CN117030178A - 破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法 - Google Patents

破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及矿山工程、地下工程及隧道工程支护技术领域，具体为破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法，包括：支护模型和冲击设备；所述支护模型包括加载结构、固定结构、支护结构三部分组成；所述加载结构包括施载平台、承载平台支撑立柱、承载平台；所述固定结构支护模型包括底座、支护模型支撑立柱、固定梁、挡板；支护结构包括金属网、锚杆杆体、岩体、托盘、螺母；所述锚杆本体两端采用托盘和螺母固定，岩体上部设有承载平台；所述岩体下部与托盘之间铺设金属网进行加强支护，锚杆本体端部和中间贴有应变片，岩体内部埋设有微应变传感器；承载平台支撑立柱，承载平台支撑立柱固定安装在承载平台上。

Description

破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法
技术领域
本发明涉及矿山工程、地下工程及隧道工程支护技术领域，具体为破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法。
背景技术
随着矿山开采进入深部，受复杂地质条件的影响，工程灾害日益增多。支护技术是保障矿山等地下工程施工、生产安全的关键。相较于地表的露天矿开采，地下开采往往要面对更为复杂的地质条件，这极大地增加了巷道支护工作的难度。尤其对于深部巷道，因其工程区域受高地应力、高地温、高井深和开采扰动等的影响，岩体较为破碎，使得巷道的支护工作变得更加困难。
近年来，国内外学者对地下矿山中破碎区域的稳定性控制提出了多种方法，解决了很多地下矿山破碎区巷道的支护难题。但由于井下破碎区节理裂隙发育、岩体强度低、岩性多样、力学环境复杂，各种支护技术仍然具有局限性，尤其对于深部巷道，受冲击地压和高采动应力的影响，容易出现如岩爆等具有突发性和高强度的地质灾害。目前常用的支护方式主要包括主动支护和被动支护，被动支护如钢拱架、衬砌支护等。主动支护如锚杆支护、锚索支护等。被动支护的支护原理主要是通过支护结构本身的强度去抵御地压对巷道的破坏，主动支护则强调发挥支护结构和围岩体的整体性，通过提高围岩自身的承载能力来抵御破坏。对于深部岩体，采动应力往往远远大于支护体强度，采用传统的被动支护很难有效保证巷道围岩体的稳定，鉴于此，我们提出破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法。
发明内容
本发明的目的在于提供破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构，包括：
支护模型和冲击设备；
所述支护模型包括加载结构、固定结构、支护结构三部分组成；
所述加载结构包括施载平台、承载平台支撑立柱、承载平台；
所述固定结构支护模型包括底座、支护模型支撑立柱、固定梁、挡板；
支护结构包括金属网、锚杆杆体、岩体、托盘、螺母；
所述锚杆本体两端采用托盘和螺母固定，岩体上部设有承载平台；
所述岩体下部与托盘之间铺设金属网进行加强支护，所述锚杆本体端部和中间贴有应变片，所述岩体内部埋设有微应变传感器；
承载平台支撑立柱，所述承载平台支撑立柱固定安装在承载平台上，所述承载平台支撑立柱底部装有圆形固定底座，所述四条承载平台支撑立柱通过水平固定梁相连接；
冲击设备主要包括固定底座、承载平台支撑立柱、角度调节座、固定臂、伸缩臂、电机、滑轮、挂钩、钢丝绳、落锤固定装置和落锤、机械臂支撑立柱、机械臂底座、支护模型底座、支护模型支撑立柱、固定梁；
固定臂上方固定安装有电机，所述钢丝绳由电机牵引绕过伸缩臂端部的滑轮并垂直向下连接挂钩，所述挂钩悬挂落锤固定装置，可通过开关控制落锤的固定和下坠。
破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法，包括具体步骤如下：
