一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置及方法
【专利摘要】一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置及方法，装置包括承压筒、水压泵、空心千斤顶、激振器、应力波传感器、应变片、压力传感器及位移传感器，试样由锚杆和类围岩体组成，类围岩体两端的锚杆上套装有密封挡块，类围岩体及密封挡块外部包覆有热缩管；试验方法为：在承压筒内装配固定试样，依次安装空心千斤顶、压力传感器、锚具、激振器、应力波传感器及位移传感器，导通水压泵出水口与承压筒筒壁注水口，并对试样施加围压，通过空心千斤顶对锚杆施加拉拔力，通过位移传感器测量锚杆位移量，通过应变片测量锚杆变形量，通过激振器向锚杆中输入应力波，通过应力波传感器接收应力波并输出应力波曲线，通过声发射探头定位锚杆与类围岩体界面损伤区。
【专利说明】
一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置及方法
技术领域
[0001]本发明属于采矿工程技术领域，特别是涉及一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着矿产开采深度的不断增加，地应力也会越来越大，而地应力又是采矿工程中导致围岩发生变形与破坏的根本驱动力，为了有效提高围岩的自稳能力，通常需要在围岩中打入锚杆来对围岩进行支护。
[0003]在采动过程中，围岩中将不可避免的出现采动应力场，而围岩中的锚杆也将受到采动应力场的影响，随着采矿活动的进行以及时间的推移，采动应力场会不断变化，并导致锚杆的受力状况也会相应的发生变化。
[0004]在锚杆受力状况下，锚杆杆体可能出现损伤，且锚杆的锚固质量也可能遭到破坏，为了研究锚杆在受力状况下的损伤行为，在实验室条件下，本领域技术人员分别设计了锚杆拉拔试验以及应力波检测试验(应力波检测属于无损检测的一种)，但现有的锚杆拉拔试验与应力波检测试验是分开进行的，所应用的锚杆拉拔试验装置与应力波检测试验装置也是独立存在的，随着研究工作的不断深入，分开进行的锚杆拉拔试验和应力波检测试验已经难以满足研究工作的需要;再有，进行传统的锚杆拉拔试验时，很少考虑围压对锚杆拉拔试验的影响，而现有的试验装置也很少能够满足围压的施加，即使能够在试验过程中施加围压，其围压施加效果也不够理想。
[0005]因此，为了满足进一步研究的需要，本领域技术人员迫切希望实现拉拔状态下的锚杆应力波检测试验，同时在试验过程中满足围压的施加，但是，现阶段还没有一种试验装置能够满足上述试验目的。
【发明内容】
[0006]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置及方法，不但能够独立完成锚杆拉拔试验和应力波检测试验，而且能够完成拉拔状态下的锚杆应力波检测试验，同时在试验过程中满足围压的施加，为研究工作的进一步深入提供了必要手段。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置，包括承压筒、水压栗、空心千斤顶及激振器，所述承压筒为圆柱筒形结构，在承压筒两端筒口固定安装有法兰端盖，承压筒内部用于放置试样，试样为圆柱体结构，试样由锚杆和类围岩体组成，锚杆固定黏结在类围岩体中心，锚杆两端延伸至承压筒外部，在类围岩体两端的锚杆上套装有密封挡块，在密封挡块与承压筒内筒壁之间加装有密封圈，类围岩体及密封挡块外部包覆有热缩管;在所述承压筒的筒壁上开设有注水口，所述水压栗的出水口与承压筒筒壁上的注水口相连通;在所述承压筒一侧的锚杆上固定安装有锚具，所述空心千斤顶位于承压筒与锚具之间且套装于锚杆上，空心千斤顶的底部壳体与法兰端盖相接触，空心千斤顶的顶杆上端面与锚具相接触;所述激振器安装在锚具外侧的锚杆端部，在承压筒另一侧的锚杆端部安装有应力波传感器。
