CN116399725A - 锚索动态力学性能测试方法及其测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤炭开采技术领域，提供一种锚索动态力学性能测试方法及其测试系统。本发明利用重锤和模拟岩层模拟锚索受到的冲击，并实时采集重锤的冲击力和位移数据，同时监测锚索的应变变化情况、锚索的受力变化情况、岩层的超声波变化情况、岩层的表面位移和破坏情况以及金属网的动态变形形态，根据采集和监测到的数据情况，计算并获得重锤冲击力时程曲线、重锤位移时程曲线、锚索应变时程曲线、锚索受力时程曲线、模拟岩层的超声波时程曲线和模拟岩层表面的变形场，从而实现对锚索轴向抗冲击性能的测试，对锚索的动载力学性能具有重要意义，能够对现场施工给予指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种锚索动态力学性能测试方法及其测试系统。
背景技术
冲击地压是煤炭深部开采中经常遇到的典型煤岩动力灾害，随着开采深度的增加，冲击地压发生的强度和频次均显著增加。从冲击地压发生的位置区域来看，冲击地压主要发生在回采巷道中，因此，回采巷道冲击地压防冲技术一直是国内外学者研究的重点。其中冲击地压巷道支护技术作为实现巷道防冲的重要手段之一，越来越受到国内外学者的关注。
锚索支护作为最常用的巷道支护方式，其支护形式具有较强的抗冲击性能，但冲击地压巷道对锚索支护材料及构件具有特殊的要求。锚索作为锚杆支护中主要的支护材料，在静载作用下，高质量的锚索能提供高的支护阻力，在高静载荷作用下不易破断失效，锚索的力学性能与其直径、材质等密切相关，国内外学者对不同锚索的静载力学性能进行了大量的研究工作，揭示了不同锚索的静载力学性能，但对锚索的动载力学性能研究较少，一直缺乏原尺寸下锚索的轴向抗冲击性能的测试装备和测试方法。因此，如何根据现场实际情况，对锚索的轴向抗冲击性能进行测试，从而给予现场施工以指导作用是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种锚索动态力学性能测试方法及其测试系统，用以解决现有技术中缺乏锚索的轴向抗冲击性能的测试装备和测试方法，难以对现场施工给予指导作用的缺陷。
本发明提供一种锚索动态力学性能测试方法，包括：
S1、将锚索的上端固定在安装框架上，锚索下端固定有金属网，在金属网上布置模拟岩层，设定锚索的预紧力和/或锚固方式，在模拟岩层的一侧设置剪切装置，确定冲击能量并在模拟岩层的上方设置重锤；
S2、根据确定好的冲击能量，释放重锤对模拟岩层产生冲击，冲击力传递至锚索，实时采集重锤的冲击力和位移数据，同时监测锚索的应变变化情况、锚索的受力变化情况、模拟岩层的超声波变化情况、模拟岩层的表面位移和破坏情况以及金属网的动态变形形态；
S3、根据步骤S2采集和监测到的数据情况，计算并获得重锤冲击力时程曲线、重锤位移时程曲线、锚索应变时程曲线、锚索受力时程曲线、模拟岩层的超声波时程曲线和模拟岩层表面的变形场。
根据本申请提供的一种锚索动态力学性能测试方法，在步骤S3之后，还包括：
S4、在冲击过程中锚索破断后，对锚索断口进行测试，分析冲击载荷下锚索破断形态。
根据本申请提供的一种锚索动态力学性能测试方法，步骤S4还包括：
在冲击过程中锚索破断后，对锚索的金相组织和化学元素进行测试，分析锚索的金相组织和化学元素对锚索加固岩体抗冲击能力的影响。
