CN110593953B - 模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置及方法，包括主框架和锚杆，主框架上设升降电机，升降电机连接冲击梁，冲击梁上设立柱，立柱上设表面支护安装框架，表面支护安装框架内设表面支护构件，锚杆锚固于上下两段钢管内，上下两段钢管设上法兰和下法兰，上法兰设在冲击梁上并与冲击梁之间设压力传感器，表面支护构件上设配重块，部分配重块承载在表面支护构件上，部分配重块承载在下法兰上，螺母与表面支护构件之间设压力传感器和托盘，表面支护构件的下方和冲击梁上设加速度传感器，冲击梁两侧的下方设液压缓冲器，所述冲击梁中部的下方设摄像头，本发明提供了模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置及方法。

Description

模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置及方法
技术领域
本发明涉及岩土测试设备技术领域，具体为模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置及方法。
背景技术
随着浅部资源的不断枯竭，地下采矿的深度不断增加，围岩赋存应力也日益增大，与浅部相比，深部巷道具有显著的大变形特征，除了与岩体移除后立即反弹所引起的破裂有关，还与岩体材料本身在高应力作用下的流变以及不连续面(节理、层理等)的长期蠕变有关，此外，围岩应力越大，岩石发生突发性破坏并释放能量的可能性越大。因此，深部巷道支护系统不仅需要具有较高的支护阻力，还要具备良好的变形能力。不仅要能够适应安装后因回弹引起的岩体位移，以及随着时间的推移而发生的蠕变，还要满足岩爆等动力灾害下的附加位移需求，以消耗岩体释放的能量。
鉴于目前针对巷道支护系统在动载大变形条件下的冲击变形能力仍缺乏有效的试验测试装置，现有的测试装置均只是测试一种支护结构，例如单独测试锚杆的抗拉，单独测试表面支护构件等，但是只要支护系统其中一个环节遭到破坏，整个支护系统变存在安全隐患，因此需要一种可以全方面模拟深部岩爆条件下巷道支护系统抗冲击的特性和失效特征，以更好的研究在深部岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性和失效特征，为岩爆支护设计和失效控制提供理论基础。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置及方法，解决了上述背景技术中提出的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置，包括主框架和锚杆，所述主框架的顶部设有升降电机，所述升降电机通过绕线轮连接有冲击梁，所述冲击梁上设有两个立柱，两个所述立柱之间设有表面支护安装框架，所述表面支护安装框架内设有表面支护构件，所述锚杆外通过锚固剂连接有上下两段钢管，所述上下两段钢管的背离端设有上法兰和下法兰，所述上法兰设在冲击梁上并与冲击梁之间设有压力传感器，所述表面支护构件上设有配重块，部分所述配重块承载在表面支护构件上，部分所述配重块承载在下法兰上，所述锚杆穿过表面支护构件并通过紧固螺母固定，所述紧固螺母与表面支护构件之间设压力传感器，所述冲击梁上设有若干应变片，所述表面支护构件的下方和冲击梁上设有加速度传感器，所述冲击梁两侧的下方设有液压缓冲器，所述冲击梁中部的下方设有摄像头。
进一步的，所述主框架两侧设有导向槽，所述冲击梁的两端滑动连接在导向槽内。
进一步的，所述液压缓冲器处设有超声波探头。
进一步的，所述应变片设有三个，分别设置在冲击梁的上、下表面1/4处和下表面1/2处。
进一步的，还包括钢棒，所述钢棒通过螺栓连接在配重块的两侧。
进一步的，所述锚杆的底部设有用于承托表面支护构件的托盘。
进一步的，所述立柱的侧面呈三角形。
模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试方法，包括如下步骤，
(1)先将锚杆用水泥砂浆或树脂类锚固剂锚固于分离式钢管内，再将钢管上端穿过冲击梁的中心孔和压力传感器，并用上法兰将钢管上端进行固定，然后根据拟模拟喷射岩体的质量安装好配重块，钢管下端穿过配重块的中心孔并用下法兰进行固定；
(2)将拟测试的铁丝网、钢丝网或喷射混凝土等表面支护构件先固定在表面支护安装框架上，然后再将表面支护安装框架的两根立柱穿过冲击梁下端的两个安装孔并用螺栓固定，此时锚杆的外露端穿过表面支护构件，在锚杆的外露端上依次套上托盘、压力传感器和紧固螺母，然后再将加速度传感器安装在托盘下表面；
