CN104089831A - 一种用于测试锚杆剪切载荷的试验台及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿山支护技术领域，具体涉及了一种用于测试锚杆剪切载荷的试验台及测试方法，该试验台包括用于矿山支护的锚杆，还包括工作测试台、剪切装置、固定钻孔模型、随动钻孔模型和液压传感器，锚杆锚固于固定钻孔模型和随动钻孔模型的钻孔内，固定钻孔模型安装于工作测试台上，剪切装置驱动随动钻孔模型沿锚杆径向滑移，在固定钻孔模型与随动钻孔模型之间形成对锚杆的剪切面，液压传感器安装于剪切油缸加载油路系统上，用于测试剪切装置的油缸系统压力；通过该试验台实现在实验室内对锚杆抗剪性能的测试，为锚杆支护理论研究和复杂应力条件下的锚杆支护设计提供依据，对深化锚杆支护机理研究和保证工程安全具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及矿山支护技术领域，尤其涉及一种用于测试锚杆剪切载荷的试验台及测试方法。
背景技术
目前，锚杆支护已成为煤矿巷道安全高效的主要支护方式，在我国煤矿巷道中得到大面积推广应用。锚杆支护是将锚杆锚固于煤岩体内，拧紧杆尾螺母，对围岩施加预应力，约束巷道围岩的变形离层、碎胀与滑移错动。
锚杆实际工作过程中的受力情况十分复杂，巷道围岩发生离层变形时，岩层内部分层面不可避免地发生滑移错动。穿过分层面并锚固于岩层中的锚杆，在岩层滑移面处承受岩层滑动时造成的剪切载荷，杆体发生剪切变形，锚杆实际承载力下降。
研究锚杆工作过程承受围岩剪切载荷的测试方法主要有两大类：井下试验与实验室试验。
井下试验主要通过安装测力计或液压枕等测试仪器，测试锚杆轴向受力，评价锚杆的工作状态。井下试验获得的数据为现场实测数据，能够真实反映井下锚杆工作状况。但是，井下试验的缺点是：只能测试锚杆在各种外力综合作用下形成的轴向力，无法直接测试岩层间错动时作用于锚杆的剪切载荷，也无法观测剪切载荷作用造成的杆体变形。由于井下特殊的环境，一些先进的监测方法与仪器的应用也受到限制，不能准确有效地测试出锚杆工作过程中承受的剪切载荷。
实验室试验目前主要进行锚杆杆体试件的剪切试验。实验室试验测试的数据准确，能够反映锚杆材料的基本力学性能。但是，实验室试验缺点是：只反映锚杆材料使用标准剪切模具加载时的抗剪性能，缺少模拟井下岩层间错动对锚杆进行剪切加载的试验设备，无法测试处于支护状态的锚杆承受岩层滑移剪切载荷的能力。
因此，针对以上不足，需要一种能够在实验室内模拟井下岩层间错动时对锚杆进行剪切加载的试验台及应用该试验台准确有效地测试出锚杆工作过程承受围岩剪切载荷的方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供了一种用于测试锚杆剪切载荷的试验台及测试方法，使得在实验室内能够模拟井下岩层间错动时对支护状态的锚杆进行剪切，并准确有效地测试出锚杆承受围岩剪切载荷的能力，而且可对锚杆剪切变形进行剖切观察。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于测试锚杆剪切载荷的试验台，包括用于矿山支护的锚杆，还包括工作测试台、剪切装置、固定钻孔模型、随动钻孔模型和液压传感器，所述锚杆插入并锚固于随动钻孔模型和固定钻孔模型的钻孔内，所述固定钻孔模型固定安装于工作测试台上，所述剪切装置驱动所述随动钻孔模型沿锚杆径向滑移，使所述锚杆在固定钻孔模型与随动钻孔模型之间形成剪切面，所述液压传感器用于测试剪切装置加载油路的系统压力。
其中，所述剪切装置包括油缸、剪切滑块、剪切部机架，所述剪切部机架安装于工作测试台上，所述剪切部机架上设有垂直于锚杆轴向的导向滑槽，所述剪切滑块滑动安装于所述导向滑槽内，所述油缸与剪切滑块对应设置，用于驱动所述剪切滑块沿所述导向滑槽滑动，所述随动钻孔模型安装于剪切滑块内部且随剪切滑块一起沿导向滑槽滑动，使所述锚杆在固定钻孔模型与随动钻孔模型之间形成剪切面，所述液压传感器安装于油缸的加载油路系统上，用于测试油缸的系统压力。
其中，所述油缸固定于工作测试台的底座上，且其通过活塞杆与剪切滑块的底部连接，所述油缸活塞腔的油路系统上安装有用于防止活塞杆回缩的液控单向阀。