根据本申请提供的一种锚索动态力学性能测试方法，步骤S1中将锚索的上端固定在安装框架上，锚索下端固定有金属网，在金属网上布置模拟岩层，具体包括：
锚索上部与安装框架顶梁固定，锚索下部与金属网固定，在金属网上方依次放置层状岩石板，用于模拟煤矿井下岩层，层状岩石板上放置垫块，用于承受重锤冲击。
根据本申请提供的一种锚索动态力学性能测试方法，步骤S1中设定锚索的预紧力和/或锚固方式，具体包括：
采用千斤顶张拉锚索的方式设定锚索的预紧力，其中锚索的预紧力设定为100～350kN；和/或，
锚索的锚固方式包括：锚索全长锚固和锚索端部锚固；其中，
若锚索全长锚固时，锚索与层状岩石板间采用树脂锚固剂进行锚固，且锚索的锚固长度超过其总长度的90％；
若锚索端部锚固时，锚索与层状岩石板锚采用树脂锚固剂进行锚固，且锚索的锚固长度低于其总长度的1/3。
根据本申请提供的一种锚索动态力学性能测试方法，步骤S1中剪切装置给层状岩石板施加侧向作用力，用于模拟锚索在剪切作用下的工作状态，锚索剪切作用力施加范围为50～350kN。
本申请还提供一种锚索动态力学性能测试系统，包括：
安装框架，用于与待测锚索的上端固定；
金属网，用于与待测锚索的下端固定，并在所述金属网上放置模拟岩层；
重锤，设于所述模拟岩层的上方，用于砸向所述模拟岩层，以模拟锚索受到冲击；
预紧力装置，用于与待测锚索连接，为锚索提供预紧力；
剪切装置，设于所述模拟岩层的侧部并与所述模拟岩层连接，用于给所述模拟岩层施加侧向作用力；
应变传感器，设于待测锚索上，用于监测待测锚索的应变变化情况；
测力计，设于待测锚索上，用于监测待测锚索的受力变化情况；
超声波传感器，设于所述模拟岩层的侧部，用于监测模拟岩层的超声波变化情况；
DIC测量装置，用于监测模拟岩层的表面位移和破坏情况；
冲击力传感器和激光位移计，分别设置在重锤的下方，用于监测重锤的冲击力和位移；
图像采集装置，靠近所述金属网设置，用于监测所述金属网的动态变形形态；
计算装置，用于计算并获得重锤冲击力时程曲线、重锤位移时程曲线、锚索应变时程曲线、锚索受力时程曲线、模拟岩层的超声波时程曲线和模拟岩层表面的变形场。
根据本申请提供的一种锚索动态力学性能测试系统，还包括：垫块，所述垫块设于所述模拟岩层的上方，且与所述重锤对应设置。
根据本申请提供的一种锚索动态力学性能测试系统，还包括：
第一固定装置，所述安装框架通过所述第一固定装置与待测锚索的上端固定连接；
第二固定装置，所述金属网通过所述第二固定装置与待测锚索的下端固定连接。
根据本申请提供的一种锚索动态力学性能测试系统，所述模拟岩层包括层状岩石板。
本发明提供的一种锚索动态力学性能测试方法及其测试系统，利用重锤和模拟岩层模拟锚索受到的冲击，并实时采集重锤的冲击力和位移数据，同时监测锚索的应变变化情况、锚索的受力变化情况、模拟岩层的超声波变化情况、模拟岩层的表面位移和破坏情况以及金属网的动态变形形态，根据采集和监测到的数据情况，计算并获得重锤冲击力时程曲线、重锤位移时程曲线、锚索应变时程曲线、锚索受力时程曲线、模拟岩层的超声波时程曲线和模拟岩层表面的变形场，从而实现对锚索轴向抗冲击性能的测试，对锚索的动载力学性能具有重要意义，能够对现场施工给予指导作用。
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是本发明提供的锚索动态力学性能测试方法的流程示意图；
图2是本发明提供的锚索动态力学性能测试系统的结构示意图。
