CN110186770A - 一种用于还原注浆锚索实际应用场景的力学性能实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于还原注浆锚索实际应用场景的力学性能实验装置，包括底板、钢筒组件、拉拔仪组件，钢筒组件用于将锚索在钢筒内进行注浆固定；拉拔仪组件用于对在钢筒内注浆固定后的锚索进行拉拔实验；底板分别通过第一侧板、第二侧板与顶板装配固定，底板、顶板相互靠近的端面上还安装有导轨，导轨分别与活动侧板两端可滑动装配；底板上还固定有脚控板、丝杠支撑板，脚控板上分别安装有前进开关、后退开关；第一侧板、丝杠支撑板分别与丝杠可转动装配，丝杠与活动侧板通过螺纹旋合装配，且丝杠与侧移电机的输出轴连接；第二侧板上安装有卡座机构、加热支撑底板、加热支撑顶板；卡座机构用于对钢筒组件的钢筒进行固定。

Description

一种用于还原注浆锚索实际应用场景的力学性能实验装置

技术领域

本发明涉及实验设备，特别是涉及一种用于还原注浆锚索实际应用场景的力学性能实验装置。

背景技术

“富煤、少气、缺油”的资源条件，决定了我国能源结构以煤炭为主。虽然近年来我国新型能源得到快速发展，但是由于我国长期能源结构以及人均日益消耗的增长，致使我国煤炭仍然占总能源的60％以上，且长时间内不会改变。为了满足日益增长的能源需求，我国在今后相当长时间内煤炭开采的任务十分艰巨，而且经过长期大规模地开发之后，开采条件较为优越的煤炭资源已接近枯竭，因此提高产量的出路在于开采那些赋存条件差、埋藏较深的煤炭资源，这就意味着今后采掘工作将在高地应力、围岩条件较差的环境中进行。随着今后开采深度的增大、开采条件的恶化，常规支护方式难以维护巷道稳定，深部软岩问题将会更加突出，在相当程度上影响了煤矿的安全生产。

同时，深部开采引起高地压、高地温、高岩溶水压和强烈的开采扰动已严重影响煤矿的正常生产，深部矿井受承压水威胁日益严重，突水类型变得更加复杂，水害问题将更加突出。深部矿井垂直应力明显增大，构造应力场复杂；开采深度增大导致地温越高，同时由于热胀冷缩、温度变化会引起地应力变化；地应力与地温同时升高，岩溶水压升高，矿井突水严重。此外，在高地应力作用下，开采扰动影响强烈，围岩破坏严重。

在高地应力和复杂环境下，煤岩体的变形特性发生了根本变化：由浅部的脆性向深部的塑性转化；煤岩体具有较强的时间效应，表现为明显的流变或蠕变；煤岩体的扩容现象突出，表现为大偏应力下煤岩体内部节理、裂隙、裂纹张开，出现新裂纹导致煤岩体积增大，扩容膨胀；而煤岩体变形的冲击性表现为变形不是连续的、逐渐变化的，而是突然剧烈增加。

目前主要采用高强度锚杆、锚索支护进行支护，在一般条件下其支护效果良好，综合效益显著。但在高地压破碎巷道中，出现了一系列问题：锚杆预应力过低，强度不足，抗冲击性能差，造成锚杆拉断或整体失效，甚至锚杆尾部被弹射出去等破坏现象；锚索直径小、强度低、延伸率低，与钻孔匹配性差，经常出现锚索被拉断或整体滑动；钢带强度和刚度小，容易撕裂和拉断，护顶效果差；特别地，当巷道顶板存在裂隙水且被锚索孔导通时淋水会比较严重。巷道顶板围岩强度和锚杆（索）锚固力在水的作用下大大降低，上述现象严重影响了巷道支护效果和安全程度。

而不同的地质条件具有不同的支护要求，而且同样的支护方式在不同地质条件下其支护强度也不一样，因此，根据井下实际情况进行锚索支护是十分必要的。而注浆锚索支护中注入的浆液以及锚索本身的力学性能是十分重要的设计参数，一般需要根据井下实际情况进行测试，并决定锚索的规格、注浆浆液的配方、施工工艺等。但是目前还没有专门用于还原注浆锚索实际应用场景的力学性能实验装置，因此，为实际的研究、设计带来了极大的不便。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于还原注浆锚索实际应用场景的力学性能实验装置，其能够还原锚索的使用环境，并对锚索进行力学研究，从而为后期支护设计、研究提供基础数据。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于还原注浆锚索实际应用场景的力学性能实验装置，包括底板、钢筒组件、拉拔仪组件，钢筒组件用于将锚索在钢筒内进行注浆固定；拉拔仪组件用于对在钢筒内注浆固定后的锚索进行拉拔实验；

所述底板分别通过第一侧板、第二侧板与顶板装配固定，所述底板、顶板相互靠近的端面上还安装有导轨，所述导轨分别与活动侧板两端可滑动装配；所述底板上还固定有脚控板、丝杠支撑板，所述脚控板上分别安装有前进开关、后退开关；

所述第一侧板、丝杠支撑板分别与丝杠可转动装配，所述丝杠穿过活动侧板且与活动侧板通过螺纹旋合装配，且丝杠一端穿出第一侧板后与侧移电机的输出轴通过联轴器连接；所述第二侧板上安装有卡座机构、加热支撑底板、加热支撑顶板；卡座机构用于对钢筒组件的钢筒进行固定，并可对钢筒组件的内腔施加扭力、冲击力。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以还原锚索应用的井下场景，从而为井下锚索支护的工艺、设计、研究提供基础的研究支撑。

2、本发明可通过研究锚索与注浆围岩体的相互作用过程，分析不同载荷作用形式、不同围岩含水状况下锚索的应力、变形规律以及锚索结构参数对提高支护结构稳定性和承载能力的作用，得到不同围岩条件下最佳锚索支护参数和注浆时机，以实现对国内矿区深部软岩巷道变形的有效控制，满足该产区深部矿井高应力软岩巷道及动压巷道支护的需要。

