CN105241656B - 深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统及方法。所述的物理模拟实验系统包括模拟实验台、压力加载装置、高阻可伸长锚杆、巷道模型、围岩位移传感器、锚杆测力计、杆尾套管位移传感器、数码显示屏、数据发射装置、数据接收装置、显示器、数据处理装置；所述的，模拟实验台内与巷道模型外侧之间等间距设有压力加载装置，锚固区岩体与巷道孔洞之间等间距布置多根高阻可伸长锚杆，围岩位移传感器、锚杆测力计以及杆尾套管位移传感器的输出送到数据处理装置处理，由显示器进行显示。本发明结构设计合理、操作简单，可直观地观察到锚杆的变形及支护工作状态，实现了锚杆的支护力学特征及支护过程的模拟。
Description
技术领域
本发明属于深部矿井巷道工程的围岩稳定性控制领域，特别是涉及一种深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统及方法。
背景技术
近年来，随着我国国民经济和矿山行业的迅速发展，矿井的开采深度在不断地增加，出现了一大批千米级的深井，如沈阳彩屯矿、开滦赵各庄矿、新坟孙村矿、北票冠山矿、徐州张小楼矿等等，在今后10-20年内，我国将有更多的矿井进入深部或超深部开采。随着采深的增加和开采条件的日益复杂，绝大部分的深部巷道普遍表现出明显的大变形、高应力、矿压显现剧烈、长时间持续变形的特征，导致了巷道严重底鼓、片帮及顶板垮冒事故灾害的频频发生，严重危害了矿井人员的正常工作及设备的正常运行，因此，深部巷道围岩的稳定性控制已成为制约深部开采矿井安全生产的瓶颈。
通过大量的理论研究和工程实践，人们逐渐意识到对于深部大变形巷道围岩控制采用一次刚性支护或强力支护是不能奏效的，“硬顶”的理念是行不通的，因而，提出了“先让后抗、让抗结合”、“先柔后刚、刚柔并济”的大变形控制原则，并开发了各种形式、不同支护阻力、不同延伸量的可伸长锚杆，形成了高阻让压锚杆支护、恒阻大变形锚杆支护、高阻柔性耦合支护、高预应力卸压锚杆支护、锚网索耦合让压支护系列技术。此类高阻可伸长锚杆的支护作用机理及现场工作状况是深部巷道围岩控制技术研究的关键，也是大变形巷道围岩控制理论的基础。由于数值仿真方法的计算参数不容易确定，现场支护试验又耗时耗力且条件受限，于是人们采用物理模拟实验的方法来进行研究和观察，通过构建二维或三维物理模型实验系统研究巷道围岩的变形及锚杆支护的作用过程，着重解决矿井巷道锚杆支护机理及实际工作状况的问题。然而，目前所建立的巷道锚杆支护模拟实验平台仍存在明显的缺陷，表现在：一是高阻可伸长锚杆的力学性能模拟效果不甚理想，在实验加载伸长过程中支护阻力较小甚至是完全丧失，锚杆的伸长量也十分有限，体现不出围岩大变形的控制效果；二是锚杆支护模拟实验大多为破坏性实验，费时制作的锚杆模型及围岩相似填充材料在实验过后不能再次利用，造成极大的浪费；三是锚杆支护的作用过程及其工况数据反映的不够清楚，由于锚杆被置于围岩内部，无法直接观察到其支护的工作过程与工作状态；此外，对于锚杆受力、变形等工作状况参数的获取及处理，通常采用埋设压力盒、压力计、应变片等方法，待实验完成后将收集到的数据资料进行整理、分析及曲线的绘制，显然，这种做法不能实时掌握锚杆的工作状态和围岩的变形情况，不利于围岩-支护作用机理的分析。
发明内容
为了解决常规巷道模型实验系统存在的以上技术问题，本发明提供了一种适用于深部大变形巷道锚杆支护的物理模拟实验系统及基于该系统的实验方法，实现了高阻可伸长锚杆支护作用过程的模拟及锚杆工作状态的实时监测。该模拟实验系统及实验方法具有操作简单、观察方便、可重复实验、节约模拟实验材料等优点，能体现高阻可伸长锚杆的支护力学特点及支护原理，特别是可实现巷道围岩变形的动态监测预警。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：包括模拟实验台、压力加载装置、高阻可伸长锚杆、巷道模型、围岩位移传感器、锚杆测力计、杆尾套管位移传感器、数码显示屏、数据发射装置、数据接收装置、显示器、数据处理装置；所述的模拟实验台内设有巷道模型，模拟实验台内与巷道模型外侧之间等间距设有压力加载装置，巷道模型由锚固区外岩体、锚固区岩体及巷道孔洞组成，锚固区岩体与巷道孔洞之间等间距布置高阻可伸长锚杆，高阻可伸长锚杆上设有锚杆测力计和杆尾套管位移传感器，围岩位移传感器、锚杆测力计以及杆尾套管位移传感器的输出与数码显示屏及数据发射装置装置相连，数据接收装置与数据处理装置相连，数据处理装置与显示器相连。
