CN111595682B - 大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统及方法，主要包括：密封箱体，在箱体内壁依次均匀设有若干个独立提供侧向挤压力的侧压单元，箱体内填充煤岩体或相似模拟材料；沿着试验系统内嵌锚杆或注浆锚杆的直线方向上依次设置若干个横向的剪切单元、扭转注浆锚杆的扭曲单元，以及控制扭曲单元直线伸拉的拉伸单元；在试验系统内嵌注浆锚杆的自由端与注浆装置可拆卸连接。有益效果：通过大尺度地下模拟试验系统，可以模拟复杂地质条件下普通锚杆及注浆锚杆在拉、扭、剪、切、弯单因素或多因素耦合作用杆体的力学特性；模拟地下岩体及注浆岩体在复杂条件下的变形规律及力学特性并测试不同浆液的渗流扩散规律及岩体强度的变化。

Description

大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统及方法

技术领域

本发明涉及矿山支护设备及其检测试验设备领域，具体涉及一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统及方法。

背景技术

锚杆支护已经成为煤矿巷道、隧道及边坡等支护的高效支护手段，在我国得到了大面积的推广。以煤矿为例，锚杆不仅能够增加锚固煤岩体的锚固力，还能通过注浆改善煤岩体的力学性能，起到防止巷道两帮位移、巷道底板底鼓。

锚杆打入巷道围岩中后，在围岩的作用下实际受力情况非常复杂，一根锚杆同时受到剪切、拉伸、扭转等情况下的一种或多种力组合，研究锚杆在围岩中的实际受力情况也非常难以实现。

本试验系统具有大尺度的围岩锚注一体的支护体模拟系统，研究锚杆在裂隙围岩中注浆以及与注浆岩体相互作用机理，更深层次研究锚杆作用与围岩的受力状态。

在围岩中，锚杆受到复杂外力的作用下，产生一系列的变形，造成锚杆的承载能力下降，并且在不同组合应力状态下的承载能力显著不同。单根锚杆在不同组合应力状态下的承载能力研究，便于研究锚杆在围岩中的实际受力。

单根锚杆在这些复杂的外力作用，在锚杆杆体内形成拉伸应力、扭转应力、剪切应力、围岩应力等复杂的应力组合，使锚杆实际承载能力下降，并在不同应力组合时的承载能力显著不同。复杂的外力作用也使锚杆的变形情况复杂化，锚杆轴向伸长、扭转、剪切作为锚杆变形的主要形式，使锚杆对注浆煤岩体的约束力下降，是引起锚杆支护巷道围岩变形的主要因素。

现有的锚杆测试系统主要存在以下缺点：

（1）虽然国内外学者对锚杆的力学特性及围岩特性进行了许多探索性的工作，积累了丰富的经验，但没有集锚杆、煤岩体、注浆材料为一体的支护体力学特性试验系统。

（2）目前的测试平台主要对锚杆或岩样的力学特性大多是单一的拉力、弯矩、扭矩及剪切力试验研究，对锚杆、岩样或支护体同时处于拉力、弯矩、扭矩、剪应力及环境因素的多场耦合条件下的破坏机理试验还没有涉及到，并且很少考虑深部岩体实际的复杂的地质条件及围压作用的影响。

（3）目前常用的方法主要采用小型试样进行测试，无法完整模拟井下地质环境，难以对锚杆及支护体进行整体测试，不能够完整反映杆体及支护体的受力及变形状态。

发明内容

为了解决锚杆现有上述检测技术中存在的问题，本发明提供一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统，包括：

地下模拟系统，用于模拟锚杆复杂工作环境，所述复杂围岩地质条件模拟系统包括箱体，所述箱体为密封的立方体中空结构，箱体每个内壁均设有若干个独立提供侧向挤压力的侧压单元，箱体内填充相似材料或煤岩体，锚杆或注浆锚杆穿过箱体侧壁伸入箱体内；

