一种全长锚固锚杆拉拔试验装置及试验方法

摘要

本发明提供一种全长锚固锚杆拉拔试验装置，该装置包括设于工作台一端的淋水系统，淋水系统设有与钢管套筒连接并为其供水的水箱；钢管套筒的一端连接淋水系统，另一端连接加压系统，中间设有放置锚杆的空腔；温控系统包括聚乙烯多层管设于钢管套筒外壁；硅橡胶加热带缠绕于钢管套筒外壁，和温度控制器用于控制硅橡胶加热带加热；加压系统设于工作台的另一端，包括拉拔力加载组件和油压加载器，拉拔力加载组件用于测量油压加载器输出的压力以及在压力作用下锚杆的轴向位移。本发明的实验装置可以实现全长锚固体在温度、水环境作用下，拉拔测试同步进行，客观地反映了被测试锚固材料在深部地下受地热及地下水作用下的力学状态和破坏特征。

说明书

技术领域

本发明涉及锚杆拉拔试验技术领域，特别涉及一种全长锚固锚杆拉拔试验装置及试验方法。

背景技术

随着煤矿逐渐向深部开采，深度、广度和强度的不断增加，地下深部巷道出现大量诸如：松软膨胀围岩巷道、破碎围岩巷道、受地温以及地下水影响的巷道等复杂困难巷道。煤矿巷道需要支护才能确保巷道安全，煤矿巷道支护普遍采用锚杆支护技术，近些年，树脂锚杆支护技术由于具有快速承载、高粘结性、主动受载等优点，尤其随着锚固剂成本的降低和粘结性能的提高，使得树脂锚杆支护技术在煤矿巷道支护中得到了较为广泛的应用。然而，对于地下深部复杂困难的巷道，其受地热及地下水共同作用，使得锚杆支护的应用并不能取得良好的效果。针对这些地下深部复杂困难巷道采用预应力全长树脂锚固支护技术及时主动地控制围岩变形成为首选。

中国发明专利《锚固材料高温拉拔实验装置及其实验方法》(专利申请号：201410813728.6)提供了一种锚固材料高温拉拔实验装置及其实验方法，此发明可以实现高温下锚固材料的拉拔实验，但是实验仅模拟在温度影响下的拉拔试验，与真实的深度地下受地温和水耦合作用下锚杆锚固有一定的差距。

论文《水和温度对树脂锚杆锚固力的影响》及《全长预应力锚杆树脂锚固剂力学性能研究》中，是针对锚杆锚固在温度和水作用下的拉拔试验，但是将温度和水对锚杆锚固影响分别研究，没有反映现场地温和水耦合作用；而且在做温度对树脂锚杆锚固性影响试验中，对温度控制并不精确。试验中锚杆锚固长度也较短与施工现场全长锚固支护长度差距较大，故其试验测定并不准确。

发明内容

本基于现有的锚固锚杆拉拔试验所存在的不足，本发明提供一种适用于高温及地下水作用下的全长锚固锚杆拉拔试验监测系统。在温度与水耦合作用下的全长锚固锚杆拉拔试验能模拟锚杆在深部地下巷道中的实际支护环境，通过声发射装置及光纤光栅应变传感器能深入研究锚杆拉拔试验过程中的锚杆及锚固体的应力、应变，为深部地下巷道支护设计提供重要的依据。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种全长锚固锚杆拉拔试验装置，其改进之处在于，该装置包括工作台、淋水系统、温控系统、钢管套筒以及加压系统，其中，

所述淋水系统设于所述工作台的一端，包括水箱，所述水箱与所述钢管套筒连接，为所述钢管套筒供水；

所述钢管套筒设于所述工作台的钢管套筒架上，所述钢管套筒中间设有放置锚杆的空腔，所述钢管套筒的一端连接所述淋水系统，另一端连接所述加压系统；

所述温控系统设于所述钢管套筒上，包括聚乙烯多层管设于所述钢管套筒外壁用于保温；硅橡胶加热带缠绕于所述钢管套筒外壁和所述聚乙烯多层管之间用于提供热量，和温度控制器用于控制所述硅橡胶加热带加热；

