CN114486572B - 锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及巷道支护技术领域，提供一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置及方法，装置包括：框架，用于放置岩体试样；锚杆支护，包括锚杆和紧固组件，锚杆的第一端用于与岩体试样锚固，第二端与紧固组件连接；防冲支架，包括防冲立柱，防冲立柱用于支撑岩体试样的底部；冲击发生装置，用于对岩体试样的上部产生冲击；第一测力装置，用于设置在紧固组件与岩体试样之间；第二测力装置，用于设置在防冲支架与岩体试样之间；第一位移检测装置，用于检测锚杆的位移；第二位移检测装置，用于检测防冲立柱的位移；摄像装置，用于拍摄岩体试样的底部；探测装置，用于检测岩体试样的内部破坏情况。可以测试锚杆支护与防冲支架的协同防冲作用。
Description
技术领域
本发明涉及巷道支护技术领域，尤其涉及一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置及方法。
背景技术
随着煤矿开采深度以每年8～25m的速度向深部延伸，更多矿井将面临冲击地压灾害发生。据统计，巷道冲击地压约占冲击地压总数的87％，特别是冲击地压及其引发的巷道冒顶事故已成为煤矿安全的重大威胁之一。
为了控制冲击地压对巷道围岩的破坏程度，现有技术中通常采用锚杆支护与防冲支架配合的方式对巷道进行支护。但是，在一些情况下，理论抵御冲击地压震级即使显著高于实际冲击地压发生震级，支护系统仍未能有效降低冲击地压对巷道的破坏程度。如跃进矿“8.11”冲击地压事故造成340m范围的巷道变形破坏，74架门式液压框架严重变形损坏，“3.1”冲击地压事件中有15根液压大立柱弯曲，无法收缩；吉林龙家堡煤矿“6.9”冲击地压事故造成巷道220m范围严重破坏，该范围内框架几乎全部以立柱弯曲、爆缸、折断等方式损坏；陕西彬长胡家河煤矿“10·11”冲击地压事故造成巷道70m严重破坏，防冲支架出现不同程度的立柱弯折、爆缸等方式破坏。另外还有抚顺老虎台矿、双鸭山集贤矿等，在使用防冲支架进行巷道防冲支护时也都受到了不同程度的冲击损坏。
锚杆支护与防冲支架失效破坏的本质在于两种支护系统的动态工作阻力特性不适应冲击地压产生的强冲击载荷，支护系统无法适应围岩静、动载下的变形而发生结构损坏、支护失效。要想发挥两种支护方式的防冲效果，锚杆支护与防冲支架既要在围岩静压下能够提供足够高的支护阻力，保证巷道围岩稳定性；又要在冲击地压发生时，二者的刚度、强度及变形相互匹配、协调，支护系统能够瞬间适应围岩变形冲击过程，支护结构的性能参数能够与围岩动态参数相匹配，抑制围岩持续震动，使其在较小的变形范围内快速停止，进而达到防冲作用。
目前，现有技术中还没有对于强冲击作用下锚杆支护与防冲支架相互作用关系的测试手段。
发明内容
本发明提供一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，用以解决现有技术中无法对强冲击作用下锚杆支护与防冲支架相互作用关系进行测试的缺陷。
本发明提供的一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，包括：
框架，设置为上下两端开口的中空结构，所述中空结构用于放置岩体试样；
锚杆支护，包括锚杆和紧固组件，所述锚杆的第一端用于从底部穿入所述岩体试样并与所述岩体试样锚固，所述锚杆的第二端与所述紧固组件连接，所述紧固组件用于支撑所述岩体试样的底部；
防冲支架，包括防冲立柱，所述防冲立柱用于支撑所述岩体试样的底部；
冲击发生装置，用于冲击所述岩体试样的上部；
第一测力装置，用于设置在所述紧固组件与所述岩体试样之间；
第二测力装置，用于设置在所述防冲支架与所述岩体试样之间；
第一位移检测装置，用于检测所述锚杆的位移；
第二位移检测装置，用于检测所述防冲立柱的位移；
摄像装置，用于朝向并拍摄所述岩体试样的底部；
检测装置，用于检测所述岩体试样的内部破坏情况。
根据本发明提供的一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，还包括金属网；
所述锚杆穿过所述金属网与所述岩体试样连接，所述金属网设置于所述第一测力装置与所述岩体试样之间。
根据本发明提供的一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，所述冲击发生装置包括落锤式冲击试验机；
所述落锤式冲击试验机包括用于冲击所述岩体试样的顶部的落锤。
根据本发明提供的一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，还包括用于检测所述落锤位移量的第三位移检测装置以及设置于所述落锤的冲击面的第三测力装置。
根据本发明提供的一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，所述防冲立柱设置为液压立柱。
根据本发明提供的一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，还包括约束机构，所述约束机构与所述框架连接，并与所述岩体试样的侧表面相抵。