[0008]在所述锚杆表面黏贴有应变片，通过应变片测量锚杆的变形量。
[0009]在所述类围岩体表面黏贴有声发射探头，通过声发射探头定位锚杆与类围岩体界面损伤区。[〇〇1〇]在所述空心千斤顶的顶杆与锚具之间加装有压力传感器，通过压力传感器测量锚杆承受的拉拔力。
[0011]在所述承压筒上安装有位移传感器支架，在位移传感器支架上安装有位移传感器，通过位移传感器测量锚杆在拉拔过程中的位移量;所述位移传感器采用接触式位移传感器或非接触式激光位移传感器；当采用接触式位移传感器时，位移传感器与锚杆平行设置，位移传感器的测量头与空心千斤顶顶杆或锚具顶靠接触在一起；当采用非接触式激光位移传感器时，位移传感器与锚杆垂直设置，位移传感器发射的激光束垂直照射在锚杆表面。
[0012]在所述法兰端盖与密封挡块之间设置有调整垫片。
[0013]在所述热缩管外侧套装有定心乳胶套，通过定心乳胶套使试样轴心与承压筒轴心保持对中。
[0014]所述承压筒配装有移动架，承压筒设置在移动架上，在移动架底部安装有自锁式行走轮。
[0015]所述空心千斤顶配装有固定架，空心千斤顶设置在固定架上，固定架采用高度可调式结构，通过调整固定架高度使空心千斤顶轴心与试样轴心保持对中。
[0016]一种锚杆拉拔及应力波检测试验方法，采用了所述的锚杆拉拔及应力波检测试验装置，包括如下步骤:
[0017]步骤一:制备试样，首先在锚杆表面黏贴应变片，并利用热缩管对应变片进行保护，然后在黏贴有应变片的锚杆上完成类围岩体的浇注成型，再在类围岩体表面黏贴声发射探头，最后利用热缩管对黏贴有声发射探头的类围岩体进行整体密封；
[0018]步骤二:首先将承压筒两端筒口的法兰端盖卸下，再将制备好的试样送入承压筒内，最后将法兰端盖重新固装回承压筒，完成试样的固定装配工作；
[0019]步骤三:在承压筒一侧的锚杆上依次安装空心千斤顶、压力传感器、锚具及激振器，在承压筒另一侧的锚杆上安装应力波传感器，再将位移传感器安装到位移传感器支架上并调整到位；
[0020]步骤四:将水压栗的出水口与承压筒筒壁上的注水口相导通；
[0021]步骤五:通过水压栗向承压筒内注入高压水，通过高压水对试样施加围压，围压压力通过水压栗上的压力表进行读取；[〇〇22]步骤六:通过空心千斤顶顶撑锚具，进而对锚杆施加拉拔力，拉拔力通过压力传感器进行测量，同时通过位移传感器测量锚杆在拉拔过程中的位移量，通过应变片测量锚杆的变形量，通过声发射探头定位锚杆与类围岩体界面损伤区；[〇〇23]步骤七:在固定拉拔力下或拉拔过程中，通过激振器向锚杆中输入应力波，应力波在锚杆内传播直到被锚杆另一端的应力波传感器接收，并通过应力波传感器输出应力波曲线；
[0024]步骤八:基于拉拔试验中测得的围压压力数据、拉拔力数据、锚杆位移量数据及锚杆变形量数据，对围压作用下的锚杆和类围岩体剪切-位移关系进行分析，并结合应力波曲线数据进行受力条件下锚杆和类围岩体锚固质量的实时分析和无损检测；
[0025]步骤九:基于拉拔试验中测得的各项数据以及声发射探头测得的声发射数据，进行锚杆与类围岩体界面损伤区的定位，分析锚杆与类围岩体的相互作用。
[0026]本发明的有益效果:
[0027]本发明与现有技术相比，不但能够独立完成锚杆拉拔试验和应力波检测试验，而且能够完成拉拔状态下的锚杆应力波检测试验，同时在试验过程中满足围压的施加，为研究工作的进一步深入提供了必要手段。
【附图说明】
[0028]图1为本发明的一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置结构示意图；
