CN111965026B - 适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置及方法，解决了现有技术中测试工序复杂，对锚杆是间接进行拉板，或者辅助构件存在尺寸问题不适用的问题，具有实现对锚杆的直接拉拔，更好的保证同轴性，从而提高测试精度的有益效果，具体方案如下：适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，包括连接件，连接件可深入到管缝式锚杆内部，连接件的周侧设有至少两个用于同管缝式锚杆内部接触的密封件，沿着连接件的外侧壁设置注胶管，注胶管的出口端设于相邻两个密封件之间，连接件一端露出于管缝式锚杆，且露出于管缝式锚杆的一端与连杆连接，连杆设置穿心式千斤顶。

Description

适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置及方法

技术领域

本发明涉及管缝式锚杆现场测试技术，尤其是适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在地下矿山，随着作业强度的增加，矿岩暴露面积变大，为了有效控制围岩失稳，使用锚杆支护逐渐增多。其中管缝式锚杆作为一种全长锚固锚杆，经济实用，矿山普遍使用。管缝式锚杆立体部分是一根纵向开缝的高强度钢管，当安装于比管径稍小的钻孔时，可立即在全长范围内对孔壁施加径向压力和阻止围岩下滑的摩擦力，加上锚杆托盘托板的承托力，从而使围岩处于三向受力状态，并实现岩层稳定。在爆破振动围岩移动等情况下，其后期锚固力有明显增大，当围岩发生显著位移时，锚杆并不失去其支护抗力。但管缝式锚杆也有明显不足，比如其锚固效果受安装工艺的影响大，钻孔直径、钻孔深度等都会对其锚固力产生影响。矿山现场实践表明，同样的管缝式锚杆采用不同的安装方式、用于不同的地质环境中，其锚固效果存在显著差异。

随着矿山开采深度的增加，地压显现严重，巷道围岩片帮、岩爆等事故增多。管缝式锚杆本身具有一定的抵抗变形，控制围岩失稳的能力。但受不同安装方式、岩体条件等因素影响，管缝式锚杆所发挥的作用不尽相同。为保障采矿活动安全，保护工人安全，减少设备受损，延长井巷工程服务年限，通过验证管缝式锚杆的锚固效果来进行支护优化势在必行。通过测试管缝式的拉拔力是评价锚固效果最为直接有效的方式。然而，发明人发现，现场测试管缝式锚杆拉拔力特别是在深部复杂环境中测试一直是一项难题，难以对管缝式锚杆杆体进行有效拉拔。

目前，常用的拉拔手段是在锚杆端部焊有螺纹的金属杆，通过连接螺纹杆，进行拉拔力测试，这种测试方法存在以下几点问题：

(1)该方法需要专业电工、焊工等到现场作业，携带电焊机、变压器、电源线等繁重设备，操作不便；另外，深部矿山环境复杂，常有淋水、滴水现象，不适合带电作业；

(2)使用电焊会产生电火花，存在引发火灾事故的风险。在物资储备硐室附近，不允许使用会产生明火的设备。

(3)锚杆拉拔力测试过程中，需要施加的力与锚杆处于同轴位置。然而在焊接过程中，紧靠肉眼观察无法保证外接金属杆与锚杆同轴。另外，有些管缝式锚杆在安装时就与岩壁形成一定角度，这无疑增加了焊工的作业难度，也难以保证测量准确性。