上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的模拟实验台由承载底板、承载盖板、承载左侧板、承载右侧板和前、后侧板组成一个长方体结构，其内部为长方体空腔，承载底板分别与承载左侧板、承载右侧板焊接连接；承载盖板、侧板与承载左侧板、承载右侧的连接均采用螺栓连接，侧板在中央设有巷道轮廓的孔洞。
上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的压力加载装置与巷道模型外侧之间设有加载板。
上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的承载盖板、承载左侧板、承载右侧板均由方形钢板及纵向、横向肋板正交焊接而成。
上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的承载底板由两块平行钢板及其之间的正交肋板焊接形成。
上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的前、后侧板为高强钢化玻璃板。
上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的压力加载装置为液压缸。
上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的高阻可伸长锚杆包括螺母、方形钢垫板、强力磁铁、杆尾套管、钢纤维增摩层、杆体；所述的杆尾套管由一段薄壁外螺纹钢管制成，并在内壁嵌一层所述钢纤维增摩层；所述的杆体采用钢筋制成，并在一端固定强力磁铁，再插入所述杆尾套管。
上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统中，所述的锚固区外岩体、锚固区岩体分别采用有机硅橡胶弹性体材及高弹性透明胶体制作。
一种深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验方法，包括如下步骤：
（1）依据模型尺寸设计要求，分别采用有机硅橡胶弹性体材及高弹性透明胶体制作锚固区外岩体、锚固区岩体形成巷道模型，并在巷道的内壁预留锚杆孔；
（2）按照所述高阻可伸长锚杆的结构组成，完成锚杆模型的制作，并装入锚杆孔内；杆体的端头与孔底周围采用环氧树脂粘结牢固，随后拧紧杆尾套管上的螺母施加预应力；
（3）安装围岩位移传感器、锚杆测力计、杆尾套管位移传感器，并连接至数码显示屏；
（4）将前、后钢化玻璃侧板、承载盖板分别安装到模拟实验台各自相应的位置，并采用螺栓紧固好；
（5）打开显示屏、显示器、液压缸的电源开关；
（6）按照模拟实验设计的加载方案，对巷道模型在水平和垂直方向进行加载；
（7）观察加载过程中锚固区岩体内的高阻可变形锚杆的位移变化及巷道围岩的变形情况，分析锚杆对围岩大变形的控制作用过程及支护机理；
（8）根据锚杆受力数据、锚杆伸长数据及数据曲线，掌握高阻可变形锚杆的实际工作性能及状态；
（9）完成各项分析任务后，卸除外部荷载，此时，巷道模型及高阻可变形锚杆又恢复为原状。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过巧妙地在杆体一端固定短圆柱强力磁铁，并插入到内表面镶嵌有钢纤维增摩层的杆尾套管，使得锚杆既具有较高的支护阻力，又具有较大的伸长量，从而真正实现了高阻可伸长锚杆的模拟；锚固区及锚固区外岩体采用弹性材料，结合强力磁铁的磁场引力作用，使得巷道锚杆支护物理模型在卸载后能够自动复原，便于继续开展新的模拟实验，因此，减少了材料的浪费，大大节约了实验时间和实验成本；透过钢化玻璃侧板及锚固区岩体可以清楚地观察到锚杆的变形及对围岩的支护过程，克服了常规模拟实验锚杆难以观测的缺点；本发明安设了压力、位移实时监测装置、无线传输与接收装置及显示装置，依据监测数据及曲线，可实时掌握锚杆的工作参数与支护工作状态，有利于高阻可伸长锚杆支护的作用机理分析，还可实现巷道围岩变形的动态预警。
本发明提供的实验系统结构设计合理、操作简单、观察方便，充分反映了高阻可伸长锚杆的支护力学特点及支护过程，模拟准确、逼真。
附图说明
图1为本发明的立体结构组成示意图。
图2为本发明的物理模拟实验台正视图。
图3为本发明的物理模拟实验台右视图。
图4为本发明的钢化玻璃侧板结构示意图。
图5为本发明的高阻可伸长锚杆结构示意图。
图6为本发明的加载前后围岩-锚杆支护对比示意图。