剪切单元，用于提供试验所需剪切力，所述剪切单元包括至少两个交错设置剪切块，剪切块由动力设备推动平移，所述剪切块移动方向垂直于锚杆轴线；

拉伸单元，用于提供试验所需拉力，所述拉伸单元为伸缩设备组成；

扭曲单元，用于提供实验所需扭曲离，所述扭曲单元设置于构成拉伸单元的伸缩设备上，扭曲单元上设置有用于夹持锚杆的夹具，扭曲单元绕锚杆轴线转动；

注浆装置，用于进行注浆操作，所述注浆装置与锚杆端部可拆卸连接。

作为本方案的一种改进，所述侧压单元包括若干个独立由液压缸控制且相对箱体内部空间作伸缩运动的挤压板。

作为本方案的一种改进，所述剪切单元动力设备为液压缸，在液压缸活塞的自由端固定剪切块。

作为本方案的一种改进，所述拉伸单元包括至少一个液压油缸，所有液压油缸同步伸缩。

作为本方案的一种改进，所述扭曲单元包括由动力设备驱动的行星减速机组，行星减速机组运动端设置有用于夹持锚杆的夹具。

作为本方案的一种改进，所述箱体与锚杆连接处设置有密封装置。

一种基于所述的大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统实施的试验方法，包括如下步骤：

a、安装锚杆：将锚杆伸入箱体内，锚杆端部通过扭矩单元上夹具进行夹持；

b、贴附应变片：在锚杆上贴附应变片；

c、安装测试数据采集设备；

d、采取如下试验方式中的一个或多个：

试验方式一、对锚杆或注浆锚杆在拉、扭、剪、切、弯单一或多因素互耦合工况下测试锚杆力学特性，记录锚杆在各种试验条件下的数据；

试验方式二、向箱体内填充模拟材料或煤岩体，模拟锚杆或注浆锚杆实际使用环境；通过控制侧压单元、剪切单元、拉伸单元、扭曲单元和注浆装置动作，模拟锚杆或注浆锚杆在实际地质条件多环境作用下工作状态，记录锚杆或注浆锚杆在各种试验条件下的数据；

试验方式三、由现场取回的岩样或采用相似模拟材料模拟现场岩性，在试样表面及内部埋设测量装置，采用模拟测试系统中的拉、扭、剪、切单一或多因素耦合工况下测试试样在井下围岩实际应力条件下岩体的变形破坏规律，记录锚杆或注浆锚杆、岩样或相似材料在各种试验条件下的数据；

试验方式四、通过注浆锚杆开展不同材料的浆液及水灰比、注浆压力、流通路径、岩性注浆模型试验，然后通过取样测试浆液渗流参数变化及其扩散规律，对注浆锚杆在拉、扭、剪、切、弯单一或多因互耦合工况下测试期锚杆力学特性，记录注浆锚杆在各种试验条件下的数据；

e、对所记录数据进行分析。

作为本方案的一种改进，步骤d中，试验方式还包括试验方式五，通过侧压单元、剪切单元、拉伸单元、扭曲单元、弯曲单元和注浆装置独立或者多个组合动作，模拟复杂环境作用下锚杆、支护体力学特性以及注浆浆液在支护体中的渗流规律。

作为本方案的一种改进，步骤d中，侧压单元、剪切单元、拉伸单元、扭曲单元和注浆装置独立或者多个组合动作，模拟复杂环境作用下锚杆使用状态。

作为本方案的一种改进，步骤d中，还可更换箱体中煤岩体组成，模拟不同岩体状态下锚杆使用状态，在相似模拟材料中添加酸碱材料，还可以模拟锚杆的腐蚀状态下的受力状态。

作为本方案的一种改进，步骤d中，所述侧压单元各个独立的挤压板可独立运动，模拟复杂岩层环境下锚杆使用状态。

作为本方案的一种改进，所述大尺度复杂条件围岩锚注一体耦合作用试验系统还包括声发射、锚杆受力状况无损检测系统，记录试样及锚杆、注浆锚杆的测试参数。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）通过特殊结构的复杂岩体地质条件下的模拟系统与相应的剪切单元、扭曲单元和拉伸单元，不仅可以检测锚杆或注浆锚杆在不同场合的强度和变形规律，还可以检测在锚杆或注浆锚杆在复杂的外部作用力下锚固力强度；通过模拟实际工作状态实现了复杂环境作用下大尺度锚杆或注浆锚杆工作状态测试；可以模拟在复杂地质条件下锚杆在拉、扭、剪、切、弯单因素或多因素耦合作用杆体的力学特性；