(4)在进行拉拔测试时，容易出现焊接点断裂，不仅无法得到拉拔力数据，还可能发生伤人事故。

(5)使用该方法，人力、物力成本高，工序复杂、费时，测试效率低。

另外，也有在锚杆内或者端部预先安装辅助构件，后续直接与拉拔测试系统相连。这种做法，一是会增加现场工人作业难度；二是受制于现场作业条件和安装方式，预加工的辅助构件可能由于尺寸问题，无法安装或者安装不到位，造成后续无法进行拉拔测试；再者，预留在管体内的构件可能会增加锚杆与孔壁的摩擦，造成测量效果不准确。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，操作方便，使用便捷，能够有效解决传统管缝式锚杆测试中存在的不足，有效保持施加的拉拔力与锚杆处于同轴位置，减少焊接工作量，降低焊接难度，提高测量准确度。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，包括连接件，连接件可深入到管缝式锚杆内部，连接件的周侧设有至少两个用于同管缝式锚杆内部接触的密封件，沿着连接件的外侧壁设置注胶管，注胶管的出口端设于相邻两个密封件之间，连接件一端露出于管缝式锚杆，且露出于管缝式锚杆的一端与连杆连接，连杆设置穿心式千斤顶，穿心式千斤顶的一侧设置支撑架，支撑架与岩体抵接以向穿心式千斤顶提供反作用力。

上述的测试装置中，通过密封件的设置，这样连接件在深入至管缝式锚杆后，密封件将连接件与管缝式锚杆之间的空间进行密封，通过注胶管可向该密封空间内注胶，从而使得连接件与管缝式锚杆连为一体，这样通过穿心式千斤顶通过拉杆对连接件进行拉拔，相应实现对管缝式锚杆的拉拔试验，通过密封件和胶的设置，有效对连接件进行支撑，保证施加的拉拔力与锚杆处于同轴位置，提高测试的准确度。

如上所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，所述密封件为设于所述连接件环向方向的至少两个气囊，相邻两个气囊之间间隔有设定的距离，且气囊之间通过气管连接，且其中一个气囊与充气设备连接，气囊在常态下不充气，进入管缝式锚杆内侧后，再进行充气，保证对注胶空间两端的密封。

如上所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，所述连接件深入到所述管缝式锚杆内部的一端为倒圆台形。

如上所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，两个所述的气囊，一个设于所述连接件的一端，且该气囊位于连接件倒圆台的一侧，保证气囊设置的稳定性，另一气囊设于连接件即将露出于管缝式锚杆的环向。

如上所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，通过注胶管向连接件与管缝式锚杆内表面之间填充胶水，使得连接件与管缝式锚杆连为一体。

如上所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，所述气囊在充气后的最大外径大于所述管缝式锚杆的内径，以保证气囊充分与管缝式锚杆、连接件接触，保证对胶体空间的充分密封。

如上所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，所述支撑架为三棱台状，支撑架尺寸较短的一端与所述的穿心式千斤顶接触，另一端通过支撑脚与所述的岩体接触。

如上所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，为了保证支撑架设置的稳定性，可靠地对千斤顶提供反作用力，所述支撑脚包括支撑螺栓，支撑螺栓相对于所述支撑架可调节，且支撑螺栓与万向爪连接，万向爪与岩体接触面为锯齿面，可增加与岩壁的摩擦力。

如上所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，所述拉杆在穿心式千斤顶远离所述支撑架的一侧设置螺帽，且穿心式千斤顶靠近螺帽的一端设置位移计，位移计的滑块与螺帽抵接。

另外，装置还包括蓄电池，蓄电池向穿心式千斤顶供电，穿心式千斤顶为电动液压动力源进行驱动，减少了繁重的人工操作，可有效避免潜在的锚杆弹出、锚杆孔附近岩块弹射伤人等危险，提高了安全性；自带电源，无需现场寻找电源，在缩减工序、减少使用限制的同时，最大程度的保障了使用安全，避免火灾事故。

第二方面，本发明还公开了所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置的测试方法，包括如下内容：

将连接件的一端深入到管缝式锚杆内侧，通过密封件密封连接件与管缝式锚杆形成的空间；

并通过粘结的方式将连接件与管缝式锚杆连为一体；

连接件与连杆连接，连杆设置支撑架和穿心式千斤顶；

穿心式千斤顶加载，通过拉杆移动，对管缝式锚杆进行拉拔，在拉拔过程中，记录拉杆的位移和拉拔力。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明连接件通过胶水与管缝式锚杆内壁连接，可实现连接件与管缝式锚杆形成一体，取代了焊接连接件或者预先安装辅助构件，简单而方便，测试效率高，降低人力和物力；同时，胶水对连接件进行有效的包裹支撑，保证施加的拉拔力与锚杆处于同轴位置，整体可实现对锚杆的直接拉拔，可以更好的保证同轴性，从而提高测试精度。

