CN112129637A - 一种用于评价煤矿巷道锚杆工作状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地下工程巷道支护领域，具体涉及到一种用于评价煤矿巷道锚杆工作状态的方法。用拉伸试验机对不同型号锚杆进行张拉得出与之对应的全应力应变曲线图。该方法采用了超声波检测技术，同时将超声波在锚索中的传递认为是简谐波，检测时在锚索自由端发射超声波，根据声波在不同介质中的传播速度和波型振幅的改变，能够对锚杆自由段长度变化有更直观的了解。
Description
技术领域
本发明属于地下工程巷道支护领域，具体涉及到一种用于评价煤矿巷道锚杆工作状态的方法。
背景技术
随着资源开采与能源开发向深部转移，巷道围岩力学环境日趋复杂，深部巷道围岩的大变形、大范围失稳破坏等一系列工程响应问题愈发严重，巷道的支护显得愈发重要。锚杆支护作为一种必要的支护手段，发挥着越来越重要的作用。
锚杆支护作为巷道支护的一种重要方式，锚杆支护在实际应用中的优点主要表现为主动支护，控制变形有效，锚杆承载能力大，锚固范围大，能够将锚固孔周围的软弱围岩悬挂在深部稳定的岩层中，提高巷道围岩的整体稳定性，为在煤矿开采过程的安全提供重大保障。然而，由于使用条件或受力不均匀且等方面的原因致使锚杆支护失效的现象时有发生，锚杆失效越来越引起人们的关注。但是，由于锚杆支护结构深埋于围岩之中，锚杆一旦失效无法及时得到观测。一般情况下，锚杆失效主要的表现形式剪断失效、脆断失效、折断失效、拉断失效、锚固松脱失效。但是，由于锚杆支护结构深埋于围岩之中，锚杆一旦失效无法及时得到观测。目前，这些问题已受到人们的高度关注，但是还缺少一种有效的方法对于锚杆工作状态进行评价，判断是否失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于评价煤矿巷道锚杆工作状态的方法。
本发明的目的是通过如下途径实现的：一种用于评价煤矿巷道锚杆工作状态的方法，具体步骤如下：
A.通过拉伸试验机对锚杆样品进行张拉试验，得出不同直径锚杆在受力状态下的全应力应变曲线图，及锚杆在不同阶段的应变量：进入屈服状态时的应变量ε1、拉伸峰值强度的应变量ε2、破断时的应变量ε3；
B.利用水泥建立锚固岩体模型，采用专用钢制模板进行浇筑，以混凝土基体模拟围岩，并在其中按照现场的锚杆尺寸规格开锚杆孔；
a.当锚杆在非锚固状态时，对锚杆进行拉伸，锚杆右端与声波测试仪相连接，通过声波测试仪对锚杆进行声波发射，并准确记录声波在锚杆自由段来回传播的总时长t，再根据公式l0＝v×t/2得出锚杆自由段长度l0，式中v为声波在锚杆中的传播速度；
b.当锚杆在锚固状态下时，在拉伸试验机上用气动扳手对液压千斤顶施加阻力，使锚杆达到其工作阻力。同时，对锚杆继续进行拉伸，锚杆右端与声波测试仪相连接，通过声波测试仪对锚杆进行声波发射，并准确记录声波在锚杆自由段来回传播的总时长t，用公式l1＝v×t/2得出锚杆在第一次受力时锚杆自由段长度l1；
c.根据l0和l1，得出锚杆自由段长度变化量Δl1，根据以下公式∈＝Δl1/l0得出锚杆的应变率∈值，Δl为锚杆自由段长度的变化量；
根据公式ε＝∈|l得出相对于样品锚杆的应变值ε，l为样品单位锚杆长度；
根据公式ε＝∈|l得出相对于样品锚杆的应变值ε，ε为锚杆受力变形测量计算后的应变值，l为样品单位锚杆长度；
当ε＜ε1，则锚杆处于弹性受力阶段；
当ε1＜ε＜ε2，则锚杆处于屈服受力阶段；
当ε2＜ε＜ε3，则锚杆处于破断受力阶段，随时可失效。
作为本方案的进一步限定，在b步骤中，用气动扳手对液压千斤顶施加阻力时，当锚杆达到其工作阻力，并记录好此时千斤顶压力表盘中的读数P，根据公式：F0＝Pπr2得出锚杆受力F0的大小，上述公式中r为油缸活塞半径；