附图标记：
1：安装框架；2：锚索；3：金属网；4：模拟岩层；5：剪切装置；6：重锤；7：应变传感器；8：测力计；9：超声波传感器；10：冲击力传感器；11：激光位移计；12：垫块；13：第一固定装置；14：第二固定装置；15：托板。
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描述本发明的一种锚索动态力学性能测试方法。该锚索动态力学性能测试方法包括如下步骤：
S1、将锚索2的上端固定在安装框架1上，锚索2下端固定有金属网3，在金属网3上布置模拟岩层4，设定锚索2的预紧力和/或锚固方式，在模拟岩层4的一侧设置剪切装置5，确定冲击能量并在模拟岩层4的上方设置重锤6；
S2、根据确定好的冲击能量，释放重锤6对模拟岩层4产生冲击，冲击力传递至锚索2，实时采集重锤6的冲击力和位移数据，同时监测锚索2的应变变化情况、锚索2的受力变化情况、岩层的超声波变化情况、岩层的表面位移和破坏情况以及金属网3的动态变形形态；
S3、根据步骤S2采集和监测到的数据情况，计算并获得重锤6的冲击力时程曲线、重锤6的位移时程曲线、锚索2的应变时程曲线、锚索2的受力时程曲线、模拟岩层4的超声波时程曲线和模拟岩层4表面的变形场。
本发明提供的一种锚索动态力学性能测试方法，利用重锤6和模拟岩层4模拟锚索2受到的冲击，并实时采集重锤6的冲击力和位移数据，同时监测锚索2的应变变化情况、锚索2的受力变化情况、模拟岩层4的超声波变化情况、模拟岩层4的表面位移和破坏情况以及金属网3的动态变形形态，根据采集和监测到的数据情况，计算并获得重锤6冲击力时程曲线、重锤6位移时程曲线、锚索2应变时程曲线、锚索2受力时程曲线、岩层的超声波时程曲线和模拟岩层4表面的变形场，从而实现对锚索2轴向抗冲击性能的测试，对锚索2的动载力学性能具有重要意义，能够对现场施工给予指导作用。
进一步地，在步骤S3之后，还包括：S4、在冲击过程中锚索2破断后，对锚索2断口进行测试，分析冲击载荷下锚索2破断形态；步骤S4还包括：在冲击过程中锚索2破断后，对锚索2的金相组织和化学元素进行测试，分析锚索2的金相组织和化学元素对锚索2加固岩体抗冲击能力的影响。在本实施例中，当锚索2破断后，通过步骤S4对其断口、金相组织和化学元素进行测试，分析冲击载荷下锚索2破断形态，还可以研究锚索2金相组织和化学元素对锚索2加固岩体抗冲击能力的影响。
在其中一个实施例中，步骤S1中将锚索2的上端固定在安装框架1上，锚索2下端固定有金属网3，在金属网3上布置模拟岩层4，具体包括：锚索2上部与安装框架1顶梁固定，锚索2下部与金属网固定，在金属网上方依次放置层状岩石板，用于模拟煤矿井下岩层，层状岩石板上放置垫块12，用于承受重锤6冲击。在本实施例中，金属网3采用了抗冲击金属网结构，模拟岩层4采用了层状岩石板，在层状岩石板上放置垫块12，重锤6提供的冲击力通过垫块12传递给层状岩石板，再通过层状岩石板传递给锚索2，用于模拟锚索2受到的冲击力。
在其中一个实施例中，步骤S1中设定锚索2的预紧力和/或锚固方式，具体包括：采用千斤顶张拉锚索2的方式设定锚索2的预紧力，其中锚索2的预紧力设定为100～350kN；和/或，锚索2的锚固方式包括：锚索2全长锚固和锚索2端部锚固；其中，若锚索2全长锚固时，锚索2与层状岩石板间采用树脂锚固剂进行锚固，且锚索2的锚固长度超过其总长度的90％；若锚索2端部锚固时，锚索2与层状岩石板锚采用树脂锚固剂进行锚固，且锚索2的锚固长度低于其总长度的1/3。可以理解的是，根据实际情况可以通过千斤顶调节锚索2的预紧力，以及根据所要研究的锚固方式，相应进行锚索2锚固。
