CN106017842A - 构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其解决了现有技术中的试验装置不能够模拟构造应力影响下的锚杆受冲击破坏这一技术问题。其包括六面体试件、试件盒、锚杆、以及加载在试件盒上的和前、后加载单元，左、右加载单元及顶部加载单元，锚杆安装在试件的锚孔中，其中左加载单元包括冲击重块、提升装置、导向杆、冲击底座、翘杆和加载装置，通过提升装置向冲击重块提供竖向应力，翘杆将竖向应力转化为试件的侧向力，强力弹簧瞬间膨胀伸长，对试件迅速进行补充加载，补充能量，模拟了外部围岩对煤岩体的进一步挤压做功；爆裂出的岩块对锚杆产生冲击作用，从而模拟工程现场中锚杆受冲击破坏情况。

Description

构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置

技术领域

本发明涉及岩土工程中锚杆受冲击破坏的测定技术领域，具体涉及一种构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置。

背景技术

锚杆预紧力大小的施加及其预紧后的受力情况和破碎围岩的强度密切相关，而复杂围岩环境的存在要求施加不同的锚杆预紧力，预紧力过小达不到提高围岩锚固体强度的目的，而较大的预紧力也可能造成破碎围岩的进一步加剧，两者均会造成锚杆支护围岩作用的失效。因而，合理的锚杆预紧力大小的施加对锚杆支护矿山巷道、硐室、隧道等破碎围岩的强度强化具有重要意义。

目前，公知的锚杆受力测定装置有弹性元件电力测力计、液压枕指针式示测力计和锚杆体的固定扭矩螺帽等多种测定装置，测力元件直接安装到锚杆的外露端，测定锚杆的受力状况，但由于测力计体积较大、造价高和使用不便，其只限于工程中极少量锚杆预紧力及其受力状况的抽查或试验研究，不能对工程中所有的锚杆的预紧力及其受力状况进行测定，这为排除由于施工中锚杆的预紧力不足而带来的安全隐患造成困难。

随着煤炭开采深度不断增加，开采难度不断增大，煤岩体受到的高应力愈加强烈，在这种条件下应用的锚杆，其受冲击破坏能力变得尤为重要，因而，进行锚杆受冲击破坏模拟试验对矿山巷道、硐室等有效支护具有重要意义。

现有技术中的实验室测试设备仅能模拟重力影响下的冲击地压(竖向冲击)发生机理，并不能够模拟构造应力影响下的冲击地压(侧向冲击)发生机理，导致不能真实反映在复杂条件下发生冲击地压时锚杆对围岩的支护效果。

发明内容

针对上述现有技术中测试设备存在的缺陷，本发明提出了一种构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，该装置通过模拟外部围岩对煤岩体的挤压做功，进一步使得煤岩体爆裂对对锚杆产生冲击作用，从而模拟工程现场中锚杆受冲击破坏情况。

其技术解决方案包括：

一种构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其包括六面体试件、试件盒、锚杆、以及加载在所述试件盒上的前、后加载单元，左、右加载单元及顶部加载单元，所述锚杆安装在试件的锚孔中，所述锚杆与所述试件一起放置在所述试件盒中，所述左加载单元包括冲击重块、提升装置、导向杆、冲击底座、翘杆和加载装置，冲击重块套在所述导向杆上，并与所述导向杆之间形成滑动连接，所述提升装置与所述冲击重块的顶部连接，以控制所述冲击重块的上升或下降，下降后的冲击重块落在所述冲击底座上，所述冲击底座连接所述翘杆；

所述加载装置包括加载架、加载油缸和强力弹簧，所述加载架的主框架是由两个面积不同的矩形板平行排布而成，其中，面积小的矩形板在靠近所述试件盒的一侧，在面积大的矩形板的中心处设置有通孔，在所述通孔外围设置有若干个圆孔，所述加载油缸连接有两个加载杆，所述翘杆与其中一个加载杆连接，另一个加载杆穿过所述通孔并贴合在面积小的矩形板外侧，在每个圆孔上安装有紧固螺栓，所述强力弹簧的一端粘贴在面积小的矩形板内侧，另一端贴合在所述试件盒上。

上述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，在靠近左加载单元的试件盒的端面上焊接有端盖，端盖为回型板结构。

上述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，翘杆斜向设置，在翘杆的底部设置有翘杆支撑座，翘杆与加载杆通过连接头连接。

上述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，顶部加载单元，前、后加载单元和右加载单元均包括加载油缸和与所述加载油缸连接的加载杆，加载杆贴合在试件盒上。

上述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，提升装置包括马达、马达轴和绞盘，所述绞盘套在所述马达轴上，所述绞盘上缠绕有绳索，所述绳索的另一头与所述冲击重块的顶部连接。

上述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，马达配设有马达底座，马达轴配设有马达轴支撑座，绳索是由钢材料制成的。

上述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，试件盒与顶部加载单元，左、右加载单元和前、后加载单元中的加载杆贴合处均设置有加载垫块。

上述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，试件盒的底部固定在试件盒支撑架上，试件盒支撑架下方为底座板。