(3)根据所需冲击能量，启动升降电机将冲击梁连同安装好的钢管、配重块和表面支护构件安装框架提升至设定高度，待准备就绪后启动开关释放冲击梁，使冲击梁沿主框架的导轨自由落体，当冲击梁下落至液压缓冲器上时，液压缓冲器使冲击梁迅速减速至零，下段钢管和配重块的动量全部作用于锚杆和表面支护构件上，从而使锚杆在钢管非连续面处产生粘脱，同时表面支护构件发生向外突出，冲击全过程支护系统的位移采用摄像机进行记录，实时冲击力和加速度分别通过压力传感器和加速度传感器通过数据线传输至计算机系统。
(三)有益效果
本发明提供了模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置及方法。具备以下有益效果：
1、通过冲击梁和配重块分别模拟深部稳定岩体和浅表喷射岩体，很好的还原了岩爆条件下对于不同位置岩体的动力响应特性，采用超声波探头、压力和加速度传感器、应变片以及高速摄像机实时记录在整个试验过程中的应力、应变和加速度等数据，可以全方位计算得到整个冲击过程中支护系统中锚杆的所的受冲击力，表面支护结构的形变情况，以及冲击梁的变形，所测试出的支护系统抗冲击特性参数对岩爆条件巷道具有更好的针对性和实用性。
2、通过分离式钢管模拟岩爆时锚杆与不同位置围岩，如深部稳定岩体和浅部喷射岩体之间的相互作用，可以更好的模拟锚杆在受冲击力作用时的失效过程和各部位的失效特征。
附图说明
图1为本发明模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置的结构示意图；
图2为立柱的侧视图。
标注说明：1、主框架；2、冲击梁；3、导向槽；4、表面支护安装框架；5、钢管；6、上法兰；7、下法兰；9、配重块；10、钢棒；11、托盘；12、压力传感器；13、紧固螺母；14、锚杆；15、液压缓冲器；16、超声波探头；17、应变片；18、加速度传感器；20、表面支护构件；21、立柱；22、绕线轮；23、升降电机。
具体实施方式
参照图1至图2对本发明模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置及方法的实施例作进一步说明。
模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置，包括主框架1和锚杆14，所述主框架1的顶部设有升降电机23，所述升降电机23通过绕线轮22连接有冲击梁2，所述冲击梁2上设有两个立柱21，两个所述立柱21之间设有表面支护安装框架4，所述表面支护安装框架4内设有表面支护构件20，所述锚杆14通过锚固剂锚固于上下两段钢管5内，所述上下两段钢管5的背离端设有上法兰6和下法兰7，所述上法兰6设在冲击梁2上并与冲击梁2之间设有压力传感器12，所述表面支护构件20上设有配重块9，部分所述配重块9承载在表面支护构件20上，部分所述配重块9承载在下法兰7上，所述锚杆14穿过表面支护构件20和托盘11并通过紧固螺母13固定，所述紧固螺母13与托盘11之间设压力传感器12，所述冲击梁2上设有若干应变片17，所述表面支护构件20的下方和冲击梁2上设有加速度传感器18，所述冲击梁2两侧的下方设有液压缓冲器15，所述冲击梁2中部的下方设有摄像头。
测试的时候先将锚杆14用水泥砂浆或树脂类锚固剂锚固于分离式的两端钢管5内，再将钢管5上端穿过冲击梁2的中心孔和压力传感器12，并用上法兰6将钢管5上端进行固定，然后根据拟模拟喷射岩体的质量安装好配重块9，钢管5下端穿过配重块9的中心孔并用下法兰7进行固定，将拟测试的铁丝网、钢丝网或喷射混凝土等表面支护构件20先固定在表面支护安装框架4上，然后再将表面支护安装框架4的两根立柱21穿过冲击梁2下端的两个安装孔并用螺栓固定，此时锚杆14的外露端穿过表面支护构件20，在锚杆14的外露端上依次套上托盘11、压力传感器12和紧固螺母13，然后再将加速度传感器18安装在托盘11下表面，根据所需冲击能量，启动升降电机23将冲击梁2连同安装好的钢管5、配重块9和表面支护构件20安装框架提升至设定高度，待准备就绪后启动开关释放冲击梁2，使冲击梁2沿主框架1的导轨自由落体，当冲击梁2下落至液压缓冲器15上时，液压缓冲器15使冲击梁2迅速减速至零，下段钢管5和配重块9的动量全部作用于锚杆14和表面支护构件20上，从而使锚杆14在钢管5非连续面处产生粘脱，下部分的配重块9作用在支护构件20上，使得表面支护构件20发生向外突出，冲击全过程支护系统的位移采用摄像机进行记录，实时冲击力和加速度分别通过压力传感器12和加速度传感器18通过数据线传输至计算机系统，上述装置可以测得整个支护系统中锚杆14的抗拉力以及表面支护构件20的抗冲击力，从而能够测得整个支护系统的抗冲击特性和失效特征，为岩爆支护设计和失效控制提供理论基础。