2）通过剪切单元、扭曲单元和拉伸单元的配合，在填充模拟材料或煤岩体后锚杆或注浆锚杆的力学特性测试；

3）侧压单元包括多个可独立运动的挤压板，可模拟实现不同地质构造，模拟地下岩体在复杂条件下的变形规律及力学特性；进一步的，可以实现不同大尺度煤岩体作用下锚杆受力变形的测试；

4）可通过注浆装置向箱体内注浆，模拟实现了不同破裂岩体状态锚注耦合作用下锚杆工作状态测试，注浆锚杆在注入不同浆液时模拟在复杂地质条件下在拉、扭、剪、切、弯单因素或多因互耦合作用时杆体的力学特性；

5）由现场取回的岩样或采用相似模拟材料模拟现场岩性，在试样表面及内部埋设测量装置，采用模拟测试系统中的拉、扭、剪、切功能测试试样在井下围岩实际应力条件下岩体的变形破坏规律

6）由现场取回的岩样或采用相似模拟材料模拟现场岩性，在试样表面及内部埋设测量装置，启动单一侧的剪切单元测试围岩受挤压条件下岩体弯曲时变形规律，记录锚杆或注浆锚杆、岩样或相似材料在各种试验条件下的数据；

7）可以检测通过注浆锚杆注入不同的浆液材料时，模拟浆液在地下岩体中的渗流扩散规律及岩体强度的变化，并测试注浆锚杆在不同地质条件下锚固力强度。

附图说明

图1为本发明中结构的俯视图。

图中，1、煤岩体；2、侧压单元；3、地下模拟系统；31、箱体；4、剪切单元；5、扭曲单元；6、拉伸单元；7、锚杆；8、注浆装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统，包括地下模拟系统3；其中所述地下模拟系统3包括：密封箱体31，在箱体31内壁依次均匀设有若干个独立提供侧向挤压力的侧压单元2，其中侧压单元2均匀的设在内壁，便于通过侧壁对密封箱体31内的煤岩体1施压，所述箱体31内填充煤岩体1；其中，所述侧压单元2包括：若干个由液压缸控制且相对箱体31内部空间作伸缩运动的挤压板。具体来说，侧压单元2的具体结构可以是一端与箱体31铰接，另一端与液压油缸活塞自由端铰接，通过该种铰接方式实现挤压板的运动，以此替代地质活动中局部的突变。

同时，沿着地下模拟系统3内嵌锚杆7的直线方向上依次设置若干个横向的剪切单元4、扭转锚杆7的扭曲单元5，以及控制扭曲单元5直线伸拉的拉伸单元6。

其中，如图1所示，通过侧壁对密封箱体31内的煤岩体1施压，并配合数据采集仪器，可以对分析煤岩体或相似模拟材料1变形规律，同时锚杆7还可以是注浆锚杆7，在注浆时可以测试浆液在煤岩体1中的扩散规律。

其中，如图1所示，所述剪切单元4包括两个相对运动的液压缸活塞端，在液压缸活塞的自由端还固定剪切块。利用互相贴合的硬质剪切块，在配合液压油缸的推动，以此实现了对锚杆7或注浆锚杆7的剪切效应。该剪切单元4的主要作用不仅是为了单独考察锚杆7或注浆锚杆7的抗剪性能，最主要是考察当注浆锚杆7在同时存在扭曲、拉伸等情况时，锚杆7或注浆锚杆7所能承受的剪切强度。

其中，所述扭曲单元5包括：行星减速机组，以及固定锚杆7的夹持结构；所述夹持结构设在行星减速机组扭矩轴的自由端。而行星减速机组可以是电驱动或者其他动力驱动的扭矩输出单元。

扭曲单元5的主要作用：是考察当锚杆7一端被地下模拟系统3固定后，锚杆7所能承受的扭矩大小。反过来地下模拟系统3与行星减速系统的配合还可以考察：在相同扭矩、相同地质等情况下，相同煤岩体1内注入的不同浆液，其所能达到的7注浆锚杆7锚固力程度。

其中，所述拉伸单元6包括若干个同步伸缩的液压油缸。通过液压油缸活塞的运动实现拉伸单元6的运动。

为了完成让内嵌在地下模拟系统3中的注浆锚杆7实现注浆锚固，需要将注浆锚杆7裸露的自由端与注浆装置8连接，启动注浆装置8，以此向地下模拟控制系统3内注浆。

在本发明中，地下模拟系统3内的多个排成直线的挤压板还可以互相配合，彼此之间通过控制器让注浆后的煤岩体1，整体受到剪切力或者扭曲力，用于模拟在不同地质情况下，锚杆7所受到强度的变化。