在c步骤中，根据公式ε＝∈|l，得出相对于测试锚杆的应变值ε，公式中l为测试锚杆长度，ε为锚杆受力变形测量计算后的应变值，在相对应锚杆的全应力应变曲线图中查找与ε相对应的应力σ，根据公式F1＝σS得出锚杆所受外力F1，公式中S为锚杆截面面积；
对比力F0与F1，二者正负差在5％以内，则证明该实验数据准确，反之则不准确。
作为本方案的进一步限定，所述的拉伸试验机是在测力架的一端固定有混凝土围岩，另一端固定有液压千斤顶，液压千斤顶的顶头顶压托盘；锚杆一端水平穿过测力架后插入混凝土围岩内固定，另一端穿过托盘后用螺母固定并限位，锚杆的外端部通过信号线连接声波测试仪。
本发明一种用于评价煤矿巷道锚杆工作状态的方法，工作原理在于：由于超声波在不同介质中的传播速度和波型振幅是不同的，在声波发射时，根据声波振幅的变化，准确记录下声波在锚杆自由段的传播时长，根据公式，算出锚杆在不同受力状态下其自由段变化量和锚杆的应变，结合锚杆全应力应变曲线图来判断锚杆的工作状态。
与现有技术比较，具有以下优点：
1、克服了以往工作中无法获得锚杆工作状态的缺点；
2、能够较快的判断锚杆所处工作状态；
3、该发明高效经济，能够对锚杆的工作状态做出评价，对后续锚杆支护提供参考价值，对指导现场工作有重要意义。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明中拉伸试验机详图；
图2为本发明中拉伸试验机剖面图
图3为本发明锚杆拉伸全应力应变图；
图4为实验室锚杆力与自由段位移关系曲线；
图中，声波测试仪1、信号线2、螺母3、托盘4、液压千斤顶5、锚杆6、混凝土围岩7、测力架8。
具体实施方式
一种用于评价煤矿巷道锚杆工作状态的方法，该方法包括如下步骤：
A.在实验室内，对某一批次的锚杆进行随机抽样，并用拉伸试验机对抽样合格的锚杆进行张拉试验，得出锚杆在受力状态下的全应力应变曲线图和锚杆在不同阶段的应变量。锚杆拉伸全应力应变图如图3所示得出样品锚杆进入屈服状态时的应变量ε1，拉伸峰值强度的应变量ε2，破断时的应变量ε3。
如图1和图2所示，所述的拉伸试验机是在测力架8的一端固定有混凝土围岩7，另一端固定有液压千斤顶5，液压千斤顶5的顶头顶压托盘4；锚杆6一端水平穿过测力架8后插入混凝土围岩7内固定，另一端穿过托盘4后用螺母3固定并限位，锚杆6的外端部通过信号线2连接声波测试仪1。
在上述步骤中，为使实验数据更加精准，采用对同一锚杆多次张拉和多跟锚杆多组张拉数据，进行参数修正。
本实验采用HRB400(三级钢)直径为16的钢筋进行拉伸，具体数据如表1所示；
B.利用水泥建立锚固岩体模型，采用专用钢制模板进行浇筑，以混凝土基体模拟围岩，并在其中按照现场的锚杆尺寸规格开锚杆孔；
a.当锚杆在非锚固状态时，对锚杆进行拉伸，锚杆右端与声波测试仪相连接，通过声波测试仪对锚杆进行声波发射，并准确记录声波在锚杆自由段来回传播的总时长t，再根据公式l0＝v×t/2得出锚杆自由段长度l0，式中v为声波在锚杆中的传播速度；
b.当锚杆在锚固状态下时，在拉伸试验机上用气动扳手对液压千斤顶施加阻力，使锚杆达到其工作阻力，同时，对锚杆进行拉伸，锚杆右端与声波测试仪相连接，通过声波测试仪对锚杆进行声波发射，并准确记录声波在锚杆自由段来回传播的总时长t，用公式l1＝v×t/2得出锚杆在第一次受力时锚杆自由段长度l1；
c.根据公式ε＝∈|l得出相对于样品锚杆的应变值ε，l为样品单位锚杆长度；
根据公式ε＝∈|l得出相对于样品锚杆的应变值ε，l为样品单位锚杆长度；
根据公式ε＝∈|l得出相对于样品锚杆的应变值ε，ε为锚杆受力变形测量计算后的应变值，l为样品单位锚杆长度；