根据本发明提供的一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，所述冲击发生装置包括爆破装置。
根据本发明提供的一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，所述紧固组件包括由内向外依次设置于所述锚杆上的锚杆托盘、减磨垫片、球形垫片及固定螺母，所述固定螺母与所述锚杆螺纹配合。
本发明还提供一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验方法，基于如上所述的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置实施，包括步骤：
制备岩体试样；
将所述岩体试样置入所述框架并约束；
安装所述锚杆支护及所述防冲支架；
利用所述冲击发生装置冲击所述岩体试样；
获取所述第一测力装置、所述第二测力装置、所述第一位移检测装置、所述第二位移检测装置、所述摄像装置及所述检测装置的检测信息。
根据本发明提供的一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验方法，所述制备岩体试样包括：
利用河沙、水泥与水混合，并制成长方体的岩体试样。
本发明提供的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，通过冲击发生装置冲击岩体试样的上部模拟冲击地压的产生，然后通过第一测力装置检测锚杆受力变化情况，通过第一位移检测装置检测锚杆所产生的位移，并且基于两者可以获取锚杆受力-位移曲线。通过第二测力装置检测防冲立柱的受力变化情况，通过第二位移检测装置检测防冲支架产生的位移，并且基于两者可以获取防冲立柱受力-位移曲线。通过摄像装置拍摄获取岩体试样的变形破坏过程，通过检测装置检测岩体试样内部的破坏情况。
本发明的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，可定量测试不同锚杆材质、锚杆支护参数、防冲支架性能、防冲支架支护参数等对岩体抗冲击性能的影响，同时也可以测试锚杆支护与防冲支架的协同防冲作用，以便于基于实验结果优化巷道锚杆支护参数和防冲支架参数，提高冲击地压巷道锚杆支护-防护框架协同防冲区间，充分调动两者的协同防冲效能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的实施例中锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置的结构示意图；
图2是图1中的Ⅰ局部放大图；
图3是本发明提供的实施例中锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验方法的流程示意图；
附图标记：
1、框架；2、岩体试样；3、锚杆；4、防冲立柱；5、第一测力装置；6、第二测力装置；7、摄像装置；8、金属网；9、落锤；10、第三测力装置；11、约束螺栓；12、锚杆托盘；13、减磨垫片；14、球形垫片；15、固定螺母。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图3描述本发明的实施例中的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置。
具体来说，锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置包括框架1、锚杆支护、防冲支架1、冲击发生装置、第一测力装置5、第二测力装置6、第一位移检测装置、第二位移检测装置、摄像装置7及检测装置。
其中，框架1设置为上下两端开口的中空结构，中空结构用于放置岩体试样2。例如，框架1可以是由型材等通过焊接或者螺纹连接件连接形成的框架结构。
锚杆支护包括锚杆3和紧固组件。锚杆3的第一端用于从底部穿入岩体试样2并与岩体试样2锚固，锚杆3的第二端与紧固组件连接，紧固组件用于支撑岩体试样2的底部。
可选地，紧固组件包括由内向外依次设置于锚杆3上的锚杆托盘12、减磨垫片13、球形垫片14及固定螺母15。固定螺母15与锚杆3螺纹配合。锚杆3与岩体试样2锚固后，通过旋拧固定螺母15进行预紧来施加预应力。
防冲支架1包括防冲立柱4。防冲立柱4用于支撑岩体试样2的底部。
冲击发生装置，用于冲击岩体试样2的上部。
第一测力装置5，用于设置在紧固组件与岩体试样2之间。如图2所示，第一测力装置5设置在锚杆托盘12与岩体试样2之间，固定螺母15产生的预紧力经过紧固组件及第一测力装置5传递至岩体试样2的底面。
第二测力装置6，用于设置在防冲支架1与岩体试样2之间。
例如，第一测力装置5和第二测力装置6均可以设置为测力传感器或测力计。
第一位移检测装置，用于检测锚杆3的位移。进一步地，第一位移检测装置设置于锚杆3位于岩体试样2外部的部分。
第二位移检测装置，用于检测防冲立柱4的位移。进一步地，防冲立柱4设置为液压立柱。第二位移检测装置用于检测液压立柱的伸缩杆的位移。