2)本发明通过气囊的支撑作用和密封作用，可有效保证胶水的填充，胶水对连接件起到包裹作用，可有效保证连接件与锚杆安装同向布置；支撑架为三棱台状，分双层结构，稳固定性强，可有效保证拉拔力测量过程中液压千斤顶稳定；支撑架的支撑螺栓为可伸缩式，可以有效适应不平整的岩面；另外，与支撑螺栓相连的万向爪，可任意调节角度，并且与岩壁是面接触，可避免由于应力集中导致岩壁破坏，影响拉拔力施加方向。上述设计，实现了测量装置在安装、测量过程中始终保持同轴位置，提高了测量的准确度。

3)本发明测试装置的设置，整体携带方便，操作简单，可以适应任意井下工况条件，解决了时空条件的限制，提高了工作效率。

4)相比于焊接金属杆和预装辅助构件，本发明装置操作简单，可适用于现场复杂的环境，不存在尺寸问题，无需焊接，还可实现连接件的回收利用，降低作业成本。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置的示意图。

图2是本发明根据一个或多个实施方式的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置中支撑架的侧视图。

图3是本发明根据一个或多个实施方式的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置中支撑架的仰视图。

图4是本发明根据一个或多个实施方式的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置中支撑架的连接件的主视图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1.管缝式锚杆，2.连接件，3.气囊，4.支撑架，5.支撑脚，5-1.支撑螺栓，5-2.万向爪，6.穿心式千斤顶，7.光栅尺，8.注油管路，9.连接螺母，10.气管，11.注胶管，12.连杆，13.螺帽，14.拉环。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在管缝式锚杆拉拔力测试存在难度大的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置及方法。

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，包括连接件2，连接件的两端设置气囊3，通过气囊使得连接件与管缝式锚杆内壁紧密贴合，提供拉拔管缝式锚杆的连接与着力点；连接件2的另一端露出于管缝式锚杆1设置，并通过连接螺母9与连杆12连接，且在连杆设置穿心式千斤顶6，通过穿心式千斤6顶对管缝式锚杆1进行拉拔；在连接件与管缝式锚杆内壁之间通过注胶管填充有胶水，在气囊3的支撑和胶水的包裹作用下，可有效保证连接件与管缝式锚杆安装的同向布置。

容易理解，在保证强度的前提下，连接件可为杆体连接件或管体连接件。

需要解释的是，本实施例中，胶水为液体胶水，为速凝剂，可选择使用G-988弹性胶，可实现金属与金属的连接，10min左右初固，且具有一定的强度。

为了便于胶水快速进入两个气囊之间，注胶管的长度小于等于两个气囊之间的距离，且注胶管均匀开有多个排液孔，注胶管设于外侧气囊(设于管缝式锚杆内部的为内侧气囊，另一个则为外侧气囊)的内侧。

本实施例中，在连接件的两端共设置有两个气囊，气囊为环形，两个气囊通过气管10连接，参考图4所示，且沿着连接件还设置有注胶管11，用于注入胶水，外侧的气囊与充气设备连接，通过充气设备向两个气囊进行充气，两个气囊充气后外径大于管缝式锚杆的内径，通过气囊对连接件起到有效的支撑作用。

具体地，充气设备为气泵，可自由控制充气，气囊与气泵为可拆卸式连接。

连接件为金属杆构件，设于管缝式锚杆深部的一端加工成锥形，形似膨胀螺栓的金属杆。在连接件两端布置气囊，连接件露出于管缝式锚杆的一端通过预制螺纹与拉杆相连。具体在一些示例中，连接件为长度500mm、直径20mm的高强度金属杆；两个气囊完全膨胀后内径20mm、外径50mm、厚度20mm，可方便装入常规管缝式锚杆(管缝式锚杆直径40mm，长度2000mm)。