其中，所述油缸的数量为两个，且两个所述油缸通过双联同步液压马达以同步其运动速度。
其中，所述随动钻孔模型通过锚固套管、浮筒固定在剪切滑块的内部。
其中，所述固定钻孔模型和随动钻孔模型通过钻孔内的锚固剂与锚杆相粘结。
一种用于测试锚杆剪切载荷的试验台的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将待测的锚杆锚固于固定钻孔模型和随动钻孔模型的钻孔内；
S2、通过剪切装置驱动随动钻孔模型沿锚杆径向滑移，以对锚杆施加剪切载荷；
S3、在固定钻孔模型与随动钻孔模型的分界处形成剪切面；
S4、通过液压传感器测试剪切油缸系统压力；
S5、根据测试油缸系统压力计算锚杆承受的剪切载荷。
其中，在步骤S2中所述剪切装置在不施加剪切载荷时，油缸活塞杆处于伸出状态以使固定钻孔模型与随动钻孔模型处于同一轴线上；施加剪切载荷时，向油缸活塞杆腔供油，油缸活塞杆回缩并驱动剪切滑块及随动钻孔模型一起向下移动，使固定钻孔模型与随动钻孔模型的分界面处相对滑移，从而对锚杆施加剪切载荷。
其中，所述油缸通过控制系统控制先导比例减压阀动作，以改变供液系统的压力，从而改变油缸活塞杆输出的剪切力；利用节流阀控制液压系统流量，可改变油缸活塞杆的回缩速度，进而控制剪切载荷的加载速度。
其中，所述剪切载荷为油缸加载系统压力与加载油缸面积的乘积。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明一种用于测试锚杆剪切载荷的试验台在实验室内能够模拟井下岩层间错动时对锚杆进行剪切，并准确有效地测试出锚杆的剪切载荷，而且可对锚杆的剪切变形进行剖切观察，为锚杆支护理论研究和复杂应力条件下的锚杆支护设计提供依据，对深化锚杆支护机理研究、提高锚杆支护可靠性和保证工程安全具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例用于测试锚杆剪切载荷的试验台的剖视图。
其中，2：工作测试台；5：锚杆；7：剪切装置；23：固定钻孔模型；24：随动钻孔模型；71：油缸；72：剪切滑块；73：剪切部机架；91：浮筒；92：锚固套管；105：液压传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供的用于测试锚杆剪切载荷的试验台包括用于矿山支护的锚杆5，该试验台还包括工作测试台2、剪切装置7、固定钻孔模型23、随动钻孔模型24和液压传感器105，锚杆5插入并锚固于固定钻孔模型23和随动钻孔模型24的钻孔内，固定钻孔模型23安装于工作测试台2上，剪切装置7驱动随动钻孔模型24沿锚杆5径向偏移，使锚杆5在固定钻孔模型23与随动钻孔模型24之间形成剪切面，液压传感器105用于测试剪切装置7加载油路的系统压力。
为了实现自动控制，剪切装置7包括油缸71、剪切滑块72、剪切部机架73，剪切部机架73安装于工作测试台2上，剪切部机架73上设有垂直于锚杆5轴向的导向滑槽，剪切滑块72滑动安装于导向滑槽内，油缸71与剪切滑块72对应设置，用于驱动剪切滑块72沿导向滑槽滑动，随动钻孔模型24安装于剪切滑块72内部且随剪切滑块72一起沿导向滑槽滑动，使锚杆5在固定钻孔模型23与随动钻孔模型24之间形成剪切面，从而实现对锚杆5的剪切作用；液压传感器105安装于油缸71的加载油路系统上，用于测试油缸71的系统压力。
进一步地，随动钻孔模型24通过锚固套管92、浮筒91固定在剪切滑块72的内部，固定钻孔模型23固定在前支撑座上，同时，固定钻孔模型23和随动钻孔模型24通过钻孔内的锚固剂与锚杆5相粘结。
这个两个钻孔模型固定于模型套管内，其中固定钻孔模型23通过模型套管固定在工作测试台2上，并与前机架内的钻孔模型同轴连接；随动钻孔模型24通过锚固套管92、浮筒91固定在剪切滑块72的内部，与固定钻孔模型23同轴安装。
将锚杆5锚固在这两个模型钻孔内，在锚杆5钻孔模型外露端安装托盘，并拧紧螺母施加预紧力，使锚杆处于支护工作状态后施加剪切载荷。剪切油缸71驱动剪切滑块72垂直于锚杆5轴线滑动时，两个钻孔模型在滑移面处剪切锚杆5。本试验台的剪切滑块72是采用垂直向下滑移加载的方式。