综上，本发明在增加地下模拟系统3后，在配合剪切单元4、扭曲单元5和拉伸单元6，可以有效检测锚杆7在不同应力场的变化，甚至还可以检测不同注入的浆液所能提供的锚固力范围，为注浆锚杆7带来更综合、更全面的的检测。

在上述的结构中，还可以将各个单元与计算机、传感器结合，具体的结合方式可以是现有技术的电气连接方式。以此能够实现试验力（拉伸）、（位移）；扭矩、（转角、转速）；侧压（力保持）等。具有等速试验力、等速转角、恒试验力、恒扭矩、恒侧压保持等功能，可按照锚杆的试验标准要求进行控制。

同时还可以根据实时显示试验数据、绘制试验曲线。比如：试验力—位移、扭矩—转角、试验力—时间、扭矩—时间、位移—时间、转角—时间等曲线。

利用上述大尺度复杂条件围岩锚注一体耦合作用试验系统进行的实验方法包括如下步骤：

a、安装锚杆7：将锚杆7伸入箱体31内，锚杆7端部通过扭矩单元上夹具进行夹持；

b、贴附应变片：在锚杆7上贴附应变片；

c、安装测试数据采集设备；测试数据采集设备包括插入填充物质中的测量探针、贴附在侧压单元上的应变片以及其他常用的用于煤岩体数据采集的设备。

d、采取如下试验方式中的一个或多个：

试验方式一、对锚杆7在拉、扭、剪、切、弯单一或多因互耦合工况下测试期锚杆7力学特性，记录锚杆7在各种试验条件下的数据；

试验方式二、向箱体31内填充模拟材料，模拟锚杆7实际使用环境；通过控制侧压单元2、剪切单元4、拉伸单元6、扭曲单元5和注浆装置8动作，模拟锚杆7在实际地质条件多环境作用下工作状态，记录锚杆7在各种试验条件下的数据；

试验方式三、由现场取回的岩样或采用相似模拟材料模拟现场岩性，在试样表面及内部埋设测量装置，采用模拟测试系统中的拉、扭、剪、切功能测试试样在井下围岩实际应力条件下岩体的变形破坏规律，记录锚杆7在各种试验条件下的数据；

试验方式四、通过注浆锚杆7开展不同材料的浆液及水灰比、注浆压力、流通路径、岩板岩性注浆模型试验，然后通过取样测试浆液渗流参数变化及其扩散规律，对锚杆7在拉、扭、剪、切、弯单一或多因互耦合工况下测试期锚杆7力学特性，记录锚杆7在各种试验条件下的数据；

试验方式五、通过侧压单元2、剪切单元4、拉伸单元6、扭曲单元5、弯曲单元和注浆装置8独立或者多个组合动作，模拟复杂环境作用下锚杆、支护体力学特性以及注浆浆液在支护体中的渗流规律。

e、对所记录数据进行分析。

上述支护体为锚杆或注浆锚杆与煤岩层或其他填充的相似材料共同组成的支护体。

具体的，步骤c中可侧压单元2、剪切单元4、拉伸单元6、扭曲单元5和注浆装置8独立或者多个组合动作，模拟复杂环境作用下锚杆7使用状态。通过特殊结构的地下模拟系统3与相应的剪切单元4、扭曲单元5和拉伸单元6，不仅可以检测注浆锚杆7在不同场合的强度，还可以检测在相同的注浆锚杆7和外部作用力下，对不同地质条件下锚固力强度；通过模拟实际工作状态实现了复杂环境作用下大尺度锚杆7工作状态测试；

在不改变箱体31中岩体构成是，通过剪切单元4、扭曲单元5和拉伸单元6的配合，实现了拉扭剪切耦合作用下锚杆7受力测试；侧压单元2包括多个可独立运动的挤压板，可模拟实现不同地质构造，实现不同大尺度煤岩体1作用下锚杆7受力变形的测试；可通过注浆装置8向箱体31内注浆，模拟实现了不同粗岩状态锚注耦合作用下锚杆7工作状态测试。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统，其特征在于，包括：

