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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(shè)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(shè)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(xué)性能進行測試等功能。應(yīng)用結(jié)果表明,該實驗臺可以達到設(shè)計目標(biāo),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(shè)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(yù)警措施、減少災(zāi)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(yīng)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(shè)計要求,仍可能引起巷道垮落、冒頂?shù)仁鹿?。目前,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(yīng)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(yīng)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(zhǔn)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(shè)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(shè)計
實驗臺以相似準(zhǔn)則為理論依據(jù)、結(jié)合實驗?zāi)康拇_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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(yù)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(yīng)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(yīng)模擬材料按設(shè)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(zhǔn)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(xué)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(xué)和科研要求。應(yīng)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?zāi)繕?biāo)。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(yīng)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