例如，第一位移检测装置和第二位移检测装置均可以设置为位移传感器或者位移计。
摄像装置7，用于朝向并拍摄岩体试样2的底部。
例如，摄像装置7设置为高速摄像机。
检测装置，用于检测岩体试样2的内部破坏情况。
例如，检测装置设置为超声波检测装置。超声波检测装置包括分别设置在岩体试样2两侧的声波发射探头和声波接收探头，通过超声波原理检测岩体试样2内部损伤情况。
本发明提供的实施例中的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，通过冲击发生装置冲击岩体试样2的上部模拟冲击地压的产生，然后通过第一测力装置5检测锚杆3受力变化情况，通过第一位移检测装置检测锚杆3所产生的位移，并且基于两者可以获取锚杆3受力-位移曲线。通过第二测力装置6检测防冲立柱4的受力变化情况，通过第二位移检测装置检测防冲支架1产生的位移，并且基于两者可以获取防冲立柱4受力-位移曲线。通过摄像装置7可拍摄获取岩体试样2的变形破坏过程，通过检测装置可检测岩体试样2内部的破坏情况。通过获取的上述数据，可以分析冲击过程中锚杆3和防冲立柱4分别吸收的能量及各自的变形破坏情况。
本发明的实施例中的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，可定量测试不同锚杆材质、锚杆支护参数、防冲支架性能、防冲支架支护参数等对岩体抗冲击性能的影响，同时也可以测试锚杆支护与防冲支架的协同防冲作用，以便于基于实验结果优化巷道锚杆支护参数和防冲支架1参数，提高冲击地压巷道锚杆支护-防护框架协同防冲区间，充分调动两者的协同防冲效能。
在本发明提供的一些实施例中，锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置还包括金属网8。
锚杆3穿过金属网8与岩体试样2连接，金属网8设置于第一测力装置5与岩体试样2之间。
例如，金属网8可以由10号铁丝编织制成，金属网8网孔设置为50mm×50mm的方孔。
在本发明提供的一些实施例中，冲击发生装置包括落锤式冲击试验机。
落锤式冲击试验机包括用于冲击岩体试样2的顶部的落锤9。
在本发明提供的一些实施例中，锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置还包括用于检测落锤9位移量的第三位移检测装置以及设置于落锤9的冲击面的第三测力装置10。
通过第三位移检测装置检测落锤9的位移量，通过第三测力装置10能够检测落锤9产生的冲击力，从而基于二者获取落锤9冲击力-位移曲线。如此设置，能够定量的研究冲击能量、锚杆支护参数及防冲立柱4支护参数等对岩体抗冲击性能的影响规律，从而可以定量化确定锚杆支护参数和防冲支架1支护参数。
可选地，第三位移检测装置可以设置为激光位移计。第三测力装置10可以设置为测力传感器或测力计。
在本发明提供的一些实施例中，锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置还包括约束机构。约束机构与框架1连接，并与岩体试样2的侧表面相抵。
通过设置约束机构可对岩体试样2的侧面进行约束限位，防止岩体试样2进行侧向位移，同时，通过对岩体试样2进行约束能够模拟岩体相互之间的应力。
例如，约束机构设置为约束螺栓11。约束螺栓11与框架1螺纹连接，并与岩体试样2的侧表面相抵。
在本发明提供的一些实施例中，冲击发生装置包括爆破装置。爆破装置可以装置在岩体试样2内的药包，通过爆炸震动冲击岩体试样2。
参考图3所示，本发明提供的实施例中还提供一种锚杆支护与防冲支架1协同防控冲击地压实验方法。
具体来说，锚杆支护与防冲支架1协同防控冲击地压实验方法，基于上述的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置实施，所述实验方法包括步骤S100-步骤S500。
步骤S100、制备岩体试样2。
可选地，制备岩体试样2包括：利用河沙、水泥与水混合，并制成长方体的岩体试样2。可根据矿井下岩层特性、强度及应力大小，采用不同配比的混凝土模拟岩层。岩体试样2制成后需养护28天。
可选地，岩体试样2可以设置为500mm×1500mm×3000mm的四棱柱结构。
步骤S200、将岩体试样2置入框架1并约束。
例如，将岩体试样2置入框架1后并利用约束螺栓11对岩体试样2进行约束。
步骤S300、安装锚杆支护及防冲支架1。
其中，安装锚杆支护时，岩体试样2的底部可以现场或者预先打孔，打孔直径30mm，锚杆3的直径可设置为22mm，锚杆3的长度可设置为2400mm。锚杆3伸入所述孔内并与岩体试样2进行锚固，锚杆3的锚固长度设置为1200mm。然后，采用金属网8护表，并利用紧固组件进行预紧以施加预应力。
安装防冲支架1时，可根据煤矿井下实际使用的防冲支架1工作阻力、吸能量及间排距等参数，设计与实验模型相适应的防冲立柱4，防冲立柱4的阻力、吸能量等与现场成一定的相似比。比如，现场工作阻力5000kN，吸能量500kJ，排距5m，则现场与实验室的相似比为5:1(实验室模拟的排距为1m)，实验防冲立柱4工作阻力定位1000kN，吸能量20kJ。