附图说明

图1-图5、图17、图24、图30-图31是本发明的结构示意图。其中17是进行拉拔实验时的状态图（拉拔仪组件安装后）；图31是图30中F1处放大图。

图6是推送机构和钢筒组件的结构示意图。

图7-图10是推送机构的结构示意图。

图11-图16是钢筒组件的结构示意图。其中图11、图14为安装孔塞的状态，图12-图13、图15-图16为安装注水环的状态。

图18-图19是钢筒组件、加热组件、拉拔仪的结构示意图。

图20-图21是拉拔仪的结构示意图。

图22是导向半环处结构示意图。

图23是第一电涡流传感器、第二电涡流传感器、感应叶轮处结构示意图。

图25-图29是卡座机构结构示意图。

图32是本发明的电气构成框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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。

参见图1-图32，本实施例的力学性能实验装置，包括底板110，所述底板110分别通过第一侧板121、第二侧板122与顶板140装配固定，所述底板110、顶板140相互靠近的端面上还安装有导轨150，所述导轨150分别与活动侧板130两端可滑动装配；所述底板110上还固定有脚控板220、丝杠支撑板170，所述脚控板220上分别安装有前进开关211、后退开关212；

所述第一侧板121、丝杠支撑板170分别与丝杠410可转动装配，所述丝杠410穿过活动侧板130且与活动侧板130通过螺纹旋合装配，且丝杠410一端穿出第一侧板121后与侧移电机310的输出轴通过联轴器连接，从而使得侧移电机310可驱动丝杠410在周向上正反转，从而带动活动侧板130在导轨150上移动；

所述顶板140上还固定有数控箱230、至少两块提升支撑板160，两块提升支撑板160分别与提升轴420可转动装配，所述提升轴420上固定有缠绕轮510，所述缠绕轮510与拉绳520一端装配固定、缠绕，所述拉绳520另一端与挂钩521连接固定；所述提升轴420一端与升降电机320的输出轴通过联轴器连接，从而使得升降电机320可驱动提升轴420在周向上正反转。

所述活动侧板130与上固定有推送机构C，推送机构C包括固定在活动侧板130上的第一推送底板C180、第一推送支撑条C111、推送限位板C170，所述第一推送支撑条C111、推送限位板C170还固定在第一推送底板C180上；

所述第一推送底板C180上固定有槽板C520，所述槽板C520上设置有滑槽C521，所述滑槽C521与滑轨C510可滑动装配，所述滑轨C510固定在第二推送底板C120上，所述第二推送底板C120上分别固定有推力板C130、推送隔板C140、推送固定块C150，所述推送固定块C150上固定有推送套C220，所述推送套C220内部为中空的推送内套C221，所述推送内套C221一端与推送堵盖C410装配固定、另一端与推送油缸C210的外壳一端可轴向上移动装配，且推送油缸C210此端上还设置有触发凸轴C212，所述触发凸轴C212与阻力弹簧C420一端套装，阻力弹簧C420另一端与推送堵盖C410内侧接触或固定；

所述推送堵盖C410上固定有第三推送限位开关C330，所述第三推送限位开关C330用于控制为推送油缸C210供油的推送油泵的电流通断，当第三推送限位开关C330被触发时，其断开对推送油泵的电流，从而使得推送油泵停止运行，也就是推送油缸C210停止运行；

所述推送油缸C210上安装有推送伸缩轴C211，推送油缸C210可驱动推送伸缩轴C211在轴向上往复移动；所述推送伸缩轴C211一端穿过推送隔板C140后与推力板C130装配固定，所述推力板C130上设置有推力让位槽C131，所述推力让位槽C131用于使推力板C130不接触锚索D210，也就是推力让位槽C131可直接套装在锚索D210外；

所述第一推送底板C180上设置有推送导向槽C181，所述推送导向槽C181一端通过推送限位块C531封闭、另一端通过推送限位板C170封闭，推送导向槽C181内可滑动地安装有推送驱动板C532，所述推送驱动板C532固定在第二推送底板C120上，推送螺杆C620一端穿过推送驱动板C532后与推送限位块C531可转动装配、另一端穿过推送限位板C170后与推送电机C610的输出轴通过联轴器连接，所述推送电机C610可驱动推送螺杆C620在周向上正反转；

所述推送限位板C170、推送限位块C531上分别安装有第二推送限位开关C320、第一推送限位开关C310，所述第二推送限位开关C320、第一推送限位开关C310的触发端分别面向推送驱动板C532、推送触发板C160，所述推送触发板C160固定在第二推送底板C120上；

第二推送限位开关C320、第一推送限位开关C310分别用于控制推送电机的启停，且第二推送限位开关C320、第一推送限位开关C310对推送电机C610通过双控开关电路连接，与双控灯类似，只要第二推送限位开关C320、第一推送限位开关C310其中一个被触发，那么推送电机C610电流断开，从而停止运行。

在本实施例中，第二推送限位开关C320、第一推送限位开关C310分别用于限制推送油缸C210相对于活动侧板130的位置。在钢筒组件安装在下加热槽A2221后，需要将钢筒组件在轴向上推向卡座机构，此时，推送电机C610启动，驱动推送螺杆C620转动，推送螺杆C620通过螺纹驱动推送驱动板C532以使得第二推送底板C120通过滑轨C510在滑槽C521内向锚索D210移动，直到推力板C130与端盖D310端面正对，此时第二推送限位开关C320被推送驱动板C532挤压而触发，推送电机停止运行。然后启动推送油泵，使得推送油缸C210驱动推送伸缩轴以对钢筒组件施加向卡座机构的轴向推力，直到钢筒组件安装到位。在此过程中，推送伸缩轴将钢筒组件推动至不能推动后，其继续伸出，从而反向驱动推送油缸C210的外壳克服阻力弹簧C420的弹力向第三推送限位开关C330移动，直到触发第三推送限位开关C330，此时，推送油泵停止运行，判断为将钢筒组件安装到位，然后推送机构C复位，即推送触发板C160触发第一推送限位开关C310、推送伸缩轴回缩至初始状态、推送油缸在阻力弹簧弹力下复位，从而解除第三推送限位开关C330的触发状态。