[0029]图2为图1的俯视图；
[0030]图3为图2中I部放大图；
[0031 ]图中，I一承压筒，2—水压栗，3—空心千斤顶，4一激振器，5—法兰端盖，6—锚杆，7—类围岩体，8—密封挡块，9一密封圈，10—热缩管，11一注水口，12—锚具，13—应力波传感器，14 一调整垫片，15—定心乳胶套，16—移动架，17—固定架。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0033]如图1?3所示，一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置，包括承压筒1、水压栗2、空心千斤顶3及激振器4，所述承压筒I为圆柱筒形结构，在承压筒I两端筒口固定安装有法兰端盖5，承压筒I内部用于放置试样，试样为圆柱体结构，试样由锚杆6和类围岩体7组成，锚杆6固定黏结在类围岩体7中心，锚杆6两端延伸至承压筒I外部，在类围岩体7两端的锚杆6上套装有密封挡块8，在密封挡块8与承压筒I内筒壁之间加装有密封圈9，类围岩体7及密封挡块8外部包覆有热缩管10;在所述承压筒I的筒壁上开设有注水口 11，所述水压栗2的出水口与承压筒I筒壁上的注水口 11相连通;在所述承压筒I 一侧的锚杆6上固定安装有锚具12，所述空心千斤顶3位于承压筒I与锚具12之间且套装于锚杆6上，空心千斤顶3的底部壳体与法兰端盖5相接触，空心千斤顶3的顶杆上端面与锚具12相接触;所述激振器4安装在锚具12外侧的锚杆6端部，在承压筒I另一侧的锚杆6端部安装有应力波传感器13。
[0034]在所述锚杆6表面黏贴有应变片，通过应变片测量锚杆6的变形量。
[0035]在所述类围岩体7表面黏贴有声发射探头，通过声发射探头定位锚杆6与类围岩体7界面损伤区。
[0036]在所述空心千斤顶3的顶杆与锚具12之间加装有压力传感器，通过压力传感器测量锚杆6承受的拉拔力。
[0037]在所述承压筒I上安装有位移传感器支架，在位移传感器支架上安装有位移传感器，通过位移传感器测量锚杆6在拉拔过程中的位移量;所述位移传感器采用接触式位移传感器或非接触式激光位移传感器;当采用接触式位移传感器时，位移传感器与锚杆6平行设置，位移传感器的测量头与空心千斤顶3顶杆或锚具12顶靠接触在一起;当采用非接触式激光位移传感器时，位移传感器与锚杆6垂直设置，位移传感器发射的激光束垂直照射在锚杆 6表面。
[0038]在所述法兰端盖5与密封挡块8之间设置有调整垫片14。当试样的类围岩体7设计尺寸在轴向方向上发生改变时，可以通过增减调整垫片14来满足试样在承压筒1的正常安装。
[0039]在所述热缩管10外侧套装有定心乳胶套15,通过定心乳胶套15使试样轴心与承压筒1轴心保持对中。
[0040]所述承压筒1配装有移动架16,承压筒1设置在移动架16上，在移动架16底部安装有自锁式行走轮，承压筒1通过移动架16进行移动和定位。
[0041]所述空心千斤顶3配装有固定架17,空心千斤顶3设置在固定架17上，固定架17采用高度可调式结构，通过调整固定架17高度使空心千斤顶3轴心与试样轴心保持对中。 [〇〇42] 一种锚杆拉拔及应力波检测试验方法，采用了所述的锚杆拉拔及应力波检测试验装置，包括如下步骤:
[0043]步骤一:制备试样，首先在锚杆表面黏贴应变片，并利用热缩管对应变片进行保护，然后在黏贴有应变片的锚杆上完成类围岩体的浇注成型，再在类围岩体表面黏贴声发射探头，最后利用热缩管对黏贴有声发射探头的类围岩体进行整体密封；
[0044]步骤二:首先将承压筒1两端筒口的法兰端盖5卸下，再将制备好的试样送入承压筒1内，最后将法兰端盖5重新固装回承压筒1，完成试样的固定装配工作；