在其中一个实施例中，步骤S1中剪切装置5给层状岩石板施加侧向作用力，用于模拟锚索2在剪切作用下的工作状态，锚索2剪切作用力施加范围为50～350kN。应当理解的是，剪切装置5施加的作用力可根据井下情况进行设置；同时，为研究岩石板强度对锚索2抗冲击性能的影响，可以采用不同强度的层状岩石板进行测试。
下面结合图1描述本发明的一种锚索2动态力学性能测试系统。该锚索2动态力学性能测试系统包括：安装框架1、金属网3、重锤6、预紧力装置图中未示出)、剪切装置5、应变传感器7、测力计8、超声波传感器9、DIC测量装置(图中未示出)、冲击力传感器10、激光位移计11、图像采集装置(图中未示出)和计算装置(图中未示出)。
其中，安装框架1，用于与待测锚索2的上端固定；金属网3，用于与待测锚索2的下端固定，并在金属网3上放置模拟岩层4；重锤6，设于模拟岩层4的上方，用于砸向模拟岩层4，以模拟锚索2受到冲击；预紧力装置，用于与待测锚索2连接，为锚索2提供预紧力；剪切装置5，设于模拟岩层4的侧部并与模拟岩层4连接，用于给模拟岩层4施加侧向作用力；应变传感器7，其可以采用应变片，设于待测锚索2上，用于监测待测锚索2的应变变化情况；测力计8，设于待测锚索2上，用于监测待测锚索2的受力变化情况；超声波传感器9，设于模拟岩层4的侧部，用于监测模拟岩层4的超声波变化情况；DIC测量装置(图2中虚线部分代表DIC测量装置的监测区域)，用于监测模拟岩层4的表面位移和破坏情况；冲击力传感器10和激光位移计11，分别设置在重锤6的下方，用于监测重锤6的冲击力和位移；图像采集装置，具体采用高速摄像仪，靠近金属网3设置，用于监测金属网3的动态变形形态；计算装置，内含计算机软件或程序，用于根据上述监测到的数据信息计算并获得重锤6冲击力时程曲线、重锤6位移时程曲线、锚索2应变时程曲线、锚索2受力时程曲线、模拟岩层4的超声波时程曲线和模拟岩层4表面的变形场。
在其中一个实施例中，该锚索2动态力学性能测试系统还包括：垫块12，垫块12设于模拟岩层4的上方，且与重锤6对应设置。具体来说，垫块12设置在安装框架1中间的通孔处，并放置在模拟岩层4上，重锤6落下后通过垫块12将冲击力传递给模拟岩层4和锚索2。
在其中一个实施例中，该锚索2动态力学性能测试系统还包括：第一固定装置13和第二固定装置14。其中，安装框架1通过第一固定装置13与待测锚索2的上端固定连接；金属网3通过第二固定装置14与待测锚索2的下端固定连接。具体来说，第一固定装置13和第二固定装置14可采用螺栓或锁具等，主要作用在于保证锚索2与安装框架1、金属网的稳定固定。进一步地，在金属网3的下方依次设置有托板15和测力计8，第二固定装置14设置在测力计8的下方，并与锚索2的下端进行固定。
在其中一个实施例中，金属网3包括抗冲击金属网，模拟岩层4包括层状岩石板。在本实施例中，金属网3具体采用金属网，模拟岩层4具体采用层状岩石板，应当理解的是，金属网3和模拟岩层4也可以采用其他合适材料进行替代。
以下通过DIT204Z式落锤式冲击试验机作为重锤6，利用落锤试验机可以完成不同支护参数锚索2锚固岩体的冲击测试；测试试验台主要基于DIT204Z式落锤式冲击试验机，通过落锤冲击试验机可实现不同能量的落锤冲击。其实验步骤如下：
