CN107576566A - 一种矿山支护材料力学性能综合测试方法 - Google Patents
一种矿山支护材料力学性能综合测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及矿山支护材料力学性能综合测试方法，可有效解决目前测试方法无法对锚杆抗剪性能综合测试，使其同时实现对锚杆的拉伸、剪切和锚固体拉剪性能的测试、U型钢支架的抗压性能测试，以及矿山支护构件压缩测试的问题，其解决的技术方案是，包括以下步骤：1）锚杆锚索拉伸试验；2）支护构件力学试验；3）锚杆及锚固体剪切试验；4）复合拉剪试验；5）性能检测数据输出；本发明方法简单合理，效果好，通过高精度负荷传感器进行测量力，用途广，且简单易操作，是矿山支护材料力学性能综合测试方法上的一大创新。
Description
技术领域
本发明涉及矿山支护领域，特别是一种矿山支护材料力学性能综合测试方法。
背景技术
随着矿山开采条件日趋复杂，巷道普遍采用以锚网支护为基础的多种联合支护形式，但效果一般。究其原因，（1）矿井进入深部开采后，矿井巷道支护材料井下所受的力学状态变得越来越复杂。在锚网支护***中，锚杆（索）不仅受拉/压应力作用，而且受剪切应力作用，锚杆（索）变形破坏很大程度上是由于受剪切作用的结果，而国内检测设备不具有拉剪力学性能测试，尤其是锚固状态下的抗剪切性能；（2）锚网支护***构件及棚式支护***构件的合理匹配性存在严重缺陷，对***构件相互作用的力学性能不明确；（3）深部巷道受高应力的作用，必然需要高强度的支护材料，目前国内缺乏相关的大吨位的测试装置及相应的测试方法。因此，研制一种矿山支护材料力学性能综合测试方法势在必行。
发明内容
针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种矿山支护材料力学性能综合测试方法，可有效解决目前测试方法无法对锚杆抗剪性能综合测试，使其同时实现对锚杆（索）的拉伸、剪切和锚固体拉剪性能的测试、U型钢支架的抗压性能测试，以及矿山支护构件压缩测试的问题。
本发明解决的技术方案是，包括以下步骤：1）锚杆锚索拉伸试验； 2）支护构件力学试验； 3）锚杆（索）及锚固体剪切试验； 4）复合拉剪试验；5）性能检测数据输出。
本发明方法简单合理，效果好，通过高精度负荷传感器进行测量力，用途广，且简单易操作，是矿山支护材料力学性能综合测试方法上的一大创新。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明图1的正视图。
图3为本发明图1的侧视图。
图4为本发明图1的俯视图。
图5为本发明的横向剪切装置（锚杆（索）及锚固体抗剪试验装置）立体图。
图6为本发明的垂向加载装置（锚杆抗拉检测及支护构件力学试验装置）立体图。
图7为本发明的控制装置立体图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-7给出，本发明利用矿山支护材料力学性能综合测试装置，然后进行以下试验步骤：
1）锚杆锚索拉伸试验：在进行矿山支护材料力学性能综合测试时，先将整个矿山支护材料力学性能综合测试装置固定在经过水泥处理过的地基上面，当测试锚杆11抗拉性能时，将垂向伺服作动器1通过螺栓固定在上横梁2的上方，并通过立柱4给予垂向伺服作动器1和上横梁2提供支持力，拉伸传感器3与夹头6通过夹头导向架5进行链接，夹头6在垂向伺服作动器1和拉伸传感器3的共同作用下，可以实现垂直方向上的移动，锚杆11利用夹头6和拉伸附具7固定其位置，可以实现锚杆11抗拉检测，垂向位移测量范围500mm；
2）支护构件力学试验：当测试支护构件性能时，是将三段U型钢10通过两个U型钢卡箍9连接或四段U型钢10通过三个U型钢卡箍9连接，靠板12、限位块13与挡块14固定其位置，夹头6通过压缩附具8向U型钢提供垂直方向上的压力，就可以实现支护构件力学试验，可以检测U型钢10与U型钢卡箍9之间的连接质量，同时测量U型钢10和U型钢卡箍9的性能，另外，将锚固托盘放在水平移动导轨20的端部，即在夹头6的下方，可以测量锚固托盘相应的抗压缩性能；