[0045]步骤三:在承压筒1 一侧的锚杆6上依次安装空心千斤顶3、压力传感器、锚具12及激振器4,在承压筒1另一侧的锚杆6上安装应力波传感器13,再将位移传感器安装到位移传感器支架上并调整到位；
[0046]步骤四:将水压栗2的出水口与承压筒1筒壁上的注水口 11相导通；
[0047]步骤五:通过水压栗2向承压筒1内注入高压水，通过高压水对试样施加围压，围压压力通过水压栗2上的压力表进行读取；[〇〇48]步骤六:通过空心千斤顶3顶撑锚具12,进而对锚杆6施加拉拔力，拉拔力通过压力传感器进行测量，同时通过位移传感器测量锚杆6在拉拔过程中的位移量，通过应变片测量锚杆6的变形量，通过声发射探头定位锚杆6与类围岩体7界面损伤区；[〇〇49]步骤七:在固定拉拔力下或拉拔过程中，通过激振器4向锚杆6中输入应力波，应力波在锚杆6内传播直到被锚杆6另一端的应力波传感器13接收，并通过应力波传感器13输出应力波曲线；
[0050]步骤八:基于拉拔试验中测得的围压压力数据、拉拔力数据、锚杆位移量数据及锚杆变形量数据，对围压作用下的锚杆6和类围岩体7剪切-位移关系进行分析，并结合应力波曲线数据进行受力条件下锚杆6和类围岩体7锚固质量的实时分析和无损检测；[〇〇51]步骤九:基于拉拔试验中测得的各项数据以及声发射探头测得的声发射数据，进行锚杆6与类围岩体7界面损伤区的定位，分析锚杆与类围岩体的相互作用。[〇〇52]实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
【主权项】
1.一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置，其特征在于:承压筒、水压栗、空心千斤顶及 激振器，所述承压筒为圆柱筒形结构，在承压筒两端筒口固定安装有法兰端盖，承压筒内部 用于放置试样，试样为圆柱体结构，试样由锚杆和类围岩体组成，锚杆固定黏结在类围岩体 中心，锚杆两端延伸至承压筒外部，在类围岩体两端的锚杆上套装有密封挡块，在密封挡块 与承压筒内筒壁之间加装有密封圈，类围岩体及密封挡块外部包覆有热缩管;在所述承压 筒的筒壁上开设有注水口，所述水压栗的出水口与承压筒筒壁上的注水口相连通;在所述 承压筒一侧的锚杆上固定安装有锚具，所述空心千斤顶位于承压筒与锚具之间且套装于锚 杆上，空心千斤顶的底部壳体与法兰端盖相接触，空心千斤顶的顶杆上端面与锚具相接触； 所述激振器安装在锚具外侧的锚杆端部，在承压筒另一侧的锚杆端部安装有应力波传感 器。2.根据权利要求1所述的一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置，其特征在于:在所述锚 杆表面黏贴有应变片，通过应变片测量锚杆的变形量。3.根据权利要求1所述的一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置，其特征在于:在所述类 围岩体表面黏贴有声发射探头，通过声发射探头定位锚杆与类围岩体界面损伤区。4.根据权利要求1所述的一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置，其特征在于:在所述空 心千斤顶的顶杆与锚具之间加装有压力传感器，通过压力传感器测量锚杆承受的拉拔力。5.根据权利要求1所述的一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置，其特征在于:在所述承 压筒上安装有位移传感器支架，在位移传感器支架上安装有位移传感器，通过位移传感器 测量锚杆在拉拔过程中的位移量;所述位移传感器采用接触式位移传感器或非接触式激光 位移传感器;当采用接触式位移传感器时，位移传感器与锚杆平行设置，位移传感器的测量 头与空心千斤顶顶杆或锚具顶靠接触在一起；当采用非接触式激光位移传感器时，位移传 感器与锚杆垂直设置，位移传感器发射的激光束垂直照射在锚杆表面。