CN104075904B - 一种用于锚杆锚固的试验台及检测方法 - 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锚固的试验台及检测方法。该试验台包括用于矿山支护的锚杆，还包括推进装置、搅拌装置、安装检测台、煤岩体物理模型、动态扭矩转速传感器，推进装置用于带动搅拌装置沿安装检测台直线移动，且搅拌装置驱动锚杆绕其轴线转动，使锚杆锚固于煤岩体物理模型的钻孔内，通过动态扭矩转速传感器检测锚杆的推进力、推进速度、搅拌扭矩和搅拌转速，并将其检测信息发送至计算机控制与数据采集***，由计算机进行数据处理与控制，在实验室内实现对锚杆锚固过程的推进阻力与搅拌阻力的检测，对优化锚杆结构、深化锚固剂性能研究，保证工程质量具有重要意义。

Description

一种用于锚杆锚固的试验台及检测方法

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锚固的试验台及检测方法。

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。

施工过程锚杆的锚固质量是影响锚杆支护效果的主要因素之一。使用合格的锚杆、锚固剂等工程材料，在正常的施工工艺条件下，锚杆的外形结构与尺寸、锚固剂搅拌的难易程度、钻孔直径等直接影响锚杆的锚固质量。研究锚杆的锚固效果是提高锚杆支护质量的重要环节。

锚杆的锚固是施工过程中，在巷道围岩锚杆架设位置打钻孔并装入锚固剂，将锚杆边推入钻孔边旋转搅拌锚固剂，锚固剂经搅拌后固化，并将锚杆粘结在钻孔内的过程。锚杆锚固过程推进阻力和搅拌扭矩的大小，决定了锚杆锚固施工的难易程度，锚杆的推进速度和旋转速度，决定了锚固剂搅拌的均匀程度，进而影响锚固剂的固化粘结效果。而钻孔直径的大小对锚杆的推进阻力和锚固剂搅拌的均匀程度都将产生直接影响，钻孔直径增加，推进阻力降低，但钻孔直径超过一定限度时，将导致锚固剂搅拌不均匀，锚固质量降低。

目前，对于锚杆锚固过程的检测方法主要有两大类：井下试验与实验室试验。

井下试验主要通过锚杆拉拔计、钢卷尺等检测仪器，检测锚杆的锚固力与外露长度，评价锚杆的锚固效果，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的锚固状况。但是，井下试验的缺点是：由于锚杆锚固涉及锚杆外形、锚固剂性能、钻孔直径、以及施工操作等各方面因素，测试***极为复杂，加之井下特殊的环境，一些先进的监测方法与仪器的应用也受到限制，还没有能够直接用于井下、进行锚杆锚固过程参数测试的仪器设备。现场检测的内容，只能反映锚杆锚固的事后结果。并且，为保证巷道围岩结构完整性，锚杆锚固于围岩钻孔内后，不能重新取出，也无法检验锚固剂搅拌情况与实际固化状态。

针对锚杆锚固的实验室试验，目前已有使用钢管代替煤岩体钻孔，人工推动钻机测试锚杆转速和搅拌扭矩的试验方法，测试的数据能够反映锚固剂搅拌的难易程度。但是，只能进行部分项目测试，并且测试结果受人为因素影响大，测试条件和测试项目不足，不能全面反映推进速度和推进阻力等安装参数，也不能满足***分析锚杆外形、锚固剂性能以及配套钻孔直径等参数对锚固效果影响的要求。而且，实验室试验的控制技术与数据采集，仍处于手动操作、数字显示与人工抄录的技术水平，试验控制条件可重复性差、数据采集频率低，易丢失数据，完全使用钢管替代围岩钻孔，试验条件差异大，且很难观察钢管内锚固剂的搅拌固化情况。

因此，针对以上不足，需要一种能够在实验室内模拟锚杆锚固施工过程的试验台及应用该试验台准确有效地检测锚杆锚固施工参数的方法。

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锚固的试验台及检测方法，使得能够在实验室内模拟锚杆锚固施工过程，并且控制和检测施工参数，可对锚固剂搅拌固化效果进行剖切观察。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于锚杆锚固的试验台，该试验台包括用于矿山支护的锚杆，该试验台还包括推进装置、搅拌装置、安装检测台、煤岩体物理模型和动态扭矩转速传感器，所述推进装置用于带动搅拌装置沿安装检测台直线移动，且所述搅拌装置驱动所述锚杆绕其轴线转动，使锚杆锚固于煤岩体物理模型的钻孔内，所述动态扭矩转速传感器分别安装于推进装置和搅拌装置上，通过所述动态扭矩转速传感器检测锚杆的推进力、推进速度、搅拌扭矩和搅拌转速，并将检测信息传输至计算机控制与数据采集***以进行数据处理与控制。

