錨桿錨固質(zhì)量測試仿真實驗臺研發(fā)應用
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摘要：針對現(xiàn)場錨桿錨固質(zhì)量檢測的局限性，設計研發(fā)了錨桿錨固質(zhì)量測試仿真實驗臺。該實驗臺由固定架、錨固裝置、拉拔裝置組成。根據(jù)相關(guān)理論確定實驗臺各裝置的合理參數(shù)，完成實驗裝置的設計。該實驗臺具有對錨桿錨固過程進行模擬、對錨固質(zhì)量進行無損檢測、對錨固體的力學性能進行測試等功能。應用結(jié)果表明，該實驗臺可以達到設計目標，滿足錨固質(zhì)量無損檢測和錨固施工過程模擬要求。
關(guān)鍵詞：實驗臺設計；錨桿錨固；錨固質(zhì)量；錨桿拉拔
引言
錨桿支護作為煤礦巷道的一種主動支護方式，降低了巷道支護成本，提高了巷道支護的效果，簡化了支護工藝，為工作面快速推進創(chuàng)造了條件。在錨桿支護中錨固質(zhì)量決定著巷道圍巖的穩(wěn)定性。如何對巷道的穩(wěn)定性進行評價并提前采取預警措施、減少災害的發(fā)生，一直是巷道支護工程亟待解決的問題。隨著我國煤礦的開采深度逐漸加大，受高應力、圍巖性質(zhì)等因素的影響，在同一條巷道中，即使有少數(shù)錨桿拉拔力不能滿足設計要求，仍可能引起巷道垮落、冒頂?shù)仁鹿省Ｄ壳?，多?shù)錨桿受力狀態(tài)和錨固質(zhì)量檢測仍停留在破壞錨固孔圍巖的試驗階段，這種監(jiān)測方法既費時又費力，對錨固的圍巖體存在干擾。如果能對拉拔力進行無損檢測，必將減輕工人勞動強度，節(jié)約支護成本，有利于煤礦安全生產(chǎn)。因此，應用相關(guān)理論知識，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，研發(fā)了一種錨桿錨固質(zhì)量測試仿真實驗臺，并進行了應用測試。
1基于相似理論確定實驗臺相關(guān)參數(shù)
（1）相似條件與相似比實驗臺用于模擬煤礦井下錨固體的錨固質(zhì)量測試，為了獲得準確的測試結(jié)果，需要使實驗臺各參數(shù)的相似條件最大程度地滿足原型，因此實驗時使用礦用螺紋鋼錨桿和樹脂錨固劑，圍巖模型所用材料與巷道圍巖的強度相似?？紤]到錨桿的工作環(huán)境，實驗臺的設計需滿足時間、幾何等相似條件。錨桿錨固后受力變形受巷道圍巖應力的影響，利用拉拔裝置模擬煤礦巷道錨桿受力情況，因此在實驗室測試錨桿錨固質(zhì)量時，施加拉拔力需要滿足相似條件。相似條件是指在模擬錨桿錨固實驗時，圍巖模型變形速度與巷道圍巖形變速度的相似性。速度和時間的相似性計算應以實際巷道圍巖變形特征為依據(jù)，油缸的加載速度通過現(xiàn)場檢測和相關(guān)理論可以確定vR和CV的取值，從而得到油缸動力加載的合理速度。（2）相似參數(shù)的確定實驗臺可以放置不同長度圍巖模型，并滿足煤礦巷道施工時的最大錨固長度，選擇合適的高度方便實驗操作，通過幾何相似條件確定實驗臺的尺寸（長×寬×高）為2000mm×1000mm×1000mm。圍巖模型根據(jù)實驗要求選用不同的直徑、長度的PVC管，在其內(nèi)部澆注相似模擬材料。圍巖模型采用的相似材料由與巷道中煤、巖力學性能相似的材料配制而成，例如C60強度的巖石由砂、硅灰、減水劑、粉煤灰、水泥、礫石、水按照一定配比混合制作而成，其他圍巖模型材料通過對應材料配比進行配置。在圍巖模型制作時，根據(jù)實驗要求在其中部留設不同直徑、深度的錨固孔。
2錨桿錨固質(zhì)量測試仿真實驗臺設計