所述加压系统设于所述工作台的另一端，包括拉拔力加载组件和油压加载器，所述拉拔力加载组件用于测量所述油压加载器输出的压力以及在所述压力作用下所述锚杆的轴向位移。

优选地，在上述的全长锚固锚杆拉拔试验装置中，

所述淋水系统包括水箱架，所述水箱架包括设于所述工作台一端的平行立柱以及设于所述平行立柱上的矩形框，所述水箱设于所述矩形框内；

所述水箱下端设有温控加热组件，所述温控加热组件包括设于所述水箱内的加热器和设于所述水箱外的控制器，所述加热器受所述控制器控制并对所述水箱内水进行加热或保温。

优选地，在上述的全长锚固锚杆拉拔试验装置中，

所述钢管套筒架为三个间隔设于所述工作台上的固定套环；所述钢管套筒可拆卸的连接在所述固定套环内。

优选地，在上述的全长锚固锚杆拉拔试验装置中，

所述钢管套筒的一端通过管路与所述水箱连接，所述管路上设有流量计，用于测定流入所述钢管套筒内水的流量；所述流量计为玻璃转子流量计。

优选地，在上述的全长锚固锚杆拉拔试验装置中，

所述钢管套筒上设有多个开孔，多个所述开孔内均安装声发射探头，所述声发射探头连接声发射系统，用于呈现实验过程中所述锚固体破坏过程。

优选地，在上述的全长锚固锚杆拉拔试验装置中，

所述开孔的数量为六个，六个所述开孔在所述钢管套筒的轴向方向沿左、中、右顺序对称设置为三组。

优选地，在上述的全长锚固锚杆拉拔试验装置中，

所述拉拔力加载组件包括相互平行设置的第一立板、第二立板和第三立板，所述第一立板、第二立板和第三立板的中心与所述钢管套筒的轴线重合且设有穿过所述锚杆的通孔，所述第一立板和第二立板之间垂直设置一组压力传感器，所述第二立板和所述第三立板之间垂直设置一组千斤顶，所述千斤顶与所述油压加载器连接，所述第三立板一端设有锁紧所述锚杆的锁具，所述第二立板和所述第三立板之间还垂直设置一组轴向位移传感器，所述轴向位移传感器用于测量所述锚杆的轴向位移；

所述千斤顶为空心柱塞千斤顶，所述压力传感器为振弦式钢筋应力计，所述振弦式钢筋应力计连接振弦读数仪，用于记录所述锚杆所受拉应力。

优选地，在上述的全长锚固锚杆拉拔试验装置中，

所述锚杆包括固定于所述钢管套筒内的锚固部和外露在所述钢管套筒外的空余部；

所述锚固部与所述钢管套筒之间填充锚固剂形成锚固体；

所述空余部与所述加压系统的连接。

优选地，在上述的全长锚固锚杆拉拔试验装置中，

所述锚杆上设有两个槽，两个所述槽内分别埋设光纤光栅应变传感器和温度传感器；

所述温度传感器为康铜丝。

优选地，在上述的全长锚固锚杆拉拔试验装置中，

所述光纤光栅应变传感器连接光纤光栅解调仪，用于记录所述锚杆的应力变形数据。

优选地，在上述的全长锚固锚杆拉拔试验装置中，

所述工作台由一组垂直于地面的H型支腿和平行于地面的矩形台面连接而成，所述H型支腿与地面之间通过地锚螺栓固定连接。

优选地，本申请还提供一种利用上述的全长锚固锚杆拉拔试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤一：将所述钢管套筒固定安装在所述固定套环内，用橡胶块将所述钢管套筒上所述开孔塞紧并用金属卡箍扎紧，将所述硅橡胶加热带缠绕于所述钢管套筒的外壁并通电加热至试验温度；同时将所述水箱中水用所述温控加热组件加热至试验所需温度；将所述水箱通过所述玻璃转子流量计接入所述钢管套筒，在所述钢管套筒的出水端放置一个量筒监测水流速度和温度是否符合试验要求；

步骤二：将所述锚固剂放入所述钢管套筒中，将所述锚杆推入所述钢管套筒并搅拌所述锚固剂，搅拌要达到所述锚固剂搅拌所需时间，所述锚固剂填充于所述锚杆与所述钢管套筒之间，填充长度为从所述钢管套筒底端到整个所述钢管套筒长度的4/5处构成所述锚固体用于试验测量；

步骤三：将所述钢管套筒上的所述金属卡箍打开，取出所述开孔内的所述橡胶块，将所述声发射探头安装在所述开孔内，再次用所述硅橡胶加热带加热至试验温度并用所述聚乙烯多层管包裹所述钢管套筒外壁，通过所述锚杆上设置的所述温度传感器监测内部温度是否已达到试验温度；