图7为本发明方法的实施流程图。
图中：1、承载底板，2、承载盖板，3、承载左侧板，4、承载右侧板，5、钢化玻璃侧板，6、巷道，7、高阻可变形锚杆，8、液压缸，9、加载板，10、锚固区外岩体，11、锚固区岩体，12、螺栓，13、围岩位移传感器，14、锚杆测力计，15、杆尾套管位移传感器，16、显示屏， 17、数据发射装置，18、数据接收装置，21、数据曲线，20、显示器，19、数据处理分析系统， 71、螺母，72、方形钢垫板，73、强力磁铁，74、杆尾套管，75、钢纤维增摩层，76、杆体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统，包括模拟实验台、模压力加载装置、高阻可伸长锚杆7、锚固区外岩体10、锚固区岩体11、巷道6、围岩位移传感器13、锚杆测力计14、杆尾套管位移传感器15、数码显示屏16、数据发射装置17、数据接收装置18、数据处理装置19、显示器20、；所述的模拟实验台包括承载底板1、承载盖板2、承载左侧板3、承载右侧板4和前、后钢化玻璃侧板5，所述的承载盖板2、承载左侧板3、承载右侧板4均由方形钢板及纵向、横向肋板焊接而成；所述的承载底板1由上下两块平行钢板及其之间正交的纵向、横向肋板焊接构成；所述的钢化玻璃侧板5中央留设有巷道孔洞。所述的承载盖板2、钢化玻璃侧板5与承载左侧板3、承载右侧板4的连接均采用螺栓12连接。所述的模压力加载装置为液压缸8；所述的液压缸8被安装在所述的承载盖板2、承载左侧板3和承载右侧板4上；所述的加载板9为方形厚钢板，焊接在所述液压缸8端部。
所述的高阻可伸长锚杆7包括螺母71、方形钢垫板72、强力磁铁73、杆尾套管74、钢纤维增摩层75、杆体76；所述的杆尾套管74由一段薄壁外螺纹钢管制成，并在内壁嵌一层所述钢纤维增摩层75；所述的杆体采用直径6mm的钢筋制成，并在一端固定所述强力磁铁73，然后插入所述杆尾套管74；当高阻可伸长锚杆7尾部受到拉力时，由于杆体76与杆尾套管74之间的摩擦及强力磁铁73的吸力作用，阻碍了杆尾套管74的相对滑移，从而对围岩产生较高支护阻力，若外部拉力继续增大，克服了所述摩阻力后，则杆尾套管74可以发生较大的位移，以释放围岩的变形能。所述的高阻可伸长锚杆7通过螺母71、方形钢垫板72施加预应力。
所述锚固区外岩体10、锚固区岩体11分别采用有机硅橡胶弹性体材及高弹性透明胶体制作，因而使得整个巷道模型具有较好的弹性，在卸荷后能自动复原，便于重复实验；所述的锚固区岩体11内表面留设有圆柱孔以安装所述高阻可伸长锚杆7；所述的巷道6为直墙半圆拱形状，采用铁皮试模预制。所述围岩位移传感器13、锚杆测力计14、杆尾套管位移传感器15用于实时探测围岩的变形、锚杆的受力及伸长量，并与所述数码显示屏16相连；安装在所述数码显示屏16右下角的数据发射装置17将探测到的数据采用无线方式传输给数据接收装置18；所得数据经过数据处理装置19后形成各种数据曲线21，并在所述显示器20上动态显示；若所述数码显示屏16显示的围岩变形数据超过标准值时，显示器20将会发出警报，提示必须停止实验。
基于上述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护物理模拟实验系统，本发明提供的实验方法具体步骤如下（如图7所示）：
（1）依据模型尺寸设计要求，分别采用有机硅橡胶弹性体材及高弹性透明胶体制作锚固区外岩体10、锚固区岩体11形成巷道模型，并在巷道6的内壁预留锚杆孔；
（2）按照所述高阻可伸长锚杆7的结构组成，完成锚杆模型的制作，并装入锚杆孔内；杆体76的端头与孔底周围采用环氧树脂粘结牢固，随后拧紧杆尾套管74上的螺母71施加预应力；
（3）安装围岩位移传感器13、锚杆测力计14、杆尾套管位移传感器15，并连接至数码显示屏16；
（4）将前、后钢化玻璃侧板5、承载盖板2分别安装到模拟实验台各自相应的位置（如图1所示），并采用螺栓12紧固好；
（5）打开数码显示屏16、显示器20、液压缸8的电源开关；
（6）按照模拟实验设计的加载方案，启动液压缸8，对巷道模型在水平和垂直方向进行加载；
（7）观察加载过程中锚固区岩体11内的高阻可变形锚杆7的位移变化及巷道围岩的变形情况，分析锚杆对围岩大变形的控制作用过程及支护机理；
（8）根据锚杆受力数据、锚杆伸长数据及数据曲线22，掌握高阻可变形锚杆7的实际工作性能及状态；
（9）完成各项分析任务后，卸除外部荷载，此时，巷道模型及高阻可变形锚杆7又恢复为原状；
（10）重复步骤（6）-（9），开展新的巷道锚杆支护物理模拟实验。
