CN114112741A - 一种锚固体抗动载冲击性能原位测量装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锚固体抗动载冲击性能原位测量装置及测试方法，属于矿山巷道锚杆支护技术试验技术领域。装置包括发射装置、发射头、导杆、底座、壳体、高压气瓶、压力传感器、数据采集装置和数据处理装置，其中，壳体为中空圆柱体，壳体一端设置有底座，底座内设置有压力传感器，底座上设置有导杆，导杆上设置有发射头，发射头上方设置有发射装置，发射装置外接有高压气瓶，发射装置和压力传感器均连接至数据采集装置，数据采集装置连接有数据处理装置。本发明安装方便，实用性和可操作性强，通过高压气瓶和发射装置对锚杆施加动载，且荷载稳定可靠，大小可调，实现现场条件下锚杆及围岩在受到动载荷作用下的抗冲性能的测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种锚固体抗动载冲击性能原位测量装置及测试方法，属于矿山巷道锚杆支护技术试验技术领域。
背景技术
近年来，随着煤矿开采深度的增加，巷道锚杆支护结构不仅承受较大静载，还受到频繁动载的扰动。在这种强扰动、高应力环境的影响下，锚杆支护失效问题愈发突出，而由此导致的顶板事故已经成为影响煤矿安全生产的重要问题。
为探究动态载荷对锚杆的作用机理，现有技术中在这方面进行了大量的研究，研制了相应的试验设备以及研究方法，如中国专利文件CN102621013B公开了一种动力学性能测试系统，通过夹持装置来固定试件的顶端，利用落锤产生的效应测试锚杆的动力学性能；中国专利文件CN103134725B公开了一种锚杆性能测试装置，将锚杆一端固定，利用重盘和静力液压装置，分别测试锚杆的抗冲击性能和静力学性能；中国专利文件CN107084893A公开了一种节理岩体锚杆动载荷试验装置，通过灌浆方式将锚杆和钢管固定，利用动力加载装置释放空心落锤至冲击板上，并通过荷载采集装置来采集空心落锤产生的荷载；中国专利文件CN107761788B公开了一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，将锚杆和钢管组成的锚固系统固定于上下两个承压盘之间，利用压缩荷载转化为拉伸荷载来实现锚固系统的拉伸测试。
然而，上述专利存在操作复杂、测试量程小和实用性不强等缺陷，不能准确地反应出现场应用中锚杆的抗冲击性能，无法满足测试需求，为此，提出本发明。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，安装方便，实用性和可操作性强，通过高压气瓶和发射装置对锚杆施加动载，且荷载稳定可靠，大小可调，实现现场条件下锚杆及围岩在受到动载荷作用下的抗冲性能的测试。
本发明还提供上述锚固体抗动载冲击性能原位测量装置的测试方法。
本发明的技术方案如下：
一种锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，包括发射装置、发射头、导杆、底座、壳体、高压气瓶、压力传感器、数据采集装置和数据处理装置，其中，
壳体为中空圆柱体，壳体一端设置有底座，底座内设置有压力传感器，底座上设置有导杆，导杆上设置有发射头，发射头上方设置有发射装置，发射装置外接有高压气瓶，发射装置和压力传感器均连接至数据采集装置，数据采集装置连接有数据处理装置。高压气瓶内填充氮气。
优选的，发射装置包括环筒、第一发射器和第二发射器，环筒内对称设置有第一发射器和第二发射器，第一发射器和第二发射器结构相同，环筒上设置有进气口。
进一步优选的，第一发射器内设置有隔层，隔层将第一发射器分为上下两部分容腔，第一发射器内设置有调压活塞，调压活塞的活塞杆贯穿隔层，调压活塞的圆盘置于隔层上方容腔内，圆盘上方容腔为第一气腔，第一气腔侧壁上设置有第一进气口，第一气腔顶部设置有第一出气口，第一出气口直接与外界相连，环筒上不在另设出气口，圆盘下方容腔为第二气腔，第二气腔侧壁上设置有第二进气口和第二出气口，第二气腔内径小于第一气腔，隔层下方容腔为第三气腔，第三气腔侧壁上设置有第三进气口，第三气腔底部设置有发射腔，发射腔内径与调压活塞的活塞杆直径相同。第一进气口、第一出气口、第二进气口、第二出气口、第三进气口上均设置有进气阀，控制气体进入。
优选的，发射装置与高压气瓶之间设置有压阀组，压阀组包括压力表和阀门。