步骤一：根据试验需要，提前确定所研究锚杆本体、支护和岩体的基本参数，可选择锚杆本体种类主要包括树脂锚杆本体、管缝锚杆本体、胀壳锚杆本体、砂浆锚杆本体等，锚固长度选择分为全长锚固和端头锚固，支护参数包括锚杆本体长度和间排距，在锚杆本体杆体的中间和两端安装电阻应变片，使用绝缘胶带对应变片和导线进行保护固定；
步骤二：在固定结构的中的底部铺设可拆卸固定板，临时固定板需根据步骤一所确定的锚杆本体间排距，在锚杆本体安装位置开孔，以供螺母安装，在固定板上的开孔位置布设托盘，后在托盘上方铺设金属网，将锚杆本体杆体插入固定板的开孔中，采用螺母从固定板下方与锚杆本体杆体连接，将锚杆本体杆体上电阻应变片的导线穿过孔隙连接外部应变测量仪；
步骤三：在固定结构中选取待测位置提前埋设微应变传感器、位移传感器，并将导线引出；
步骤四：在固定结构中填充所需块度的岩石，形成岩体后，在岩体两端锚杆本体的外露部分安装托盘和螺母，并达到预设扭矩；
步骤五：撤掉临时固定板，待支护结构稳定后，在岩体上方放置加载结构；
步骤六：选取试验所需重量的落锤，将落锤安装到落锤固定装置上；
步骤七：调节冲击设备的旋转轴、固定臂、角度调节机构和固定臂达到试验所需的角度和高度；
步骤八：将所述传感器与采集仪和计算机连接，并开始采集，使落锤固定装置松开落锤，落锤冲击承载平台；
步骤九：调节落锤的质量和下落高度，重复步骤二～九；
步骤十：将电阻应变片采集到的锚杆本体变形数据和微应变传感器采集到的岩体变形数据进行综合分析，获取动力冲击作用下，锚杆本体—岩体相互作用力学机制和锚杆本体锚固性能，并对锚网支护作用机理进行表征。
优选的，所述承载平台下端为正方形开孔结构，开孔部分供托盘、锚杆本体和螺母穿过，所述承载平台与下部施载结构通过支护模型支撑立柱连接，所述支护模型支撑立柱为长方体状钢块，纵向均匀布置于开孔的两侧。
优选的，所述支护模型支撑立柱的底座为圆形底座，并具有一定的厚度，所述圆形底座可通过钻孔固定于水平面，支护模型支撑立柱的固定梁通过水平连接相邻立柱。
优选的，所述锚杆本体为螺纹钢，上下两端皆通过螺母和托盘固定，上部螺母托盘用于模拟端头锚固锚杆本体的孔底固定装置，锚杆本体上所贴应变片通过导线穿过孔隙连接外部应变测量仪，岩石中的微应变传感器为振弦式，可通过导线连接外部振弦式应变测量仪。
优选的，所述冲击设备由圆形底座钻孔固定于水平面，冲击设备的机械臂支撑立柱上端具有旋转轴，可通过旋转旋转轴改变机械臂的水平角度。
优选的，所述冲击设备的承载平台支撑立柱上端设有角度调节座，可通过切换不同的机械臂固定孔改变机械臂的垂直角度，伸缩臂可通过调整与固定臂的固定孔改变伸缩臂的长度，落锤固定装置可通过开关控制落锤的固定和下坠。
优选的，所述锚杆本体长度为0.5～1.5m，间排距需不大于锚杆本体长度的一半，岩石块度需不小于5cm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.该破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法，支护模型具体由加载结构施载平台、承载平台支撑立柱、承载平台、固定结构支护模型底座、支护模型支撑立柱、固定梁、挡板和支护结构金属网、锚杆杆体、岩体、托盘、螺母组成。承载平台的作用是向支护结构传递静态载荷和动力冲击。固定结构整体刚性较强，可有效减少试验过程中的能量衰减和耗散。支护结构主要由锚杆本体、螺母、锚杆杆体、托盘、金属网和岩体组成。锚杆本体上下两端皆装有托盘和螺母，其中上端的托盘和螺母可模拟实际支护中的孔底固定装置，螺母的扭矩也可按需调节。支护结构中的锚杆本体类型、锚固方式、支护参数以及岩体的完整度、岩性等参数可根据试验需要进行调整。
2.该破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法，冲击设备为可调节式机械起重装置，机械臂支撑立柱和机械臂底座可起到对整体结构的固定作用。旋转轴、固定臂、角度调节机构和固定臂可实现机械臂多方位、多角度、多高度的调节，以此控制落锤的下落位置和高度。落锤固定装置可通过开关调整对落锤的固定和下坠。
附图说明
图1为本发明一种落锤式锚网支护冲击试验机的立体结构主视图；
图2为本发明一种落锤式锚网支护冲击试验机的侧视图；
图3为本发明一种落锤式锚网支护冲击试验机的结构右视图；
图4为一种落锤式锚网支护冲击试验机加载结构俯视图；
图5为一种落锤式锚网支护冲击试验机锚网结构俯视图。
