一种测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台及测试方法
【专利摘要】本发明涉及矿山支护【技术领域】，具体涉及了一种测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台及测试方法。该试验台的工作测试台内设有用于锚固锚杆的钻孔模型，锚杆一端锚固在钻孔模型内，锚杆的另一端安装托盘并拧紧螺母固定在冲击梁的端面上；拉伸顶梁在驱动机构的带动下顶推作用于冲击梁，以使锚杆承受轴向拉伸载荷并发生轴向拉伸变形；负荷传感器位于冲击梁和拉伸顶梁之间，用于测试轴向拉伸载荷，位移传感器分别安装于锚杆的两端，用于测试轴向变形量。该试验台在实验室内实现对锚杆支护过程轴向力和轴向变形的测试，为锚杆支护理论研究和复杂应力条件下的锚杆支护设计提供依据，对深化锚杆支护机理研究，保证工程安全具有重要意义。
【专利说明】一种测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及矿山支护【技术领域】，尤其涉及一种测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试 验台及测试方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 锚杆支护施工过程中，安装托盘拧紧螺母时，在锚杆体内形成初始轴向拉伸载荷， 并产生初始轴向变形。锚杆安装完成后支护过程中，围岩离层碎胀变形时，锚杆承受的轴向 拉伸载荷与轴向变形量增加。此外，围岩变形引起的钻孔破坏，影响锚杆锚固段的稳定，甚 至造成锚杆在一定轴向载荷作用下沿钻孔轴向滑动。杆体承受的轴向载荷或轴向变形达到 杆体极限承载力或极限变形量，是锚杆最终破坏的主要形式。研究锚杆支护过程承受轴向 载荷与轴向变形性能，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。
[0004] 研究锚杆承受轴向荷载与轴向变形性能的方法主要有两大类：井下试验与实验室 试验。
[0005] 井下试验测试的锚杆的轴向受力，包括了剪切载荷、弯曲载荷等各种复杂外力作 用下，在杆体内形成的总轴向载荷，只能反映锚杆在各种应力综合作用下形成的总轴向应 力或总轴向载荷大小，无法区分实际载荷对锚杆的作用方式及幅度，不能测试围岩离层碎 胀时杆体轴向载荷。因不能取出锚固在围岩内的锚杆，只能测试巷道围岩的移近量分析支 护区岩层的变形，无法测试锚杆的实际变形。此外，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。
[0006] 实验室试验目前主要依据试验标准进行锚杆杆体材料试件的拉伸试验，测试锚杆 的轴向承载力和拉伸过程的杆体轴向变形，虽然测试的数据准确，能够反映锚杆材料的基 本力学性能。但是，室内试验只反映锚杆材料力学指标，无法模拟锚杆支护过程在围岩离层 碎胀时的轴向受力情况，也无法测试出锚杆支护过程的轴向承载力和实际轴向变形。
[0007] 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和工作过程轴向受 力与变形的试验台及应用该试验台准确有效地测试出锚杆锚固后的轴向承载力与轴向变 形性能的方法。
【发明内容】
[0008] (一）要解决的技术问题
[0009] 本发明要解决的技术问题是提供了一种测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台 及测试方法，使得在实验室内能够模拟锚杆安装和工作过程轴向受力变化与变形，并且能 够准确有效地测试出锚杆锚固后的轴向受力与轴向变形过程。
[0010] (二）技术方案
[0011] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验 台，该试验台包括用于矿山支护的锚杆，该试验台还包括工作测试台、拉伸装置、驱动机构、 负荷传感器和位移传感器，所述工作测试台内设有用于锚固锚杆的钻孔模型，所述拉伸装 置包括冲击梁和拉伸顶梁，所述锚杆一端锚固在钻孔模型内，另一端固定在冲击梁的端面 上；所述拉伸顶梁在驱动机构的带动下顶推作用于冲击梁，以使所述锚杆承受轴向拉伸载 荷并发生轴向拉伸变形；所述负荷传感器位于冲击梁和拉伸顶梁之间，用于测试所述轴向 拉伸载荷，所述位移传感器分别安装于锚杆的两端，用于测试所述轴向变形量。
[0012] 其中，所述驱动机构为两个油缸，所述油缸通过机架安装在工作测试台上，且所述 油缸的活塞杆与拉伸顶梁固定连接，用于驱动所述拉伸顶梁沿锚杆的轴向顶推作用于所述 冲击梁上，所述冲击梁带动所述锚杆产生轴向拉伸载荷并发生轴向拉伸变形。
[0013] 其中，所述油缸对称设置于钻孔模型的两侧，所述油缸的活塞杆与钻孔模型的轴 线平行。
[0014] 其中，所述锚杆穿过冲击梁和拉伸顶梁且锚固于钻孔模型内，通过螺母、托盘、调 心球形垫圈锁紧于冲击梁的端面上。
