CN104075835B - 一种用于锚杆安装预紧的试验台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿山支护技术领域，具体涉及了一种用于锚杆安装预紧的试验台及测试方法。该试验台包括用于矿山支护的锚杆，还包括预紧装置、拉伸装置、工作测试台、动态扭矩传感器、静态扭矩传感器和负荷传感器，锚杆一端锚固于工作测试台的钻孔模型内；预紧装置用于对锚杆施加预紧力；拉伸装置包括冲击梁和拉伸顶梁，锚杆另一端固定于冲击梁上，拉伸顶梁与冲击梁对应设置，用于阻止冲击梁沿锚杆的轴向移动；通过该试验台实现在实验室模拟锚杆的安装预紧过程，并准确测试锚杆螺母拧紧扭矩与锚杆轴向预紧力转化，测试锚杆安装预紧后杆体承受的扭矩，对深化锚杆支护机理研究，保证工程安全具有重要意义。

Description

一种用于锚杆安装预紧的试验台及测试方法

技术领域

本发明涉及矿山支护技术领域，尤其涉及一种用于锚杆安装预紧的试验台及测试方法。

背景技术

目前，锚杆支护已成为煤矿巷道安全高效的主要支护方式，在我国煤矿巷道中得到大面积推广应用。锚杆支护是将锚杆锚固于煤岩体内，拧紧杆尾螺母，对围岩施加预应力，约束巷道围岩的变形离层、碎胀与滑移错动。

锚杆支护施工时，锚杆锚固后在孔口外露的锚杆尾端，安装锚杆托盘、调心球形垫圈、减摩垫片等配套构件，并安装拧紧锚杆尾部螺母。拧紧锚杆螺母的扭矩，一部分经过锚杆的螺纹连接副和调心球形垫圈、锚杆托盘等传力构件，转化为锚杆轴向拉力，即锚杆安装的预紧力；另一部分螺母扭矩，被螺纹摩擦副和螺母与调心球形垫圈的接触端面消耗，形成扭矩损失。摩擦损耗的扭矩传递给锚杆杆体，形成杆体承受的扭矩。螺母扭矩损失增加，杆体承受的扭矩增大，锚杆实际预紧力将降低；杆体承受的扭矩，使锚杆的实际受力状态恶化，锚杆承载能力下降。研究锚杆安装预紧时的受力，对深化锚杆支护机理研究，提高锚杆支护可靠性，保证工程安全具有重要意义。

目前，研究锚杆安装预紧时受力情况的方法主要有两大类：井下试验与实验室试验。

井下试验主要通过安装测力计或液压枕等测试仪器，测试锚杆轴向受力，评价锚杆的工作状态。井下试验获得的数据为现场实测数据，能够真实反映井下锚杆工作状况。但是，井下试验的缺点是：不能准确测试拧紧螺母的扭矩，也不能确定螺母扭矩与锚杆预紧力的转化关系，也无法测试锚杆杆体承受的安装扭矩。由于井下特殊的环境，一些先进的监测方法与仪器的应用也受到限制，而且能够监测的锚杆数量有限，代表性不足，不能准确有效地测试出锚杆安装预紧时的受力情况。

实验室试验目前主要进行锚杆杆体试件的拉伸、弯曲、扭转、剪切及材料冲击的单项试验。实验室试验测试的数据准确，能够反映锚杆材料的基本力学性能。但是，实验室试验缺点是：室内单项试验只反映锚杆材料在单一受力条件下的力学指标，因缺少模拟锚杆实际安装的试验台，不能准确测试螺母扭矩与锚杆预紧力的转化关系，也无法测试安装过程锚杆杆体承受的扭矩。

因此，针对以上不足，需要一种能够在实验室内模拟锚杆安装预紧的试验台及应用该试验台准确有效地测试锚杆安装预紧时受力的方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供了一种用于锚杆安装预紧的试验台及测试方法，使得能够在实验室内模拟锚杆安装预紧施工时的受力情况，准确有效地测试出锚杆在安装预紧时的受力。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于锚杆安装预紧的试验台，包括用于矿山支护的锚杆，其还包括预紧装置、拉伸装置、工作测试台、负荷传感器、动态扭矩传感器和静态扭矩传感器，所述工作测试台内设有钻孔模型，所述锚杆的一端锚固于钻孔模型中，所述拉伸装置包括冲击梁和拉伸顶梁，所述预紧装置通过拧紧锚杆外露端的螺母以使所述锚杆经托盘固定于冲击梁的端面上；所述拉伸顶梁与冲击梁对应设置，用于阻止冲击梁沿锚杆轴向移动；所述负荷传感器用于测试所述拉伸顶梁与冲击梁之间的压力，所述动态扭矩传感器用于测试所述螺母承受的扭矩，所述静态扭矩传感器用于测试所述锚杆承受的扭矩。