所述第二侧板122上安装有卡座机构、加热支撑底板A120、加热支撑顶板180，加热支撑底板A120上固定有加热支撑台A130，所述加热支撑台A130上固定有下加热半筒A222，所述下加热半筒A222内安装有加热线圈A230的一半，且这一半加热线圈A230的端部分别与导电孔A232导电连接；所述导电孔A232可与导电柱A231插接、导电，所述导电柱A231设置在另一半加热线圈A230的端部上，且这一半加热线圈A230安装在上加热半筒A221内，上加热半筒A221、下加热半筒A222内的两半加热线圈A230在导电柱和导电孔插接导电后构成一个完整的螺旋线圈。此时，在加热线圈A230内通入交变电流，就可以使得加热线圈A230产生交变磁场，从而使得钢筒D110生热，以模拟地热环境。

所述上加热半筒A221上分别设置有上加热导向板A2212、上加热弧槽A2211，所述下加热半筒A222上分别设置有下加热导向板A2222、下加热弧槽A2221，所述上加热弧槽A2211、下加热弧槽A2221共同将钢筒D110包裹，所述上加热半筒A221、下加热半筒A222的壳体部分均采用绝缘绝磁材料制成，如塑钢，这种设计主要是为了避免交变磁场对其进行加热，从而造成不必要的能耗和安全隐患。

优选地，为了能够推测钢筒内部的温度，所述下加热弧槽A2221内安装有与钢筒外壁贴紧的温度探头A250，所述温度探头A250的输出端与温度传感器的输入端导电连接，从而能够检测钢筒外壁的温度。在对钢筒长时间恒温加热后，钢筒内部的温度与外壁的温度几乎一致或成趋于线性的关系，从而可以通过温度传感器检测的温度推断钢筒内部的大致温度，这就能够相对精确地模拟地热。

优选地，由于钢筒D120装入卡座机构时，对其圆周方向上的位置有要求，这就需要提前对钢筒D120圆周进行定位，本实施例中，钢筒D120上固定定位块D140，所述下加热半筒A222的外壳上安装定位半环A320，所述定位半环A320上设置有定位卡槽A321。使用时，只需要保证定位块D140装入定位卡槽A321内即可对钢筒D120圆周进行定位。

优选地，由于在实际使用时，需要对钢筒D110施加周向的扭力，如果定位半环A320与下加热半筒A222的外壳固定的话，会严重影响扭力的施加，因此有两个选择，第一将定位块D140拆除，这显然非常麻烦；第二将定位半环A320设计成可以固定、可以活动的方式，这显然是最好的选择。

因此，申请人在下加热半筒A222的外壳固定保持半环A310，所述保持半环A310与加热半筒A222的外壳之间构成保持弧槽A312，所述定位半环A320安装在保持弧槽A312内且可在保持弧槽A312内圆周呈一定角度转动，这便不影响扭力的施加。

所述保持半环A310上还设置有贯穿的限位弧槽A311、固定有弹簧销A350，锁紧螺栓A330的螺柱部分与压紧螺帽A331装配后穿过限位弧槽A311、且与定位半环A320装配固定，所述螺柱部分与弹簧销A350分别与复位拉簧A340两端装配固定，所述复位拉簧A340使得锁紧螺栓A330、弹簧销A350始终位于初始状态，也就是定位卡槽A321始终处于对定位块D140定位的位置。

初始状态时，压紧螺帽A331端面与保持半环A310端面压紧，从而对定位半环A320形成阻力，使得定位半环A320相对固定，以不影响定位效果。而需要对钢筒施加扭力时，将锁紧螺栓稍微旋出定位半环A320，使得压紧螺帽A331不再与保持半环A310端面压紧，此时定位半环A320可以转动，也就不影响扭力的施加。在扭力消除且取出钢筒组件后，复位拉簧A340通过自身弹力驱动定位半环A320复位，然后将锁紧螺栓A330在此向定位半环A320旋紧，直到压紧螺帽A331端面与保持半环A310端面压紧即可。

优选地，所述加热支撑台A130上还固定有控制面板A240，所述加热面板A240上安装有多个切换开关A241，切换前进开关211、后退开关212均为脚踏式调速开关（类似于玩具电动车的前进、后腿踏板），所述切换开关A241包括：

侧移电机切换开关，用于切换前进开关211、后退开关212处于控制侧移电机状态，此时切换前进开关211、后退开关212分别对侧移电机驱动器输入正转、反转、转动角度指令；侧移电机驱动器用于为侧移电机供电以控制其工作状态，如正反转、转动角度；

升降电机切换开关，用于切换前进开关211、后退开关212处于控制升降电机状态，此时切换前进开关211、后退开关212分别对升降电机驱动器输入正转、反转、转动角度指令；升降电机驱动器用于为升降电机供电以控制其工作状态，如正反转、转动角度；

推送电机切换开关，用于切换前进开关211、后退开关212处于控制推送电机状态，此时切换前进开关211、后退开关212分别对推送电机驱动器输入正转、反转、转动角度指令；推送电机驱动器用于为推送电机供电以控制其工作状态，如正反转、转动角度；

推送油泵切换开关，用于切换前进开关211、后退开关212处于控制推送油泵、推送切换阀状态，此时切换前进开关211对推送油泵电机驱动器输功率指令，以控制推送伸缩轴的伸出幅度；后退开关212控制推送换向阀换向，当后退开关212触发时，推送换向阀由驱动推送伸缩轴伸出的供油方向切换为驱动推送伸缩轴回缩方向，且后退开关212还对推送油泵电机驱动器输入功率指令，以控制推送伸缩轴的回缩幅度；

冲击油泵切换开关，用于切换前进开关211、后退开关212处于控制冲击油泵、冲击切换阀状态，此时切换前进开关211对冲击油泵电机驱动器输功率指令，以控制冲击伸缩轴的伸出幅度；后退开关212控制冲击换向阀换向，当后退开关212触发时，冲击换向阀由驱动冲击伸缩轴伸出的供油方向切换为驱动冲击伸缩轴回缩方向，且后退开关212还对冲击油泵电机驱动器输入功率指令，以控制冲击伸缩轴的回缩幅度；