(1)实验时首先将锚索2安装在安装框架1上，一共安装4根锚索2，锚索2间距1m，锚索2上部与安装框架1顶梁连接，上部用锁具固定；下部与金属网、托板15连接，锚索2最下部也采用锁具固定；金属网上方依次放置层状岩石板(以下简称为岩石板)，用于模拟煤矿井下岩层；岩石板上部放置垫块12，用于落锤冲击。
(2)根据所测试锚索2不同的锚固方式、预紧力等参数，可以通过采用千斤顶张拉锚索2的方式设定锚索2的预紧力，比如锚索2的预紧力可以设定100～350kN，根据现场实际情况来设定不同的预紧力。同时，还可以设定锚固方式，全长锚固时锚索2与岩石板间采用树脂锚固剂进行锚固，若要研究端部锚固时，可以锚固其中一部分长度，也可以全长进行锚固。
(3)锚索2加固岩体一侧有剪切装置5，可以通过剪切装置5给层状岩石板施加侧向作用力，用于模拟锚索2在剪切作用下的工作状态，锚索2剪切作用力施加范围为50～350kN，作用力可根据井下情况进行设置。同时，为研究岩石板强度对锚索2抗冲击性能的影响，可以采用不同强度的岩石板进行测试。
(4)锚索2上方贴有应变片，可以用来监测冲击过程中锚索2的应变变化情况；锚索2安装有锚索2测力计8，用于监测锚索2受力；岩石板上方有超声波探头，用于监测冲击过程中岩石板超声波的变化情况，用于评价岩石在冲击下的破坏情况；岩石板中间区域为DIC监测区域，用于监测岩石板冲击过程中的表面位移和破坏情况；落锤下方安装有冲击力传感器10和激光位移计11，可以用来监测冲击过程中落锤锤头的冲击力和位移；金属网下方可以设置高速摄像仪，用于监测金属网的动态变形形态。
(5)试验前先把各种传感器的线接入采集系统，并进行调试，检查各种传感器是否正常。同时，打开高速摄像仪，设置合理的拍摄频率。
(6)首先确定冲击能量，通过冲击能量计算得出落锤重量和高度，将试样对应加载质量的落锤提升到相应高度，然后打开触发装置，落锤自由下落冲击垫块12，垫块12将冲击力传递至岩石板，岩石板又将冲击力传递至锚索2，并采用动态示波器实时采集锤头冲击力和位移数据。
(7)通过分析软件自动计算得出锚索2加固岩体的冲击力时程曲线、位移时程曲线、锚索2应变时程曲线、锚索2受力时程曲线、超声波时程曲线、模拟岩层4表面的变形场等数据，通过分析该数据，可以得到锚固加固岩体的抗冲击能力。同时也可以研究岩体强度、剪切力、锚索2预紧力、锚索2材质等对锚固加固岩体抗冲击能力的影响。
(8)锚索2加固岩体冲击过程中锚索2破断后，将锚索2断口、金相组织和化学元素进行测试，分析冲击载荷下锚索2破断形态，还可以研究锚索2金相组织和化学元素对锚索2加固岩体抗冲击能力的影响。
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)
1.一种锚索动态力学性能测试方法，其特征在于，包括：
S1、将锚索的上端固定在安装框架上，锚索下端固定有金属网，在金属网上布置模拟岩层，设定锚索的预紧力和/或锚固方式，在模拟岩层的一侧设置剪切装置，确定冲击能量并在模拟岩层的上方设置重锤；
S2、根据确定好的冲击能量，释放重锤对模拟岩层产生冲击，冲击力传递至锚索，实时采集重锤的冲击力和位移数据，同时监测锚索的应变变化情况、锚索的受力变化情况、模拟岩层的超声波变化情况、模拟岩层的表面位移和破坏情况以及金属网的动态变形形态；