步骤S400、利用冲击发生装置冲击岩体试样2。
例如，可以通过落锤9或者爆破装置冲击岩体试样2，以模拟冲击地压。
步骤S500、获取第一测力装置5、第二测力装置6、第一位移检测装置、第二位移检测装置、摄像装置7及检测装置的检测信息。
例如，第一测力装置5、第二测力装置6、第一位移检测装置、第二位移检测装置、摄像装置7及检测装置均可以与处理单元可通信地相连接，以将获取的检测信息传输至处理单元进行分析或存储处理。
本发明提供的实施例中的锚杆支护与防冲支架1协同防控冲击地压实验方法可以分析落锤9冲击过程中锚杆3和防冲立柱4分别吸收的能量及各自的变形破坏情况，同时可以研究冲击能量、锚杆支护参数及防冲立柱4支护参数等对岩体抗冲击性能的影响规律，从而可以定量化确定锚杆支护参数和防冲支架1支护参数。
可定量测试不同锚杆材质、锚杆支护参数、防冲支架性能、防冲支架支护参数等对岩体抗冲击性能的影响，同时也可以测试锚杆支护与防冲支架的协同防冲作用，以便于基于实验结果优化巷道锚杆支护参数和防冲支架参数，提高冲击地压巷道锚杆支护-防护框架协同防冲区间，充分调动两者的协同防冲效能。
实验时，可根据煤矿井下实际条件，调整模型尺寸、冲击能量、监测参数、锚杆类型、防冲立柱型号等参数，通过调整不同的参数，可以分析不同参数对岩体抗冲击性能的影响。同时，也可以根据不同情况，更改冲击能量施加方式。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，其特征在于，包括：
框架，设置为上下两端开口的中空结构，所述中空结构用于放置岩体试样；
锚杆支护，包括锚杆和紧固组件，所述锚杆的第一端用于从底部穿入所述岩体试样并与所述岩体试样锚固，所述锚杆的第二端与所述紧固组件连接，所述紧固组件用于支撑所述岩体试样的底部；
防冲支架，包括防冲立柱，所述防冲立柱用于支撑所述岩体试样的底部；
冲击发生装置，用于冲击所述岩体试样的上部；
第一测力装置，用于设置在所述紧固组件与所述岩体试样之间；
第二测力装置，用于设置在所述防冲支架与所述岩体试样之间；
第一位移检测装置，用于检测所述锚杆的位移；
第二位移检测装置，用于检测所述防冲立柱的位移；
摄像装置，用于朝向并拍摄所述岩体试样的底部；
检测装置，用于检测所述岩体试样的内部破坏情况。
2.根据权利要求1所述的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，其特征在于，还包括金属网；
所述锚杆穿过所述金属网与所述岩体试样连接，所述金属网设置于所述第一测力装置与所述岩体试样之间。
3.根据权利要求1所述的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，其特征在于，所述冲击发生装置包括落锤式冲击试验机；
所述落锤式冲击试验机包括用于冲击所述岩体试样的顶部的落锤。
4.根据权利要求3所述的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，其特征在于，还包括用于检测所述落锤位移量的第三位移检测装置以及设置于所述落锤的冲击面的第三测力装置。
5.根据权利要求1所述的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，其特征在于，所述防冲立柱设置为液压立柱。
6.根据权利要求1所述的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，其特征在于，还包括约束机构，所述约束机构与所述框架连接，并与所述岩体试样的侧表面相抵。
7.根据权利要求1所述的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，其特征在于，所述冲击发生装置包括爆破装置，所述爆破装置为装置在岩体试样内的药包，通过爆炸震动冲击岩体试样。
8.根据权利要求1所述的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置，其特征在于，所述紧固组件包括由内向外依次设置于所述锚杆上的锚杆托盘、减磨垫片、球形垫片及固定螺母，所述固定螺母与所述锚杆螺纹配合。
9.一种锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验方法，其特征在于，基于如权利要求1-8任一项所述的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验装置实施，包括步骤：
制备岩体试样；
将所述岩体试样置入所述框架并约束；
安装所述锚杆支护及所述防冲支架；
利用所述冲击发生装置冲击所述岩体试样；
获取所述第一测力装置、所述第二测力装置、所述第一位移检测装置、所述第二位移检测装置、所述摄像装置及所述检测装置的检测信息。
10.根据权利要求9所述的锚杆支护与防冲支架协同防控冲击地压实验方法，其特征在于，所述制备岩体试样包括：
利用河沙、水泥与水混合，并制成长方体的岩体试样。
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