[0015] 其中，所述锚杆通过锚固剂与构成钻孔模型的煤岩体物理模型粘结。
[0016] 其中，所述位移传感器通过外部支架安装于锚杆的两端。
[0017] 其中，所述位移传感器的数量为两个，其中一个所述位移传感器位于锚杆的钻孔 模型外露端，且与锚杆端面中心处相连；另一个所述位移传感器位于锚杆的钻孔模型孔底 端，且穿过固定扭矩传感器中心孔与锚杆端面中心处相连。
[0018] 本发明还包括一种用于测试锚杆锚固后轴向载荷与轴向变形的测试方法，包括如 下步骤：
[0019] S1、将待测的锚杆一端锚固于工作测试台的钻孔模型内；
[0020] S2、通过驱动机构带动拉伸顶梁顶推作用于冲击梁，使锚杆承受轴向拉伸载荷，并 产生轴向拉伸变形；
[0021] S3、通过负荷传感器测试拉伸顶梁与冲击梁之间的正压力，正压力与轴向拉伸载 荷大小相同；
[0022] S4、通过位移传感器分别测试锚杆两端的位移量，并将所测位移量代数求和，得出 锚杆轴向绝对形变量。
[0023] 其中，在步骤S2中利用液压系统压力传感器，测试油缸供液系统的压力，并通过 控制系统控制先导比例减压阀动作以改变供液系统的压力，从而调节油缸活塞杆的推力； 利用节流阀控制液压系统流量，以改变油缸活塞杆的伸出速度，进而控制锚杆轴向加载速 度。
[0024] 其中，在步骤S4中位移传感器利用外部支架独立设置在锚杆两端，其中一个位移 传感器位于锚杆的钻孔模型外露端，并直接以锚杆端部中心作为测点；另一个位移传感器 位于锚杆的钻孔模型底端，并穿过固定扭矩传感器的中心孔插入钻孔模型内，以锚固端锚 杆端面中心为测点。
[0025] (三）有益效果
[0026] 本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明测试锚杆轴向载荷与轴向变形 的试验台使得在实验室内能够模拟锚杆锚固后安装预紧和工作过程锚杆轴向受力变化与 变形，并且能够准确有效地测试出锚杆锚固后轴向承载力与轴向变形性能；通过将负荷传 感器安装于冲击梁和拉伸顶梁之间，用于测试冲击梁和拉伸顶梁之间的正压力。位移传感 器安装于锚杆的两端，用于测试锚杆端部的位移量，将两个位移量代数求和计算得出锚杆 轴向的绝对形变量，实现准确有效地测试出锚杆锚固后轴向承载力与轴向变形性能；通过 该测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台，可实现在实验室内对锚杆锚固后轴向承载力与 轴向变形性能的测试，为锚杆支护理论研究和复杂应力条件下的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。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为本发明实施例测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台的剖视图。
[0028] 其中，2 :工作测试台；5 :锚杆；6 :拉伸装置；61 :拉伸顶梁；62 :冲击梁；71 :驱动 机构；93 :煤岩体物理模型；103 :负荷传感器；106 :位移传感器；107 :固定扭矩传感器。
【具体实施方式】
[0029] 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。
[0030] 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；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。
[0031] 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。
[0032] 如图1所示，本实施例所述的一种测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台包括用 于矿山支护的锚杆5,该试验台还包括工作测试台2、拉伸装置6、驱动机构71、负荷传感器 103和位移传感器106,工作测试台2内设有用于锚固锚杆5的钻孔模型，且锚杆5通过螺 母锁紧安装于钻孔模型的孔口处，拉伸装置6包括冲击梁62和拉伸顶梁61，冲击梁62与 拉伸顶梁61对应设置，锚杆5 -端锚固在钻孔模型内，锚杆5的另一端固定在冲击梁62的 端面上；拉伸顶梁61在驱动机构71的带动下，沿锚杆5轴向顶推作用于冲击梁62,以使锚 杆5承受轴向拉伸载荷并发生轴向拉伸变形，负荷传感器103安装于冲击梁62和拉伸顶梁 61之间，用于测试冲击梁62和拉伸顶梁61之间的正压力，即为轴向拉伸载荷；位移传感器 106分别安装于锚杆5两端，用于测试锚杆5端部产生的位移量。
[0033] 位移传感器106可以测试围岩变形过程，锚杆5在拉伸、剪切、冲击等各种载荷作 用下产生的轴向变形，不仅限于轴向载荷引起的锚杆5轴向变形。