3）锚杆（索）及锚固体剪切试验：当测试锚杆（索）及锚固体时，将制作好的锚固体22与锚杆（索）16通过剪切附具17对其进行固定，剪切传感器18在剪切伺服油缸19的作用下，通过滑轮23使其在水平移动导轨20上可以实现水平移动，此时剪切附具17的上方部分和下方部分是固定的，中间部分可以在剪切伺服油缸19的作用下，实现水平方向上的移动，启动剪切伺服油缸19后，从而在锚固体22与锚杆（索）16组成的试验块中部提供水平方向上的剪切力，实现锚杆（索）16及锚固体22的剪切试验，整个剪切试验装置通过水平加载支架21提供支持力，横向位移测量范围100mm；
4）复合拉剪试验：在复合应力下（拉伸试验和剪切试验共同作用下）测试锚杆（索）及锚固体力学性能时，将锚固体22与锚杆（索）16组成的试验构件中的锚杆（索）16通过夹头6和拉伸附具7固定位置，锚杆（索）16通过垂向伺服作动器1施加垂直方向的拉力，锚固体22利用剪切附具17固定位置，锚固体22通过剪切伺服油缸19施加水平方向的剪切力，从而实现复合应力下（拉剪作用）锚杆（索）及锚固体力学性能检测；
5）性能检测数据输出：控制装置将用于数据处理的计算机和提供动力的液压油源26组合在控制柜27上，其中，主机25和液压油源26位于控制柜27的内部，通过计算机来控制拉伸试验所施加的拉力、支护构件力学试验所施加的压力、锚杆（索）及锚固体试验所施加的剪切力、锚杆（索）及锚固体复合拉剪试验所施加的拉力和剪切力，同时计算机可以对检测到的数据进行记录并绘制相应性能曲线，从而达到相应的试验试件的性能检测。
所述的矿山支护材料力学性能综合测试装置包括垂向加载装置、横向剪切装置和控制装置，垂向加载装置包括底座15、上横梁2与四立柱4构成的刚性加载框架，底座15与上横梁2之间由四立柱4支撑连接，垂向伺服作动器1放置于上横梁2上，垂向伺服作动器1的活塞杆连接拉伸传感器3，拉伸传感器3连接夹头导向架5和夹头6，拉伸传感器3直接测试垂向试验力，用于锚杆（索）组件的拉伸及支护构件力学试验；横向剪切装置由水平加载支架21、水平移动导轨20、剪切伺服油缸19和剪切附具17构成，水平加载支架21上设有水平移动导轨20，剪切附具17、剪切传感器18和剪切伺服油缸19依次连接组装在一起，移动导轨20固定在水平移动支架21的上方，滑轮23可以在移动导轨20上进行滑动，拉伸传感器3、剪切传感器18经导线与控制装置的主机25相连，垂向伺服作动器1与控制装置的液压油源26相连。
为了保证使用效果，所述的垂向加载装置（即锚杆抗拉检测及支护构件力学试验装置）的高度为4270mm,长度为3200mm，宽度为1075mm，其垂向伺服作动器1的型号为WAW-1500/1000J，能够提供最大拉伸力1000kN，最大压缩力1500kN；拉伸锚杆组件最大间距1500mm，试验速度范围为0.5-100mm/min；夹头导向架5和夹头6位于四个立柱4的内部，以保证夹头6能够实现垂直方向上的移动，夹头6的尺寸为厚度257mm，高度600mm，长度750mm；两个夹头6的最近的部位在最大拉伸量程下距离为1200mm；底座15位于四根立柱4的下部，尺寸为高度320mm，厚度300mm，长度3200mm，夹头6上设有两个拉伸附具7。
所述的垂向加载装置的底座15两侧设有挡块14，挡块14尺寸为高度170mm，长度210mm，宽度170mm；远离四立柱4的挡块14一侧在底座15上设有靠板12，靠板12高度1820mm，长度3200mm；挡块14之间设有三段U型钢10通过两个U型钢卡箍9连接或四段U型钢10通过三个U型钢卡箍9连接的弧形体，弧形体最高点连接有压缩附具8，U型钢10上设有位于靠板12的左上部位和右上部位的限位块13，并按一定的弧度进行排列，尺寸为直径85mm，长度170mm；U型钢10（支护构件试验零件）的最大跨度为2860mm，高度1500mm；靠板12、限位块13和挡块14的作用是固定U型钢10支护构件的位置；将锚固托盘放在水平移动导轨20的端部，即在夹头6的下方，可以测量托盘相应的抗压性能。