步骤四：将所述第一立板、所述振弦式钢筋应力计、所述第二立板、所述空心柱塞千斤顶、所述第三立板及所述锁具，按次序串入所述锚杆的所述空余部；

步骤五：将所述振弦式钢筋应力计连接所述振弦读数仪；所述声发射探头连接所述声发射系统；所述光纤光栅应变传感器连接所述光纤光栅解调仪；

步骤六：通过所述油压加载器采取不同的加载方式加油压，观察并记录被拉拔的所述锚固体在拉拔实验全过程中的应力及应变。

优选地，在上述的试验方法中，

所述步骤一中，所述钢管套筒安装时由底部向端口呈1°～3°下坡安装，以便所述钢管套筒排水。

优选地，在上述的试验方法中，

在所述步骤二中，所述锚固剂从所述钢管套筒的右端推入并至少推入三组所述锚固剂，以填充所述钢管套筒整个长度的4/5处。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)实现全长锚固体在温度、水环境作用下，拉拔测试同步进行，客观地反映了被测试锚固材料在深部地下受地热及地下水作用下的力学状态和破坏特征。

(2)在全长锚固拉拔试验中，利用光纤光栅应变传感器及声发射元件进行监测更加准确、高效，通过硅橡胶加热带加热更加稳定可靠，减少温度变化对试验结果的影响。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明全长锚固拉拔试验装置结构示意图。

图2是本发明全长锚固拉拔试中锚杆结构示意图。

图3是本发明全长锚固拉拔试中钢管套筒结构示意图

图4是本发明图1的淋水系统结构示意图。

图5是本发明图1的温控加热组件结构示意图。

图6是本发明图1的工作台结构示意图。

附图标记说明：1-淋水装置；2-聚乙烯多层管；3-锚杆；4-锚固剂；5-钢管套筒；6-轴向位移传感器；7-锁具；8-千斤顶；9-压力传感器；10-油压加载器；11-固定套环；12-工作台；13-地锚螺栓；14-温度传感器；15-光纤光栅应变传感器；16-开孔；17-温控加热组件；18-流量计；19-水箱；20-硅橡胶加热带；21-水箱架。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，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的具体含义。

如图1-图6所示，为本发明提供的一种全长锚固拉拔试验装置。其中，图1为全长锚固锚杆拉拔试验装置的结构示意图。该装置包括工作台12、淋水系统1、温控系统、钢管套筒5以及加压系统。

如图1和图4所示，其中，工作台12由一组垂直于地面的H型支腿和平行于地面的矩形台面连接而成。H型支腿与地面之间通过地锚螺栓13固定连接。如图4所示，淋水系统1设于工作台12的矩形台面一端，包括水箱架21和水箱19。水箱架21包括设于工作台12矩形台面一端的平行立柱以及设于平行立柱上的矩形框，水箱19设于矩形框内；于水箱19的下端设有温控加热组件17，温控加热组件17包括设于水箱19内的加热器和设于水箱19外的控制器，加热器受控制器控制来实现对水箱19内水进行加热或保温。水箱19与钢管套筒5通过管路连接，为钢管套筒5供水。在水箱19与钢管套筒5之间的管路上设有流量计18，用于测定流入钢管套筒5内水的流量；本实施例中优选流量计18为玻璃转子流量计。通过流量计18对水箱19中流入刚管套筒5内的水流量进行控制，水箱19中的水通过设于底部的开关控制流动。

工作台12的矩形台面的中部设有钢管套筒架，本实施例中钢管套筒架优选为间隔设于工作台12矩形台面上的固定套环11，进一步地，固定套环11优选为三个；钢管套筒5可拆卸的连接在固定套环11内。钢管套筒5中间设有放置锚杆3的空腔，钢管套筒5的一端连接淋水系统1，另一端连接加压系统。

如图5所示，温控系统设于钢管套筒5上，包括聚乙烯多层管2、硅橡胶加热带20和温度控制器。其中，聚乙烯多层管2设于钢管套筒5的外壁用于保温；硅橡胶加热带20缠绕于钢管套筒5外壁和聚乙烯多层管2之间用于提供热量，温度控制器用于控制硅橡胶加热带20是否启动加热以及加热的温度。温度控制器对硅橡胶加热带20的控温精度可达±1℃。

如图3所示，钢管套筒5上设有多个开孔16，多个开孔16内均安装声发射探头。声发射探头连接声发射系统，用于呈现实验过程中锚固体发生变化的全过程也即锚固体的破坏过程。

本实施例中，优选开孔16的数量为六个，六个开孔16在钢管套筒5的轴向方向沿左、中、右顺序两个为一组对称设置为三组。具体为在该实验中钢管套筒5上加工六个长方形开孔16，即声发射元件孔，六个开孔16对称分布在钢管套筒5的两侧，在钢管套筒5的前、中、后部布置。