其中，所述推进装置包括驱动机构和滚珠丝杠，所述驱动机构固定于所述安装检测台的端部，所述滚珠丝杠与驱动机构的输出轴固定连接，所述滚珠丝杠的丝杠螺母固定连接于搅拌装置上，所述动态扭矩转速传感器安装于驱动机构的输出轴上。

其中，所述搅拌装置包括驱动机构和推进平车，所述推进平车与丝杠螺母固定连接，并通过推进平车底面滑块沿安装检测台顶面滑轨直线滑动，推进平车上固定安装有所述驱动机构，所述驱动机构的输出轴与锚杆连接，所述动态扭矩转速传感器安装于驱动机构的输出轴上。

其中，所述驱动机构通过液压马达驱动控制其输出轴的扭矩和转速或者通过变频电机变频调速控制其输出轴的扭矩和转速或者通过伺服电机脉冲控制其输出轴的扭矩和转速。

其中，所述安装检测台上安装有轴承座，所述滚珠丝杠穿设于所述轴承座上。

其中，所述安装检测台底部安装有底座，所述底座上设有滑轨，所述安装检测台沿所述滑轨滑动。

其中，所述煤岩体物理模型钻孔内设有用于粘结固定锚杆的锚固剂。

一种用于锚杆锚固的试验台的检测方法，包括如下步骤：

S1、将安装检测台移动至靠近煤岩体物理模型位置；

S2、向煤岩体物理模型钻孔内加入锚固剂；

S3、将待测锚杆的一端安装于搅拌装置上；

S4、通过推进装置使锚杆沿轴向***煤岩体物理模型钻孔内；

S5、通过搅拌装置使锚杆绕其轴线旋转，锚杆充分搅拌锚固剂；

S6、通过动态扭矩转速传感器检测锚杆的推进力、推进速度、搅拌扭矩和搅拌转速，并将其检测信息传输至计算机控制与数据采集***，由计算机进行数据处理与控制。

其中，在步骤S6所述推进力根据推进装置驱动机构的输出扭矩、滚珠丝杠直径、滚珠丝杠螺旋升角、滚珠丝杠摩擦力及推进平车摩擦力计算所得；所述推进速度根据推进装置驱动机构的输出转速和滚珠丝杠螺旋升角计算所得。

其中，在步骤S6所述搅拌转速为搅拌装置驱动机构的输出轴转速；所述搅拌扭矩为搅拌装置驱动机构输出轴的扭矩。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明用于锚杆锚固的试验台的推进装置用于带动搅拌装置沿安装检测台直线移动；搅拌装置在直线移动时且驱动锚杆绕其轴线转动，使锚杆锚固安装于煤岩体物理模型的钻孔内，实现在实验室内模拟锚杆施工的锚固过程；通过动态扭矩转速传感器检测锚杆的推进力、推进速度、搅拌扭矩和搅拌转速，并将其检测信息发送至计算机控制与数据采集***，由计算机进行数据处理与控制。根据锚杆推进扭矩计算可得锚杆的推进力；根据锚杆推进转速计算锚杆的推进速度。通过该用于锚杆锚固的试验台，可实现在实验室内对锚杆锚固推进阻力与搅拌阻力的检测，还可在锚杆锚固后，取出并打开煤岩体物理模型，检查每种钻孔直径条件下，不同外形结构的锚杆，采用不同的推进速度和转速进行锚固时，锚固剂的搅拌效果，***分析锚杆外形结构、钻孔直径、锚杆推进速度、锚杆旋转速度等对搅拌效果的影响，为钻孔直径、锚杆外形结构尺寸及锚固剂性能等工程参数及材料优化提供依据，对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锚固的试验台的剖视图。

其中，1：安装检测台；5：锚杆；11：底座；31：推进装置；32：搅拌装置；93：煤岩体物理模型；101：动态扭矩转速传感器；311：驱动机构；312：滚珠丝杠；322：推进平车。