优选的，壳体上设置有激光测速仪，激光测速仪连接有数据采集装置，通过激光测速仪获取发射头释放初速度。
优选的，发射头为圆筒状，发射头直径与壳体内径相同。
优选的，导杆顶部设置有联接头，导杆通过联接头连接锚杆。
进一步优选的，联接头为圆筒状，联接头内设置有螺纹，导杆上设置有螺纹，联接头通过内螺纹连接导杆和锚杆，导杆底部通过螺纹连接有底座。
上述锚固体抗动载冲击性能原位测量装置的测试方法，操作步骤如下：
(1)将要进行测试的锚杆的螺母卸除，并露出锚杆悬端，利用联接头将锚杆悬端与导杆的上端连接，将发射装置安装于联接头上方的锚杆上，发射头套装于导杆上，发射头与发射装置通过锚固剂相连，然后安装壳体和底座，发射装置外接高压气瓶；
(2)打开高压气瓶，输入气压值(如1MPa)，高压气瓶内的气体进入发射装置，发射装置启动，发射腔瞬间放出气体，推动下方的发射头运行，发射头获得初速度，撞击底座；
(3)若输入气压值所给初速度过大(如1MPa)，则受到发射头撞击的底座带动锚杆向下运动，调小输入气压值(如0.9MPa、0.8MPa等)，重复步骤(2)，直到得出锚杆抗冲临界气压值；相反，若输入气压值过小，则锚杆位置不变，增大输入气压值，重复步骤(2)，直至锚杆被拉动，得到锚杆的抗冲临界气压值。
优选的，步骤(2)中，发射装置的启动过程如下：
a、第一进气口打开，高压气体进入第一气腔，推动调压活塞运动至最下端，然后关闭第一进气口；
b、第二进气口打开，高压气体进入第二气腔，第一气腔与第二气腔气压相同，第二气腔内径小于第一气腔，故气流推动调压活塞上移，气体不在进入第二气腔时，关闭第二进气口；
c、第三进气口打开，高压气体进入第三气腔，气体不在进入第三气腔时，关闭第三进气口；
d、打开第一出气口，第一气腔内气压突降，调压活塞迅速运动至第一气腔顶端，调压活塞的活塞杆移出发射腔，高压气体瞬间释放，推动发射头下行，撞击底座；
e、打开第二出气口，释放第二气腔内的气体，发射结束。
本发明的有益效果在于：
1、本发明安装方便，实用性和可操作性强，通过高压气瓶和发射装置对锚杆施加动载，且荷载稳定可靠，大小可调，实现现场条件下锚杆及围岩在受到动载荷作用下的抗冲性能的测试。
2、本发明通过更换不同型号的联接头便能将不同型号的锚杆与装置联接在一起，从而实现对不同型号、不同角度的锚杆施加动载。
3、本发明可实现现场条件下，对受动载锚杆抗冲性能的测定，能够很好模拟深部开采条件下的锚固体受动载荷作用的破坏特性，操作简便，实用性强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的发射装置俯视示意图；
图3为本发明的发射装置侧视截面示意图；
图4为本发明的第一发射器结构示意图；
图5为本发明的应用示意图。
其中：1、锚杆；2、发射装置；3、第一发射器；4、第二发射器；5、进气口；6、联接头；7、发射头；8、导杆；9、底座；10、壳体；11、激光测速仪；12、进气软管；13、压阀组；14、高压气瓶；15、第一气腔；16、第一进气口；17、第一出气口；18、第二气腔；19、第二进气口；20、第二出气口；21、第三气腔；22、第三进气口；23、调压活塞；24、发射腔；25、数据采集装置；26、数据处理装置；27、压力传感器；28、导线；29、隔层；30、圆盘；31、上覆岩层；32、基本顶；33、直接顶；34、煤体。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-5所示，本实施例提供一种锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，包括发射装置2、发射头7、导杆8、底座9、壳体10、高压气瓶14、压力传感器27、数据采集装置25和数据处理装置26，其中，
壳体10为中空圆柱体，壳体10一端设置有底座9，底座9内设置有压力传感器27，底座9上设置有导杆8，导杆8上设置有发射头7，发射头7上方设置有发射装置2，发射装置2外接有高压气瓶14，发射装置2和压力传感器27均连接至数据采集装置25，数据采集装置25连接有数据处理装置26。高压气瓶内填充氮气。
发射装置2包括环筒、第一发射器3和第二发射器4，环筒内对称设置有第一发射器3和第二发射器4，第一发射器3和第二发射器4结构相同，环筒上设置有进气口5。