其中，锚杆3包括固定于钢管套筒5内的锚固部和外露在钢管套筒5外的空余部。锚固部与钢管套筒5之间填充锚固剂形成锚固体；空余部与加压系统的连接。

如图2所示，锚杆3上设有两个槽，两个槽内分别埋设光纤光栅应变传感器15和温度传感器14。光纤光栅应变传感器15连接光纤光栅解调仪，用于记录锚杆3的应力变形数据。本实施例中，优选温度传感器14为康铜丝。

具体为，锚杆3在试验前通过车床铣出两个槽，较短的槽中装入温度传感器14以及较长的槽中装入光纤光栅应变传感器15，均用AB型环氧树脂胶封装，封装作用主要是由于温度传感器14和光纤光栅应变传感器15比较脆弱，将两传感器封装在槽内，对他们起到保护作用。两个传感器都留有外接露头，光纤光栅应变传感器15连接光纤光栅解调仪；康铜丝与铜丝焊接，铜丝再连接TDS-630数据采集仪。通过温度传感器14测量得知拉拔试验中锚固体的具体温度；通过光纤光栅应变传感器15测量拉拔试验过程中锚杆3的应力、应变。

在实际应用中，首先将钢管套筒5固定安装在固定套环11内，用橡胶块将钢管套筒5上开孔16塞紧并用金属卡箍扎紧，；再将硅橡胶加热带20缠绕于钢管套筒5的外壁并通电加热至试验温度；同时将水箱19中水用温控加热组件17加热至试验所需温度；将水箱19通过玻璃转子流量计接入钢管套筒5，在钢管套筒5的出水端放置一个量筒监测水流速度和温度是否符合试验要求。

然后，将锚固剂4放入钢管套筒5中，将锚杆3推入钢管套筒5并搅拌锚固剂4，模拟锚杆支护。搅拌要达到锚固剂4搅拌所需时间，锚固剂4填充于锚杆3与钢管套筒5之间，填充长度为从钢管套筒5底端到整个钢管套筒5长度的4/5处构成锚固体用于试验测量。模拟钻孔钢管套筒5的内径与锚杆3的外径距离差值是4～10mm。这一距离范围好处是可以有效节约锚固剂4用量，节约成本，具体数值本实施例中不做限定。

其构成关系在于：首先将锚固体水平放置0～80℃的钢管套筒5中，再在锚杆3的外露端加上振弦式钢筋应力计9(用于记录油压加载器10作用于千斤顶8上的压力，进而反应锚杆3所受的拉力)、空心柱塞千斤顶8、轴向位移传感器6等，并通过带孔钢板隔开，不断给空心柱塞千斤顶8施加油压，直到将锚杆3拉出。

在上述的操作步骤中，硅橡胶加热带20也可以选择在锚固剂4填充之后再缠绕于钢管套筒5的外壁上，硅橡胶加热带20采用均匀缠绕式结构对其进行加热，本实施例中优选先将硅橡胶加热带20缠绕于钢管套筒5的外壁，以利于保证试验所需温度。

加压系统设于工作台12的另一端，包括拉拔力加载组件和油压加载器10，拉拔力加载组件用于测量油压加载器10输出的压力油压加载器10输出的压力通过千斤顶8作用在锚杆3，以及在压力作用下锚杆3的轴向位移。拉拔力加载组件包括相互平行设置的第一立板、第二立板和第三立板。第一立板、第二立板和第三立板的中心与钢管套筒5的轴线重合，并且在第一立板、第二立板和第三立板的中心设有能够穿过锚杆3的通孔，应用时，锚杆3的一端穿过第一立板、第二立板和第三立板。第一立板和第二立板之间垂直设置一组压力传感器9，第二立板和第三立板之间垂直设置一组千斤顶8，千斤顶与油压加载器10连接，第三立板一端设有锁紧锚杆3的锁具7，第二立板和第三立板之间还垂直设置一组轴向位移传感器6，轴向位移传感器6用于测量锚杆3沿轴向的位移。

在实际应用中，将第一立板、振弦式钢筋应力计、第二立板、空心柱塞千斤顶、第三立板及锁具7，按次序串入锚杆3的所述空余部。

本实施例中，优选千斤顶8为空心柱塞千斤顶；优选压力传感器9为振弦式钢筋应力计；振弦式钢筋应力计连接振弦读数仪读出并记录振弦式钢筋应力计不同时刻的频率值，通过频率与压力的换算公式得出不同时刻压应力，即为锚杆3所受拉应力。