扭矩油泵切换开关，用于切换前进开关211、后退开关212处于控制扭矩油泵、扭矩切换阀状态，此时切换前进开关211对扭矩油泵电机驱动器输功率指令，以控制扭矩伸缩轴的伸出幅度；后退开关212控制扭矩换向阀换向，当后退开关212触发时，扭矩换向阀由驱动扭矩伸缩轴伸出的供油方向切换为驱动扭矩伸缩轴回缩方向，且后退开关212还对扭矩油泵电机驱动器输入功率指令，以控制扭矩伸缩轴的回缩幅度。

优选地，所述上加热半筒A221与下移伸缩轴A111一端装配固定，下移伸缩轴A111另一端装入下移油缸A110内，下移油缸A110固定在加热支撑顶板180上。钢筒需要加热时，下移油缸A110驱动下移伸缩轴A111下移，以驱动上加热半筒A221向下加热半筒A222移动，直到加热线圈A230形成回路，此时判断为导电柱与导电孔插接导电、上加热半筒A221和下加热半筒A222装配到位，然后下移油缸A110停止运行，加热线圈A230通电开始产生交变磁场。

优选地，所述加热支撑顶板180与加热支撑底板A120之间固定有加热导向杆A410，加热导向杆A410分别穿过上加热导向板A2212、下加热导向板A2222且与之可轴向上移动装配。这种设计主要是要保证导电柱与导电孔之间的装配精度。

参见图11-图16，所述钢筒组件D包括钢质的钢筒D110，所述钢筒D110一端上固定有定位筒D120，且钢筒D110上还分别安装有吊耳D130、定位块D140，所述吊耳D130上设置有贯穿的掉孔，需要起吊钢筒组件D时，将挂钩与掉孔钩合，然后通过升降电机缠绕拉绳即可起吊钢筒组件D，然后升降电机反转即可释放拉绳以下移钢筒组件。

所述钢筒D110内部为填充腔D112，且钢筒D110侧壁上设置有进出水孔D111、阻挡缺槽D113，所述阻挡缺槽D113与进出水孔D111一端连通，且阻挡缺槽D113内由填充腔D112向进出水孔D111方向依次安装有阻挡块D450、隔膜D440，所述阻挡块D450上设置有阻挡盲孔D451和数个贯穿的过水孔，所述隔膜D440为塑料薄膜，如用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等，其覆盖在阻挡块D450设置有阻挡盲孔D451一端面上以密封阻挡块D450此端。

所述进出水孔D111在不通水时与孔塞D410密封装配，且孔塞D410不接触或不能捅破隔膜D440；所述进出水孔D111需要通水时需要与第二注水管D422一端密封装配，所述第二注水管D422另一端与第一注水管D421一端密封装配，所述第一注水管D421另一端与水环D420内部连通，所述第二注水管D422装入进出水孔D111一端上固定有锥头D430，所述锥头D430的直径较小端面向隔膜D440。需要对填充腔D112进行注水或排水时，需要将锥头D430刺破隔膜D440后装入阻挡盲孔D451内，从而使得第二注水管D422与填充腔D112连通以进行水的注入或排除。水环D420上还安装有快速接头D423，所述快速接头D423用于和外部水管上的配合快速接头装配以将外部水管与第二注水管D42快速密封连通。

所述阻挡块D450、隔膜D440的设计主要是为了避免往填充腔内填充碎石、岩土、湿土、水等填充物时气进入进出水孔D111内造成堵塞，从而导致无法注水或排水。

所述定位筒D120内部为定位内筒D123，且定位筒D120外壁上设置有卡合半槽D121、定位内筒D123内壁上设置有卡合凸块D122，所述定位内筒D123直径小于填充腔直径，从而使得定位内筒D123与填充腔D112连通处形成限位台D124，所述限位台D124用于限制装入填充腔D112与定位内筒D123连通一端的封堵塞D320在其轴向的最大位置，所述封堵塞D320上设置有密封塞柱部分D321，所述密封塞柱部分D321与定位内筒D123内壁密封装配。本实施例中，封堵塞D320采用绝缘、绝磁材料制成，如硬质橡胶。

所述填充腔D112另一端与端盖D310的端盖密封柱部分D311密封装配，所述端盖D310采用高强度材料制成，如45钢。端盖D310上设置有能够使锚索穿过的端盖通孔。

使用时，首先在填充腔D112内安装封堵塞D320，然后填充模拟井下需要支护处的岩石、岩土状态的碎石、岩土、矿渣等，然后压紧至井下的岩石、岩土密度状态，再盖上端盖D310，再根据井下打锚索的施工步骤，安装注浆锚索D210，锚索D210一端穿过端盖通孔后穿出填充腔D112。

然后可以根据需要对填充腔D112内注水、保持一定水压、或排水，从而模拟井下渗水地质，或具有水压地质。

需要注水或保持水压时，本实施例采用在水管上串联单向阀，单向阀流向为向填充腔D112流入，然后通过增压泵将外部增压后送入保压缸内，再通过保压缸、单向阀输入填充腔。保压缸主要是用于保持向填充腔输入恒压水源，增压泵用于提供水源的增压、抽送。

参见图18-图23，本实施例中，采用拉拔仪组件对锚索进行拉拔测试，所述拉拔仪组件包括支撑筒D510、拉拔油缸D520、半锁环D530、锁套D540，所述支撑筒D510、拉拔油缸D520、锁套D540均套装在锚索D210上，且所述支撑筒D510两端面分别与端盖D310、拉拔油缸D520一端面压紧，支撑筒D510上设置有数个贯穿的观察槽D511，使用时，可通过观察槽贯穿锚索D310或在锚索D310上贴应变片后通过观察槽D511将线路引出；

所述拉拔油缸D520由拉拔油泵供油，从而对支撑筒D510产生推力以对锚索产生反向拉力，可以参考现有的钢筋拉拔仪。所述拉拔油缸D520另一端面上设置有凹槽D521，所述凹槽D521与半锁环D530的半圆部分D531装配，所述半锁环D530上还设置有半锥块部分D532，所述半锥块部分D532上设置有卡合半槽D533，两个卡合半槽D533共同将锚索卡紧；