Claims (9)
1.一种深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统，其特征在于：包括模拟实验台、压力加载装置、高阻可伸长锚杆、巷道模型、围岩位移传感器、锚杆测力计、杆尾套管位移传感器、数码显示屏、数据发射装置、数据接收装置、显示器、数据处理装置；所述的模拟实验台内设有巷道模型，模拟实验台内与巷道模型外侧之间等间距设有压力加载装置，巷道模型由锚固区外岩体、锚固区岩体及巷道孔洞组成，锚固区岩体与巷道孔洞之间等间距布置高阻可伸长锚杆，高阻可伸长锚杆上设有锚杆测力计和杆尾套管位移传感器，围岩位移传感器、锚杆测力计以及杆尾套管位移传感器的输出与数码显示屏及数据发射装置装置相连，数据接收装置与数据处理装置相连，数据处理装置与显示器相连；所述的高阻可伸长锚杆包括螺母、方形钢垫板、强力磁铁、杆尾套管、钢纤维增摩层、杆体；所述的杆尾套管由一段薄壁外螺纹钢管制成，并在内壁嵌一层所述钢纤维增摩层；所述的杆体采用钢筋制成，并在一端固定强力磁铁，再插入所述杆尾套管。
2.根据权利要求1所述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统，其特征在于：所述的模拟实验台由承载底板、承载盖板、承载左侧板、承载右侧板和前、后侧板组成一个长方体结构，其内部为长方体空腔，承载底板分别与承载左侧板、承载右侧板焊接连接；承载盖板、侧板与承载左侧板、承载右侧的连接均采用螺栓连接，侧板在中央设有巷道轮廓的孔洞。
3.根据权利要求1所述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统，其特征在于：所述的压力加载装置与巷道模型外侧之间设有加载板。
4.根据权利要求2所述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统，其特征在于：所述的承载盖板、承载左侧板、承载右侧板均由方形钢板及纵向、横向肋板正交焊接而成。
5.根据权利要求2所述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统，其特征在于：所述的承载底板由两块平行钢板及其之间的正交肋板焊接形成。
6.根据权利要求2所述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统，其特征在于：所述的前、后侧板为高强钢化玻璃板。
7.根据权利要求1或3所述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统，其特征在于：所述的压力加载装置为液压缸。
8.根据权利要求1所述的深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验系统，其特征在于：所述的锚固区外岩体、锚固区岩体分别采用有机硅橡胶弹性体材及高弹性透明胶体制作。
9.一种深部巷道高阻可伸长锚杆支护的物理模拟实验方法，包括如下步骤：
(1)依据模型尺寸设计要求，分别采用有机硅橡胶弹性体材及高弹性透明胶体制作锚固区外岩体、锚固区岩体形成巷道模型，并在巷道的内壁预留锚杆孔；
(2)按照所述高阻可伸长锚杆的结构组成，完成锚杆模型的制作，并装入锚杆孔内，所述的高阻可伸长锚杆包括螺母、方形钢垫板、强力磁铁、杆尾套管、钢纤维增摩层、杆体；所述的杆尾套管由一段薄壁外螺纹钢管制成，并在内壁嵌一层所述钢纤维增摩层；所述的杆体采用钢筋制成，并在一端固定强力磁铁，再插入所述杆尾套管；杆体的端头与孔底周围采用环氧树脂粘结牢固，随后拧紧杆尾套管上的螺母施加预应力；
(3)安装围岩位移传感器、锚杆测力计、杆尾套管位移传感器，并连接至数码显示屏；
(4)将前、后钢化玻璃侧板、承载盖板分别安装到模拟实验台各自相应的位置，并采用螺栓紧固好；
(5)打开显示屏、显示器、液压缸的电源开关；
(6)按照模拟实验设计的加载方案，对巷道模型在水平和垂直方向进行加载；
(7)观察加载过程中锚固区岩体内的高阻可变形锚杆的位移变化及巷道围岩的变形情况，分析锚杆对围岩大变形的控制作用过程及支护机理；
(8)根据锚杆受力数据、锚杆伸长数据及数据曲线，掌握高阻可变形锚杆的实际工作性能及状态；
(9)完成各项分析任务后，卸除外部荷载，此时，巷道模型及高阻可变形锚杆又恢复为原状。
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