本实施例中所述主框架1两侧设有导向槽3，所述冲击梁2的两端滑动连接在导向槽3内，用于对冲击梁2向下冲击时进行导向。
本实施例中所述液压缓冲器15处设有超声波探头16，用以监测冲击梁2减速过程中缓冲器的压缩位移。
本实施例中所述应变片17设有三个，分别设置在冲击梁2的上、下表面1/4处和下表面1/2处，用以监测梁在冲击过程中的应变值。
本实施例中还包括钢棒10，所述钢棒10通过螺栓连接在配重块9的两侧，将上下两侧的配重块9连接为一整体，同时支撑配重块9。
本实施例中所述锚杆14的底部设有用于承托表面支护构件20的托盘11，用于支撑表面支护构件20，避免其受配重块9的重力局部变形。
本实施例中所述立柱21的侧面呈三角形，用于更好的支撑立柱21。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置，其特征在于：包括主框架、锚杆和两段钢管，所述主框架的顶部设有升降电机，所述升降电机通过绕线轮连接有冲击梁，所述冲击梁上设有两个立柱，两个所述立柱之间设有表面支护安装框架，所述表面支护安装框架内设有表面支护构件，所述锚杆通过锚固剂锚固于上下两段钢管内，所述上下两段钢管的背离端设有上法兰和下法兰，所述上法兰设在冲击梁上并与冲击梁之间设有压力传感器，所述表面支护构件上设有配重块，部分所述配重块承载在表面支护构件上，部分所述配重块承载在下法兰上，所述锚杆穿过表面支护构件和托盘并通过紧固螺母固定，所述紧固螺母与托盘之间设压力传感器，所述冲击梁上设有若干应变片，所述表面支护构件的下方和冲击梁上设有加速度传感器，所述冲击梁两侧的下方设有液压缓冲器，所述冲击梁中部的下方设有摄像头。
2.根据权利要求1所述的模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置，其特征在于：所述主框架两侧设有导向槽，所述冲击梁的两端滑动连接在导向槽内。
3.根据权利要求1所述的模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置，其特征在于：所述液压缓冲器处设有超声波探头。
4.根据权利要求1所述的模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置，其特征在于：所述应变片设有三个，分别设置在冲击梁的上、下表面1/4处和下表面1/2处。
5.根据权利要求1所述的模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置，其特征在于：还包括钢棒，所述钢棒通过螺栓连接在配重块的两侧。
6.根据权利要求1所述的模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置，其特征在于：所述锚杆的底部设有用于承托表面支护构件的托盘。
7.根据权利要求1所述的模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置，其特征在于：所述立柱的侧面呈三角形。
8.根据权利要求1-7任意一项所述模拟岩爆条件下巷道支护系统抗冲击特性测试装置的测试方法，其特征在于：包括如下步骤，
（1）先将锚杆用水泥砂浆或树脂类锚固剂锚固于分离式钢管内，再将钢管上端穿过冲击梁的中心孔和压力传感器，并用上法兰将钢管上端进行固定，然后根据拟模拟喷射岩体的质量安装好配重块，钢管下端穿过配重块的中心孔并用下法兰进行固定；
（2）将拟测试的铁丝网、钢丝网或喷射混凝土表面支护构件先固定在表面支护安装框架上，然后再将表面支护安装框架的两根立柱穿过冲击梁下端的两个安装孔并用螺栓固定，此时锚杆的外露端穿过表面支护构件，在锚杆的外露端上依次套上托盘、压力传感器和紧固螺母，然后再将加速度传感器安装在托盘下表面；
（3）根据所需冲击能量，启动升降电机将冲击梁连同安装好的钢管、配重块和表面支护安装框架提升至设定高度，待准备就绪后启动开关释放冲击梁，使冲击梁沿主框架的导轨自由落体，当冲击梁下落至液压缓冲器上时，液压缓冲器使冲击梁迅速减速至零，下段钢管和配重块的动量全部作用于锚杆和表面支护构件上，从而使锚杆在钢管非连续面处产生粘脱，同时表面支护构件发生向外突出，冲击全过程支护系统的位移采用摄像机进行记录，实时冲击力和加速度分别通过压力传感器和加速度传感器通过数据线传输至计算机系统。
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