S3、根据步骤S2采集和监测到的数据情况，计算并获得重锤冲击力时程曲线、重锤位移时程曲线、锚索应变时程曲线、锚索受力时程曲线、模拟岩层的超声波时程曲线和模拟岩层表面的变形场。
2.根据权利要求1所述的锚索动态力学性能测试方法，其特征在于，在步骤S3之后，还包括：
S4、在冲击过程中锚索破断后，对锚索断口进行测试，分析冲击载荷下锚索破断形态。
3.根据权利要求2所述的锚索动态力学性能测试方法，其特征在于，步骤S4还包括：
在冲击过程中锚索破断后，对锚索的金相组织和化学元素进行测试，分析锚索的金相组织和化学元素对锚索加固岩体抗冲击能力的影响。
4.根据权利要求1所述的锚索动态力学性能测试方法，其特征在于，步骤S1中将锚索的上端固定在安装框架上，锚索下端固定有金属网，在金属网上布置模拟岩层，具体包括：
锚索上部与安装框架顶梁固定，锚索下部与金属网固定，在金属网上方依次放置层状岩石板，用于模拟煤矿井下岩层，层状岩石板上放置垫块，用于承受重锤冲击。
5.根据权利要求4所述的锚索动态力学性能测试方法，其特征在于，步骤S1中设定锚索的预紧力和/或锚固方式，具体包括：
采用千斤顶张拉锚索的方式设定锚索的预紧力，其中锚索的预紧力设定为100～350kN；和/或，
锚索的锚固方式包括：锚索全长锚固和锚索端部锚固；其中，
若锚索全长锚固时，锚索与层状岩石板间采用树脂锚固剂进行锚固，且锚索的锚固长度超过其总长度的90％；
若锚索端部锚固时，锚索与层状岩石板锚采用树脂锚固剂进行锚固，且锚索的锚固长度低于其总长度的1/3。
6.根据权利要求4所述的锚索动态力学性能测试方法，其特征在于，步骤S1中剪切装置给层状岩石板施加侧向作用力，用于模拟锚索在剪切作用下的工作状态，锚索剪切作用力施加范围为50～350kN。
7.一种锚索动态力学性能测试系统，其特征在于，包括：
安装框架，用于与待测锚索的上端固定；
金属网，用于与待测锚索的下端固定，并在所述金属网上放置模拟岩层；
重锤，设于所述模拟岩层的上方，用于砸向所述模拟岩层，以模拟锚索受到冲击；
预紧力装置，用于与待测锚索连接，为锚索提供预紧力；
剪切装置，设于所述模拟岩层的侧部并与所述模拟岩层连接，用于给所述模拟岩层施加侧向作用力；
应变传感器，设于待测锚索上，用于监测待测锚索的应变变化情况；
测力计，设于待测锚索上，用于监测待测锚索的受力变化情况；
超声波传感器，设于所述模拟岩层的侧部，用于监测模拟岩层的超声波变化情况；
DIC测量装置，用于监测模拟岩层的表面位移和破坏情况；
冲击力传感器和激光位移计，分别设置在重锤的下方，用于监测重锤的冲击力和位移；
图像采集装置，靠近所述金属网设置，用于监测所述金属网的动态变形形态；
计算装置，用于计算并获得重锤冲击力时程曲线、重锤位移时程曲线、锚索应变时程曲线、锚索受力时程曲线、模拟岩层的超声波时程曲线和模拟岩层表面的变形场。
8.根据权利要求7所述的锚索动态力学性能测试系统，其特征在于，还包括：垫块，所述垫块设于所述模拟岩层的上方，且与所述重锤对应设置。
9.根据权利要求7所述的锚索动态力学性能测试系统，其特征在于，还包括：
第一固定装置，所述安装框架通过所述第一固定装置与待测锚索的上端固定连接；
第二固定装置，所述金属网通过所述第二固定装置与待测锚索的下端固定连接。
10.根据权利要求7至9中任意一项所述的锚索动态力学性能测试系统，其特征在于，所述模拟岩层包括层状岩石板。
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