两个半锥块部分D532合上后为一圆台体，且均装入锁套D540的锥孔D541内，所述半锥块部分D532装入锥孔D541后在拉拔油缸作用下逐渐向锥孔D541内移动，使得两个卡合半槽D533对锚索的卡紧力逐渐增加，直到与锚索卡紧固定，从而保证拉拔油缸的作用力完整地施加在锚索D210上以对锚索进行拉拔。

所述锚索D210端部还装入螺套D570的内螺套D571内，且锚索与螺套D570相对固定，本实施例中直接将螺套与锚索焊接固定。所述螺套D570外壁上设置有外螺纹，且螺套D570上、由锁套D540向内螺套封闭端的轴向上依次通过螺纹旋合套装有第一限位螺母D551、检测叶轮D560、第二限位螺母D552，所述检测叶轮D560上设置有数个均匀分布在其圆周的叶片，叶片采用导电导磁材料制作且叶片与第二电涡流传感器A212的探测端正对，从而可以通过第二电涡流传感器A212检测叶片的位置以判断叶轮转动角度；

所述螺套轴向上、端面附近安装有第一电涡流传感器A211，所述第一电涡流传感器A211的探测端与螺套D570的端面正对，且螺套采用导电导磁材料制作。从而可以通过第一电涡流传感器探测螺套D570的轴向位移，也就是锚索的轴向位移。所述第一电涡流传感器A211、第二电涡流传感器A212均通过安装板固定在活动侧板130上。

参见图29-图31，所述卡座机构，包括第一固定罩B310、第二固定罩B320，所述第一固定罩B310固定在第二侧板122上，且第二固定罩B320内部安装有扭力盘B340，所述扭力盘B340侧壁上固定有扭力施加块B341，所述扭力施加块B341通过扭力铰接销B410与扭力伸缩轴B231一端铰接，扭力伸缩轴B231另一端装入扭矩油缸B230内，且扭矩油缸可以驱动扭力伸缩轴B231轴向移动；

所述扭矩油缸B230固定在第二侧板122上，所述扭力盘B340上还安装有冲击油缸B270，所述冲击油缸B270的冲击伸缩轴B271穿过卡座B330后与冲击柱B510装配固定，所述扭力盘B340上还固定有旋转盘B350，所述旋转盘B350与第二侧板122可周向转动装配；

扭力轴B110一端与旋转盘B350装配固定、另一端穿过第二侧板122后与第一扭矩传感器B210的输入轴连接，从而使得扭力盘B340转动时可以通过扭力轴B110对第一扭矩传感器B210输入扭矩信息，以检测扭力盘B340的扭矩；

所述卡座B330安装在旋转盘B350上且与之相对固定，所述第二固定罩B320安装在卡座B330上，所述卡座B330上设置有卡座限位孔B331，所述卡座限位孔B331、卡座B330、扭力盘B340、旋转盘B350、扭力轴B110、冲击伸缩轴B271同轴；

所述冲击伸缩轴B271位于卡座限位孔B331内的部分上设置有冲击限位环B272，所述冲击限位环B272用于限制冲击伸缩轴B271向冲击油缸B270移动的最大位移；

所述卡座B330上还固定有座盘B360，所述座盘B360上设置有凸环B361，所述凸环B360上安装有驱动螺筒B540，所述驱动螺筒B540一端穿出凸环B361且与斜齿轮B430装配固定、另一端位于凸环B361内侧的卡紧导向槽B363内且与卡紧螺杆B530一端通过螺纹旋合装配，所述卡紧螺杆B530另一端与卡块B520一端装配固定，所述卡块B520卡合装配在卡紧导向槽B363内，且可在卡紧导向槽B363内滑动，所述卡块B520远离卡紧螺杆B530一端上设置有卡紧凸块B521，所述卡紧凸块B521与卡合半槽D121卡合装配，从而对钢筒进行轴向、周向固定；

所述卡紧导向槽B363由两块卡紧导向片B362构成，所述卡紧导向片B362固定在座盘B360上，所述斜齿轮B430与大齿轮B410的斜齿部分B412啮合传动，所述大齿轮B410上还设置有直齿部分B411，所述直齿部分B411与小齿轮B420啮合传动，所述小齿轮B420固定在卡紧输出轴B241上，所述卡紧输出轴B241安装在卡紧电机B240内，所述卡机电机B240安装在卡座B330上；卡紧输出轴B241还与第二扭矩传感器B250的输入轴连接，从而使得第二扭矩传感器B250可以检测卡紧输出轴B241的扭矩；

所述大齿轮B410套装在齿轮轴B370外且与之可周向转动装配，所述齿轮轴B370安装在座盘B360上，所述大齿轮B410、齿轮轴B370均装入第二固定罩B320内。

优选地，所述斜齿轮B430内部设置有贯穿的保持孔，所述卡紧螺杆B530装入驱动螺筒B540的一端上固定有检测杆B531，所述检测杆B531一端穿过保持孔后其端面与第三电涡流传感器B260的探测端正对，所述第三电涡流传感器B260固定在探测套B261内，所述探测套B261固定在第二固定罩B320上。

所述冲击头B510上设置有卡合凹槽B511，所述卡合凹槽B511与卡合凸块D122卡合装配，所述冲击头B510内部还安装有第四电涡流传感器B280，所述第四电涡流传感器B280的探测端与锚索D210端面正对。使用时，第四电涡流传感器用于探测锚索D210此端面的位移，由于封堵塞采用绝缘绝磁材料，因此其不会影响第四电涡流传感器B280的探测。

参见图32，其中一半加热线圈A230通过导线与电阻串联，从避免短路，且串联后与电流传感器的检测端导电连接，从而使得电流传感器可以检测到加热线圈A230内是否有电流通过，所述电流传感器的信号端与数据采集卡的模拟信号端通信连接，数据采集卡的数字信号端与控制器的信号端通信连接，所述数据采集卡的模拟信号端还分别与第一电涡流传感器、第二电涡流传感器、第三电涡流传感器、第四电涡流传感器、第一扭矩传感器、第二扭矩传感器、应变片、压力表、切换开关、前进开关、后退开关的信号端通讯连接，所述压力变用于检测水环内的水压，从而精确模拟渗水地质的水压。