實驗臺以相似準則為理論依據(jù)、結(jié)合實驗目的確定各個裝置的合理參數(shù)，實現(xiàn)試驗臺的各功能，并滿足機械設計的總體要求。實驗臺主要由固定架、錨固裝置、拉拔裝置組成。實驗臺遵循模塊化設計理念，根據(jù)實驗要求進行相關(guān)模塊的拼裝，具有操作便捷、便于移動、占地面積小等優(yōu)點。（1）固定架的設計固定架結(jié)構(gòu)如圖1所示。固定架用于支撐和固定相關(guān)實驗裝置，主要是由支腿、上框架和下框架構(gòu)成，4個支腿分別焊接于上、下框架的4個角，上、下框架相互平行放置，支腿下端安裝底座，通過螺栓將底座固定于實驗地面，滿足相關(guān)實驗的穩(wěn)定性要求。固定架的前端為安裝板，用于安裝環(huán)形油缸等相應的實驗裝置；固定架的上部有固定板，用于固定不同類型的圍巖模型。上、下框架分別設有固定手動油泵、壓力表、鋼管夾具等裝置的接口。（2）錨固裝置的設計錨固裝置包括手持式錨桿鉆機、空氣壓縮機和錨桿連接器等裝置，用于將錨桿錨固于錨固孔內(nèi)。主要操作步驟：將錨固孔模型固定于固定架的固定板上，將樹脂錨固劑塞入錨固孔內(nèi)；其次，手持式錨桿鉆機夾緊錨桿連接器小直徑的一端，錨桿連接器的另一端夾緊錨桿尾部，通過錨桿鉆機帶動錨桿在錨固孔內(nèi)攪拌樹脂錨固劑，實現(xiàn)錨桿的錨固?？諝鈮嚎s機為錨桿鉆機提供動力。（3）拉拔裝置的設計拉拔裝置用于對錨固后的錨桿進行拉拔力測試，主要由環(huán)形油缸、手動油泵和壓力表組成。拉拔裝置固定在固定架上，其工作原理：在錨桿的外露端靠近錨固孔的位置安放1個錨桿托盤，錨桿穿過環(huán)形油缸，在外端再加1個錨桿托盤并用螺母擰緊達到預緊的效果。環(huán)形油缸在手動油泵的逐漸加壓下，使錨桿所受的拉力逐漸增大，并緩慢將錨桿從錨固孔內(nèi)拉出，壓力表實時顯示拉拔力，最終完成錨桿拉拔實驗的模擬。手動油泵最大可以施加拉拔力300kN，環(huán)形油缸最大伸縮量為60mm。
3錨桿錨固質(zhì)量測試仿真實驗臺應用
（1）錨桿錨固過程的模擬在實驗臺進行錨桿錨固前，先進行錨固孔模型的制作。首先將相應模擬材料按設定好的配比制作成漿液，將漿液澆入大直徑的PVC管中，PVC管的中心有一段直徑較小的PVC管用來形成錨固孔，通常錨固孔直徑為準26～30mm；待砂漿固化至一定層度后，慢慢地將細PVC管抽出來，等其完全凝固，帶有錨固孔的圍巖模型便制作完成。將制作好的錨固孔模型通過弧形夾具固定于固定架上，聯(lián)接錨固裝置，在錨固孔內(nèi)塞入樹脂錨固劑，用手持式錨桿鉆機帶動錨桿攪拌樹脂錨固劑，完成錨桿錨固。（2）錨桿錨固質(zhì)量無損檢測錨桿錨固完成后，在錨桿外露端安裝拉拔裝置，采用拉拔裝置模擬煤礦巷道錨桿受力，將手動油泵放置在實驗臺上部，通過壓手動油泵搖桿來給環(huán)形油缸施加壓力。接下來進行錨桿錨固質(zhì)量的無損檢測模擬實驗，具體操作步驟：將傳感器安裝于錨桿尾部，通過手動油泵對環(huán)形油缸進行加壓，油缸壓力每增加10kN用力錘敲擊錨桿端頭1次。在實驗時盡量減少不必要的擾動，傳感器實時接收錨桿傳遞的信號。接收信號通過無損檢測儀處理后得到響應曲線，如圖2所示。（3）錨桿錨固的拉拔力分析錨桿錨固質(zhì)量的無損檢測模擬實驗完成后，繼續(xù)對錨桿端部施加拉拔力，使得圍巖-錨固劑界面或錨桿-錨固劑界面的黏結(jié)力達到極限狀態(tài)，隨著壓力的增加圍巖被破壞，錨桿逐漸從錨固模型中拉出。在錨桿體拉拔的過程中，得到錨桿伸長量和承載力之間的關(guān)系，如圖3所示。當錨桿承載力約為30kN時，錨固孔附近逐漸開始出現(xiàn)小的裂縫；當加載至65kN時錨固孔附近裂縫逐漸變大；加載至78kN時，錨桿伸長量達到1.8cm，之后壓力值明顯降低，表明錨桿達到了極限拉拔力。
4結(jié)語
該實驗臺可以完成錨桿錨固過程和錨固體拉拔過程的模擬，以及錨桿錨固質(zhì)量無損檢測等實驗，并對其進行力學分析，滿足現(xiàn)場錨桿錨固施工過程和錨固質(zhì)量檢測仿真教學和科研要求。應用結(jié)果表明，該實驗臺能夠良好地完成實驗，達到理想的實驗目標。本文只進行了錨桿錨固拉拔模擬、錨桿錨固質(zhì)量的無損檢測，目前無法實現(xiàn)改變圍巖的應力，將會在之后工作中做進一步深入研究，不斷完善該試驗。
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作者：呂情緒 單位：國家能源集團 神東煤炭集團