[0034] 为了实现该试验台的自动化控制，驱动机构71为两个油缸，油缸通过油缸机架安 装在工作测试台2上，且油缸的活塞杆与拉伸顶梁61固定连接，用于驱动拉伸顶梁61沿锚 杆5的轴向顶推作用于冲击梁62上，冲击梁62带动锚杆5产生轴向拉伸载荷并发生轴向 拉伸变形。
[0035] 为了提高油缸的工作效率，油缸对称设置于锚杆5的两侧，油缸的活塞杆与锚杆5 的轴向平行，利用的活塞杆的顶推作用驱动拉伸顶梁61沿锚杆5的轴向移动，拉伸顶梁61 和冲击梁62上分别设有用于套设锚杆5的通孔，拉伸顶梁61活动穿设于锚杆5上，拉伸顶 梁61的通孔与锚杆5杆体之间存在空隙，拉伸顶梁61沿锚杆5轴向移动并作用于冲击梁 62上，在拉伸顶梁61与冲击梁62之间形成正压力，锚杆5穿设且固定于冲击梁62上，将正 压力转化外锚杆5杆体承受的拉伸应力。
[0036] 锚杆5穿过冲击梁62和拉伸顶梁61且锚固于钻孔模型内，并通过螺母、托盘、调 心球形垫圈锁紧于冲击梁62端面上。锚杆5通过锚固剂与钻孔模型的煤岩体物理模型93 粘结。锚杆5杆体在受到拉伸载荷发生轴向变形时，锚杆5两端会产生位移。
[0037] 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、岩石 相似的其他工程材质制成的钻孔模型；锚固剂是由不饱和聚酯树脂、固化剂、促进剂和其它 辅料，按一定比例配制而成的粘稠状锚固粘接材料，由聚酯薄膜分割包装呈圆柱状药卷，具 有搅拌后常温固化快，粘接强度高，锚固力可靠和耐久力好等优良性能，确保测试数据的真 实性。
[0038] 此外，位移传感器106通过外部支架安装于锚杆5的两端。
[0039] 优选地，位移传感器106的数量为两个，其中一个位移传感器106位于锚杆5的钻 孔模型外露端，且与锚杆5端面中心处相连；另一个位移传感器106位于锚杆5的钻孔模型 孔底端，且穿过固定扭矩传感器107的中心孔与锚杆5端面中心处相连。
[0040] 通过该测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台，可实现在实验室内对锚杆锚固后 轴向承载力与轴向变形性能的测试，为锚杆支护理论研究和复杂应力条件下的锚杆支护设 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。
[0041] 本发明还提供了一种根据所述的测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台的测试 方法，包括如下步骤：
[0042] S1、将待测的锚杆一端锚固于工作测试台的钻孔模型内；在锚杆的钻孔模型外露 端上安装螺母、托盘、调心球形垫圈并拧紧螺母，锁紧于冲击梁的端面上。
[0043] S2、通过驱动机构带动拉伸顶梁顶推作用于冲击梁，使锚杆承受轴向拉伸载荷，并 产生轴向拉伸变形；
[0044] S3、通过负荷传感器测试拉伸顶梁与冲击梁之间的正压力，正压力与轴向拉伸载 荷大小相同；
[0045] S4、通过位移传感器分别测试锚杆两端的位移量，并将所测位移量代数求和，得出 锚杆轴向绝对形变量。
[0046] 其中，在步骤S2中利用液压系统压力传感器，测试油缸供液系统的压力，并通过 控制系统控制先导比例减压阀动作以改变供液系统的压力，从而调节油缸活塞杆的推力； 利用节流阀控制液压系统流量，以改变油缸活塞杆的伸出速度，进而控制锚杆轴向加载速 度。
[0047] 其中，在步骤S4中位移传感器利用外部支架独立设置在锚杆两端，其中一个位移 传感器位于锚杆的钻孔模型外露端，并直接以锚杆端部中心作为测点；另一个位移传感器 位于锚杆的钻孔模型底端，并穿过固定扭矩传感器的中心孔插入钻孔模型内，以锚固端锚 杆端面中心为测点。
[0048] 该试验台用于模拟井下实际情况，测试锚杆安装预紧时（安装托盘并拧紧螺母） 和锚杆支护工作过程围岩碎胀时作用于锚杆的纯轴向拉伸载荷；测试锚杆的两端变形，代 数求和获得的轴向拉伸变形为锚杆杆体的绝对变形，消除了锚固端滑移以及钻孔模型变形 对测试结果的影响；模拟锚杆工作过程，利用拉伸油缸施加的轴向拉伸载荷，不仅可利用本 方案中安装的负荷传感器测试，也可以通过测试油缸供液系统压力、油缸伸缩阻力、油缸活 塞面积等经计算获得；该试验台的加载控制和试验数据采集与处理，全部采用计算机程序 化。
[0049] 本发明测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台使得在实验室内能够模拟锚杆安 装预紧银和工作过程轴向受力变化与变形，并且能够准确有效地测试出锚杆锚固后轴向承 载力与轴向变形性能；通过将负荷传感器安装于冲击梁和拉伸顶梁之间，用于测试冲击梁 和拉伸顶梁之间的正压力。位移传感器安装于锚杆的两端，用于测试锚杆端部产生的位移 量，将两个位移量代数求和计算得出锚杆轴向的绝对形变量，实现准确有效地测试出锚杆 锚固后轴向承载力与轴向变形性能；通过该测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台，可实 现在实验室内对锚杆轴向载荷与轴向变形性能的测试，为锚杆支护理论研究和复杂应力条 件下的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。