本发明还提供一种利用上述全长锚固锚杆拉拔试验装置的试验方法，具体实验方法包括如下步骤：

步骤一：将钢管套筒5固定安装在固定套环11内，用橡胶块将钢管套筒5上的多个开孔16塞紧并用金属卡箍扎紧(其中金属卡箍可以为固定套环11，也可以为外接可拆卸卡箍)。将硅橡胶加热带20缠绕于钢管套筒5的外壁并通电加热至试验温度。同时将水箱19中水用温控加热组件17加热至试验所需温度。将水箱19通过玻璃转子流量计接入钢管套筒5，在钢管套筒5的出水端放置一个量筒监测水流速度和温度是否符合试验要求；

步骤二：将锚固剂4放入钢管套筒5中，将锚杆3推入钢管套筒5并搅拌锚固剂4，搅拌要达到锚固剂4搅拌所需时间(约为20～30s，这一时间范围主要根据试验中所需用锚固剂4的胶凝时间确定)，锚固剂4填充于锚杆3与钢管套筒5之间，填充长度为从钢管套筒5底端到整个钢管套筒5长度的4/5处构成锚固体用于试验测量。

步骤三：将钢管套筒5上的金属卡箍打开，取出开孔16内的橡胶块，将声发射探头安装在开孔16内，再次用硅橡胶加热带20加热至试验温度并用聚乙烯多层管2包裹钢管套筒5的外壁，通过锚杆上3设置的温度传感器14监测锚固体内部温度是否已达到试验温度；

步骤四：将第一立板、振弦式钢筋应力计、第二立板、空心柱塞千斤顶、第三立板及锁具7，按次序串入锚杆3的所述空余部,。

步骤五：将振弦式钢筋应力计连接振弦读数仪；声发射探头连接声发射系统；光纤光栅应变传感器15连接所述光纤光栅解调仪.

步骤六：通过油压加载器10采取不同的加载方式加油压，观察并记录被拉拔的锚固体在拉拔实验全过程中的应力及应变。

在步骤一中，钢管套筒5安装时由底部向端口呈1～3°下坡安装，以便钢管套筒5排水。

在步骤二中，锚固剂4从钢管套筒5的右端推入并至少推入一组锚固剂4，以填充钢管套筒整个长度的4/5处。

在上述的步骤二中，应用搅拌装置搅拌锚固剂4。该搅拌装置包括有与锚杆拉拔试验装置工作台12等高的台面，该台面上设有煤电钻。该搅拌装置还包括锚固搅拌引导器和锚杆定位底盖。锚固搅拌引导器搅拌时固定在钢管套筒5的底部端头(如图中钢管套筒5的左端)，锚杆定位底盖通过螺纹连接固定在钢管套筒5底部端头，该锚杆定位底盖的底部设有长度为2～4cm的突出部分，该突出部分沿钢管套筒5底部端头向左延伸，其内径与锚杆3的外径相等。

优选地，在上述搅拌装置的台面的两侧还设有搅拌助力推杆。

搅拌时，将锚杆定位底盖通过螺纹连接在钢管套筒5的底部端头，在钢管套筒5内放置一组锚固剂药卷，进一步地，钢管套筒5另一端连接锚固搅拌引导器。

然后，将煤电钻固定在搅拌装置的台面上，将锚杆3一端与煤电钻相连，另一端穿入锚固搅拌引导器。

接着，搅拌锚入作业由三人(或多人)共同施工，一人推煤电钻，同时另外两人推搅拌助力推杆，当锚杆3不能继续推入钢管套筒5时，启动煤电钻使锚杆3钻进直到钢管套筒5底部，确认插入锚杆定位底盖的底部。

最后，继续搅拌至锚固剂4胶凝所需搅拌时间，随后停止搅拌，取下锚固搅拌引导器，锚杆锚入搅拌工序完成。优选地，锚固搅拌引导器分为引导器外段和引导器基座。引导器外段和引导器基座为一个整体，进一步地，引导器外段内径等于锚杆3外径，长度在20～30cm之间，引导器基座内径等于钢管套筒5外径。

上述本发明具体实施方式的优点与积极效果还集中体现在如下：

(1)实现全长锚固体在温度、水环境作用下，拉拔测试同步进行，客观地反映了被测试锚固材料在深部地下受地热及地下水作用下的力学状态和破坏特征。

(2)在全长锚固拉拔试验中，利用光纤光栅应变传感器及声发射元件进行监测更加准确、高效。通过硅橡胶加热带加热更加稳定可靠，减少温度变化对试验结果的影响。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。