所述夹紧电机通过夹紧电机驱动器驱动，从而通过夹紧电机驱动器控制夹紧电机的转向、功率、转动角度等。

本实施例的使用过程如下：

S1、首先在钢筒内进行打锚索，再将活动侧板通过侧移电机驱动至靠近第一侧板位置，从而为后续操作留足空间，此时可通过前进开关、后腿开关控制活动侧板的移动位置和速度。

S2、通过拉绳将钢筒组件上拉至上加热半筒A221、下加热半筒A222之间，再手动将钢筒组件推送至下加热槽A2221、上加热槽A2211之间，然后释放拉绳使得钢筒组件落在下加热槽A2221上，这个过程可以通过前进开关、后腿开关控制拉绳的缠绕或释放，以及收放速度。

S3、手动转动钢筒，使得定位块D140与定位卡槽A321正对，然后启动推送组件，使得推力板C130与端盖端面正对，然后启动推送油缸，使得推送输出轴对钢筒组件施加轴向推力，直到第三推送限位开关被触发后，判断为推送到位；在此过程中，可通过过前进开关、后腿开关控制推送电机的转向、转速。另外还可以通过过前进开关、后腿开关控制控制推送伸缩轴的伸缩、伸缩速度等。

S4、夹紧电机正转，从而驱动大齿轮转动，大齿轮通过斜齿部分B412驱动斜齿轮B430转动，从而使驱动螺筒B540转动，驱动螺筒转动时通过螺纹驱动卡紧螺杆B530轴向推动卡块B520向卡合半槽D121移动，直到卡紧凸块B521与卡合半槽D121卡合装配即可，此时大齿轮不能转动，第二扭矩传感器会检测到扭矩瞬间增加，当达到预设值时判断为卡块卡紧到位，此时夹紧电机停止运行；

S5、需要对填充腔注水或排水时，直接将外部水管与快速接头连接即可，需要排水时，单向阀的流向为由填充腔向外流出。

S6、需要加热时，通过下移伸缩轴驱动上加热半筒A221下移，直到电流传感器检测到信号后判断为上加热半筒A221下移到位，此时停止下移油缸，且对加热线圈通入交变电流，从而通过交变磁场对钢筒进行加热；同时通过温度传感器检测钢筒外壁的温度，从而模拟井下地质的温度。

S7、根据需要，可在锚索位于观察槽的部分贴上应变片，然后依次安装拉拔仪组件。

S8、根据实验需要，可通过冲击油缸、扭矩油缸对钢筒内部施加冲击力、扭力以模拟冲击地压。使用过程中，可通过第二电涡流传感器检测锚索的扭转角度，且与应变片检测结果相对应即可知晓锚索圆周上的扭转幅度。

S9、通过拉拔油缸对锚索进行拉拔，同时通过第一电涡流传感器、第四电涡流传感器检测锚索两端位移，以判断锚索被拉出长度和发生变形长度。

S10、使用完成后，需要拆卸卡块B520时，夹紧电机反转，从而通过驱动螺筒B540驱动卡块B520退出卡合半槽D121，直到第三电涡流传感器检测到检测杆B531达到预设的距离值后判断为卡块与卡合半槽脱离，此时夹紧电机停止运行。

本实施例中所有电机均采用带有减速功能的步进电机，且控制器选用单片机或PLC。本实施例中的油缸可全部采用步进油缸，本实施例中的电涡流传感器可全部选用电涡流位移传感器。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于还原注浆锚索实际应用场景的力学性能实验装置，包括底板、钢筒组件、拉拔仪组件，钢筒组件用于将锚索在钢筒内进行注浆固定；拉拔仪组件用于对在钢筒内注浆固定后的锚索进行拉拔实验；其特征是：

所述底板分别通过第一侧板、第二侧板与顶板装配固定，所述底板、顶板相互靠近的端面上还安装有导轨，所述导轨分别与活动侧板两端可滑动装配；所述底板上还固定有脚控板、丝杠支撑板，所述脚控板上分别安装有前进开关、后退开关；

所述第一侧板、丝杠支撑板分别与丝杠可转动装配，所述丝杠穿过活动侧板且与活动侧板通过螺纹旋合装配，且丝杠一端穿出第一侧板后与侧移电机的输出轴通过联轴器连接；所述第二侧板上安装有卡座机构、加热支撑底板、加热支撑顶板；卡座机构用于对钢筒组件的钢筒进行固定，并可对钢筒组件的内腔施加扭力、冲击力。

2.如权利要求1所述的力学性能实验装置，其特征是：所述活动侧板与上固定有推送机构，推送机构包括固定在活动侧板上的第一推送底板、第一推送支撑条、推送限位板，所述第一推送支撑条、推送限位板还固定在第一推送底板上；

所述第一推送底板上固定有槽板，所述槽板上设置有滑槽，所述滑槽与滑轨可滑动装配，所述滑轨固定在第二推送底板上，所述第二推送底板上分别固定有推力板、推送隔板、推送固定块，所述推送固定块上固定有推送套，所述推送套内部为中空的推送内套，所述推送内套一端与推送堵盖装配固定、另一端与推送油缸的外壳一端可轴向上移动装配，且推送油缸此端上还设置有触发凸轴，所述触发凸轴与阻力弹簧一端套装，阻力弹簧另一端与推送堵盖内侧接触或固定；

所述推送堵盖上固定有第三推送限位开关，所述第三推送限位开关用于控制为推送油缸供油的推送油泵的电流通断，当第三推送限位开关被触发时，其断开对推送油泵的电流，从而使得推送油泵停止运行；

所述推送油缸上安装有推送伸缩轴，推送油缸可驱动推送伸缩轴在轴向上往复移动；所述推送伸缩轴一端穿过推送隔板后与推力板装配固定；所述推力板上设置有推力让位槽，所述推力让位槽用于使推力板不接触锚索。