其中，所述预紧装置上安装有液压马达，所述液压马达通过安装套筒与螺母连接，通过驱动安装套筒以使所述螺母绕所述锚杆的轴线旋转。

其中，所述动态扭矩传感器安装于液压马达与安装套筒之间。

其中，所述静态扭矩传感器与所述钻孔模型的模型固定套管固定连接。

其中，所述锚杆的一端穿过冲击梁、拉伸顶梁，并锚固在钻孔模型中，所述冲击梁在所述锚杆的带动下，沿所述锚杆的轴向压紧作用于拉伸顶梁。

其中，所述负荷传感器位于所述拉伸顶梁与所述冲击梁之间。

其中，所述锚杆通过锚固剂与所述钻孔模型的煤岩体物理模型粘结。

一种用于锚杆安装预紧的试验台的测试方法，包括如下步骤：

S1、将待测锚杆一端锚固于工作测试台的钻孔模型内；

S2、在锚杆锚固后，通过预紧装置拧紧锚杆尾部的螺母，以对锚杆施加预紧力；

S3、锚杆承受的预紧力使拉伸装置产生压力，而且压力的大小与预紧力的大小相同；

S4、通过负荷传感器测试所述压力；通过动态扭矩传感器测试锚杆预紧时螺母承受的扭矩；通过静态扭矩传感器测试锚杆预紧时锚杆杆体承受的扭矩。

其中，步骤S2包括：液压马达通过控制***控制先导比例减压阀动作，改变其供液***的压力以调节液压马达的输出扭矩。

其中，步骤S2包括：液压马达通过控制***控制比例调速阀动作，改变液压马达的进油量以调节马达输出转速。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明用于锚杆安装预紧的试验台可实现在实验室内对锚杆安装预紧过程的受力测试，为锚杆支护理论研究和锚杆支护设计提供依据，对深化锚杆支护机理研究，提高锚杆支护可靠性，保证工程安全具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例用于锚杆安装预紧的试验台的剖视图。

其中，2：工作测试台；5：锚杆；6：拉伸装置；9：锚固装置；32：预紧装置；61：拉伸顶梁；62：冲击梁；92：模型固定套管；93：煤岩体物理模型；101a：动态扭矩传感器；101b：静态扭矩传感器；103：负荷传感器；321：第二马达；323：安装套筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；除非另有说明，“缺口状”的含义为除截面平齐外的形状。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，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”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供一种用于锚杆安装预紧的试验台，包括用于支护矿山的锚杆5，该试验台还包括预紧装置32、拉伸装置6、工作测试台2、负荷传感器103、动态扭矩传感器101a和静态扭矩传感器101b，工作测试台2内设有钻孔模型，锚杆5的一端锚固于钻孔模型中，拉伸装置6包括冲击梁62和拉伸顶梁61，预紧装置32用于拧紧锚杆5外露端的螺母，以使锚杆5固定在冲击梁62的端面上；拉伸顶梁61与冲击梁62对应设置，用于阻止冲击梁62沿锚杆5轴向移动；负荷传感器103用于测试拉伸顶梁61与冲击梁62之间的压力，动态扭矩传感器101a用于测试预紧装置32对螺母施加的扭矩，静态扭矩传感器101b用于测试拧紧螺母时作用于锚杆5的扭矩。

该试验台的预紧装置32采用液压马达321驱动工作机构施加旋转扭矩，在锚杆5锚固后预紧时拧紧锚杆5尾部螺母，实现对安装动作进行划分，采用模块化动作模式，响应频率高、不存在过载问题。

在预紧装置32上安装有液压马达321，液压马达321通过安装套筒323与螺母连接，通过驱动安装套筒323以使螺母绕锚杆5的轴线旋转，实现对锚杆5施加预紧力。

动态扭矩传感器101a安装于液压马达321输出轴与安装套筒323之间，用于测试预紧装置32对螺母施加的扭矩；静态扭矩传感器101b与钻孔模型的模型固定套管92固定连接，用于测试拧紧螺母时作用于锚杆5的扭矩；并将测试数据传输给计算机数据采集***，测试数据经程序软件处理后，获得锚杆5拧紧螺母的扭矩与杆体承受的扭矩。

其中，锚杆5的一端穿过冲击梁62、拉伸顶梁61，并锚固在钻孔模型中，冲击梁62在锚杆5的带动下，沿锚杆5的轴向压紧于拉伸顶梁61。在冲击梁62、拉伸顶梁61之间产生正压力。

负荷传感器103位于拉伸顶梁61与冲击梁62之间，用于测试冲击梁62、拉伸顶梁61之间的正压力，测试数据传输给计算机，经程序软件处理后，获得螺母扭矩与锚杆轴力的转化关系。

锚杆5通过锚固剂与钻孔模型的煤岩体物理模型93粘结。煤岩体物理模型93优选为真实的煤或岩石，煤岩体物理模型93也可为与煤或岩石相似的其他工程材质制成的钻孔物理模型，锚固剂是工程中采用的真实材料，可以优选为树脂锚固剂，树脂锚固剂由不饱和聚酯树脂、固化剂、促进剂和其它辅料，按一定比例配制而成的粘稠状材料，使用聚酯薄膜分隔包装，呈圆柱状药卷，具有常温搅拌后固化快，粘接强度高，锚固力可靠和耐久性好等优良性能，从而保证了试验检测数据的真实性和可靠性。