图中：1、金属网；2、锚杆杆体；3、挡板；4、岩体；5、施载平台；6、托盘；7、承载平台支撑立柱；8、承载平台；9、落锤；10、落锤固定装置；11、挂钩；12、滑轮；13、伸缩臂；14、钢丝绳；15、电机；16、固定臂；17、角度调节座；18、旋转轴；19、机械臂支撑立柱；20、机械臂底座；21、支护模型底座；22、支护模型支撑立柱；23、固定梁；24、螺母。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。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专利中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1：
请参阅图1-图5所示，本实施例提供了破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构。
包括：支护模型和冲击设备；支护模型包括加载结构、固定结构、支护结构三部分组成；加载结构包括施载平台5、承载平台支撑立柱7、承载平台8；固定结构支护模型包括底座21、支护模型支撑立柱22、固定梁23、挡板3；支护结构包括金属网1、锚杆杆体2、岩体4、托盘6、螺母24；锚杆本体2两端采用托盘6和螺母24固定，岩体4上部设有承载平台8；岩体4下部与托盘6之间铺设金属网1进行加强支护，锚杆本体2端部和中间贴有应变片，岩体4内部埋设有微应变传感器；承载平台支撑立柱7，承载平台支撑立柱7固定安装在承载平台8上，承载平台支撑立柱7底部装有圆形固定底座，四条承载平台支撑立柱7通过水平固定梁23相连接；冲击设备主要包括固定底座、承载平台支撑立柱7、角度调节座17、固定臂16、伸缩臂13、电机15、滑轮12、挂钩11、钢丝绳14、落锤固定装置10和落锤9、机械臂支撑立柱19、机械臂底座20、支护模型底座21、支护模型支撑立柱22、固定梁23；固定臂16上方固定安装有电机15，钢丝绳14由电机15牵引绕过伸缩臂13端部的滑轮12并垂直向下连接挂钩11，挂钩11悬挂落锤固定装置10，可通过开关控制落锤9的固定和下坠。
实施例2：
本实施例提供了破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法，除了包括上述实施例的技术方案外，还具有以下技术特征。
包括具体步骤如下：
步骤一：根据试验需要，提前确定所研究锚杆本体2、支护和岩体4的基本参数，可选择锚杆本体2种类主要包括树脂锚杆本体、管缝锚杆本体、胀壳锚杆本体、砂浆锚杆本体等，锚固长度选择分为全长锚固和端头锚固，支护参数包括锚杆本体2长度和间排距，在锚杆本体杆体2的中间和两端安装电阻应变片，使用绝缘胶带对应变片和导线进行保护固定；
步骤二：在固定结构的中的底部铺设可拆卸固定板，临时固定板需根据步骤一所确定的锚杆本体2间排距，在锚杆本体2安装位置开孔，以供螺母24安装，在固定板上的开孔位置布设托盘6，后在托盘上方铺设金属网1，将锚杆本体杆体2插入固定板的开孔中，采用螺母24从固定板下方与锚杆本体杆体2连接，将锚杆本体杆体2上电阻应变片的导线穿过孔隙连接外部应变测量仪；
步骤三：在固定结构中选取待测位置提前埋设微应变传感器、位移传感器，并将导线引出；
步骤四：在固定结构中填充所需块度的岩石，形成岩体4后，在岩体4两端锚杆本体2的外露部分安装托盘6和螺母24，并达到预设扭矩；
步骤五：撤掉临时固定板，待支护结构稳定后，在岩体4上方放置加载结构；
步骤六：选取试验所需重量的落锤9，将落锤9安装到落锤固定装置10上；
步骤七：调节冲击设备的旋转轴18、固定臂16、角度调节机构17和固定臂16达到试验所需的角度和高度；
步骤八：将传感器与采集仪和计算机连接，并开始采集，使落锤固定装置10松开落锤9，落锤9冲击承载平台8；
步骤九：调节落锤9的质量和下落高度，重复步骤二～九；
步骤十：将电阻应变片采集到的锚杆本体变形数据和微应变传感器采集到的岩体变形数据进行综合分析，获取动力冲击作用下，锚杆本体—岩体相互作用力学机制和锚杆本体锚固性能，并对锚网支护作用机理进行表征。
实施例3：
本实施例提供了破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构，除了包括上述实施例的技术方案外，还具有以下技术特征