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，本实施例提供的用于锚杆锚固的试验台，包括用于矿山支护的锚杆5，还包括推进装置31、搅拌装置32、安装检测台1、煤岩体物理模型93、动态扭矩转速传感器101。推进装置31用于带动搅拌装置32沿安装检测台1直线移动，且搅拌装置32驱动锚杆5绕其轴线转动。锚杆5的一端安装于搅拌装置32上，锚杆5的另一端沿轴向进入煤岩体物理模型93的钻孔内；在钻孔内加入锚固剂，在搅拌装置32驱动下使锚杆5绕其轴线旋转，旋转的锚杆5搅拌锚固剂，使锚杆5锚固于煤岩体物理模型93的钻孔内。动态扭矩转速传感器101分别安装于推进装置31和搅拌装置32上，通过动态扭矩转速传感器101检测锚杆5的推进力、推进速度、搅拌扭矩和搅拌转速，并将其检测信息发送至计算机控制与数据采集***，由计算机进行数据处理与控制。实现在实验室内模拟锚杆5的锚固施工过程，并且能够准确有效地检测出锚杆5锚固过程的工艺参数关系。

优选地，为了实现该搅拌推进检测机构自动化控制，推进装置31包括驱动机构311和滚珠丝杠312。驱动机构311固定于安装检测台1的端部，滚珠丝杠312与驱动机构311的输出轴固定连接，滚珠丝杠312的丝杠螺母固定连接于搅拌装置32上，同时，将用于测试扭矩和转速的动态扭矩转速传感器101安装于推进装置31的驱动机构311的输出轴上。

优选地，为了模拟锚杆5搅拌锚固剂的过程，搅拌装置32包括驱动机构311和推进平车322。推进平车322与滚珠丝杠312的丝杠螺母固定连接。滚珠丝杠312的丝杠螺母固定连接于推进平车322上；当驱动机构311的输出轴旋转时可以驱动滚珠丝杠312同步旋转；同时，滚珠丝杠312带动丝杠螺母直线运动，丝杠螺母与推进平车322固定连接，且推进平车322底面安装有滑块，在丝杠螺母带动下，推进平车322沿安装检测台1的顶面滑轨直线移动。推进平车322上固定安装有驱动机构311，驱动机构311的输出轴与锚杆5固定连接，当驱动机构311的输出轴旋转时带动锚杆5绕其轴线旋转，完成搅拌锚固剂过程；同时，将用于检测扭矩和转速的动态扭矩转速传感器101安装于搅拌装置32的驱动机构311的输出轴上。

驱动机构311可以通过液压马达驱动控制其输出轴的扭矩和转速或者通过变频电机变频调速控制其输出轴的扭矩和转速或者通过伺服电机脉冲控制其输出轴的扭矩和转速。

液压马达是液压***的一种执行元件，它将液压泵提供的液体压力能转变为其输出轴的转矩和转速。通过压力控制扭矩，其输出转矩与液压马达进出油口之间的压力差有关；通过流量控制转速，其转速由输入液压马达的流量大小来决定；具有响应频率高、不怕堵转的优点。

驱动机构311也可以采用变频电机，变频电机采用“专用变频感应电动机+变频器”的交流调速，需要采用变频器供电，通过电磁感应控制定子和转子，采用变频调速控制其输出轴的扭矩和转速，可适应不同工况条件下的频繁变速。

驱动机构311还可以采用伺服电机脉冲控制其输出轴的扭矩和转速。伺服电机可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制***中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

优选地，动态扭矩转速传感器101包括转速传感器和扭矩传感器，使用转速传感器检测驱动机构311输出轴的转速；使用扭矩传感器检测驱动机构311输出轴的扭矩。本领域技术人员可根据输出扭矩、滚珠丝杠直径、滚珠丝杠螺旋升角、滚珠丝杠摩擦力及推进平车摩擦力计算得出锚杆安装过程的推进力；根据输出转速和滚珠丝杠螺旋升角计算得出锚杆安装过程的推进速度。

优选地，在安装检测台1上安装有轴承座，滚珠丝杠312穿设于轴承座上，滚珠丝杠312能够在轴承座内旋转，减少了安装检测台1的振动；此外，在安装检测台1底部安装有底座11，底座11上设有滑轨，安装检测台1在油缸的带动下可以沿滑轨滑动，方便改变安装检测台1的所在位置。