所述的横向剪切装置（即锚杆（索）及锚固体抗剪试验装置），其高度为1100mm，长度为1800mm，宽度为860mm；剪切伺服油缸19所能提供最大横向剪切试验力1000kN，试验速度为0.5-100 mm/min；剪切附具17内固定有剪切传感器18，剪切传感器18与剪切伺服油缸19相连，横向剪切装置两侧装有滑轮23，每侧有两个滑轮23，滑轮23置于固定在水平移动支架21上的水平移动导轨20内，即可实现在水平移动支架上进行水平移动；锚固体22与锚杆（索）16组成的试验零件经剪切附具17固定。
所述的控制装置高1100mm，长1500mm，宽600mm，包括主机25、液压油源26和控制柜27，就是将用于数据处理的计算机和提供动力的液压油源26组合在控制柜27上；控制柜27的内部放置有主机25和液压油源26，主机25与液压油源26均经导线与显示器24相连，通过主机25、显示器24、液压油源26来控制拉伸试验所施加的拉力、支护构件力学试验所施加的压力以及锚杆（索）及锚固体所施加的剪切力，同时主机25、显示器24可以对检测到的数据进行记录并绘制相应性能曲线。
本发明的工作情况是：在进行矿山支护材料力学性能综合测试时，先将整个装置固定在进行特殊处理过的地基上面；锚杆抗拉试验装置是将垂向伺服作动器1通过螺栓固定在上横梁2的上方，并通过立柱4给予垂向伺服作动器1和上横梁2提供支持力，拉伸传感器3与夹头6通过夹头导向架5进行链接，夹头6在垂向伺服作动器1和拉伸传感器3的共同作用下，可以实现垂直方向上的移动，当锚杆11利用夹头6和拉伸附具7固定其位置，可以实现锚杆11抗拉检测，垂向位移测量范围500mm；支护构件力学试验装置是当三段U型钢10通过两个U型钢卡箍9连接或四段U型钢10通过三个U型钢卡箍9连接，靠板12、限位块13与挡块14固定其位置，夹头6通过压缩附具8向U型钢提供垂直方向上的压力，就可以实现支护构件力学试验，可以检测U型钢10与U型钢卡箍9之间的连接质量，同时测量U型钢10和U型钢卡箍9的性能，另外将锚固托盘放在水平移动导轨20的端部，即在夹头6的下方，可以测量托盘相应的抗压缩性能；锚杆（索）及锚固体抗剪试验装置，将制作好的锚固体22与锚杆（索）16通过剪切附具17对其进行固定，剪切传感器18在剪切伺服油缸19的作用下，通过滑轮23使其在水平移动导轨20上可以实现水平移动，此时剪切附具17的上方部分和下方部分是固定的，中间部分可以在剪切伺服油缸19的作用下，实现水平方向上的移动，启动剪切伺服油缸19后，从而在锚固体22与锚杆（索）16组成的试验块中部提供水平方向上的剪切力，实现锚杆（索）16及锚固体22的剪切试验，整个剪切试验装置通过水平加载支架21提供支持力，横向位移测量范围100mm；复合应力下（拉伸试验和剪切试验共同作用下）锚杆（索）及锚固体力学性能检测装置就是对锚固体22与锚杆（索）16组成的试验构件中的锚杆（索）16通过夹头6和拉伸附具7固定位置，锚杆（索）16通过垂向伺服作动器1施加垂直方向的拉力，锚固体22利用剪切附具17固定位置，锚固体22通过剪切伺服油缸19施加水平方向的剪切力，从而实现复合应力下（拉剪作用）锚杆（索）及锚固体力学性能检测；控制***就是将用于数据处理的计算机和提供动力的液压油源26组合在控制柜27上；其中，主机25和液压油源26位于控制柜27的内部，通过主机25、显示器24组成的计算机来控制拉伸试验所施加的拉力、支护构件力学试验所施加的压力以及锚杆（索）及锚固体所施加的剪切力，同时计算机可以对检测到的数据进行记录并绘制相应性能曲线，从而达到相应的试验试件的性能检测。