6.根据权利要求1所述的一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置，其特征在于:在所述法 兰端盖与密封挡块之间设置有调整垫片。7.根据权利要求1所述的一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置，其特征在于:在所述热 缩管外侧套装有定心乳胶套，通过定心乳胶套使试样轴心与承压筒轴心保持对中。8.根据权利要求1所述的一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置，其特征在于:所述承压 筒配装有移动架，承压筒设置在移动架上，在移动架底部安装有自锁式行走轮。9.根据权利要求1所述的一种锚杆拉拔及应力波检测试验装置，其特征在于:所述空心 千斤顶配装有固定架，空心千斤顶设置在固定架上，固定架采用高度可调式结构，通过调整 固定架高度使空心千斤顶轴心与试样轴心保持对中。10.—种锚杆拉拔及应力波检测试验方法，采用了权利要求1所述的锚杆拉拔及应力波 检测试验装置，其特征在于包括如下步骤:步骤一:制备试样，首先在锚杆表面黏贴应变片，并利用热缩管对应变片进行保护，然 后在黏贴有应变片的锚杆上完成类围岩体的浇注成型，再在类围岩体表面黏贴声发射探 头，最后利用热缩管对黏贴有声发射探头的类围岩体进行整体密封；步骤二:首先将承压筒两端筒口的法兰端盖卸下，再将制备好的试样送入承压筒内，最 后将法兰端盖重新固装回承压筒，完成试样的固定装配工作；步骤三:在承压筒一侧的锚杆上依次安装空心千斤顶、压力传感器、锚具及激振器，在承压筒另一侧的锚杆上安装应力波传感器，再将位移传感器安装到位移传感器支架上并调整到位； 步骤四:将水压栗的出水口与承压筒筒壁上的注水口相导通； 步骤五:通过水压栗向承压筒内注入高压水，通过高压水对试样施加围压，围压压力通过水压栗上的压力表进行读取； 步骤六:通过空心千斤顶顶撑锚具，进而对锚杆施加拉拔力，拉拔力通过压力传感器进行测量，同时通过位移传感器测量锚杆在拉拔过程中的位移量，通过应变片测量锚杆的变形量，通过声发射探头定位锚杆与类围岩体界面损伤区；步骤七:在固定拉拔力下或拉拔过程中，通过激振器向锚杆中输入应力波，应力波在锚杆内传播直到被锚杆另一端的应力波传感器接收，并通过应力波传感器输出应力波曲线；步骤八:基于拉拔试验中测得的围压压力数据、拉拔力数据、锚杆位移量数据及锚杆变形量数据，对围压作用下的锚杆和类围岩体剪切-位移关系进行分析，并结合应力波曲线数据进行受力条件下锚杆和类围岩体锚固质量的实时分析和无损检测； 步骤九:基于拉拔试验中测得的各项数据以及声发射探头测得的声发射数据，进行锚杆与类围岩体界面损伤区的定位，分析锚杆与类围岩体的相互作用。
【文档编号】G01N3/10GK106092749SQ201610390858
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月3日 公开号201610390858.2, CN 106092749 A, CN 106092749A, CN 201610390858, CN-A-106092749, CN106092749 A, CN106092749A, CN201610390858, CN201610390858.2
【发明人】朱万成, 于水生, 牛雷雷, 徐曾和, 魏晨慧, 魏炯, 于庆磊, 刘洪磊
【申请人】东北大学