CN103822745B - 一种研究钻孔流水和渗水条件下锚杆锚固力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究钻孔流水和渗水条件下锚杆锚固力的装置及研究方法，装置包括实验平台，实验平台的台面和底座分别为两块铁板，两块铁板由支撑架连接，实验平台的台面设有三对固定孔，其中两对固定孔通过固定夹固定钢管，另一对通过固定夹固定接水管路，接水管路穿过设置于实验平台台面一侧的水管固定孔，钢管一端密封且在密封面上设有9个小孔，接水管路一端连接钢管密封的一端并将小孔密封包裹，钢管另一端插入锚杆，固定夹与钢管之间还垫有橡胶皮套，钢管内部密封的一端填充锚固剂。本发明的有益效果是提供了一种适于钻孔有水情况下锚杆锚固力研究的装置和研究方法。

Description

一种研究钻孔流水和渗水条件下锚杆锚固力的装置及方法

技术领域

本发明属于锚杆锚固性能研究技术领域，涉及一种研究钻孔流水和渗水条件下锚杆锚固力的装置及方法。

背景技术

锚杆是岩土体加固的杆件体系结构，锚杆作为地下工程和岩石边坡的主要支护形式之一,对土木工程稳定性的维护起着重要作用,尤其是在节理裂隙岩体中,锚杆对岩体的加固作用十分明显。锚杆锚固部分与岩体的结合力是锚杆最重要的性能参数，也是锚杆的最大承载能力。锚固力愈大锚杆作用愈可靠，锚固效果愈好。其大小用拉拔试验测试，同一根锚杆测得的最大抗拉拔力即锚固力。煤矿井下巷道有两帮和底板渗水的现象，当进行锚杆支护时，预先打好的用来锚固锚杆的钻孔经常会见到有水的现象。对于锚杆钻孔的水存在两种情况：一是有一定水量从锚杆钻孔流出的情况，该类条件下，钻孔中的水有可靠的补充源，短时间内水流不会停止，并可能有一定水压；其二是锚杆钻孔内有残留积水的情况。由于现场多用树脂锚杆进行锚固，树脂锚固剂会由于这两种情况产生的水不同程度低影响锚杆的锚固能力，即水会降低树脂凝固时的粘结能力，有流水和积水情况下的影响程度和方式是不同的，现场难以实现对这两种情况的影响进行研究。本发明能够在实验室模拟井下巷道围岩钻孔内有不同水压的流水和钻孔有不同积水量情况下，进行树脂锚杆锚固力影响程度的研究。

我国对锚杆锚固力已经有一定的研究，针对我国的地质开采条件和经济条件，研究锚杆与不同条件下围岩的相互作用关系，采取合理的锚固形式，提高锚杆锚固力，并使其得到充分发挥，对推动我国锚杆支护的发展，扩大锚杆支护应用范围具有重要意义。但是，煤矿井下的条件是复杂多变的，尤其随着矿井的深部开采及水平延深，在巷道经常会出现顶板淋水和渗水的情况，一些钻孔的水压较大。如河南省的永城、平顶山、鹤壁矿区均不同程度地存在顶板淋水现象。在此种情况下，推广应用锚杆支护，锚杆的锚固力往往低于理论计算值，甚至完全丧失，因此，保证锚杆的锚固力是支护成败的关键。

水对巷道岩石的影响涉及到许多复杂的过程，目前对水在多大程度上影响岩石的变形与破坏，以及水如何改变岩石的力学参数还缺乏系统的认识。水作为自然界极其常见的流体，常常影响受力岩石的变形过程，在很多情况下会加速甚至诱发岩石的变形与破坏。人们对此作过许多研究，但是由于岩石性质的多变以及研究者所关注的问题不同，多数研究结果是比较零散的，一些结论相互之间也是矛盾的。水在岩石中的作用与岩石的结构特征有很大关系，主要表现在两个方面：一是水的物理化学作用，二是水的力学效应。这两种作用常常相互耦合，对岩石的受力过程产生复杂的影响。锚杆是锚固在围岩体上的，锚杆的锚固力与围岩的强度有着很大的关系。水对巷道围岩的物理化学作用以及力学作用，使得围岩的稳定程度大大降低，加剧了围岩的变形和破坏，当巷道进行锚杆支护时，往往会出现锚杆的锚固力不够，其支护的可靠性差等特点。目前，对于水对锚杆锚固力的研究尚未涉及。在有顶板淋水和巷道周围渗水作用的巷道开掘以后，围岩强度受到水的作用随时间发生变化，如能及时进行锚杆支护，既可防止巷道表面岩石剥落，还可保持一种良好的状态，防止内部围岩强度的弱化。要进行可靠的锚杆支护关键在于掌握有水作用下锚杆锚固能力的变化有足够的认识，从而采用相应的措施保证锚杆锚固力的持续下降。