第一发射器3内设置有隔层29，隔层29将第一发射器3分为上下两部分容腔，第一发射器3内设置有调压活塞23，调压活塞23的活塞杆贯穿隔层29，调压活塞23的圆盘30置于隔层29上方容腔内，圆盘30上方容腔为第一气腔15，第一气腔15侧壁上设置有第一进气口16，第一气腔15顶部设置有第一出气口17，第一出气口17直接与外界相连，环筒上不在另设出气口，圆盘30下方容腔为第二气腔18，第二气腔18侧壁上设置有第二进气口19和第二出气口20，第二气腔18内径小于第一气腔15，隔层29下方容腔为第三气腔21，第三气腔21侧壁上设置有第三进气口22，第三气腔21底部设置有发射腔24，发射腔24内径与调压活塞23的活塞杆直径相同。第一进气口、第一出气口、第二进气口、第二出气口、第三进气口上均设置有进气阀，控制气体进入。
发射装置2与高压气瓶14通过进气软管12连接，进气软管12上设置有压阀组13，压阀组包括压力表和阀门。
壳体10上设置有激光测速仪11，激光测速仪连接有数据采集装置，通过激光测速仪获取发射头释放初速度。
发射头7为圆筒状，发射头7直径与壳体10内径相同。
导杆8顶部设置有联接头6，导杆8通过联接头6连接锚杆1。
上述锚固体抗动载冲击性能原位测量装置的测试方法，操作步骤如下：
(1)将要进行测试的锚杆1的螺母卸除，并露出锚杆悬端，利用联接头6将锚杆1悬端与导杆8的上端连接，将发射装置2安装于联接头6上方的锚杆上，发射头7套装于导杆8上，发射头7与发射装置2通过锚固剂相连，然后安装壳体10和底座9，发射装置2外接高压气瓶14；
(2)打开高压气瓶14，输入气压值1MPa，高压气瓶14内的气体进入发射装置2，发射装置2启动，发射腔24瞬间放出气体，推动下方的发射头7运行，发射头7获得初速度，撞击底座9；
(3)若输入气压值所给初速度过大，则受到发射头7撞击的底座9带动锚杆向下运动，调小输入气压值为0.9MPa、0.8MPa，重复步骤(2)，直到得出锚杆抗冲临界气压值；相反，若输入气压值过小，则锚杆位置不变，增大输入气压值，重复步骤(2)，直至锚杆被拉动，得到锚杆的抗冲临界气压值。
分析数据，具体包括：①抗冲临界气压值P0，使发射头7产生冲击速度v0，利用壳体10所带的激光测速仪11测出发射头7的速度v0，进而可得出发射头7的初始动能E0，不考虑发射头7于壳体10内运动过程中所耗散的能量c，故发射头7的初始动能E0及重力势能G之和全部转化为锚杆所受到的动载冲击能量E，这里所得到的动载冲击能量E即为锚杆的抗动载冲击性能临界值E，即满足公式：E＝E0+G。②压力传感器27和数据采集装置25可实时监测、记录并每次冲击试验过程中底座9所受到的冲击能量变化，数据处理装置26生成不同的应力曲线，最终得到锚杆抗动载冲击能量值及破坏特性。
实施例2：
一种锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，结构如实施例1所述，不同之处在于，联接头6为圆筒状，联接头6内设置有螺纹，导杆8上设置有螺纹，联接头6通过内螺纹连接导杆8和锚杆1，导杆底部通过螺纹连接有底座。
实施例3：
一种如实施例1所述的锚固体抗动载冲击性能原位测量装置的测试方法，不同之处在于，步骤(2)中，发射装置的启动过程如下：
a、第一进气口16打开，高压气体进入第一气腔15，推动调压活塞23运动至最下端，然后关闭第一进气口16；
b、第二进气口19打开，高压气体进入第二气腔18，第一气腔15与第二气腔18气压相同，第二气腔18内径小于第一气腔15，故气流推动调压活塞23上移，气体不在进入第二气腔时，关闭第二进气口19；
c、第三进气口22打开，高压气体进入第三气腔21，气体不在进入第三气腔21时，关闭第三进气口22；
d、打开第一出气口17，第一气腔15内气压突降，调压活塞23迅速运动至第一气腔15顶端，调压活塞23的活塞杆移出发射腔24，高压气体瞬间释放，推动发射头7下行，撞击底座9；
e、打开第二出气口22，释放第二气腔18内的气体，发射结束。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (10)
1.一种锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，其特征在于，包括发射装置、发射头、导杆、底座、壳体、高压气瓶、压力传感器、数据采集装置和数据处理装置，其中，
壳体为中空圆柱体，壳体一端设置有底座，底座内设置有压力传感器，底座上设置有导杆，导杆上设置有发射头，发射头上方设置有发射装置，发射装置外接有高压气瓶，发射装置和压力传感器均连接至数据采集装置，数据采集装置连接有数据处理装置。