剪切传感器18检测到的试验力的数值通过数据线导入到计算机，可以显示各类试验数据，绘制试验力-时间等曲线，曲线自动数据处理；具有完整的文件操作及数据存储功能，具有完整的安全保护装置；当试验力超过每档最大试验力时，过载保护，***卸荷；当活塞位移达到前后极限位置时，行程保护，油泵电机停机。
本发明的工作原理是：在拉伸附具7内加入锚杆（索）11、限位块13固定支护构件U型钢或在剪切附具17内加入锚固体22后，通过拉伸传感器3或剪切传感器18对试验零件所承受的力通过电脑处理并进行记录，从而开展矿山支护材料力学性能综合测试，通过多次观测记录并分析测力计的数据，得出相应的巷道支护材料力学性能。
本发明结构新颖合理，效果好，扩大了其测量工作范围，可以进行锚杆抗拉检测、支护构件力学试验、锚杆（索）及锚固体抗剪试验、复合应力下（拉剪作用）锚杆（索）及锚固体力学性能检测等科研活动；试验装置通过高精度负荷传感器对力的数值进行测量，利用控制装置控制试验过程，导入到计算机可以显示试验力的数值及试验曲线，按试验的要求自动处理试验数据，同时可以显示试验力-位移、试验力-时间、试验力-位移（变形）等多种试验曲线，用途广，且简单易操作，是矿山支护材料力学性能综合测试装置的一大创新，具有良好的经济和社会效益。
Claims (6)
1.一种矿山支护材料力学性能综合测试方法，其特征在于，利用矿山支护材料力学性能综合测试装置，然后进行以下试验步骤：
1）锚杆锚索拉伸试验：在进行矿山支护材料力学性能综合测试时，先将整个矿山支护材料力学性能综合测试装置固定在经过水泥处理过的地基上面，当测试锚杆(11)抗拉性能时，将垂向伺服作动器(1)通过螺栓固定在上横梁(2)的上方，并通过立柱(4)给予垂向伺服作动器(1)和上横梁(2)提供支持力，拉伸传感器(3)与夹头(6)通过夹头导向架(5)进行链接，夹头(6)在垂向伺服作动器(1)和拉伸传感器(3)的共同作用下，可以实现垂直方向上的移动，锚杆(11)利用夹头(6)和拉伸附具(7)固定其位置，可以实现锚杆(11)抗拉检测，垂向位移测量范围500mm；
2）支护构件力学试验：当测试支护构件性能时，是将三段U型钢(10)通过两个U型钢卡箍(9)连接或四段U型钢(10)通过三个U型钢卡箍(9)连接，靠板(12)、限位块(13)与挡块(14)固定其位置，夹头(6)通过压缩附具(8)向U型钢提供垂直方向上的压力，就可以实现支护构件力学试验，可以检测U型钢(10)与U型钢卡箍(9)之间的连接质量，同时测量U型钢(10)和U型钢卡箍(9)的性能，另外，将锚固托盘放在水平移动导轨(20)的端部，即在夹头(6)的下方，可以测量锚固托盘相应的抗压缩性能；
3）锚杆及锚固体剪切试验：当测试锚杆及锚固体时，将制作好的锚固体(22)与锚杆(16)通过剪切附具(17)对其进行固定，剪切传感器(18)在剪切伺服油缸(19)的作用下，通过滑轮(23)使其在水平移动导轨(20)上可以实现水平移动，此时剪切附具(17)的上方部分和下方部分是固定的，中间部分可以在剪切伺服油缸(19)的作用下，实现水平方向上的移动，启动剪切伺服油缸(19)后，从而在锚固体(22)与锚杆 (16)组成的试验块中部提供水平方向上的剪切力，实现锚杆 (16)及锚固体(22)的剪切试验，整个剪切试验装置通过水平加载支架(21)提供支持力，横向位移测量范围100mm；
4）复合拉剪试验：在复合应力下测试锚杆及锚固体力学性能时，将锚固体(22)与锚杆(16)组成的试验构件中的锚杆(16)通过夹头(6)和拉伸附具(7)固定位置，锚杆(16)通过垂向伺服作动器(1)施加垂直方向的拉力，锚固体(22)利用剪切附具(17)固定位置，锚固体(22)通过剪切伺服油缸(19)施加水平方向的剪切力，从而实现复合应力下锚杆及锚固体力学性能检测；
5）性能检测数据输出：控制装置将用于数据处理的计算机和提供动力的液压油源(26)组合在控制柜(27)上，其中，主机(25)和液压油源(26)位于控制柜(27)的内部，通过计算机来控制拉伸试验所施加的拉力、支护构件力学试验所施加的压力、锚杆及锚固体试验所施加的剪切力、锚杆及锚固体复合拉剪试验所施加的拉力和剪切力，同时计算机可以对检测到的数据进行记录并绘制相应性能曲线，从而达到相应的试验试件的性能检测。