关于钻孔水对锚杆锚固力的影响的研究，国内外研究较少，在现场研究难度尤其大，其主要原因是，无法确定钻孔流水和渗水量的测量,以及受到钻孔岩性的很大程度的影响。而在实验室进行该方面的研究，目前仍没有开展，本发明通过自行研制的装置，实现了在实验室内对钻孔内有流动水和渗水条件下锚杆锚固力影响的研究。

发明内容

本发明的目的在提供一种研究钻孔流水和渗水条件下锚杆锚固力的装置，解决了目前没有合适的设备，无法开展对钻孔内存在水的情况下进行锚杆锚固力研究的问题。

本发明还提供了一种锚杆锚固力研究方法。

本发明所采用的技术方案其一是包括实验平台，实验平台的台面和底座分别为两块铁板，两块铁板由支撑架连接，实验平台的台面设有三对固定孔，其中两对固定孔通过固定夹固定钢管，另一对通过固定夹固定接水管路，接水管路穿过设置于实验平台台面一侧的水管固定孔，钢管一端密封且在密封面上设有9个小孔，接水管路一端连接钢管密封的一端并将小孔密封包裹，钢管另一端插入锚杆，固定夹与钢管之间还垫有橡胶皮套，钢管内部密封的一端填充锚固剂。进行锚固力研究的方法为将实验平台放倒使钢管密封端垂直向下，在钢管内放入锚固剂，向钢管内注入一定量的水，将锚杆一端插入钢管内，用煤电钻的连接器夹紧锚杆另一端，转动锚杆进行搅拌，并边转动边把锚杆插入钢管的一端匀速的推向钢管的密封端底部，转动锚杆进行搅拌的时间为10秒，并使锚杆位于钢管轴线上，搅拌结束后3分钟后卸下煤电钻，1个小时后用拉拔计对锚杆进行拉拔实验。

本发明所采用的技术方案其二是包括实验平台，实验平台的台面和底座分别为两块铁板，两块铁板由支撑架连接，实验平台的台面设有三对固定孔，固定孔通过固定夹固定钢管，钢管一端密封，钢管另一端插入锚杆，固定夹与钢管之间还垫有橡胶皮套，钢管内部密封的一端填充锚固剂。进行锚固力的研究方法为将接水管路一端连在自来水管路上，通过自来水管路上带有的截止阀来控制水流量，打开截止阀，让一定量的水经过钢管流出，此时在钢管内放入锚固剂，将锚杆一端插入钢管内，用煤电钻的连接器夹紧锚杆另一端，转动锚杆进行搅拌，并边转动边把锚杆插入钢管的一端匀速的推向钢管的密封端底部，转动锚杆进行搅拌的时间为10秒，并使锚杆位于钢管轴线上，搅拌结束后3分钟后卸下煤电钻，1个小时后用拉拔计对锚杆进行拉拔实验。

本发明的特点还在于钢管内径为28mm，长度为200mm；锚杆为直径20mm的无纵筋左旋螺纹钢，长度为280mm；锚固剂采用不饱和树脂药卷Z2310型树脂药卷，直径为23mm，长度为100mm；小孔直径为4mm。锚杆一端加工成长度20mm、直径12mm的圆杆，紧挨圆杆加工有长度50mm的螺纹。

本发明的有益效果是提供了一种适于钻孔有水情况下锚杆锚固力研究的装置和研究方法。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明钢管密封端结构示意图。

