煤岩体外的一端即可，例如，第二锚杆露于煤岩体外的一端直接固定有一根向第一锚杆伸出的伸缩杆，该伸缩杆上固定有第一位移传感器，第一位移传感器的另一端直接固定在第二锚杆5上，也是可以的。

进一步，第一锚杆4和第二锚杆5均锚固在煤矿巷道同侧的煤岩体上，也就是说，既可以采用固定在巷道中同侧煤岩体外壁的任意两根已锚固好的锚杆进行测试，也可以是将两根锚杆现用现锚入煤矿巷道的同侧。一般来说，两根锚杆之间的距离可在100mm-2000mm之间，其间距不宜过大也不宜过小，如果间距过大，则传感器之间的安装连接不方便，还容易产生测量误差；如果间距过小，可能会导致第二锚杆受到第一锚杆拔出的影响而产生微小位置变化，也导致产生测量误差，当然，煤岩体本身还是比较硬的，即使间距小于100mm也不是不可以测量的，只不过应稍留出一定安全距离而已；为了便于安装操作，现场往往两锚杆间距保持在500mm-1200mm为宜。与第一锚杆4、第二锚杆5分别在煤矿巷道分别设置在煤矿巷道对侧的煤岩体上相比，这样设置可节省进行测量活动时所占用空间，也就是整个测量过程仅需要在煤矿巷道中所测煤岩体一侧进行，测量时不会占用整个巷道，不会影响到巷道中人和车的正常通行。

最后，将测得的各点不同的拉拔力值及其对应的位移值上传给存储器或应变仪，记录测量数据。根据测得的拉拔力与锚杆位移曲线，人们可以更好的掌握煤岩体的锚固性能，并反过来改进设计锚杆、支护系统、更合理的设置锚杆的预紧力等等，来提高锚杆支护设计水平。

进一步的，还可以通过设置第二位移传感器10来测量施加拉拔力时煤壁表面的压入量大小，可以这样实现，由于煤矿巷道煤岩体的表面一般情况下都盖压有托板9，可以将第二位移传感器10的一端连接到托板9上，另一端固定到与第二锚杆5相连接并向第一锚杆4方向延伸的横杆13上，这样就可以通过第二位移传感器10测得托板9相对于固定的第二锚杆5的位移量，即得到了在对第一锚杆逐步施加的拉拔力作用下，煤壁表面压入量的位移大小，从而得到煤壁表面压入量随拉拔力变化的曲线，为更全面了解和把握锚固性能提供了数据基础。当然，这里也可以仿效与第一位移传感器相类似的连接方式，即设置类似的旋转接头和伸缩杆，适应不同的两根锚杆间的距离和角度的需要。在实际中，如果测力计2采用千斤顶，则还可以将第二位移传感器10的另一端固定在千斤顶的外壳上，因为千斤顶的外壳相对于与千斤顶的顶轴相接触的第一锚杆以及托板9来说也是固定的，只不过其固定性不如第二锚杆5好，这种连接装置在精确度要求不高的场合也可以使用，同样可以完成测量工作。

使用时，通过施力装置1对第一锚杆4由小到大逐步施加拉拔力，通过测力计2测量并记录所施加的拉拔力大小，通过第一位移传感器3记录在逐渐增大的拉拔力的作用下，第一锚杆4相对于稳固的固定点即第二锚杆5的位移；进一步，还可以通过第二位移传感器10记录在上述逐渐增大的拉拔力的作用下，煤壁压入量的大小。这样，就可以得到当施加不同的拉拔力时，所对应的第一锚杆的位移量和所对应的托板的位移量，进而得到拉拔力与锚杆位移关系曲线、拉拔力与煤壁压入量关系曲线。为了使最终得到的曲线更精确，一般在煤岩体不同位置先选取几个测量点，将第一锚杆逐个锚入这些测量点，分别测量记录，得到多组数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置，其特征在于：包括施力装置、测力计、第一位移传感器、第一锚杆和第二锚杆，所述第一锚杆和所述第二锚杆均锚固在煤矿巷道煤岩体上；