因管缝式锚杆是插入到岩体内的，为了便于穿心式千斤顶进行拉拔，在穿心式千斤顶的一侧与岩体之间设置支撑架4，支撑架4中心设置通孔，保证连杆12从支撑架通孔穿过。

支撑架4为三棱台状，支撑架的一端为金属板，该板与穿心式千斤顶接触，另一端设置多个支撑脚，本实施例中，参考图2和图3所示，设置3个支撑脚5，支撑脚5包括支撑螺栓5-1和万向爪5-2，万向爪与岩壁接触为面接触，避免由于点接触造成应力集中从而导致岩面破坏，通过调节支撑螺栓及万向爪与岩壁的接触，可实现支撑架、拉杆、连接件、管缝式锚杆的同轴布置。

在一些示例中，支撑架4一侧长200mm，另一侧长400mm，高度为200mm。

万向爪5-2是一款比较成熟的产品，万向爪包括底座、球铰和爪头，底座通过球铰与爪头连接，使得爪头可转动，底座车有螺纹孔，底座螺纹孔与支撑螺栓相连，通过支撑螺栓可调节支撑脚的高度，万向爪的爪头为圆饼状，可增大与岩壁的接触面积，爪头的爪面设置为锯齿面，可增加与岩壁的摩擦力。

同样，穿心式千斤顶6是一款应用成熟的产品，为圆柱体结构。拉杆经圆柱体中心孔穿过，一端抵在支撑架上，另一端与拉杆止动垫片接触。工作时，蓄电池向穿心式千斤顶供电，液压油通过注油管路8注入千斤顶中，穿心式千斤顶通过活塞驱动拉杆，从而给管缝式锚杆施加拉拔力。

在穿心式千斤顶安装拉环14，通过铰链或者绳子，将其在岩壁或者其他可以支撑的地方固定，防止测试装置坠落。

进一步，拉杆12为两端车有螺纹的金属杆，一端通过连接螺母9与连接件相连，另一端通过止动垫圈、螺帽13与穿心式千斤顶连接。穿心式千斤顶通过拉杆将力传递给连接件，进而给管缝式锚杆施加拉拔力。

在穿心式千斤顶远离支撑架的一端设置位移计，本实施例中，优选光栅尺7，光栅尺固定于穿心式千斤顶，光栅尺的滑块抵于螺帽远离穿心式千斤顶的一侧，这样拉杆带动螺帽移动，从而带动光栅尺的滑块移动，实现位移的测量，更进一步，选用量程为400mm的光栅尺。

为了实现拉拔力的记录，穿心式千斤顶设置力传感器，力传感器为穿心式力传感器，通过拉杆设于穿心式千斤顶和支撑架之间，通过力传感器对拉拔力进行记录。

适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置的使用方法，如下：

1)清洗管缝式锚杆内孔，将连接件放入管缝式锚杆，外侧的气囊与锚杆缝沿平齐；通过气泵(可为微型气泵)给气囊充气，直至气囊完全充起，与锚杆内壁充分接触；利用注胶管将高强度胶水送至到两个气囊之间，直至完全充满，静置30min以上(条件允许，可以次日再进行后续拉拔)；

2)连接件与拉杆连接，并设置支撑架，安装穿心式千斤顶，安装、调节过程中要注意保持各组件与管缝式锚杆处于同轴位置，调节支撑螺栓，让支撑脚与岩壁面充分接触，保持支撑架稳定；

支撑架放置与调平方法：将支撑架三个万向爪与壁面接触，调节支撑螺栓，调整支撑架下台面与管缝式锚杆端部垂直，必要时用直角尺进行验证，固定螺栓螺母，保持三个万向爪与岩壁充分接触；