为避免剪切加载过程因锚杆5变形，固定钻孔模型23的套管和随动钻孔模型24的套管直接剪切锚杆5，沿锚杆5轴线垂直剪切面，在随动钻孔模型24的套管顶部和固定钻孔模型23的套管底部以及前机架的剪切面一侧开设有宽度和深度大于锚杆5直径的豁口，以保证试验全过程由钻孔模型对锚杆5进行剪切。
油缸71固定于工作测试台2的底座上，且其通过活塞杆与剪切滑块72的底部连接，活塞杆的方向垂直于锚杆5的轴向，向油缸71活塞杆腔供油时，油缸71活塞杆回缩并驱动剪切滑块，带动内部安装的主轴及随动钻孔模型24一起向下移动，使随动钻孔模型24与固定钻孔模型23在分界面处发生相对滑移，从而对锚杆5施加剪切载荷。
油缸71活塞腔的油路系统上安装有用于防止活塞杆回缩的液控单向阀，用于非剪切试验过程的油缸71闭锁，避免油缸71活塞杆的自动回缩，以保证随动钻孔模型24与固定钻孔模型23在非剪切试验过程时处于同一轴线上。
优选地，油缸71的数量为两个，且两个油缸71通过双联同步液压马达以同步其运动速度。在油缸71的加载油路系统上安装有双联同步液压马达，用于保证两条油缸71运动速度的一致性，防止剪切滑块72沿直线滑移时发生偏斜，以保证对锚杆5施加垂直于锚杆5轴线的纯剪切载荷。
同时，油缸71通过控制系统控制先导比例减压阀动作，改变供液系统的压力，可调节油缸输出的剪切力；利用双单向节流阀控制液压系统流量，可改变油缸活塞杆的回缩速度，进而控制剪切载荷的加载速度。
而且，固定钻孔模型23和随动钻孔模型24通过钻孔内的锚固剂与锚杆5相粘结。
相应地，为保证实验数据的真实性和准确性，固定钻孔模型23和随动钻孔模型24优选为煤、岩石材质制成；
此外，固定钻孔模型23和随动钻孔模型24也可为与煤、岩石相似的其他工程材质制成的钻孔模型，
其中，锚固剂是由不饱和聚酯树脂、固化剂、促进剂和其它辅料，按一定比例配制而成的粘稠状锚固粘接材料，由聚酯薄膜分割包装呈圆柱状药卷，具有搅拌后常温固化快，粘接强度高，锚固力可靠和耐久力好等优良性能，可有效地模拟锚杆在支护时的真实情况，保证了测试数据的准确性。
通过该用于测试锚杆剪切载荷的试验台，可实现在实验室内对锚杆抗剪性能的测试，为锚杆支护理论研究和复杂应力条件下的锚杆支护设计提供依据，对深化锚杆支护机理研究、提高锚杆支护可靠性和保证工程安全具有重要意义。
本发明还提供一种用于测试锚杆剪切载荷的试验台的测试方法，包括如下步骤：
S1、将待测的锚杆锚固于固定钻孔模型和随动钻孔模型的钻孔内；
进行剪切试验的锚杆一端锚固于煤岩体物理模型钻孔内，孔口端安装托盘拧紧螺母预紧后，使随动钻孔模型在剪切油缸的驱动下沿锚杆径向(垂直于锚杆轴线方向)滑移，模拟井下锚杆支护过程围岩变形层面间错动时，锚杆承受剪切载荷的过程。
S2、通过剪切装置驱动随动钻孔模型沿锚杆径向滑移，以对锚杆施加剪切载荷；
S3、在固定钻孔模型与随动钻孔模型的分界处形成剪切面；
随动钻孔模型与固定钻孔模型分界面发生滑动，钻孔模型相对滑动的反方向一侧孔壁挤压锚杆，对锚杆形成剪切。随动钻孔模型可以向垂直于锚杆轴线的360°任意方向滑动，本试验台剪切油缸安装于试验台底座上，随动钻孔模型垂直向下滑移剪切锚杆。
S4、通过液压传感器测试剪切油缸系统压力；
S5、根据测试油缸系统压力计算锚杆承受的剪切载荷。
其中，在步骤S2中所述剪切装置在不施加剪切载荷时，油缸活塞杆处于伸出状态以使固定钻孔模型与随动钻孔模型处于同一轴线上；施加剪切载荷时，向油缸活塞杆腔供油，油缸活塞杆回缩并驱动剪切滑块及随动钻孔模型一起向下移动，使固定钻孔模型与随动钻孔模型的分界面处相对滑移，从而对锚杆施加剪切载荷。
其中，所述油缸通过控制系统控制先导比例减压阀动作，以改变供液系统的压力，从而改变油缸活塞杆输出的剪切力；利用节流阀控制液压系统流量，可改变油缸活塞杆的回缩速度，进而控制剪切载荷的加载速度。
值得说明：锚杆在钻孔模型内的锚固段长度与随动钻孔模型长度无关，可低于随动钻孔模型长度，也可与随动钻孔模型长度相同，还可大于随动钻孔模型长度，甚至可以进行钻孔模型全长锚固。锚固长度由锚杆的实际锚固剂用量决定，可模拟各种锚固条件下的锚杆剪切试验。锚杆锚固长度小于随动钻孔模型长度时，剪切过程为单纯岩层滑移对锚杆剪切；锚杆锚固长度大于随动钻孔模型时，剪切过程为岩层错动对锚固剂与锚杆结合体的剪切。