上述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，加载垫块由刚性材质制成。

上述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，锚杆通过树脂锚固剂固定在试件中部。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明利用冲击重块下落的重力，再结合翘杆原理，将竖直方向的冲击力转变为侧向的冲击力，与直接进行侧向冲击相比，在实现条件上要简单，比如如果使用侧向冲击，需要设置侧向冲击装置，并且该装置需单独设置储能装置，实现起来较为复杂。实现竖向冲击力起决定性作用的是冲击重块和翘杆机构。通过顶部、前后、左右加载单元，对试件进行预加载，其中左加载单元的弹簧上紧紧固螺栓即可进行加载，预加载使得试件达到初始高应力状态，然后冲击重块的冲击力传递至试件，对试件进行冲击，试件收到冲击后发生破坏，而此时加载杆不再能够及时对试件进补充加载，这时，由于左侧弹簧具有弹性，所以能够及时进行补充加载。

在左加载单元中，通过翘杆原理将提升装置提供给冲击重块的竖直方向的冲击力传递至试件的侧向，用来模拟试件受构造应力影响下发生冲击地压；通过加载油缸和强力弹簧对试件施加压力，使其处于高应力状态下，通过冲击重块对试件施加侧向冲击荷载，由于强力弹簧具有高能量弹性，不会像常规刚性立柱一样对冲击荷载造成支撑效应影响，实现了让试件在持续荷载条件下承受冲击荷载的目标；试件在高应力及冲击扰动条件下破坏，其强度降低并发生一定压缩破坏，在这个过程中强力弹簧瞬间膨胀伸长，对试件迅速进行补充加载，即补充能量，模拟了外部围岩对煤岩体的进一步挤压做功，爆裂出的岩块对锚杆产生冲击作用，从而模拟工程现场中锚杆受冲击破坏。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置主视图；

图2为本发明构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置正视图；

图3主要示出了左加载单元中加载装置部分示意图；

图中，1、冲击重块，2、马达，3、绞盘，4、马达轴，5.马达轴支撑座，6、绳索，7、马达底座，8、导向杆，9、试件盒框架，10、前后加载垫块，11、上下加载垫块，12、左右加载垫块，13、试件，14、前后加载油缸，15、前后支撑板，16、前后支撑柱，17、顶部加载油缸，18、上支撑板，19、上下支撑柱，20、冲击底座，21、翘杆，22、翘杆支撑座，23、连接头，24、左加载杆，25、左加载杆支撑座，26、加载架，27、强力弹簧，28、端盖，29、右加载油缸，30、右支撑板，31、试件盒支撑架，32、底座板，33、锚杆。

具体实施方式

本发明提出了一种构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

结合图1和图2所示，本发明构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置具体包括六面体的试件盒、六面体的试件13、锚杆和加载机构，试件盒外套有试件盒框架9，锚杆33通过锚固剂固定在试件13的中部，并与试件13一起放置在试件盒中，加载机构对试件盒的顶、左、右、前、后六个面施加载荷，即分别为前后、左右、顶部加载，其中，前后加载单元包括前后加载油缸14、前后支撑板15和前后支撑柱16，加载油缸14连接的加载杆贴合在试件盒表面，在贴合处设置有前后加载垫块10，顶部加载单元包括顶部加载油缸17、上支撑板18和上下支撑柱19，与顶部加载油缸17连接的加载杆与试件盒的贴合处设置有上下加载垫块11，即通过前后加载单元和上下加载单元作用在试件盒上，完成对试件13的前后、上下加载，优选试件13整体为梯形结构。

结合图1和图3所示，左加载单元作为本发明的主要改进点，它可以模拟试件13受构造应力影响下发生冲击地压，左加载单元包括冲击重块1、提升装置、导向杆8、冲击底座20、翘杆21和加载装置，冲击重块1带孔，它套在导向杆8上，可沿着导向杆8进行上下滑动，冲击重块1的顶部吊在提升装置上，通过提升装置控制，冲击重块1可沿导向杆8上下滑动，导向杆8也可以防止冲击重块1在下落的过程中发生较大的偏移，下降后的冲击重块落在冲击底座20上，冲击底座连接翘杆21，翘杆21斜向设置，在其底部安设有翘杆支撑座22；试件盒的左右两侧分别设置有左右加载垫块12，在靠近左加载单元的试件盒的端面上焊接有呈回型板结构的端盖28，目的在于增加紧固螺栓的紧固行程。

加载装置包括加载架26、左加载油缸和强力弹簧27，加载架26的主框架是由两个面积不同的矩形板平行排布而成，其中，面积小的矩形板在靠近试件盒的一侧，在面积大的矩形板的中心处设置有通孔，在通孔外围设置有若干个圆孔，加载油缸两端分别连接有两个左加载杆24，左加载杆24安设在用于对它进行固定的左加载杆支撑座25，翘杆21通过连接头23与其中的一个左加载杆连接，另一个左加载杆穿过通孔并贴合在面积小的矩形板外侧，在每个圆孔上安装有紧固螺栓，强力弹簧27的一端粘贴在面积小的矩形板内侧，另一端贴合在试件盒上，试件左右方向加载时，左侧拧动紧固螺栓使得加载架26顶紧强力弹簧27，通过左加载垫块对试件进行左侧加压，试件右侧通过右加载油缸加压所述强力弹簧的一端粘贴在面积小的矩形板内侧，另一端贴合在试件盒上，由于强力弹簧具有高能量弹性，不会像常规刚性立柱一样对冲击荷载造成支撑效应影响，实现了让试件在持续荷载条件下承受冲击荷载的目标；右加载单元包括右加载油缸29、与该右加载油缸29连接的右加载杆和右支撑板30。

提升装置包括马达2、马达轴4和绞盘3，马达轴4直接与马达2连接，马达下方配设马达底座7，马达轴配设有马达轴支撑座5，绞盘3套在马达轴上，绞盘上缠绕有由钢材料制成的绳索6，绳索6的另一头与冲击重块1的顶部连接，通过马达提供动力使得绞盘3旋转，通过收放绳索6，从而控制绳索6下部的冲击重块上升或下降。

试件13整体优选为梯形结构，试件盒的底部固定在试件盒支撑架31上，试件盒支撑架下方为底座板32，在试件盒上下、左右、前后面上的加载垫块优选为刚性材质制成。

下面结合具体的试验方法对本发明做进一步说明。

本发明的试验方法是:

第一步、制作岩石试件和锚杆试件，并通过锚固剂将锚杆试件安装到岩石试件的锚杆孔中；

第二步、将安装有锚杆的试件放入试件盒，安装试件盒就位，分别安装顶部加载单元，左、右加载单元和前、后加载单元；

第三步、通过前后加载油缸、顶部加载油缸、加载架和强力弹簧、右加载油缸对试件加载，使试件达到要求的应力状态，然后保持；

第四步、调整冲击重块的高度和重量，然后释放冲击重块，对试件进行冲击，爆裂出的岩块对锚杆产生冲击作用，从而模拟工程现场中锚杆受冲击破坏情况。

需要说明的是，本发明中的提供竖直方向冲击力的冲击重块与提升装置，还可用如冲击力锤体等来代替，本领域技术人员在本发明的启示下所做的常规或等同替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其包括六面体试件、试件盒、锚杆、以及加载在所述试件盒上的前、后加载单元，左、右加载单元及顶部加载单元，其特征在于：

所述锚杆安装在试件的锚孔中，所述锚杆与所述试件一起放置在所述试件盒中，所述左加载单元包括冲击重块、提升装置、导向杆、冲击底座、翘杆和加载装置，冲击重块套在所述导向杆上，并与所述导向杆之间形成滑动连接，所述提升装置与所述冲击重块的顶部连接，以控制所述冲击重块的上升或下降，下降后的冲击重块落在所述冲击底座上，所述冲击底座连接所述翘杆；

所述加载装置包括加载架、加载油缸和强力弹簧，所述加载架的主框架是由两个面积不同的矩形板平行排布而成，其中，面积小的矩形板在靠近所述试件盒的一侧，在面积大的矩形板的中心处设置有通孔，在所述通孔外围设置有若干个圆孔，所述加载油缸连接有两个加载杆，所述翘杆与其中一个加载杆连接，另一个加载杆穿过所述通孔并贴合在面积小的矩形板外侧，在每个圆孔上安装有紧固螺栓，所述强力弹簧的一端粘贴在面积小的矩形板内侧，另一端贴合在所述试件盒上。

2.根据权利要求1所述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其特征在于：在靠近所述左加载单元的试件盒的端面上焊接有端盖，所述端盖为回型板结构。

3.根据权利要求1所述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其特征在于：所述翘杆斜向设置，在所述翘杆的底部设置有翘杆支撑座，所述翘杆与加载杆通过连接头连接。

4.根据权利要求1所述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其特征在于：所述顶部加载单元，前、后加载单元和右加载单元均包括加载油缸和与所述加载油缸连接的加载杆，所述加载杆贴合在试件盒上。

5.根据权利要求1所述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其特征在于：所述提升装置包括马达、马达轴和绞盘，所述绞盘套在所述马达轴上，所述绞盘上缠绕有绳索，所述绳索的另一头与所述冲击重块的顶部连接。

6.根据权利要求1所述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其特征在于：所述马达配设有马达底座，所述马达轴配设有马达轴支撑座，所述绳索是由钢材料制成的。

7.根据权利要求1～6任一项所述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其特征在于：所述试件盒与顶部加载单元，左、右加载单元和前、后加载单元中的加载杆贴合处均设置有加载垫块。

8.根据权利要求7所述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其特征在于：所述试件盒的底部固定在试件盒支撑架上，所述试件盒支撑架下方为底座板。

9.根据权利要求7所述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其特征在于：所述加载垫块由刚性材质制成。

10.根据权利要求7所述的构造应力影响下锚杆受冲击破坏模拟试验装置，其特征在于：所述锚杆通过树脂锚固剂固定在试件中部。