2.如权利要求1所述的锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，其特征在于，发射装置包括环筒、第一发射器和第二发射器，环筒内对称设置有第一发射器和第二发射器，第一发射器和第二发射器结构相同，环筒上设置有进气口。
3.如权利要求2所述的锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，其特征在于，第一发射器内设置有隔层，隔层将第一发射器分为上下两部分容腔，第一发射器内设置有调压活塞，调压活塞的活塞杆贯穿隔层，调压活塞的圆盘置于隔层上方容腔内，圆盘上方容腔为第一气腔，第一气腔侧壁上设置有第一进气口，第一气腔顶部设置有第一出气口，圆盘下方容腔为第二气腔，第二气腔侧壁上设置有第二进气口和第二出气口，第二气腔内径小于第一气腔，隔层下方容腔为第三气腔，第三气腔侧壁上设置有第三进气口，第三气腔底部设置有发射腔，发射腔内径与调压活塞的活塞杆直径相同。
4.如权利要求3所述的锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，其特征在于，发射装置与高压气瓶之间设置有压阀组，压阀组包括压力表和阀门。
5.如权利要求4所述的锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，其特征在于，壳体上设置有激光测速仪，激光测速仪连接有数据采集装置，通过激光测速仪获取发射头释放初速度。
6.如权利要求1所述的锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，其特征在于，发射头为圆筒状，发射头直径与壳体内径相同。
7.如权利要求5所述的锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，其特征在于，导杆顶部设置有联接头，导杆通过联接头连接锚杆。
8.如权利要求7所述的锚固体抗动载冲击性能原位测量装置，其特征在于，联接头为圆筒状，联接头内设置有螺纹，导杆上设置有螺纹，联接头通过内螺纹连接导杆和锚杆，导杆底部通过螺纹连接有底座。
9.一种如权利要求7所述的锚固体抗动载冲击性能原位测量装置的测试方法，其特征在于，操作步骤如下：
(1)将要进行测试的锚杆的螺母卸除，并露出锚杆悬端，利用联接头将锚杆悬端与导杆的上端连接，将发射装置安装于联接头上方的锚杆上，发射头套装于导杆上，发射头与发射装置通过锚固剂相连，然后安装壳体和底座，发射装置外接高压气瓶；
(2)打开高压气瓶，输入气压值，高压气瓶内的气体进入发射装置，发射装置启动，发射腔瞬间放出气体，推动下方的发射头运行，发射头获得初速度，撞击底座；
(3)若输入气压值所给初速度过大，则受到发射头撞击的底座带动锚杆向下运动，调小输入气压值，重复步骤(2)，直到得出锚杆抗冲临界气压值；相反，若输入气压值过小，则锚杆位置不变，增大输入气压值，重复步骤(2)，直至锚杆被拉动，得到锚杆的抗冲临界气压值。
10.如权利要求9所述的锚固体抗动载冲击性能原位测量装置的测试方法，其特征在于，步骤(2)中，发射装置的启动过程如下：
a、第一进气口打开，高压气体进入第一气腔，推动调压活塞运动至最下端，然后关闭第一进气口；
b、第二进气口打开，高压气体进入第二气腔，第一气腔与第二气腔气压相同，第二气腔内径小于第一气腔，故气流推动调压活塞上移，气体不在进入第二气腔时，关闭第二进气口；
c、第三进气口打开，高压气体进入第三气腔，气体不在进入第三气腔时，关闭第三进气口；
d、打开第一出气口，第一气腔内气压突降，调压活塞迅速运动至第一气腔顶端，调压活塞的活塞杆移出发射腔，高压气体瞬间释放，推动发射头下行，撞击底座；
e、打开第二出气口，释放第二气腔内的气体，发射结束。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114778335A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-07-22 | 徐州汉晨机械制造有限公司 | 一种锚固体抗动载冲击性能原位测量装置及测试方法 |
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