此外，该试验台利用控制***控制液压马达321的供液***压力或流量，以改变锚杆5安装时的工艺参数。

液压马达321进油路上安装有压力传感器和先导比例减压阀，压力传感器测试液压马达321的供液***压力，通过计算机控制***控制先导比例减压阀动作改变供液***的压力，从而实现调节液压马达321的输出扭矩，实现对螺母扭矩的控制。

液压马达321进油路上安装有控制流量的比例调速阀，通过计算机控制***控制比例调速阀动作，以调节马达进油量，从而改变马达输出转速，实现对锚杆螺母转速的控制。

本发明还提供一种用于锚杆安装预紧受力的测试方法，包括如下步骤：

S1、将待测锚杆一端锚固于工作测试台的钻孔模型内；

S2、在锚杆锚固后，通过预紧装置拧紧锚杆尾部的螺母，以对锚杆施加预紧力；液压马达通过控制***控制先导比例减压阀动作，改变其供液***的压力以调节液压马达的输出扭矩。液压马达通过控制***控制比例调速阀动作，改变液压马达的进油量以调节马达输出转速。

S3、锚杆承受的预紧力使拉伸装置产生压力，而且压力的大小与预紧力的大小相同；

S4、通过负荷传感器测试压力；通过动态扭矩传感器测试锚杆预紧时拧紧螺母的扭矩；通过静态扭矩传感器测试锚杆预紧时锚杆杆体承受的扭矩。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种用于锚杆安装预紧的试验台，包括用于矿山支护的锚杆(5)，其特征在于，还包括预紧装置(32)、拉伸装置(6)、工作测试台(2)、负荷传感器(103)、动态扭矩传感器(101a)和静态扭矩传感器(101b)，所述拉伸装置(6)包括冲击梁(62)和拉伸顶梁(61)，所述锚杆(5)的一端锚固于工作测试台(2)的钻孔模型内，所述预紧装置(32)通过拧紧锚杆(5)外露端的螺母以使所述锚杆(5)固定于冲击梁(62)的端面上；所述拉伸顶梁(61)与冲击梁(62)对应设置，用于阻止冲击梁(62)沿锚杆(5)轴向移动；所述负荷传感器(103)用于测试所述拉伸顶梁(61)与冲击梁(62)之间的压力，所述动态扭矩传感器(101a)用于测试所述螺母承受的扭矩，所述静态扭矩传感器(101b)用于测试所述锚杆(5)承受的扭矩。

2.根据权利要求1所述的用于锚杆安装预紧的试验台，其特征在于，所述预紧装置(32)上安装有液压马达(321)，所述液压马达(321)通过安装套筒(323)与螺母连接，通过驱动安装套筒(323)以使所述螺母绕所述锚杆(5)的轴线旋转。

3.根据权利要求2所述的用于锚杆安装预紧的试验台，其特征在于，所述动态扭矩传感器(101a)安装于液压马达(321)与安装套筒(323)之间。

4.根据权利要求3所述的用于锚杆安装预紧的试验台，其特征在于，所述静态扭矩传感器(101b)与所述钻孔模型的模型固定套管(92)固定连接。

5.根据权利要求4中任一项所述的用于锚杆安装预紧的试验台，其特征在于，所述锚杆(5)的一端穿过冲击梁(62)、拉伸顶梁(61)，并锚固在钻孔模型中，所述冲击梁(62)在所述锚杆(5)的带动下，沿所述锚杆(5)的轴向压紧作用于拉伸顶梁(61)。

6.根据权利要求5所述的用于锚杆安装预紧的试验台，其特征在于，所述负荷传感器(103)位于所述拉伸顶梁(61)与所述冲击梁(62)之间。

7.根据权利要求6所述的用于锚杆安装预紧的试验台，其特征在于，所述锚杆(5)通过锚固剂与所述钻孔模型的煤岩体物理模型(93)粘结。

8.一种根据权利要求2-7中任一项所述的用于锚杆安装预紧的试验台的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将待测锚杆一端锚固于工作测试台的钻孔模型内；

S2、在锚杆锚固后，通过预紧装置拧紧锚杆尾部的螺母，以对锚杆施加预紧力；

S3、锚杆承受的预紧力使拉伸装置产生压力，而且压力的大小与预紧力的大小相同；

S4、通过负荷传感器测试所述压力；通过动态扭矩传感器测试锚杆预紧时螺母承受的扭矩；通过静态扭矩传感器测试锚杆预紧时锚杆杆体承受的扭矩。

9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，步骤S2包括：液压马达通过控制***控制先导比例减压阀动作，改变其供液***的压力以调节液压马达的输出扭矩。

10.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，步骤S2包括：液压马达通过控制***控制比例调速阀动作，改变液压马达的进油量以调节马达输出转速。