3.如权利要求2所述的力学性能实验装置，其特征是：所述第一推送底板上设置有推送导向槽，所述推送导向槽一端通过推送限位块封闭、另一端通过推送限位板封闭，推送导向槽内可滑动地安装有推送驱动板，所述推送驱动板固定在第二推送底板上，推送螺杆一端穿过推送驱动板后与推送限位块可转动装配、另一端穿过推送限位板后与推送电机的输出轴通过联轴器连接；

所述推送限位板、推送限位块上分别安装有第二推送限位开关、第一推送限位开关，所述第二推送限位开关、第一推送限位开关的触发端分别面向推送驱动板、推送触发板，所述推送触发板固定在第二推送底板上；

第二推送限位开关、第一推送限位开关分别用于控制推送电机的启停，且第二推送限位开关、第一推送限位开关对推送电机通过双控开关电路连接。

4.如权利要求1所述的力学性能实验装置，其特征是：加热支撑底板上固定有加热支撑台，所述加热支撑台上固定有下加热半筒，所述下加热半筒内安装有加热线圈的一半，且这一半加热线圈的端部分别与导电孔导电连接；所述导电孔可与导电柱插接、导电，所述导电柱设置在另一半加热线圈的端部上，且这一半加热线圈安装在上加热半筒内，上加热半筒、下加热半筒内的加热线圈在导电柱和导电孔插接导电后构成一个完整的螺旋线圈；

所述上加热半筒上分别设置有上加热导向板、上加热弧槽，所述下加热半筒上分别设置有下加热导向板、下加热弧槽，所述上加热弧槽、下加热弧槽共同将钢筒包裹，所述上加热半筒、下加热半筒的壳体部分均采用绝缘绝磁材料制成；

所述下加热弧槽内安装有与钢筒外壁贴紧的温度探头，所述温度探头的输出端与温度传感器的输入端导电连接；所述下加热半筒的外壳上安装有定位半环，所述定位半环上设置有定位卡槽，定位卡槽可与定位块卡合装配以对钢筒圆周方向进行定；

加热线圈通过导线与电阻串联，且串联后与电流传感器的检测端导电连接，所述电流传感器的信号端与数据采集卡的模拟信号端通信连接，数据采集卡的数字信号端与控制器的信号端通信连接，所述数据采集卡的模拟信号端还分别与第一电涡流传感器、第二电涡流传感器、第三电涡流传感器、第四电涡流传感器、第一扭矩传感器、第二扭矩传感器、应变片、压力表、切换开关、前进开关、后退开关的信号端通讯连接，所述压力变用于检测水环内的水压。

5.如权利要求4所述的力学性能实验装置，其特征是：在下加热半筒的外壳固定有保持半环，所述保持半环与加热半筒的外壳之间构成保持弧槽，所述定位半环安装在保持弧槽内且可在保持弧槽内圆周转动；

所述保持半环上还设置有贯穿的限位弧槽、固定有弹簧销，锁紧螺栓的螺柱部分与压紧螺帽装配后穿过限位弧槽、且与定位半环装配固定，所述螺柱部分与弹簧销分别与复位拉簧两端装配固定，所述复位拉簧使得锁紧螺栓、弹簧销始终位于初始状态；初始状态时，压紧螺帽端面与保持半环端面压紧；

所述上加热半筒与下移伸缩轴一端装配固定，下移伸缩轴另一端装入下移油缸内，下移油缸固定在加热支撑顶板上；所述加热支撑顶板与加热支撑底板之间固定有加热导向杆，加热导向杆分别穿过上加热导向板、下加热导向板且与之可轴向上移动装配。

6.如权利要求1所述的力学性能实验装置，其特征是：所述加热支撑台上还固定有控制面板，所述加热面板上安装有多个切换开关，切换前进开关、后退开关均为脚踏式调速开关，所述切换开关包括：

侧移电机切换开关，用于切换前进开关、后退开关处于控制侧移电机状态，此时切换前进开关、后退开关分别对侧移电机驱动器输入正转、反转、转动角度指令；侧移电机驱动器用于为侧移电机供电以控制其工作状态；

升降电机切换开关，用于切换前进开关、后退开关处于控制升降电机状态，此时切换前进开关、后退开关分别对升降电机驱动器输入正转、反转、转动角度指令；升降电机驱动器用于为升降电机供电以控制其工作状态；

推送电机切换开关，用于切换前进开关、后退开关处于控制推送电机状态，此时切换前进开关、后退开关分别对推送电机驱动器输入正转、反转、转动角度指令；推送电机驱动器用于为推送电机供电以控制其工作状态；

推送油泵切换开关，用于切换前进开关、后退开关处于控制推送油泵、推送切换阀状态，此时切换前进开关对推送油泵电机驱动器输功率指令，以控制推送伸缩轴的伸出幅度；后退开关控制推送换向阀换向，当后退开关触发时，推送换向阀由驱动推送伸缩轴伸出的供油方向切换为驱动推送伸缩轴回缩方向，且后退开关还对推送油泵电机驱动器输入功率指令，以控制推送伸缩轴的回缩幅度；

冲击油泵切换开关，用于切换前进开关、后退开关处于控制冲击油泵、冲击切换阀状态，此时切换前进开关对冲击油泵电机驱动器输功率指令，以控制冲击伸缩轴的伸出幅度；后退开关控制冲击换向阀换向，当后退开关触发时，冲击换向阀由驱动冲击伸缩轴伸出的供油方向切换为驱动冲击伸缩轴回缩方向，且后退开关还对冲击油泵电机驱动器输入功率指令，以控制冲击伸缩轴的回缩幅度；

扭矩油泵切换开关，用于切换前进开关、后退开关处于控制扭矩油泵、扭矩切换阀状态，此时切换前进开关对扭矩油泵电机驱动器输功率指令，以控制扭矩伸缩轴的伸出幅度；后退开关控制扭矩换向阀换向，当后退开关触发时，扭矩换向阀由驱动扭矩伸缩轴伸出的供油方向切换为驱动扭矩伸缩轴回缩方向，且后退开关还对扭矩油泵电机驱动器输入功率指令，以控制扭矩伸缩轴的回缩幅度。