图中，1.实验平台，2.固定孔，3.固定夹，4.钢管，5.接水管路，6.水管固定孔，7.小孔，8.锚杆，9.橡胶皮套。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明中采用的实验装置是根据试验方案自行设计的，所采用的锚杆8、锚固剂和钻孔孔径尺寸，施工工序与现场相似，但长度进行了缩小。试验采用钢管4模拟钻孔，钢管4内径选用φ28mm，根据现场实际情况及理论分析，孔径可相差4～12mm为宜，试验锚杆8采用φ20mm的无纵筋左旋螺纹钢锚杆，锚固剂即树脂药卷采用不饱和树脂药卷。实验器材参数见表1。

表1

试验需要对钢管4、锚杆8、树脂药卷加工，此外还有用来试验用的接水管路5和试验平台1，如图1所示。

用钢管4模拟钻孔内有积水情况时，钢管4的一端被焊接封闭，试验时将钢管4封闭端向下竖直放置，通过往钢管4内加水来模拟钻孔内有积水情况。模拟钻孔内有流动水情况时，在钢管4的封闭端底部用电钻均匀打上直径为φ4mm的9个小孔7。试验时，将接水管路5连接在试验钢管打孔的端部，通以水量来模拟钻孔流水情况。为了电钻能够夹紧锚杆8进行锚固，试验锚杆8一端加工螺纹端，并加工一段长20mm，φ12mm的等截面圆杆，试验器材介绍如下：

（1）锚杆固定台：

根据试验内容，设计的用来固定钢管4用的铁架。铁架高1000mm，上下采用两块铁板焊接，上面的铁板用电钻钻有6个即3对小孔7，用来安放固定夹以固定钢管4。

（2）试验锚杆8：

锚杆8选用直径φ20mm的无纵筋左旋螺纹钢锚杆截取制成，试验锚杆8总长280mm，为拉拔所用，在试验锚杆一端头加工有长50mm的螺纹。为了便于电钻能够夹紧锚杆8进行锚固，在锚杆8的螺纹端加工一段长20mm，φ12mm的等截面圆杆。

（3）试验钢管4：

由“三径”合理匹配的关系，对于无纵筋左旋螺纹钢锚杆8，孔径与杆径之差应在4～10mm之间。试验钢管4采用直径φ28mm，长度为200mm。根据试验要求，要对钢管4进行两种不同的加工：一种是模拟钻孔内有积水的情况，即将钢管4的一端部焊接封闭；另一种是模拟钻孔内有流动水情况，先将钢管4的一端封闭，然后在钢管的封闭端底部用电钻均匀打上直径φ4mm的9个小孔7。模拟钻孔见图2，上面仅仅封闭一端的为模拟钻孔有积水的情况，下部制作了很多小孔在封闭端的用来模拟钻孔有流水的情况。

（4）试验锚固剂：

树脂药卷采用焦作煤业集团研究所生产的不饱和树脂药卷。试验用的树脂药卷采用直径φ23mm，长度100mm的Z型不饱和树脂药卷，即Z2310型树脂药卷。

（5）接水管路及水量控制阀：

接水管路5由水管和橡胶皮管组成。为防止水从接头处流出，接水管路5与钢管4连接时接头要密封。水量控制阀是连接在水管上控制一定水量的控制装置，采用柱塞截止阀。

（6）锚固及拉拔工具：

试验拉拔时采用ZY-10型数显式锚杆拉拔计，拉拔计的最大值为100kN，能精确到1kN。试验锚杆的锚固采用普通手电钻。

模拟钻孔有积水的试验步骤如下：

1）固定模拟钻孔：

用固定夹将钢管4（无小孔且封闭了一端的钢管）通过铁架上的固定孔固定在铁架上。为了将钢管4固定牢靠，每个固定夹3与钢管4之间垫入一个橡胶皮垫9。

2）放入锚固剂药卷：

放入锚固剂药卷前，先将铁架放倒在水平地面上，使得两铁板垂直于地面，然后在钢管4内预先放入一个试验锚固剂。在放入锚固剂前要查看一下，锚固剂卷是否合格，以确保其锚固质量。