进一步的，承载平台8下端为正方形开孔结构，开孔部分供托盘6、锚杆本体2和螺母24穿过，承载平台8与下部施载结构通过支护模型支撑立柱22连接，支护模型支撑立柱22为长方体状钢块，纵向均匀布置于开孔的两侧。
进一步的，支护模型支撑立柱22的底座为圆形底座，并具有一定的厚度，圆形底座可通过钻孔固定于水平面，支护模型支撑立柱22的固定梁23通过水平连接相邻立柱。
进一步的，锚杆本体2为螺纹钢，上下两端皆通过螺母24和托盘6固定，上部螺母24托盘6用于模拟端头锚固锚杆本体2的孔底固定装置，锚杆本体2上所贴应变片通过导线穿过孔隙连接外部应变测量仪，岩石中的微应变传感器为振弦式，可通过导线连接外部振弦式应变测量仪。
进一步的，冲击设备由圆形底座钻孔固定于水平面，冲击设备的机械臂支撑立柱19上端具有旋转轴18，可通过旋转旋转轴18改变机械臂16的水平角度。
进一步的，冲击设备的承载平台支撑立柱7上端设有角度调节座17，可通过切换不同的机械臂固定孔改变机械臂16的垂直角度，伸缩臂13可通过调整与固定臂16的固定孔改变伸缩臂13的长度，落锤固定装置10可通过开关控制落锤9的固定和下坠。
实施例4：
本实施例提供了破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法，除了包括上述实施例的技术方案外，还具有以下技术特征。
进一步的，锚杆本体2长度为0.5～1.5m，间排距需不大于锚杆本体2长度的一半，岩石块度需不小于5cm。
本实施例的破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法在使用时，支护模型具体由加载结构施载平台5、承载平台支撑立柱7、承载平台8、固定结构支护模型底座21、支护模型支撑立柱22、固定梁23、挡板3和支护结构金属网1、锚杆杆体2、岩体4、托盘6、螺母24组成。承载平台8的作用是向支护结构传递静态载荷和动力冲击。固定结构整体刚性较强，可有效减少试验过程中的能量衰减和耗散。支护结构主要由锚杆本体2、螺母24、锚杆杆体2、托盘6、金属网1和岩体4组成。锚杆本体2上下两端皆装有托盘6和螺母24，其中上端的托盘6和螺母24可模拟实际支护中的孔底固定装置，螺母24的扭矩也可按需调节。支护结构中的锚杆本体2类型、锚固方式、支护参数以及岩体的完整度、岩性等参数可根据试验需要进行调整。
冲击设备为可调节式机械起重装置，机械臂支撑立柱19和机械臂底座20可起到对整体结构的固定作用。旋转轴18、固定臂16、角度调节机构17和固定臂16可实现机械臂多方位、多角度、多高度的调节，以此控制落锤9的下落位置和高度。落锤固定装置10可通过开关调整对落锤9的固定和下坠。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.破碎岩体预应力支护加固自承载支护结，其特征在于：包括：
支护模型和冲击设备；
所述支护模型包括加载结构、固定结构、支护结构三部分组成；
所述加载结构包括施载平台(5)、承载平台支撑立柱(7)、承载平台(8)；
所述固定结构支护模型包括底座(21)、支护模型支撑立柱(22)、固定梁(23)、挡板(3)；
支护结构包括金属网(1)、锚杆杆体(2)、岩体(4)、托盘(6)、螺母(24)；
所述锚杆本体(2)两端采用托盘(6)和螺母(24)固定，岩体(4)上部设有承载平台(8)；
所述岩体(4)下部与托盘(6)之间铺设金属网(1)进行加强支护，所述锚杆本体(2)端部和中间贴有应变片，所述岩体(4)内部埋设有微应变传感器；
承载平台支撑立柱(7)，所述承载平台支撑立柱(7)固定安装在承载平台(8)上，所述承载平台支撑立柱(7)底部装有圆形固定底座，所述四条承载平台支撑立柱(7)通过水平固定梁(23)相连接；
冲击设备主要包括固定底座、承载平台支撑立柱(7)、角度调节座(17)、固定臂(16)、伸缩臂(13)、电机(15)、滑轮(12)、挂钩(11)、钢丝绳(14)、落锤固定装置(10)和落锤(9)、机械臂支撑立柱(19)、机械臂底座(20)、支护模型底座(21)、支护模型支撑立柱(22)、固定梁(23)；