围岩复杂地质条件模拟系统，用于模拟锚杆复杂工作环境，所述复杂围岩地质条件模拟系统包括箱体，所述箱体为密封的立方体中空结构，箱体每个内壁均设有若干个独立提供侧向挤压力的侧压单元，所述侧压单元包括若干个由液压缸控制且相对箱体内部空间作伸缩运动的挤压板；所述侧压单元一侧与所述箱体铰接，另一端与液压油缸活塞自由端铰接，通过该种铰接方式实现挤压板的运动，以此代替地质活动中局部的突变；箱体内填充相似材料或煤岩体，锚杆或注浆锚杆穿过箱体侧壁伸入箱体内；

剪切单元，用于提供试验所需剪切力，所述剪切单元包括至少两个交错设置剪切块，剪切块由动力设备推动平移，所述剪切块移动方向垂直于锚杆轴线；

拉伸单元，用于提供试验所需拉力，所述拉伸单元为伸缩设备组成；

扭曲单元，用于提供实验所需扭曲力，所述扭曲单元设置于构成拉伸单元的伸缩设备上，扭曲单元上设置有用于夹持锚杆的夹具，扭曲单元绕锚杆轴线转动；

注浆装置，用于进行注浆操作，所述注浆装置与注浆锚杆端部可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统，其特征在于，所述剪切单元动力设备为液压缸，在液压缸活塞的自由端固定剪切块。

3.根据权利要求1所述的一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统，其特征在于，所述拉伸单元包括至少一个液压油缸，所有液压油缸同步伸缩。

4.根据权利要求1所述的一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统，其特征在

于，所述扭曲单元包括由动力设备驱动的行星减速机组，行星减速机组运动端设置有用于夹持锚杆的夹具。

5.根据权利要求1所述的一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统，其特征在于，所述箱体与锚杆连接处设置有密封装置。

6.一种基于所述权利要求1-5任一所述的大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统实施的试验方法，其特征在于，包括如下试验步骤：

a、安装锚杆：将锚杆伸入箱体内，锚杆端部通过扭矩单元上夹具进行夹持；

b、贴附应变片：在锚杆上贴附应变片；

c、安装测试数据采集设备；

d、采取如下试验方式中的一个或多个：

试验方式一、对锚杆或注浆锚杆在拉、扭、剪、切、弯单一或多因素互耦合工况下测试锚

杆力学特性，记录锚杆在各种试验条件下的数据；

试验方式二、向箱体内填充模拟材料或煤岩体，模拟锚杆或注浆锚杆实际使用环境；通过控制侧压单元、剪切单元、拉伸单元、扭曲单元和注浆装置动作，模拟锚杆或注浆锚杆在实际地质条件多环境作用下工作状态，记录锚杆或注浆锚杆在各种试验条件下的数据；

试验方式三、由现场取回的岩样或采用相似模拟材料模拟现场岩性，在试样表面及内部埋设测量装置，采用模拟测试系统中的拉、扭、剪、切单一或多因素耦合工况下测试试样在井下围岩实际应力条件下岩体的变形破坏规律，记录锚杆或注浆锚杆、岩样或相似材料在各种试验条件下的数据；

试验方式四、通过注浆锚杆开展不同材料的浆液及水灰比、注浆压力、流通路径、岩性注浆模型试验，然后通过取样测试浆液渗流参数变化及其扩散规律，对注浆锚杆在拉、扭、剪、切、弯单一或多因互耦合工况下测试期锚杆及支护体力学特性，记录注浆锚杆在各种试验条件下的数据；

e、对所记录数据进行分析。

7.根据权利要求6所述的一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验方法，其特征在于，步骤d中，试验方式还包括试验方式五，通过侧压单元、剪切单元、拉伸单元、扭曲单元、弯曲单元和注浆装置独立或者多个组合动作，模拟复杂环境作用下锚杆、支护体力学特性以及注浆浆液在支护体中的渗流规律。

8.根据权利要求7所述的一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验方法，其特征在于，步骤d中，箱体内填充材料为相似材料或煤岩体，箱体中相以材料组成根据实验要求变化，模拟不同岩体状态下锚杆使用状态，在相似模拟材料中添加酸碱材料，还可以模拟锚杆的腐蚀状态下的受力状态。

9.根据权利要求8所述的一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验方法，其特征在于，步骤d中，所述侧压单元各个独立的挤压板可独立运动，模拟复杂岩层环境下锚杆使用状态。