综上所述，本发明一种用于测试锚杆剪切载荷的试验台在实验室内能够模拟井下岩层间错动时对锚杆进行剪切，并准确有效地测试出锚杆的剪切载荷，而且可对锚杆的剪切变形进行剖切观察，为锚杆支护理论研究和复杂应力条件下的锚杆支护设计提供依据，对深化锚杆支护机理研究、提高锚杆支护可靠性和保证工程安全具有重要意义。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种用于测试锚杆剪切载荷的试验台，包括用于矿山支护的锚杆(5)，其特征在于，还包括工作测试台(2)、剪切装置(7)、固定钻孔模型(23)、随动钻孔模型(24)和液压传感器(105)，所述锚杆(5)插入并锚固于随动钻孔模型(24)和固定钻孔模型(23)的钻孔内，所述固定钻孔模型(23)固定安装于工作测试台(2)上，所述剪切装置(7)驱动所述随动钻孔模型(24)沿锚杆(5)径向滑移，使所述锚杆(5)在固定钻孔模型(23)与随动钻孔模型(24)之间形成剪切面，所述液压传感器(105)用于测试剪切装置(7)加载油路的系统压力。
2.根据权利要求1所述的用于测试锚杆剪切载荷的试验台，其特征在于，所述剪切装置(7)包括油缸(71)、剪切滑块(72)、剪切部机架(73)，所述剪切部机架(73)安装于工作测试台(2)上，所述剪切部机架(73)上设有垂直于锚杆(5)轴向的导向滑槽，所述剪切滑块(72)滑动安装于所述导向滑槽内，所述油缸(71)与剪切滑块(72)对应设置，用于驱动所述剪切滑块(72)沿所述导向滑槽滑动，所述随动钻孔模型(24)安装于剪切滑块(72)内部且随剪切滑块(72)一起沿导向滑槽滑动，使所述锚杆(5)在固定钻孔模型(23)与随动钻孔模型(24)之间形成剪切面，所述液压传感器(105)安装于油缸(71)的加载油路系统上，用于测试油缸(71)的系统压力。
3.根据权利要求2所述的用于测试锚杆剪切载荷的试验台，其特征在于，所述油缸(71)固定于工作测试台(2)的底座上，且其通过活塞杆与剪切滑块(72)的底部连接，所述油缸(71)活塞腔的油路系统上安装有用于防止活塞杆回缩的液控单向阀。
4.根据权利要求3所述的用于测试锚杆剪切载荷的试验台，其特征在于，所述油缸(71)的数量为两个，且两个所述油缸(71)通过双联同步液压马达以同步其运动速度。
5.根据权利要求4所述的用于测试锚杆剪切载荷的试验台，其特征在于，所述随动钻孔模型(24)通过锚固套管(92)、浮筒(91)固定在剪切滑块(72)的内部。
6.根据权利要求5所述的用于测试锚杆剪切载荷的试验台，其特征在于，所述固定钻孔模型(23)和随动钻孔模型(24)通过钻孔内的锚固剂与锚杆(5)相粘结。
7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的用于测试锚杆剪切载荷的试验台的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将待测的锚杆锚固于固定钻孔模型和随动钻孔模型的钻孔内；
S2、通过剪切装置驱动随动钻孔模型沿锚杆径向滑移，以对锚杆施加剪切载荷；
S3、在固定钻孔模型与随动钻孔模型的分界处形成剪切面；
S4、通过液压传感器测试剪切油缸系统压力；
S5、根据测试油缸系统压力计算锚杆承受的剪切载荷。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，在步骤S2中所述剪切装置在不施加剪切载荷时，油缸活塞杆处于伸出状态以使固定钻孔模型与随动钻孔模型处于同一轴线上；施加剪切载荷时，向油缸活塞杆腔供油，油缸活塞杆回缩并驱动剪切滑块及随动钻孔模型一起向下移动，使固定钻孔模型与随动钻孔模型的分界面处相对滑移，从而对锚杆施加剪切载荷。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述油缸通过控制系统控制先导比例减压阀动作，以改变供液系统的压力，从而改变油缸活塞杆输出的剪切力；利用节流阀控制液压系统流量，可改变油缸活塞杆的回缩速度，进而控制剪切载荷的加载速度。
10.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述剪切载荷为油缸加载系统压力与加载油缸面积的乘积。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |