CN109026106A - 锚杆支护系统的工况模拟方法及工况模拟试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿山支护技术领域，提供锚杆支护系统的工况模拟方法及工况模拟试验台。其中，供锚杆支护系统的工况模拟方法包括：采用模型模拟巷道围岩，使得模型的自由面与围岩表面变形前形状一致，其中巷道围岩指代的是顶板、底板和巷帮的其中之一所在的围岩；对照井下巷道将锚杆和护表构件安装至模型的自由面上，并对应护表构件安装测量装置；测量井下巷道围岩的表面变形量；向模型除去自由面以外的其它表面施压，使得自由面的变形量与巷道围岩的表面变形量一致；通过测量装置获取护表构件的受力和/或变形。本发明的锚杆支护系统的工况模拟方法，其可以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理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及矿山支护技术领域，尤其涉及锚杆支护系统的工况模拟方法及工况模拟试验台。
背景技术
锚杆支护作为煤矿巷道安全高效的主要支护形式，在我国煤矿巷道中已大面积推广应用。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。巷道锚杆支护系统由巷道顶底板和两帮围岩、锚杆施力构件，以及约束围岩的护表构件组成。垂直于巷道轴线方向，巷道内锚杆沿巷道断面成排布置，每排锚杆安装一条钢带，钢带轴线与巷道轴线方向垂直，巷道锚杆支护系统如图1至图3。
研究护表构件在锚杆支护系统中的作用机理，最可靠的方法是进行试验研究，试验方法主要有两大类：
一、井下试验：目前主要是通过安装测力计或液压枕等测试仪器，测试锚杆轴向受力；布置表面位移测站，观测巷道两帮、顶板和底板移近量，总体评价锚杆支护系统的安全性及工作状态。仅有个别特例，采用应变测量技术，在井下对极少数的钢带、托盘等护表构件在支护系统中的受力与变形情况进行测试。
井下试验的优点是：获得的数据为现场实测数据，能够真实反映井下锚杆支护系统各类构件的工作状态和变形情况。缺点是：井下可监测的锚杆的护表构件数量有限，获得的数据代表性不足。尤其是针对托盘、钢带、金属网等护表构件的受力与变形的测试手段缺乏，没有可以直接用于护表构件井下测试的相关仪器，煤矿特殊的生产环境也限制了一些测试仪器的使用；同时缺少研究护表构件与围岩和锚杆之间相互作用关系的试验手段，不能测试围岩碎胀过程产生的挤压力，以及围岩内部应力变化，井下试验不能满足护表构件作用机理研究的需要。
二、实验室试验：目前主要进行护表构件的材料力学性能试验。包括：托盘的承载力测试、钢带抗拉能力测试、金属网在集中载荷作用下的变形能力测试等。实验室试验的优点是：测试的数据准确，能够反映护表构件材料的基本力学性能。缺点是：室内材料试验只反映每种护表构件在单一受力条件下的力学指标，而护表构件在支护系统中，实际并不是处于单一的受力状态，尤其是围岩变形破坏过程，护表构件的受力变形更加复杂，实验室的单纯材料试验，无法再现护表构件在锚杆支护系统中的真实力学状态，同样不能满足护表构件支作用机理的试验需求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
本发明的其中一个目的是：提供一种锚杆支护系统的工况模拟方法及工况模拟试验台，解决现有技术中无法准确获知护表构件在锚杆支护系统中的作用机理问题。
为了实现该目的，本发明提供了一种锚杆支护系统的工况模拟方法，包括：
采用模型模拟巷道围岩，使得模型的自由面与围岩表面变形前形状一致，其中巷道围岩指代的是顶板、底板和巷帮的其中之一所在的围岩；
对照井下巷道将锚杆和护表构件安装至模型的自由面上，并对应护表构件安装测量装置；
测量井下巷道围岩的表面变形量；
向模型除去自由面以外的其它表面施压，使得自由面的变形量与巷道围岩的表面变形量一致；
通过测量装置获取护表构件的受力和/或变形。
其中，“采用模型模拟巷道围岩，使得模型的自由面与围岩表面变形前形状一致”包括：
采用从井下取回的煤、岩块体作为模型的组成材料；
采用上面敞开的方形箱型框架，将模型的组成材料从下至上分层铺至箱型框架中；
对箱型框架内的材料进行物理处理得到模型，使得模型内部结构和上表面形状与围岩变形前一致；
模型的上表面为模型的自由面；
“向模型除去自由面以外的其它表面施压”包括：
向箱型框架施压，以达到向模型除去自由面以外的其它表面施压的目的。
其中，“将模型的组成材料从下至上分层铺至箱型框架中”的过程中，将与模型的组成材料材质相同的应力块安装至模型内部，用以测量模型内部相应位置的应力变化。
“对照井下巷道将锚杆和护表构件安装至模型的自由面上，并对应护表构件的各个组成部分安装测量装置”包括：
将护表构件的托盘、钢带和金属网安装至模型的自由面上；
在托盘表面安装第一应变片以测量托盘受力，并利用卡尺或直尺测量托盘变形及位置变化；
在钢带表面安装第二应变片以测量钢带受力，并利用卡尺或直尺测量钢带变形及位置变化；
在金属网表面安装第三应变片以测量金属网受力，并利用直尺测量金属网变形。
其中，“对照井下巷道将锚杆和护表构件安装至模型的自由面上”的过程中：
在锚杆的杆尾螺母和护表构件的托盘之间安装第一载荷传感器，用以测试锚杆的轴向受力；并在锚杆杆尾安装第一位移传感器，用以测试锚杆轴向长度变形量。
其中，“测量井下巷道围岩的表面变形量”包括：
选择表面面积和自由面的面积相等的围岩，对该围岩表面进行网格划分；
测量各网格点的位移变化以及围岩表面两端边界之间的距离变化。
其中，“向模型除去自由面以外的其它表面施压，使得自由面的变形量与巷道围岩的表面变形量一致”包括：
利用Z向驱动单元对箱型框架下表面加载，利用成对布置的X向驱动单元对箱型框架X向侧板加载，利用成对布置的Y向驱动单元对箱型框架的Y向侧板加载，使得模型的自由面与井下围岩表面形状相同，且沿着X向的变形量与井下顶板/底板的宽度收缩量或巷帮高度收缩量一致，沿Y向不发生变形。
其中，“对照井下巷道将锚杆和护表构件安装至模型的自由面上”中，将锚杆从自由面穿过，并从模型底面穿出之后，将锚杆固定在Z向驱动单元的支撑结构上。
本发明还提供一种锚杆支护系统的工况模拟试验台，包括用于模拟巷道围岩的模型，所述模型包括用于对照井下巷道安装锚杆和护表构件的自由面，所述模型容纳在箱型框架中，所述箱型框架上面敞开并使得所述自由面暴露，所述箱型框架和驱动单元连接并受驱动单元挤压；所述护表构件上安装有用于测量所述护表构件受力和/或变形的测量装置。
所述锚杆支护系统的工况模拟试验台还包括安装在所述锚杆的杆尾螺母与所述护表构件的托盘之间的第一载荷传感器，用以测试锚杆的轴向受力；以及安装在所述锚杆杆尾的第一位移传感器，用于测试锚杆轴向长度变形量。
本发明的技术方案具有以下优点：本发明的锚杆支护系统的工况模拟方法，其可以在实验室内对锚杆支护系统的护表构件工作过程的受力变形，及巷道围岩的变形与应力变化关系进行全面、系统的试验研究，揭示护表构件在锚杆支护系统中的作用机理，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理论依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1至图3为现有技术中巷道锚杆支护系统的安装示意图；
图4为实施例中锚杆支护系统的构件安装示意图；
图5是围岩变形示意图；
图6至图10是实施例中显示有自由面的尺寸与边界条件的示意图；
图11和图12是围岩表面现场测量示意图；
图13至图16是锚杆支护系统的工况模拟试验台的结构示意图；
图中：1、巷道围岩；2、锚固剂；3、锚杆；4、金属网；5、钢带；6、托盘；7、杆尾螺母；101、X1向反力梁；102、Y1向反力梁；103、底托梁；104、Z1向加载油缸支撑梁；105、油缸限位套；106、X1向约束架；107、反力梁支架；108、Y1向约束架；401、Z1向加载油缸；402、Z1向加载块；501、X1向加载油缸；502、X1向加载块；601、Y1向加载油缸；602、Y1向加载块；201、底箱板；202、X1向侧箱板；203、Y1向侧箱板；301、长度调整梁；302、长度调整板；701、第一载荷传感器；702、第一位移传感器；703、第二位移传感器；704、应力块；705、第三位移传感器；706、第二载荷传感器；707、第四位移传感器；708、第三载荷传感器；709、第四载荷传感器；710、第一应变片；711、第二应变片；712、第三应变片。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”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“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。
锚杆支护系统的施力构件不仅包括锚杆3、锚固剂2和杆尾螺母7等主动施力构件，而且包括托盘6、钢带5(钢筋托梁)、金属网4等护表构件，锚杆支护系统的构件安装结构如图4。
护表构件是锚杆支护系统中不可或缺的组成部分，对保持支护系统可靠性和稳定性起着重要作用。
其中，金属网4铺设并整体覆盖巷道围岩1表面，维护锚杆3之间的围岩，阻止破碎岩块垮落。并且，金属网4贴紧围岩表面，将锚杆3之间岩层载荷传递给锚杆3，形成整体支护体系，增强深部岩层的支护效果。
其次，钢带5(钢筋托梁)平行于巷道断面，整条安装在同一排锚杆3上，与一排锚杆3形成组合支护体系，均衡锚杆3受力，提高整体支护作用。并且，钢带5沿着每排锚杆3压紧巷道表面铺设的金属网4，扩散锚杆3支护围岩的作用力范围，同时抑制浅部岩层裂隙张开，保持岩层表面结构完整性。
最后，托盘6安装在每根锚杆3螺母与钢带5之间，拧紧螺母时托盘6压紧钢带5，将锚杆3预紧力经过钢带5、金属网4传递给巷道围岩1，并扩散到锚杆3周围煤岩体，改善围岩应力状态，抑制围岩的离层、结构面滑动和节理裂隙张开。当围岩变形时，托盘6反向将围岩变形作用力传递给锚杆3，使锚杆3工作阻力增大，充分发挥锚杆3控制围岩变形的作用。
由上可知，锚杆支护系统中护表构件发挥着重要的支护作用。
对于护表构件而言，其受力与变形过程十分复杂。一方面，巷道掘进施工过程中锚杆3预紧时，托盘6、钢带5和金属网4共同作用对巷道围岩1施加预应力；另一方面，锚杆3支护施工完成后，在掘进和回采动压影响下，巷道围岩1发生变形破坏，围岩碎胀扩容向巷道围岩1深部发展，围岩破坏变形产生的作用力首先作用于护表构件，依次经过护表构件的金属网4、钢带5和托盘6之后传递给锚杆3。
对于锚杆3支护而言，要达到支护的理想施工效果，要求护表构件与巷道围岩1表面之间紧密贴合，也即每根锚杆3的托盘6压紧钢带5，每排锚杆3安装的整条钢带5压紧金属网4，金属网4绷紧并在钢带5作用下贴紧在巷道围岩1表面。但是，由于煤系沉积岩地层结构十分复杂，实际开挖成形的巷道存在大量的超挖和欠挖区域，巷道表面凹凸不平，护表构件与围岩表面非均匀接触，护表构件传递锚杆3预紧力同时，在围岩表面的挤压作用下发生扭曲。
巷道掘进支护完成后，受掘进和回采动压影响，围岩应力发生变化，不可避免地造成巷道围岩1碎胀变形。围岩变形具有显著特点，在巷道断面X-Z与巷道轴线Y-Y组成三维空间X-Y-Z内(X、Y、Z代表两两垂直的坐标轴)，围岩变形发生在断面X-Z平面内，围岩在巷道轴线Y-Y方向受相邻断面围岩约束，不产生巷道轴向方向的变形移动。即巷道围岩1变形发生在与每排锚杆3安装的钢带5轴线平行的断面内。变形过程巷道围岩1表面凸起，并伴随全断面收缩。围岩在各方向的变形过程具有时间一致性，表面凸起与宽度和高度的收缩，同时发生并同时趋于稳定。
如图5所示，围岩变形过程表现为：巷道两帮之间的空间变窄，巷道宽度由掘进成巷宽度的B缩减至Bi；顶板下沉、底板臌起，巷道高度由成巷高度H缩减至Hi。
巷道围岩1变形，围岩表面凹凸情况加剧，护表构件伴随围岩表面形状变化，呈现为金属网4不规则凸起；钢带5弯曲并扭转；托盘6倾斜并翘曲等多种表现形式，其受力变形过程更加复杂。围岩变形的作用力达到极限时，将造成护表构件破坏，如金属网4撕裂、钢带5拉断或剪断、蝶形托盘6翘起与拱窝下沉等。护表构件的破坏，使锚杆支护系统稳定性降低，甚至引起巷道围岩1垮塌，锚杆3对围岩的约束作用消失，最终导致支护系统失效。
因此，研究护表构件在锚杆支护系统中的作用及效果，对精细化研究锚杆3支护构件的作用机理，进一步提高锚杆3支护技术水平，解决困难条件巷道支护难题，保证锚杆支护系统可靠性，提高巷道支护安全性具有重要意义。
有鉴于此，本实施例提供一种锚杆支护系统的工况模拟方法，包括：
S1、采用模型模拟巷道围岩1，使得模型的自由面与围岩表面变形前形状一致，其中巷道围岩1指代的是顶板、底板和巷帮的其中之一所在的围岩；
S2、对照井下巷道将锚杆3和护表构件安装至模型的自由面上，并对应护表构件安装测量装置；
S3、测量井下巷道围岩1的表面变形量；
S4、向模型除去自由面以外的其它表面施压，使得自由面的变形量与巷道围岩1的表面变形量一致；
S5、通过测量装置获取护表构件的受力和/或变形。
值得一提的是，以上S1至S5并不代表顺序上的先后，而是为了方便对各步骤的进一步描述。同样的，后文中“S”引导的其它编号也不代表顺序上的先后，例如后文中的S101至S103，其也只是为了方便对各步骤的进一步描述。
S1中，模型的自由面指代的是不主动向其施加载荷的面；“围岩表面变形前”指代的是掘进成巷时。
S2中，“对照井下巷道”也即对照井下巷道中锚杆3和护表构件的安装。
本实施例的锚杆支护系统的工况模拟方法，其可以在实验室内对锚杆支护系统的护表构件工作过程的受力变形，及巷道围岩1的变形与应力变化关系进行全面、系统的试验研究，揭示护表构件在锚杆支护系统中的作用机理，为锚杆3支护理论研究和复杂应力条件下的锚杆3支护设计提供理论依据。
S1中，“采用模型模拟巷道围岩1，使得自由面与围岩表面变形前形状一致”包括：
S101、采用从井下取回的煤、岩块体作为模型的组成材料；
S102、采用上面敞开的方形箱型框架，将模型的组成材料从下至上分层铺至箱型框架中；
S103、对箱型框架内的材料进行物理处理得到模型，使得模型内部结构和上表面形状与围岩变形前一致；
模型的上表面也即上述提到的模型的自由面。
当然，需要说明的是，S101中，模型的组成材料不受以上举例的限制，只要最终组成材料经过物理处理得到的模型，其物理力学性能指标符合相似模拟理论与量纲要求即可。
值得一提的是，相似模拟实验理论要求物理模型的形状和结构尺寸、承载力(抗压强度)、弹性模量、泊松比、密度等等指标与原体具有相同或相近的比例相似性，试验过程甚至要求加载过程的时间相似性。制作模型的材料除了使用现场实际取材以外，可以按相似理论要求，使用水泥砂浆、碳酸钙、石膏等等各类材料进行专门配置，按满足要求的材料配方制作物理模型。
并且，箱型框架也并非必须的结构。但是箱型框架可以便于模型的制作成形，以保证模型形成完整的结构体。即便采用了箱型框架，箱型框架的形状也不受限制，箱型框架的结构应视被模拟的围岩的结构而定，不排除实验过程中被模拟的巷道围岩1的部分可以呈方体之外的其它结构。
当箱型框架呈方体时，该箱型框架的尺寸限定了模型的尺寸，优选但是不必须模型尺寸为：
请参见图6至图10，模型位于水平面X1—Y1与铅垂线Z1构成的三维空间内，并使得模型的自由面位于水平面X1—Y1内。水平面内模型试验范围按井下巷道实际断面调整，模型自由面的四周构成试验模型的边界。其中X1向为顶板/底板宽度或巷帮高度，沿着X1向的两端边界构成收敛边界，收敛边界间的距离调整范围3000mm～5000mm。Y1向为巷道轴线方向，沿着Y1向两端边界构成约束边界，约束边界间的距离其中一种情况固定为2500mm。模型的自由面的尺寸与边界条件如图6至图10。
值得一提的是，煤矿井下多数巷道的断面尺寸高度3m-4.5m，宽度3.5m-5m，本实施例为扩大试验范围，设置收敛边界距离调节装置，包括长度调整梁301和长度调整板302。图6为没有设置调整梁301和调整板302的情况；图7为模型一侧设置调整梁301的情况；图8为模型两侧侧均设置调整梁301的情况。在模型两侧均设置有调整梁的基础上，图9为模型一侧设置有调整板302的情况，图10为模型两侧均设置有调整板302的情况。
巷道围岩1实际边界远大于本试验台X1向、Y1向边界，模型铺设按箱型框架统一尺寸铺设为5000mm×2500mm×700mm，试验巷道初始断面收敛边界X1方向的长度小于5000mm时，在模型自由面(上表面)，一端或两端安装长度调整梁301或同时安装长度调整梁301和长度调整板302，调整模型的试验范围。
优选但是不必须：X1向的模型长度5000mm；Y1向的模型长度2500mm；Z1向模型厚度700mm，模型上表面模拟试验区域的巷道围岩1表面，此处的围岩表面也即顶板、底板或者巷帮。
从而采用该种锚杆支护系统的工况模拟方法，可以分别模拟出井下巷道的顶板、底板或者巷帮上锚杆支护系统的工况。
S103中物理处理方法可以包括但不局限为夯实、振动、碾压等方法中的一种或者多种。
此外，S102中，“将模型的组成材料从下至上分层铺至箱型框架中”的过程中，可以根据需要将与模型的组成材料材质相同的应力块704安装至模型内部，用以测量模型内部相应位置的应力变化。当然，此处应力块704也可以采用其它的种类替换，只是与模型的组成材料材质相同的应力块704，其可以保证应力块的受力和变形与模型的受力和变形一致。
进一步的，S2中，“对照井下巷道将锚杆3和护表构件安装至模型的自由面上，并对应护表构件的各个组成部分安装测量装置”包括：
S201、将护表构件的托盘6、钢带5和金属网4安装至模型的自由面上；
S202、在托盘6表面安装第一应变片710以测量托盘6受力，并利用卡尺或直尺测量托盘6变形及位置变化；
S203、在钢带5表面安装第二应变片711以测量钢带5受力，并利用卡尺或直尺测量钢带5变形及位置变化；
S204、在金属网4表面安装第三应变片712以测量金属网4受力，并利用直尺测量金属网4变形。
S2中，“对照井下巷道将锚杆3和护表构件安装至模型的自由面上，并对应护表构件的各个组成部分安装测量装置”还包括锚杆3的安装。其中锚杆3的安装按照井下锚杆3的实际间、排距，可以选取长度2400mm的真实锚杆3，从模型的自由面穿过厚度700mm的模型之后固定在Z1向驱动单元的支撑结构上(Z1向驱动单元后文会提到)。锚杆3的杆尾螺纹端在模型自由面外露长度为100mm左右。
S201中，顺序安装护表构件：
先在模型自由面铺设连接金属网4——之后沿着X1轴方向安装钢带5，使得每条钢带5连接X1向的一排锚杆3——每根锚杆3杆尾安装一块托盘6，并安装第一载荷传感器701，按井下锚杆3的螺母安装扭矩拧紧杆尾螺母7。
以上S202至S204中应变片(包括第一应变片710、第二应变片711和第三应变片712)的具体形式和安装不受限制，例如应变片可以采用应变花，并且应变片的安装位置可以根据需要进行布置。并且，为了测量托盘6和钢带5的变形及位置变化，以及金属网4的变形，除了采用以上提到的卡尺、直尺等测量工具，还可以采用任何现有技术中公开的可行的测量工具，例如软尺、激光位移传感器等也可以。
S2中，“对照井下巷道将锚杆3和护表构件安装至模型的自由面上”的过程中：
还可以在锚杆3的杆尾螺母7和护表构件的托盘6之间安装第一载荷传感器701，用以测试锚杆3的轴向受力；并在锚杆3杆尾安装第一位移传感器702，用以测试锚杆3轴向长度变形量。
S3中，“测量井下巷道围岩1的表面变形量”包括：
S301、选择表面面积和自由面的面积相等的围岩，对该围岩表面进行网格划分；
S302、测量各网格点的位移变化以及围岩表面两端边界之间的距离变化。
S301中，由于模型模拟的是井下巷道围岩1，因此井下现场测量选择表面面积和模型自由面的面积相等的围岩，保证实验室试验再现井下的情况。
采用网格划分的方法测量围岩表面的变形量，划分的网格数量越多，对围岩表面监测的越精确。当然，除了采用网格划分方法之外，还可以采用任何现有技术中公开的其它测量方法，例如摄影测量等。
其中，“围岩表面两端边界之间的距离”，其对于顶板/底板而言，也即顶板/底板沿着X向的宽度，以及顶板/底板沿着Y向(巷道轴向)的长度；对于巷帮而言，也即巷帮沿着Z向的高度，以及沿着Y向的长度。
本实施例中，在新掘巷道内沿巷道轴线方向，选定长度2500mm的一段试验区域范围，以巷道顶板或一侧巷帮为试验对象。在试验区域围岩表面按一定间隔划分矩形网格。在巷道轴线和断面组成的三维空间内，实际测量试验区域掘进支护完成时，和各阶段巷道围岩1表面变形后的三向尺寸，围岩表面现场测量如图11和图12。
请参见图11，试验区域的顶板测量数据如下：
沿巷道轴线方向的长度Ld＝2500mm；初掘时各网格断面处顶板宽度Bn、各网格点至巷道腰线X-Y平面的距离an；变形后各网格断面顶板宽度Bin、各网格点至巷道腰线X-Y平面的距离ain。
请参见图12，试验区域的巷帮测量数据如下：
沿巷道轴线方向的长度Lb＝2500mm；初掘时网格各断面处巷帮高度Hn、各网格点至巷道中线Y-Z平面的距离cn(或bn)；变形后各断面处巷帮高度Hin、各网格点至巷道中线Y-Z平面的距离cin(或bin)。
S4中，“向模型除去自由面以外的其它表面施压，使得自由面的变形量与巷道围岩1的表面变形量一致”包括：
利用Z1向驱动单元对箱型框架下表面加载，利用成对布置的X1向驱动单元对箱型框架X1向侧板加载，利用成对布置的Y1向驱动单元对箱型框架的Y1向侧板加载，使得模型的自由面与井下围岩表面形状相同，且沿着X1向的变形量与井下顶板/底板的宽度收缩量或巷帮高度收缩量一致，沿Y1向不发生变形。
本实施例中，Z1向驱动单元、X1向驱动单元以及Y1向驱动单元组成三维加载单元，并且在三维空间(X1，Y1，Z1)内，各方向的驱动单元(包括Z1向驱动单元、X1向驱动单元以及Y1向驱动单元)分别垂直于模型的各非支护表面，用于模拟围岩变形过程的内部各向作用力对模型加载，使模型支护表面(也即自由面)发生变形的情形。其中Z1向驱动单元加载是引起支护表面臌胀变形的主作用力，X1驱动单元加载提供模型在收敛边界方向收缩变形的主作用力，Y1向加载提供保证约束边界位置的约束力。
其中，“成对布置的X1向驱动单元”指代的是箱型框架沿着X1向的两端对称布置有X1向驱动单元，并且两端的X1向驱动单元均朝着箱型框架布置。同理，“成对布置的Y1向驱动单元”的理解也与以上“成对布置的X1向驱动单元”原理一样。
其中，各个方向上安装的驱动单元，其可以为电机、液压缸或者气缸等任意形式。优选采用油缸的形式，进而保证驱动单元的精确性。通过以上各个方向上安装的驱动单元，使得模型在各向受力作用下，自由面的变形和井下围岩表面变形一样。
本实施例中，当采用油缸作为驱动单元的时候，X1向加载油缸501为成对布置的水平方向油缸，对模型X1向侧板加载，使模型收敛边界向模型中部收缩。调整油缸的加载力，使模型的收敛边界收缩量与井下实测顶板宽度收缩量或巷帮高度收缩量一致。Z1向加载油缸401为施加竖直向上力的竖直方向油缸，且Z1向加载油缸401包括有油缸限位套105。
以上X1向加载油缸501、Y1向加载油缸601和Z1向加载油缸401的端部分别设置X1向加载块502、Y1向加载块602和Z1向加载块402。
模型表面变形与收敛边界收缩的同时，Y1向加载油缸601为成对布置的水平方向油缸，油缸对Y1向侧板加载，限制约束边界方向模型的碎胀，并调整Y1向油缸的加载力，控制约束边界位置使其保持原位。
其中一种情况，X1、Y1向油缸成对布置，两侧油缸数量相同，并且加载时两侧油缸加载中线重合，避免对模型造成剪切或扭转。
可以按照井下网格点位置在模型上表面(也即模型的自由面)安装第二位移传感器703，测试模型自由面臌胀变形量。
在模型试验范围的收敛边界安装第三位移传感器705，在模型的约束边界安装第四位移传感器707，测试收敛边界位移并监测约束边界位置。Z1向油缸底座安装第四载荷传感器709，测试Z1向各油缸对模型下表面施加的载荷。对于X1向加载油缸501，在油缸活塞杆与模型侧板之间安装第二载荷传感器706；对于Y1向加载油缸601，在油缸活塞杆与模型侧板之间安装第三载荷传感器708。通过设置以上第二载荷传感器706和第三载荷传感器708，测试X1向和Y1向上的油缸对各侧板(X1向侧板和Y1向侧板)施加的载荷。
请参见图13至图16，本实施例还提供一种锚杆支护系统的工况模拟试验台，包括用于模拟巷道围岩1的模型，模型包括用于对照井下巷道安装锚杆3和护表构件的自由面，模型的除去自由面之外的其它面和驱动单元连接并受驱动单元挤压；护表构件上安装有用于测量护表构件受力和/或变形的测量装置。
其中，实际情况下锚杆3安装需要用到锚固剂2。但是为了便于试验台上的锚杆3安装和拆卸，使用锚固器代替井下使用的锚固剂2。此外，可以将锚杆3固定在Z1向加载油缸401支撑梁104上。
优选但是不必须模型容纳于箱型框架中；箱型框架上面敞开并使得自由面暴露。
箱型框架是制作铺设模型的容纳结构，箱型框架每侧由与加载油缸数量一致的箱板拼装组成，同时作为各向加载的传力部件。各方向箱板根据该向模型尺寸和加载油缸布置，制作成结构尺寸相同的箱板，分别固定于各向油缸的加载块上，模型铺设前同一面箱板拼装在同一平面内组装成箱型框架，试验过程各向油缸加载时，每块箱板与连接的加载块一起独立运动，完成对模型局部加载。模型箱板包括底箱板201、X1向侧箱板202和Y1向侧箱板203。
本实施例中，箱型框架优选但是不必须沿着X1向尺寸可调，从而可以根据需要改变模型自由面的尺寸，进而模拟不同的巷道宽度或高度。具体请参见图6至图10，其中在箱型框架上设置有长度调整板302和长度调整梁301。例如，模型整体铺设制作完成后，试验巷道实际巷道宽度或高度小于5000mm时，在箱型框架顶面的X1向两端，安装长度调整梁301或组合安装长度调整梁301与长度调整板302，覆盖模型上表面的一端或两端，使收敛边界间的试验长度与试验巷道宽度或高度一致。该种锚杆支护系统的工况模拟试验台，其X1向收敛边界间试验模型可调节长度5000mm、4500mm、4000mm、3500mm、3000mm。
此外，除了测量护表构件受力和/或变形，本实施例的锚杆支护系统的工况模拟试验台，其还可以和以上方法对应的，设置测量油缸负载的第二载荷传感器706和第三载荷传感器708、测试模型内部应力变化的应力块704、测试锚杆3受力的第一载荷传感器701以及测试锚杆3变形的第一位移传感器702等。
本实施例的锚杆支护系统的工况模拟试验台：
锚杆支护系统的工况模拟试验台利用油缸，在X1、Y1、Z1三个方向上对模型的五面加载。其中Z1向油缸对模型底面加载，使模型自由面在Z1向产生臌胀变形。水平面内X1向和Y1向油缸对模型侧板加载，使模型在X1方向两端边界间的距离缩短，Y1方向两端边界始终保持初始位置。
其中，为了支承和固定驱动单元，本实施例的锚杆支护系统的工况模拟试验台还包括反力梁。此外，本实施例的锚杆支护系统的工况模拟试验台还包括约束架和底托梁103。
其中，反力梁包括X1向反力梁101和Y1向反力梁102，约束架包括X1向约束架106和Y1向约束架108，见图14反力梁通过反力梁支架107固定安装。而约束架用于约束X1和Y1方向上驱动单元的驱动方向，使得所述驱动单元按照设定方向运动。此外，底托梁103用于固定安装Z1向加载油缸401的支撑梁104。
进一步的，当驱动单元安装有加载块时，将加载块安装在约束架内，限制模型表面臌胀变形时X1向加载块502和Y1向加载块602沿Z1向的旋转，保持试验过程X1、Y1向的加载方向。
模型表面变形时，Z1向加载点将产生水平位移，为适应模型变形过程，Z1向加载油缸401两端采用球面万向铰接，油缸中线可在油缸限位套105内向任意方向偏转0-10°,满足模型表面臌起变形过程的加载要求。
Z1向是模型自由面臌胀变形的主加载方向，在5000mm×2500mm的模型底部同一平面内，按间、排距500mm，垂直均匀布置36个加载油缸，顶推模型底面。Z1向油缸缸径φ160mm，行程500mm。工作压力31.5MPa时，Z1向单缸输出载荷630KN，36条油缸总加载力22680kN，加载面积12.5m2，最大面应力1.8MPa。
水平面内布置14个边界加载油缸。其中X1向布置2对4个加载油缸；Y1向布置5对10个加载油缸，油缸的缸径φ250mm，行程350mm，工作压力31.5MPa时，单缸输出载荷1540KN。X1向两端边界长度2500mm，边界外端面加载面积1.75m2，2组油缸总加载力3080kN，最大面应力1.76MPa。Y1向两端边界长度5000mm，边界外端面加载面积3.5m2，5组油缸总加载力7700kN，最大面应力2.2MPa。
利用以上锚杆支护系统的工况模拟试验台以及锚杆支护系统的工况模拟方法，进行锚杆支护系统及其护表构件试验研究，克服了目前井下试验和实验室材料试验存在的缺点。使用的测试仪器和数据采集仪器便于配套，并适应测试技术的发展，而且不受煤矿防爆要求等条件限制。护表构件实验室试验系统，采用对物理模型加载的办法，再现井下锚杆3支护的巷道围岩1的实际变形状况。第四载荷传感器709测试的Z1向油缸输出载荷，真实反映巷道围岩1碎胀变形过程对锚杆3体系的作用力；第二载荷传感器706与第三载荷传感器708测试的边界加载油缸输出载荷，真实反映围岩变形过程与各向边界外部围岩之间的作用关系；模型内部安装的应力块704，为测试围岩内部应力变化创造了条件；对锚杆支护系统中的锚杆3、托盘6、钢带5、金属网4等构件的受力与变形测试，真实显示围岩变形过程各种构件的力学特性。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种锚杆支护系统的工况模拟方法，其特征在于，包括：
采用模型模拟巷道围岩，使得模型的自由面与围岩表面变形前形状一致，其中巷道围岩指代的是顶板、底板和巷帮的其中之一所在的围岩；
对照井下巷道将锚杆和护表构件安装至模型的自由面上，并对应护表构件安装测量装置；
测量井下巷道围岩的表面变形量；
向模型除去自由面以外的其它表面施压，使得自由面的变形量与巷道围岩的表面变形量一致；
通过测量装置获取护表构件的受力和/或变形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，“采用模型模拟巷道围岩，使得模型的自由面与围岩表面变形前形状一致”包括：
采用从井下取回的煤、岩块体作为模型的组成材料；
采用上面敞开的方形箱型框架，将模型的组成材料从下至上分层铺至箱型框架中；
对箱型框架内的材料进行物理处理得到模型，使得模型内部结构和上表面形状与围岩变形前一致；
模型的上表面为模型的自由面；
“向模型除去自由面以外的其它表面施压”包括：
向箱型框架施压，以达到向模型除去自由面以外的其它表面施压的目的。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，“将模型的组成材料从下至上分层铺至箱型框架中”的过程中，将与模型的组成材料材质相同的应力块安装至模型内部，用以测量模型内部相应位置的应力变化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，“对照井下巷道将锚杆和护表构件安装至模型的自由面上，并对应护表构件的各个组成部分安装测量装置”包括：
将护表构件的托盘、钢带和金属网安装至模型的自由面上；
在托盘表面安装第一应变片以测量托盘受力，并利用卡尺或直尺测量托盘变形及位置变化；
在钢带表面安装第二应变片以测量钢带受力，并利用卡尺或直尺测量钢带变形及位置变化；
在金属网表面安装第三应变片以测量金属网受力，并利用直尺测量金属网变形。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，“对照井下巷道将锚杆和护表构件安装至模型的自由面上”的过程中：
在锚杆的杆尾螺母和护表构件的托盘之间安装第一载荷传感器，用以测试锚杆的轴向受力；并在锚杆杆尾安装第一位移传感器，用以测试锚杆轴向长度变形量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，“测量井下巷道围岩的表面变形量”包括：
选择表面面积和自由面的面积相等的围岩，对该围岩表面进行网格划分；
测量各网格点的位移变化以及围岩表面两端边界之间的距离变化。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，“向模型除去自由面以外的其它表面施压，使得自由面的变形量与巷道围岩的表面变形量一致”包括：
利用Z向驱动单元对箱型框架下表面加载，利用成对布置的X向驱动单元对箱型框架X向侧板加载，利用成对布置的Y向驱动单元对箱型框架的Y向侧板加载，使得模型的自由面与井下围岩表面形状相同，且沿着X向的变形量与井下顶板/底板的宽度收缩量或巷帮高度收缩量一致，沿Y向不发生变形。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，其中，“对照井下巷道将锚杆和护表构件安装至模型的自由面上”中，将锚杆从自由面穿过，并从模型底面穿出之后，将锚杆固定在Z向驱动单元的支撑结构上。
9.一种锚杆支护系统的工况模拟试验台，其特征在于，包括用于模拟巷道围岩的模型，所述模型包括用于对照井下巷道安装锚杆和护表构件的自由面，所述模型容纳在箱型框架中，所述箱型框架上面敞开，并使得所述自由面暴露，所述箱型框架和驱动单元连接并受驱动单元挤压；所述护表构件上安装有用于测量所述护表构件受力和/或变形的测量装置。
10.根据权利要求9所述的锚杆支护系统的工况模拟试验台，其特征在于，所述锚杆支护系统的工况模拟试验台还包括安装在所述锚杆的杆尾螺母与所述护表构件的托盘之间的第一载荷传感器，用以测试锚杆的轴向受力；以及安装在所述锚杆杆尾的第一位移传感器，用于测试锚杆轴向长度变形量。
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