[0050] 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。
【权利要求】
1. 一种测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台，包括用于矿山支护的锚杆（5)，其特 征在于，还包括工作测试台（2)、拉伸装置（6)、驱动机构（71)、负荷传感器（103)和位移传 感器（106)，所述工作测试台（2)内设有用于锚固锚杆（5)的钻孔模型，所述拉伸装置（6) 包括冲击梁￠2)和拉伸顶梁￠1)，所述锚杆（5) -端锚固在钻孔模型内，另一端固定在所 述冲击梁（62)的端面上；所述拉伸顶梁（61)在驱动机构（71)的带动下顶推作用于冲击梁 (62)，以使所述锚杆（5)承受轴向拉伸载荷并发生轴向拉伸变形；所述负荷传感器（103)位 于冲击梁（62)和拉伸顶梁（61)之间，用于测试所述轴向拉伸载荷，所述位移传感器（106) 分别安装于锚杆（5)的两端，用于测试所述轴向变形量。
2. 根据权利要求1所述的测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台，其特征在于，所述 驱动机构（71)为两个油缸，所述油缸通过油缸机架安装在工作测试台（2)上，且所述油缸 的活塞杆与拉伸顶梁（61)固定连接，用于驱动所述拉伸顶梁（61)沿锚杆（5)的轴向顶推 作用于所述冲击梁（62)上，所述冲击梁（62)带动所述锚杆（5)产生轴向拉伸载荷并发生 轴向拉伸变形。
3. 根据权利要求2所述的测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台，其特征在于，所述 油缸对称设置于钻孔模型的两侧，所述油缸的活塞杆与钻孔模型的轴线平行。
4. 根据权利要求3所述的测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台，其特征在于，所述 锚杆（5)穿过冲击梁￠2)和拉伸顶梁￠1)且锚固于钻孔模型内，锚杆的钻孔模型外露端 通过螺母、托盘、调心球形垫圈锁紧于冲击梁（62)的端面上。
5. 根据权利要求4所述的测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台，其特征在于，所述 锚杆（5)通过锚固剂与构成钻孔模型的煤岩体物理模型（93)粘结。
6. 根据权利要求5所述的测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台，其特征在于，所述 位移传感器（106)通过外部支架安装于锚杆（5)的两端。
7. 根据权利要求6所述的测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台，其特征在于，所述 位移传感器（106)的数量为两个，其中一个所述位移传感器（106)位于锚杆（5)的钻孔模 型外露端，且与锚杆（5)端面中心处相连；另一个所述位移传感器（106)位于锚杆（5)的钻 孔模型孔底端，且穿过固定扭矩传感器（107)的中心孔与锚杆（5)端面中心处相连。
8. -种根据权利要求1-7中任一项所述的测试锚杆轴向载荷与轴向变形的试验台的 测试方法，其特征在于，包括如下步骤： 51、 将待测的锚杆一端锚固于工作测试台的钻孔模型内； 52、 通过驱动机构带动拉伸顶梁顶推作用于冲击梁，使锚杆承受轴向拉伸载荷，并产生 轴向拉伸变形； 53、 通过负荷传感器测试拉伸顶梁与冲击梁之间的正压力，正压力与轴向拉伸载荷大 小相同； 54、 通过位移传感器分别测试锚杆两端的位移量，并将所测位移量代数求和，得出锚杆 轴向绝对形变量。
9. 根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，在步骤S2中利用液压系统压力传感 器，测试油缸供液系统的压力，并通过控制系统控制先导比例减压阀动作以改变供液系统 的压力，从而调节油缸活塞杆的推力；利用节流阀控制液压系统流量，以改变油缸活塞杆的 伸出速度，进而控制锚杆轴向加载速度。
10.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，在步骤S4中位移传感器利用外部支 架独立设置在锚杆两端，其中一个位移传感器位于锚杆的钻孔模型外露端，并直接以锚杆 端部中心作为测点；另一个位移传感器位于锚杆的钻孔模型底端，并穿过固定扭矩传感器 的中心孔插入钻孔模型内，以锚固端锚杆端面中心为测点。
【文档编号】G01N3/08GK104089819SQ201410307626
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】康红普, 吴拥政, 杨景贺, 林健, 吕华文, 邵培森, 蔡嘉芳 申请人:天地科技股份有限公司