固定臂(16)上方固定安装有电机(15)，所述钢丝绳(14)由电机(15)牵引绕过伸缩臂(13)端部的滑轮(12)并垂直向下连接挂钩(11)，所述挂钩(11)悬挂落锤固定装置(10)，可通过开关控制落锤(9)的固定和下坠。
2.破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法，其特征在于，包括具体步骤如下：
步骤一：根据试验需要，提前确定所研究锚杆本体(2)、支护和岩体(4)的基本参数，可选择锚杆本体(2)种类主要包括树脂锚杆本体、管缝锚杆本体、胀壳锚杆本体、砂浆锚杆本体等，锚固长度选择分为全长锚固和端头锚固，支护参数包括锚杆本体(2)长度和间排距，在锚杆本体杆体(2)的中间和两端安装电阻应变片，使用绝缘胶带对应变片和导线进行保护固定；
步骤二：在固定结构的中的底部铺设可拆卸固定板，临时固定板需根据步骤一所确定的锚杆本体(2)间排距，在锚杆本体(2)安装位置开孔，以供螺母(24)安装，在固定板上的开孔位置布设托盘(6)，后在托盘上方铺设金属网(1)，将锚杆本体杆体(2)插入固定板的开孔中，采用螺母(24)从固定板下方与锚杆本体杆体(2)连接，将锚杆本体杆体(2)上电阻应变片的导线穿过孔隙连接外部应变测量仪；
步骤三：在固定结构中选取待测位置提前埋设微应变传感器、位移传感器，并将导线引出；
步骤四：在固定结构中填充所需块度的岩石，形成岩体(4)后，在岩体(4)两端锚杆本体(2)的外露部分安装托盘(6)和螺母(24)，并达到预设扭矩；
步骤五：撤掉临时固定板，待支护结构稳定后，在岩体(4)上方放置加载结构；
步骤六：选取试验所需重量的落锤(9)，将落锤(9)安装到落锤固定装置(10)上；
步骤七：调节冲击设备的旋转轴(18)、固定臂(16)、角度调节机构(17)和固定臂(16)达到试验所需的角度和高度；
步骤八：将所述传感器与采集仪和计算机连接，并开始采集，使落锤固定装置(10)松开落锤(9)，落锤(9)冲击承载平台(8)；
步骤九：调节落锤(9)的质量和下落高度，重复步骤二～九；
步骤十：将电阻应变片采集到的锚杆本体变形数据和微应变传感器采集到的岩体变形数据进行综合分析，获取动力冲击作用下，锚杆本体—岩体相互作用力学机制和锚杆本体锚固性能，并对锚网支护作用机理进行表征。
3.根据权利要求(1)所述的破碎岩体预应力支护加固自承载支护结，其特征在于：所述承载平台(8)下端为正方形开孔结构，开孔部分供托盘(6)、锚杆本体(2)和螺母(24)穿过，所述承载平台(8)与下部施载结构通过支护模型支撑立柱(22)连接，所述支护模型支撑立柱(22)为长方体状钢块，纵向均匀布置于开孔的两侧。
4.根据权利要求(1)所述的破碎岩体预应力支护加固自承载支护结，其特征在于：所述支护模型支撑立柱(22)的底座为圆形底座，并具有一定的厚度，所述圆形底座可通过钻孔固定于水平面，支护模型支撑立柱(22)的固定梁(23)通过水平连接相邻立柱。
5.根据权利要求(1)所述的破碎岩体预应力支护加固自承载支护结，其特征在于：所述锚杆本体(2)为螺纹钢，上下两端皆通过螺母(24)和托盘(6)固定，上部螺母(24)托盘(6)用于模拟端头锚固锚杆本体(2)的孔底固定装置，锚杆本体(2)上所贴应变片通过导线穿过孔隙连接外部应变测量仪，岩石中的微应变传感器为振弦式，可通过导线连接外部振弦式应变测量仪。
6.根据权利要求(1)所述的破碎岩体预应力支护加固自承载支护结，其特征在于：所述冲击设备由圆形底座钻孔固定于水平面，冲击设备的机械臂支撑立柱(19)上端具有旋转轴(18)，可通过旋转旋转轴(18)改变机械臂(16)的水平角度。
7.根据权利要求(1)所述的破碎岩体预应力支护加固自承载支护结，其特征在于：所述冲击设备的承载平台支撑立柱(7)上端设有角度调节座(17)，可通过切换不同的机械臂固定孔改变机械臂(16)的垂直角度，伸缩臂(13)可通过调整与固定臂(16)的固定孔改变伸缩臂(13)的长度，落锤固定装置(10)可通过开关控制落锤(9)的固定和下坠。
8.根据权利要求(1)所述的破碎岩体预应力支护加固自承载支护结构试验方法，其特征在于：所述锚杆本体(2)长度为0.5～1.5m，间排距需不大于锚杆本体(2)长度的一半，岩石块度需不小于5cm。
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