3）加入水量：

按照试验方案，用量筒量取一定量的水倒入钢管内，为尽量减少误差，要将量筒的水倒净，也不允许有水滴从钢管内溅出。每次试验对加入的水量要纪录。

4）搅拌：

搅拌树脂锚固剂所用的工具为煤电钻。利用煤电钻的连接器夹紧锚杆8尾部的圆杆部分，然后转动锚杆8进行搅拌，并边搅拌边把锚杆8匀速地推向钢管4底。本工序是安装锚杆8的重要环节，核心技术是掌握好搅拌时间和推进速度。根据树脂类型及树脂长度，试验的搅拌时间掌握在10秒。搅拌时间不能延长不能缩短，搅拌时间过长反而破坏固化的锚固剂，时间过短则固化剂不能均匀混合，影响固化。推进速度要均匀，要求是在搅拌完成时正好将锚杆推到钢管4底部。搅拌时，中间不能停顿，并尽量使锚杆8位于钢管4轴线上。

5）固定杆体：

搅拌完毕后，为避免锚杆8在取下电钻时发生移动而影响锚固力，应在搅拌结束后等待3分钟，等固化剂初凝后并具有一定的初凝力，再卸下煤电钻。

6）拉拔试验：

当锚杆8锚固1小时后，从铁架上卸下钢管4，在ZY-10型拉拔计上对锚固锚杆进行拉拔试验。进行拉拔试验前要先对ZY-10型拉拔计上的数字压力表进行调零，然后将液压千斤顶放置到托板和螺母之间，拧紧螺母，施加一定的预紧力，然后用手动液压泵加压，同时注意数字压力表的读数，当数字压力表的读数下降时，停止加压，纪录此时压力表的最大值进行分析。

第二种模拟钻孔有流水的试验，采用的钢管4为封闭端有小孔7的钢管4，并在钢管4有小孔7的端部接有接水管路5，如图2所示。试验时，首先将钢管4固定在铁架上，在钢管下方，铁架的旁边放一个盛水装置。将接水管路5一端连接在钢管4有小孔7的端部，另一端连在自来水管路上，通过自来水管路上带有的截止阀，即流量控制阀来控制水流量。打开截止阀，让一定量的水经过钢管流出，水流在盛水装置内，记录此时的流水量。在钢管4内放入一个锚固剂，利用电钻夹紧锚杆进行锚固，按照试验方案，用量筒量取一定量的水倒入钢管内，为尽量减少误差，要将量筒的水倒净，也不允许有水滴从钢管内溅出。每次试验对加入的水量要纪录。搅拌树脂锚固剂所用的工具为煤电钻。利用煤电钻的连接器夹紧锚杆8尾部的圆杆部分，然后转动锚杆8进行搅拌，并边搅拌边把锚杆8匀速地推向钢管4底。本工序是安装锚杆8的重要环节，核心技术是掌握好搅拌时间和推进速度。根据树脂类型及树脂长度，试验的搅拌时间掌握在10秒。搅拌时间不能延长不能缩短，搅拌时间过长反而破坏固化的锚固剂，时间过短则固化剂不能均匀混合，影响固化。推进速度要均匀，要求是在搅拌完成时正好将锚杆推到钢管4底部。搅拌时，中间不能停顿，并尽量使锚杆8位于钢管4轴线上。搅拌完毕后，为避免锚杆8在取下电钻时发生移动而影响锚固力，应在搅拌结束后等待3分钟，等固化剂初凝后并具有一定的初凝力，再卸下煤电钻。当锚杆8锚固1小时后，从铁架上卸下钢管4，在ZY-10型拉拔计上对锚固锚杆进行拉拔试验。进行拉拔试验前要先对ZY-10型拉拔计上的数字压力表进行调零，然后将液压千斤顶放置到托板和螺母之间，拧紧螺母，施加一定的预紧力，然后用手动液压泵加压，同时注意数字压力表的读数，当数字压力表的读数下降时，停止加压，纪录此时压力表的最大值进行分析。试验后对不同流水量或有水压的锚固试验进行分析。