当ε＜ε1，则锚杆处于弹性受力阶段；
当ε1＜ε＜ε2，则锚杆处于屈服受力阶段；
当ε2＜ε＜ε3，则锚杆处于破断受力阶段，随时可失效。
在b步骤中，用气动扳手对液压千斤顶施加阻力时，当锚杆达到其工作阻力，并记录好此时千斤顶压力表盘中的读数P，根据公式：F0＝Pπr2得出锚杆受力F0的大小，上述公式中r为油缸活塞半径；
在c步骤中，根据公式ε＝∈|l，得出相对于测试锚杆的应变值ε，公式中l为测试锚杆长度，ε为锚杆受力变形测量计算后的应变值，在相对应锚杆的全应力应变曲线图中查找与ε相对应的应力σ，根据公式F1＝σS得出锚杆所受外力F1，公式中S为锚杆截面面积；
对比力F0与F1，二者正负差在5％以内，则证明该实验数据准确，反之则不准确。
Claims (3)
1.一种用于评价煤矿巷道锚杆工作状态的方法，其特征在于：具体步骤如下：
A.通过拉伸试验机对锚杆样品进行张拉试验，得出不同直径锚杆在受力状态下的全应力应变曲线图，及锚杆在不同阶段的应变量：进入屈服状态时的应变量ε1、拉伸峰值强度的应变量ε2，破断时的应变量ε3；
B.利用水泥建立锚固岩体模型，采用专用钢制模板进行浇筑，以混凝土基体模拟围岩，并在其中按照现场的锚杆尺寸规格开锚杆孔；
a.当锚杆在非锚固状态时，对锚杆进行拉伸，锚杆右端与声波测试仪相连接，通过声波测试仪对锚杆进行声波发射，并准确记录声波在锚杆自由段来回传播的总时长t，再根据公式l0＝v×t/2得出锚杆自由段长度l0，式中v为声波在锚杆中的传播速度；
b.当锚杆在锚固状态下时，在拉伸试验机上用气动扳手对液压千斤顶施加阻力，使锚杆达到其工作阻力。同时，对锚杆继续进行拉伸，锚杆右端与声波测试仪相连接，通过声波测试仪对锚杆进行声波发射，并准确记录声波在锚杆自由设来回传播的总时长t，用公式l1＝v×t/2得出锚杆在第一次受力时锚杆自由段长度l1；
c.根据l0和l1，得出锚杆自由段长度变化量Δl1，根据以下公式∈＝Δl1/l0得出锚杆的应变率∈值，Δl为锚杆自由段长度的变化量；
根据公式ε＝∈|l得出相对于样品锚杆的应变值ε，ε为锚杆受力变形测量计算后的应变值，l为样品单位锚杆长度；
当ε＜ε1，则锚杆处于弹性受力阶段；
当ε1＜ε＜ε2，则锚杆处于屈服受力阶段；
当ε2＜ε＜ε3，则锚杆处于破断受力阶段，随时可失效。
2.如权利要求1所述的一种用于评价煤矿巷道锚杆工作状态的方法，其特征在于：
在b步骤中，用气动扳手对液压千斤顶施加阻力时，当锚杆达到其工作阻力，并记录好此时千斤顶压力表盘中的读数P，根据公式：F0＝Pπr2得出锚杆受力F0的大小，上述公式中r为油缸活塞半径；
在c步骤中，根据公式ε＝∈|l，得出相对于测试锚杆的应变值ε，公式中l为测试锚杆长度，ε为锚杆受力变形测量计算后的应变值，在相对应锚杆的全应力应变曲线图中查找与ε相对应的应力σ，根据公式F1＝σS得出锚杆所受外力F1，公式中S为锚杆截面面积；
对比力F0与F1，二者正负差在5％以内，则证明该实验数据准确，反之则不准确。
3.如权利要求1所述的一种用于评价煤矿巷道锚杆工作状态的方法，其特征在于：所述的拉伸试验机是在测力架(8)的一端固定有混凝土围岩(7)，另一端固定有液压千斤顶(5)，液压千斤顶(5)的顶头顶压托盘(4)；锚杆(6)一端水平穿过测力架(8)后插入混凝土围岩(7)内固定，另一端穿过托盘(4)后用螺母(3)固定并限位，锚杆(6)的外端部通过信号线(2)连接声波测试仪(1)。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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