7.如权利要求1所述的力学性能实验装置，其特征是：所述钢筒组件包括钢质的钢筒，所述钢筒一端上固定有定位筒，所述钢筒内部为填充腔，且钢筒侧壁上设置有进出水孔、阻挡缺槽，所述阻挡缺槽与进出水孔一端连通，且阻挡缺槽内由填充腔向进出水孔方向依次安装有阻挡块、隔膜，所述阻挡块上设置有阻挡盲孔和数个贯穿的过水孔，所述隔膜为塑料薄膜，其覆盖在阻挡块设置有阻挡盲孔一端面上以密封阻挡块此端；

所述定位筒内部为定位内筒，且定位筒外壁上设置有卡合半槽、定位内筒内壁上设置有卡合凸块，填充腔与定位内筒连通一端安装有封堵塞；

所述填充腔另一端与端盖的端盖密封柱部分密封装配，所述端盖采用高强度材料制成，端盖上设置有能够使锚索穿过的端盖通孔；

所述进出水孔在不通水时与孔塞密封装配，且孔塞不接触或不能捅破隔膜；所述进出水孔需要通水时需要与第二注水管一端密封装配，所述第二注水管另一端与第一注水管一端密封装配，所述第一注水管另一端与水环内部连通，所述第二注水管装入进出水孔一端上固定有锥头，所述锥头的直径较小端面向隔膜；

所述定位内筒直径小于填充腔直径，从而使得定位内筒与填充腔连通处形成限位台，所述限位台用于限制装入填充腔与定位内筒连通一端的封堵塞在其轴向的最大位置，所述封堵塞上设置有密封塞柱部分，所述密封塞柱部分与定位内筒内壁密封装配。

8.如权利要求7所述的力学性能实验装置，其特征是：所述锚索端部还装入螺套的内螺套内，且锚索与螺套相对固定，所述螺套外壁上设置有外螺纹，且螺套上、由锁套向内螺套封闭端的轴向上依次通过螺纹旋合套装有第一限位螺母、检测叶轮、第二限位螺母，所述检测叶轮上设置有数个均匀分布在其圆周的叶片，叶片采用导电导磁材料制作且叶片与第二电涡流传感器的探测端正对；

所述螺套轴向上、端面附近安装有第一电涡流传感器，所述第一电涡流传感器的探测端与螺套的端面正对，且螺套采用导电导磁材料制作；所述第一电涡流传感器、第二电涡流传感器均通过安装板固定在活动侧板上。

9.如权利要求1所述的力学性能实验装置，其特征是：所述拉拔仪组件包括支撑筒、拉拔油缸、半锁环、锁套，所述支撑筒、拉拔油缸、锁套均套装在锚索上，且所述支撑筒两端面分别与端盖、拉拔油缸一端面压紧；所述拉拔油缸由拉拔油泵供油，所述拉拔油缸另一端面上设置有凹槽，所述凹槽与半锁环的半圆部分装配，所述半锁环上还设置有半锥块部分，所述半锥块部分上设置有卡合半槽，两个卡合半槽共同将锚索卡紧；

两个半锥块部分合上后为一圆台体，且均装入锁套的锥孔内，所述半锥块部分装入锥孔后在拉拔油缸作用下逐渐向锥孔内移动；支撑筒上设置有数个贯穿的观察槽。

10.如权利要求1所述的力学性能实验装置，其特征是：所述卡座机构，包括第一固定罩、第二固定罩，所述第一固定罩固定在第二侧板上，且第二固定罩内部安装有扭力盘，所述扭力盘侧壁上固定有扭力施加块，所述扭力施加块通过扭力铰接销与扭力伸缩轴一端铰接，扭力伸缩轴另一端装入扭矩油缸内；

所述扭矩油缸固定在第二侧板上，所述扭力盘上还安装有冲击油缸，所述冲击油缸的冲击伸缩轴穿过卡座后与冲击柱装配固定，所述扭力盘上还固定有旋转盘，所述旋转盘与第二侧板可周向转动装配；扭力轴一端与旋转盘装配固定、另一端穿过第二侧板后与第一扭矩传感器的输入轴连接；

所述卡座安装在旋转盘上且与之相对固定，所述第二固定罩安装在卡座上，所述卡座上设置有卡座限位孔；

所述卡座上还固定有座盘，所述座盘上设置有凸环，所述凸环上安装有驱动螺筒，所述驱动螺筒一端穿出凸环且与斜齿轮装配固定、另一端位于凸环内侧的卡紧导向槽内且与卡紧螺杆一端通过螺纹旋合装配，所述卡紧螺杆另一端与卡块一端装配固定，所述卡块卡合装配在卡紧导向槽内，且可在卡紧导向槽内滑动，所述卡块远离卡紧螺杆一端上设置有卡紧凸块，所述卡紧凸块与卡合半槽卡合装配；

所述卡紧导向槽由两块卡紧导向片构成，所述卡紧导向片固定在座盘上，所述斜齿轮与大齿轮的斜齿部分啮合传动，所述大齿轮上还设置有直齿部分，所述直齿部分与小齿轮啮合传动，所述小齿轮固定在卡紧输出轴上，所述卡紧输出轴安装在卡紧电机内，所述卡机电机安装在卡座上；卡紧输出轴还与第二扭矩传感器的输入轴连接；

所述大齿轮套装在齿轮轴外且与之可周向转动装配，所述齿轮轴安装在座盘上，所述大齿轮、齿轮轴均装入第二固定罩内；

所述斜齿轮内部设置有贯穿的保持孔，所述卡紧螺杆装入驱动螺筒的一端上固定有检测杆，所述检测杆一端穿过保持孔后其端面与第三电涡流传感器的探测端正对，所述第三电涡流传感器固定在探测套内，所述探测套固定在第二固定罩上；

所述冲击头上设置有卡合凹槽，所述卡合凹槽与卡合凸块卡合装配，所述冲击头内部还安装有第四电涡流传感器，所述第四电涡流传感器的探测端与锚索端面正对。