优选地，为了模拟锚杆5在煤矿井下的锚固过程，实现在实验室内准确、有效地检测出锚杆5的安装工艺参数，煤岩体物理模型93钻孔内设有固定锚杆5的锚固剂。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。

通过该用于锚杆锚固的试验台，可实现在实验室内对锚杆锚固工艺参数测试，为***研究锚杆外形结构、锚固剂性能、以及锚杆安装钻孔直径等工艺参数，提高锚杆支护可靠性，保证工程安全具有重要意义。

本发明还提供了一种根据该用于锚杆锚固的试验台的检测方法，包括如下步骤：

S1、将安装检测台移动至靠近煤岩体物理模型位置；

通过安装检测台底部连接油缸，带动安装检测台沿底座的滑轨滑动至靠近煤岩体物理模型所在位置；推进机构反向旋转，丝杆螺母带动推进平车通过底面滑块沿安装检测台顶面滑轨直线向后滑移，退回至煤岩体物理模型远端。

S2、向煤岩体物理模型钻孔内加入锚固剂；

锚固剂是用于将锚杆与孔壁围岩粘接的工程材料，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。通过使用锚固剂可实现模拟实际的锚杆锚固过程。

S3、将待测锚杆的一端安装于搅拌装置上；

将待测锚杆的一端通过转速传感器和扭矩传感器安装于驱动机构输出轴上，锚杆正对煤岩体物理模型钻孔的孔口。煤岩体物理模型优选为真实的煤或岩石，煤岩体物理模型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。

S4、通过推进装置使锚杆沿轴向安装于煤岩体物理模型钻孔内；

驱动机构的输出轴旋转，驱动滚珠丝杠同步旋转；同时，滚珠丝杠带动丝杠螺母直线运动；丝杠螺母与推进平车连接，推进平车底面安装有滑块，使推进平车通过滑块沿安装检测台顶面滑轨直线移动；进而锚杆沿轴向安装于煤岩体物理模型钻孔内。

S5、通过搅拌装置使锚杆绕其轴线旋转，锚杆充分搅拌锚固剂；

驱动机构的输出轴旋转，带动锚杆绕其轴线旋转，旋转的锚杆充分搅拌锚固剂，完成锚固剂的搅拌过程。

S6、通过动态扭矩转速传感器检测锚杆的推进力、推进速度、搅拌扭矩和搅拌转速，并将其检测信息发送至计算机控制与数据采集***，由计算机进行数据处理与控制。

其中，推进力根据推进装置驱动机构的输出扭矩、滚珠丝杠直径、滚珠丝杠螺旋升角、滚珠丝杠摩擦力及推进平车摩擦力计算所得；推进速度根据推进装置驱动机构的输出转速和滚珠丝杠螺旋升角计算所得。

其中，搅拌转速为搅拌装置驱动机构的输出轴转速；搅拌扭矩为搅拌装置驱动机构输出轴的扭矩。

使用的煤岩体物理模型更近似于井下巷道围岩条件，将锚固有锚杆的煤岩体物理模型取出后剖切，可直观检验各种围岩条件下孔径和锚杆、锚固剂的配套性，以及锚杆推进速度和旋转速度对锚固剂搅拌效果的影响。

综上所述，本发明用于锚杆锚固的试验台的推进装置用于带动搅拌装置沿安装检测台直线移动；搅拌装置在直线移动时且驱动锚杆绕其轴线转动，使锚杆锚固于煤岩体物理模型的钻孔内，实现在实验室内模拟锚杆施工的锚固过程；通过动态扭矩转速传感器检测锚杆的推进力、推进速度、搅拌扭矩和搅拌转速，并将其检测信息发送至计算机控制与数据采集***，由计算机进行数据处理与控制。根据锚杆推进扭矩计算可得锚杆的推进力；根据锚杆推进转速计算锚杆的推进速度。通过该用于锚杆锚固的试验台，可实现在实验室内对锚杆锚固推进阻力与搅拌阻力的检测，还可在锚杆锚固后，取出并打开煤岩体物理模型，检查每种钻孔直径条件下，采用不同的锚杆推进速度和锚杆转速时的锚固剂搅拌效果，***分析钻孔直径、锚杆推进速度、锚杆旋转速度等对搅拌效果的影响，为钻孔直径、锚杆外形结构尺寸及锚固剂性能等工程参数及材料优化提供依据，对提高锚杆支护可靠性，保证工程安全具有重要意义。

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 (9)