穿心式千斤顶安装方法：将拉杆从支撑架中心穿过，与连接件相连，尾部连接穿心式千斤顶，拧紧尾部螺帽，将支撑架压紧在岩壁上，同时检查三个万向爪是否充分抓紧岩壁；

3)为保证安全，在拉环处连接铁链，铁链连接到附近锚网或其他挂点，从而将穿心式千斤顶悬吊于附近锚网或者是其他挂点；

4)安装光栅尺，调整零点位置，并检查其工作的有效性；

5)连接穿心式千斤顶油路，启动液压油源，为千斤顶输送动力，带动拉杆移动，进而传递至锚杆连接件、管缝式锚杆，从而实现对管缝式锚杆的拉拔测量；

6)记录拉拔力及锚杆拉出位移值，从而获得锚固力与锚杆位移的关系曲线，当拉拔力停止上升时，停止加载；

7)停止加载后，关闭电源，依次拆卸光栅尺、穿心式千斤顶、拉杆、支撑架，打开气囊放气阀，气囊放完气，利用扳手等工具，对锚杆连接件进行回收，整理清洁各组件，以便下次进行拉拔测试。

采用装置进行拉拔力测试，可以预先安装连接件，次日再进行拉拔测试。将测试过程分为两步，事先了解管缝式锚杆检测区域工况条件，减少盲目性，提高了测试的科学性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，其特征在于，包括连接件，连接件可深入到管缝式锚杆内部，连接件的周侧设有至少两个用于同管缝式锚杆内部接触的密封件，沿着连接件的外侧壁设置注胶管，注胶管的出口端设于相邻两个密封件之间，且连接件可露出于管缝式锚杆的一端与连杆连接，连杆设置穿心式千斤顶，在穿心式千斤顶的一侧与岩体之间设置支撑架，支撑架与岩体抵接以向穿心式千斤顶提供反作用力；

所述密封件为设于所述连接件环向方向的至少两个气囊，相邻两个气囊之间间隔有设定的距离，且气囊之间通过气管连接，且其中一个气囊与充气设备连接；

通过所述注胶管向连接件与管缝式锚杆内表面之间填充胶水，使得连接件与管缝式锚杆连为一体；

所述气囊在充气后的最大外径大于所述管缝式锚杆的内径；

所述支撑架为三棱台状，支撑架尺寸较短的一端与所述的穿心式千斤顶接触，另一端通过支撑脚与所述的岩体接触；

支撑架的支撑螺栓为可伸缩式，有效适应不平整的岩面，与支撑螺栓相连的万向爪，任意调节角度，并且与岩壁是面接触，避免由于应力集中导致岩壁破坏，影响拉拔力施加方向；

支撑架中心设置通孔，保证连杆从支撑架通孔穿过；

通过密封件和胶的设置，有效对连接件进行支撑，保证施加的拉拔力与锚杆处于同轴位置。

2.根据权利要求1所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，其特征在于，所述连接件深入到所述管缝式锚杆内部的一端为倒圆台形。

3.根据权利要求1所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，其特征在于，两个所述的气囊，一个设于所述连接件的一端。

4.根据权利要求1所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，其特征在于，所述支撑脚包括支撑螺栓，支撑螺栓相对于所述支撑架可调节，且支撑螺栓与万向爪连接。

5.根据权利要求1所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置，其特征在于，所述连杆在穿心式千斤顶远离所述支撑架的一侧设置螺帽，且穿心式千斤顶靠近螺帽的一端设置位移计，位移计的滑块与螺帽抵接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的适用于深部复杂环境的管缝式锚杆拉拔测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下内容：

将连接件的一端深入到管缝式锚杆内侧，通过密封件密封连接件与管缝式锚杆形成的空间；

并通过粘结的方式将连接件与管缝式锚杆连为一体；

连接件与连杆连接，连杆设置支撑架和穿心式千斤顶；

穿心式千斤顶加载，通过连杆移动，对管缝式锚杆进行拉拔，在拉拔过程中，记录连杆的位移和拉拔力。