钢管4和试验平台1的连接可以用U型固定卡或者螺栓固定，钢管4根据要求可选用钢管或其它材料代替，锚杆8、钢管4和锚固剂的长度可以根据要求制作。

本发明的优点：试验方法简单，在自制的试验平台上可以实现两种不同水存在状态下对锚杆锚固的影响，与现场施工工艺一致。通过一端封闭钢管模拟钻孔有积水的情况，实现了在该种条件下树脂锚杆锚固力受水影响的分析。通过一端留小孔未完全封闭的情况模拟钻孔有流水的情况，实现了该种条件下树脂锚杆锚固力受水影响的分析。可以在实验室内模拟钻孔有不同水压力条件下树脂锚固剂锚固力受影响的规律。可以在实验室内模拟钻孔有不同水量条件下树脂锚固剂锚固力受影响的规律。

Claims (5)

1.一种研究钻孔流水和渗水条件下锚杆锚固力的装置，其特征在于：包括实验平台(1)，实验平台(1)的台面和底座分别为两块铁板，两块铁板由支撑架连接，实验平台(1)的台面设有三对固定孔(2)，其中两对固定孔(2)通过固定夹(3)固定钢管(4)，另一对通过固定夹(3)固定接水管路(5)，接水管路(5)穿过设置于实验平台(1)台面一侧的水管固定孔(6)，钢管(4)一端密封且在密封面上设有9个小孔(7)，接水管路(5)一端连接钢管(4)密封的一端并将小孔(7)密封包裹，钢管(4)另一端插入锚杆(8)，固定夹(3)与钢管(4)之间还垫有橡胶皮套(9)，钢管(4)内部密封的一端填充锚固剂。

2.按照权利要求1所述一种研究钻孔流水和渗水条件下锚杆锚固力的装置，其特征在于：所述钢管(4)内径为28mm，长度为200mm；所述锚杆(8)为直径20mm的无纵筋左旋螺纹钢，长度为280mm；所述锚固剂采用不饱和树脂药卷Z2310型树脂药卷，直径为23mm，长度为100mm；所述小孔(7)直径为4mm。

3.按照权利要求1所述一种研究钻孔流水和渗水条件下锚杆锚固力的装置，其特征在于：所述锚杆(8)一端加工成长度20mm、直径12mm的圆杆，紧挨圆杆加工有长度50mm的螺纹。

4.应用权利要求1所述一种研究钻孔流水和渗水条件下锚杆锚固力的装置的渗水条件下的方法，其特征在于按照以下步骤进行：将实验平台(1)放倒使钢管(4)密封端小孔(7)封闭垂直向下，在钢管(4)内放入锚固剂，向钢管(4)内倒入一定量的水，将锚杆(8)一端插入钢管(4)内，用煤电钻的连接器夹紧锚杆(8)另一端，转动锚杆(8)进行搅拌，并边转动边把锚杆(8)插入钢管(4)的一端匀速的推向钢管(4)的密封端底部，转动锚杆(8)进行搅拌的时间为10秒，并使锚杆(8)位于钢管轴线上，搅拌结束后3分钟后卸下煤电钻，1个小时后用拉拔计对锚杆(8)进行拉拔实验。

5.应用权利要求1所述一种研究钻孔流水和渗水条件下锚杆锚固力的装置的流水条件下的方法，其特征在于按照以下步骤进行：将接水管路(5)一端连在自来水管路上，将接水管路(5)另一端连接在钢管有小孔的端部，通过自来水管路上带有的截止阀来控制水流量，打开截止阀，让一定量的水经过钢管流出，此时在钢管(4)内放入锚固剂，将锚杆(8)一端插入钢管(4)内，用煤电钻的连接器夹紧锚杆(8)另一端，转动锚杆(8)进行搅拌，并边转动边把锚杆(8)插入钢管(4)的一端匀速的推向钢管(4)的密封端底部，转动锚杆(8)进行搅拌的时间为10秒，并使锚杆(8)位于钢管轴线上，搅拌结束后3分钟后卸下煤电钻，1个小时后用拉拔计对锚杆(8)进行拉拔实验。