1.一种用于锚杆锚固的试验台，包括用于矿山支护的锚杆(5)，其特征在于，还包括推进装置(31)、搅拌装置(32)、安装检测台(1)、煤岩体物理模型(93)和动态扭矩转速传感器(101)，所述推进装置(31)用于带动搅拌装置(32)沿安装检测台(1)直线移动，且所述搅拌装置(32)驱动所述锚杆(5)绕其轴线转动，使锚杆(5)锚固于煤岩体物理模型(93)的钻孔内，所述动态扭矩转速传感器(101)分别安装于推进装置(31)和搅拌装置(32)上，通过所述动态扭矩转速传感器(101)检测锚杆(5)的推进力、推进速度、搅拌扭矩和搅拌转速，并将检测信息传输至计算机控制与数据采集***以进行数据处理与控制；

其中，所述动态扭矩转速传感器(101)包括转速传感器和扭矩传感器，使用转速传感器检测驱动机构(311)输出轴的转速，使用扭矩传感器检测驱动机构(311)输出轴的扭矩，根据所述扭矩、滚珠丝杠直径、滚珠丝杠螺旋升角、滚珠丝杠摩擦力及推进平车摩擦力计算得出锚杆安装过程的推进力，根据所述转速和滚珠丝杠螺旋升角计算得出锚杆安装过程的推进速度；

所述推进装置(31)包括驱动机构(311)和滚珠丝杠(312)，所述驱动机构(311)固定于所述安装检测台(1)的端部，所述滚珠丝杠(312)与驱动机构(311)的输出轴固定连接，所述滚珠丝杠(312)的丝杠螺母固定连接于搅拌装置(32)上，所述动态扭矩转速传感器(101)安装于驱动机构(311)的输出轴上。

2.根据权利要求1所述的用于锚杆锚固的试验台，其特征在于，所述搅拌装置(32)包括驱动机构(311)和推进平车(322)，所述推进平车(322)与滚珠丝杠(312)的丝杠螺母固定连接，并通过推进平车(322)底面滑块沿安装检测台(1)顶面滑轨直线滑动，推进平车(322)上固定安装有所述驱动机构(311)，所述驱动机构(311)的输出轴与锚杆(5)连接，所述动态扭矩转速传感器(101)安装于驱动机构(311)的输出轴上。

3.根据权利要求1或2所述的用于锚杆锚固的试验台，其特征在于，所述驱动机构(311)通过液压马达驱动控制其输出轴的扭矩和转速或者通过变频电机变频调速控制其输出轴的扭矩和转速或者通过伺服电机脉冲控制其输出轴的扭矩和转速。

4.根据权利要求1所述的用于锚杆锚固的试验台，其特征在于，所述安装检测台(1)上安装有轴承座，所述滚珠丝杠(312)穿设于所述轴承座上。

5.根据权利要求4所述的用于锚杆锚固的试验台，其特征在于，所述安装检测台(1)底部安装有底座(11)，所述底座(11)上设有滑轨，所述安装检测台(1)沿所述滑轨滑动。

6.根据权利要求1所述的用于锚杆锚固的试验台，其特征在于，所述煤岩体物理模型(93)钻孔内设有用于粘结固定锚杆(5)的锚固剂。

7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的用于锚杆锚固的试验台的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将安装检测台移动至靠近煤岩体物理模型位置；

S2、向煤岩体物理模型钻孔内加入锚固剂；

S3、将待测锚杆的一端安装于搅拌装置上；

S4、通过推进装置使锚杆沿轴向***煤岩体物理模型钻孔内；

S5、通过搅拌装置使锚杆绕其轴线旋转，锚杆充分搅拌锚固剂；

S6、通过动态扭矩转速传感器检测锚杆的推进力、推进速度、搅拌扭矩和搅拌转速，并将其检测信息传输至计算机控制与数据采集***，由计算机进行数据处理与控制。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，在步骤S6所述推进力根据推进装置驱动机构的输出扭矩、滚珠丝杠直径、滚珠丝杠螺旋升角、滚珠丝杠摩擦力及推进平车摩擦力计算所得；所述推进速度根据推进装置驱动机构的输出转速和滚珠丝杠螺旋升角计算所得。

9.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，在步骤S6所述搅拌转速为搅拌装置驱动机构的输出轴转速；所述搅拌扭矩为搅拌装置驱动机构输出轴的扭矩。