2.根据权利要求1所述的矿山支护材料力学性能综合测试方法，其特征在于，所述的矿山支护材料力学性能综合测试装置包括垂向加载装置、横向剪切装置和控制装置，垂向加载装置包括底座(15)、上横梁(2)与四立柱(4)构成的刚性加载框架，底座(15)与上横梁(2)之间由四立柱(4)支撑连接，垂向伺服作动器(1)放置于上横梁(2)上，垂向伺服作动器(1)的活塞杆连接拉伸传感器(3)，拉伸传感器(3)连接夹头导向架(5)和夹头(6)，横向剪切装置由水平加载支架(21)、水平移动导轨(20)、剪切伺服油缸(19)和剪切附具(17)构成，水平加载支架(21)上设有水平移动导轨(20)，剪切附具(17)、剪切传感器(18)和剪切伺服油缸(19)依次连接组装在一起，移动导轨(20)固定在水平移动支架(21)的上方，滑轮（23）可以在移动导轨（20）上进行滑动，拉伸传感器(3)、剪切传感器(18)经导线与控制装置的主机(25)相连，垂向伺服作动器(1)与控制装置的液压油源(26)相连。
3.根据权利要求2所述的矿山支护材料力学性能综合测试方法，其特征在于，所述的垂向加载装置的高度为4270mm,长度为3200mm，宽度为1075mm，其垂向伺服作动器(1)的型号为WAW-1500/1000J，能够提供最大拉伸力1000kN，最大压缩力1500kN；拉伸最大间距1500mm，试验速度范围为0.5-100mm/min；夹头导向架(5)和夹头(6)位于四个立柱(4)的内部，以保证夹头(6)能够实现垂直方向上的移动，夹头(6)的尺寸为厚度257mm，高度600mm，长度750mm；两个夹头(6)的最近的部位在最大拉伸量程下距离为1200mm；底座(15)位于四根立柱(4)的下部，尺寸为高度320mm，厚度300mm，长度3200mm，夹头(6)上设有两个拉伸附具(7)。
4.根据权利要求2所述的矿山支护材料力学性能综合测试方法，其特征在于，所述的垂向加载装置的底座(15)两侧设有挡块(14)，挡块(14)尺寸为高度170mm，长度210mm，宽度170mm；远离四立柱(4)的挡块(14)一侧在底座(15)上设有靠板(12)，靠板(12)高度1820mm，长度3200mm；挡块(14)之间设有三段U型钢(10)通过两个U型钢卡箍(9)连接或四段U型钢(10)通过三个U型钢卡箍(9)连接的弧形体，弧形体最高点连接有压缩附具(8)，U型钢(10)上设有位于靠板(12)的左上部位和右上部位的限位块(13)，并按一定的弧度进行排列，尺寸为直径85mm，长度170mm；U型钢(10)的最大跨度为2860mm，高度1500mm。
5.根据权利要求2所述的矿山支护材料力学性能综合测试方法，其特征在于，所述的横向剪切装置，其高度为1100mm，长度为1800mm，宽度为860mm；剪切伺服油缸(19)所能提供最大横向剪切试验力1000kN，试验速度为0.5-100 mm/min；剪切附具(17)内固定有剪切传感器(18)，剪切传感器(18)与剪切伺服油缸(19)相连，横向剪切装置两侧装有滑轮（23），每侧有两个滑轮（23），滑轮(23)置于固定在水平移动支架(21)上的水平移动导轨(20)内，锚固体(22)与锚杆(16)组成的试验零件经剪切附具(17)固定。
6.根据权利要求2所述的矿山支护材料力学性能综合测试方法，其特征在于，所述的控制装置高1100mm，长1500mm，宽600mm，包括主机(25)、液压油源(26)和控制柜(27)，控制柜(27)的内部放置有主机(25)和液压油源(26)，主机(25)与液压油源(26)均经导线与显示器(24)相连。
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