所述施力装置和所述测力计均设于所述第一锚杆上；所述施力装置用于对所述第一锚杆施加拉拔力；所述测力计用于检测所述施力装置对所述第一锚杆施加的拉拔力的大小；

所述第一位移传感器的一端固定在所述第一锚杆上，另一端固定在所述第二锚杆上，用于检测所述第一锚杆在所述施力装置施加的拉拔力作用下相对于所述第二锚杆产生的位移。

2.根据权利要求1所述的煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置，其特征在于：所述第一锚杆和所述第二锚杆均锚固在煤矿巷道同侧的煤岩体上。

3.根据权利要求1所述的煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置，其特征在于：所述施力装置和所述测力计均设于所述第一锚杆的露于煤岩体外的一端。

4.根据权利要求1所述的煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置，其特征在于：所述第一位移传感器的一端与所述第一锚杆之间的固定点位于所述第一锚杆的露于煤岩体外的一端；所述第一位移传感器的另一端与所述第二锚杆之间的固定点位于与所述第二锚杆的露于煤岩体外的一端固定连接并向所述第一锚杆方向延伸的伸缩杆上。

5.根据权利要求1所述的煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置，其特征在于：所述第一锚杆的露于煤岩体外的一端固定连接有第一延长杆，所述第一位移传感器的一端与所述第一锚杆之间的固定点位于与所述第一延长杆固定连接的接触板上；所述第二锚杆的露于煤岩体外的一端固定连接有第二延长杆，所述第二延长杆上连接有一个旋转接头，所述第一位移传感器的另一端与所述第二锚杆之间的固定点位于与所述旋转接头固定连接并向所述第一锚杆方向延伸的伸缩杆上。

6.根据权利要求1至5任一所述的煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置，其特征在于：还包括用于测量煤岩体表面压入量的第二位移传感器，所述第二位移传感器的一端固定在煤岩体表面压设的托板上，所述第二位移传感器的另一端固定在与所述第二锚杆相连接的横杆上。

7.根据权利要求1至5任一所述的煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置，其特征在于：还包括用于测量煤岩体表面压入量的第二位移传感器，所述第二位移传感器的一端固定在煤岩体表面压设的托板上，所述测力计为千斤顶，所述第二位移传感器的另一端固定在所述千斤顶的外壳上。

8.一种煤矿巷道煤岩体锚固性能测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤101，将权利要求1至7任一所述的煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置置于煤矿巷道内，所述第一锚杆和所述第二锚杆均锚固在煤矿巷道煤岩体上且所述第一锚杆的锚入位置位于待测煤岩体的测量点；

步骤102，通过所述施力装置对所述第一锚杆逐步施加拉拔力；

步骤103，通过所述测力计记录所述施力装置对所述第一锚杆逐步施加拉拔力的大小；

步骤104，通过所述第一位移传感器记录所述第一锚杆在所述施力装置逐步施加的拉拔力作用下相对于所述第二锚杆产生的位移；

步骤105，根据所述测力计和所述第一位移传感器所记录的数值，得到拉拔力与锚杆位移关系曲线。

9.根据权利要求8所述的煤矿巷道煤岩体锚固性能测量方法，其特征在于：在所述步骤101中，所述第一锚杆和所述第二锚杆均锚固在煤矿巷道同侧的煤岩体上。

10.一种煤矿巷道煤岩体锚固性能测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤201，将权利要求6或7所述的煤矿巷道煤岩体锚固性能测试装置置于煤矿巷道内，所述第一锚杆和所述第二锚杆均锚固在煤矿巷道煤岩体上且所述第一锚杆的锚入位置位于待测煤岩体的测量点；

步骤202，通过所述施力装置对所述第一锚杆逐步施加拉拔力；

步骤203，通过所述测力计记录所述施力装置对所述第一锚杆逐步施加拉拔力的大小；

步骤204，通过所述第一位移传感器记录所述第一锚杆在所述施力装置逐步施加的拉拔力作用下相对于所述第二锚杆产生的位移；

步骤205，通过所述第二位移传感器记录所述托板在所述施力装置逐步施加的拉拔力作用下相对于所述第二锚杆产生的位移；

步骤206，根据所述测力计和所述第一位移传感器所记录的数值，得到拉拔力与锚杆位移关系曲线；

步骤207，根据所述测力计和所述第二位移传感器所记录的数值，得到拉拔力与煤壁压入量关系曲线。

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