一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置及试验方法与流程

本发明属于矿山模拟设备技术领域，具体涉及一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置及试验方法。

背景技术：

随着煤矿逐渐向深部开采，深部地下巷道受高地应力、高地温及高渗流即“三高”影响下，出现大量诸如：松软膨胀围岩巷道、破碎围岩巷道、受地温及地下水影响的巷道等复杂困难巷道，在作业前需要对这些复杂困难巷道进行巷道支护；锚固支护系统自被应用到矿山巷道支护以来，以其快速、高效、占用空间位置少、经济等优点得到工程技术人员的认可，目前已广泛应用于矿山、隧道、水利、边坡等岩土工程中。锚杆的锚固效果取决于对其锚固机制的理解，而锚杆作用机制是一个极为复杂的力学传递过程，尤其是对于节理岩体，锚杆对节理岩体的加固作用主要是增强岩体节理面的抗剪能力，阻止岩体沿节理面发生层间错动。影响锚杆对节理面加固效果的因素较多，如锚杆尺寸、钻孔直径、预紧力、注浆体及锚固岩体强度等。

然而，对于深部复杂困难巷道，受“三高”作用，使得锚杆支护研究受到新的挑战，深部地下巷道锚杆支护应用不能取得良好的效果。针对这些复杂困难巷道采用树脂锚固支护技术及时主动地控制围岩变形研究需要进一步深入。

中国专利申请号：201410813728.6《锚固材料高温拉拔实验装置及其实验方法》公开了一种锚固材料高温拉拔实验装置及其实验方法，该专利申请可以实现高温下锚固材料的拉拔实验，但是其所采用的技术方案仅模拟在温度影响下的拉拔试验，与真实的深部地层受“三高”影响下锚杆锚固体拉拔有一定的差距，不能真实模拟真实“三高”环境下的锚杆拉拔实验情况。

已公开的学术论文《水和温度对树脂锚杆锚固力的影响》及《全长预应力锚杆树脂锚固剂力学性能研究》中，是针对锚杆锚固在温度和水作用下的拉拔试验，但是将温度和水对锚杆锚固影响分别研究，同时也没有反映锚固体受围压的作用。而且在做温度对树脂锚杆锚固性影响试验中，温度控制并不精确。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术中对“三高”作用下的巷道锚杆拉拔试验装置的不足，本发明提供一种适用于模拟高地压、高地温及高渗流即“三高”作用下的锚杆拉拔试验装置及其监测系统，本发明在温度、渗流及地应力耦合作用下的锚杆拉拔试验装置能反映锚杆在深部地下巷道实际支护环境，通过光纤光栅应变传感器能深入研究锚杆拉拔试验过程中的锚杆及锚固体的应力、应变，为深部地下巷道支护设计提供重要的理论依据，本发明能准确快速的模拟锚杆与锚固体之间的真实应力、应变的过程，从而能够客观反映被测试锚固材料在深部巷道内受“三高”作用下的真实力学状态和破坏特征。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置，试验装置的压力工作罐内放置有预制的混凝土，混凝土内预留有用于放置锚杆的锚杆孔，所述试验装置包括：供压机构、供渗机构和拉拔机构。

供压机构，包括橡胶水袋和水袋供水管，所述橡胶水袋包裹在混凝土的周向外部，所述水袋供水管贯穿压力工作罐并连通橡胶水袋，用于模拟巷道内的围岩压力。

供渗机构，包括渗流压力储水箱和渗流压力供水管，所述渗流压力储水箱固定在混凝土的上侧，所述渗流压力储水箱底部设有渗水孔，所述渗流压力供水管贯穿压力工作罐并连通渗流压力储水箱，用于模拟巷道内的渗透压力。

拉拔机构，包括固定板和拉拔装置，所述固定板位于所述压力工作罐的上侧，所述拉拔装置位于固定板上，所述锚杆贯穿固定板和拉拔装置，拉拔装置对锚杆进行拉拔，用于模拟锚杆所承受的拉拔力。

在如上所述的一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置，优选，所述水袋供水管上设有水温水压控制仪，用于控制流向所述橡胶水袋内水的流量和温度。

在如上所述的一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置，优选，所述供渗机构还包括渗流压力控制仪，所述渗流压力控制仪设置在所述渗流压力供水管上，用于控制流向所述渗流压力储水箱内水气的流量。

在如上所述的一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置，优选，所述拉拔机构还包括轴向位移测量装置和压力传感器；

优选地，所述拉拔装置为千斤顶；所述固定板包括上固定板和下固定板，所述锚杆贯穿上固定板，锚杆通过锁具固定在上固定板上，所述下固定板位于所述压力工作罐的上侧，下固定板与压力工作罐的连接处设有压力传感器；下固定板的上侧中部设有空心柱塞的千斤顶，千斤顶左右两侧的下固定板上均设有轴向位移测量装置。

在如上所述的一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置，优选，所述锚杆的上部从上至下依次贯穿上固定板、千斤顶的柱塞腔体、下固定板、工作罐的上盖板和渗流压力储水箱；所述锚杆的下部位于所述锚杆孔内，锚杆与锚杆孔的内侧壁间设有间隙，间隙内注有锚固剂；所述锚杆的下部设有安装槽，所述安装槽内设有光纤光栅应变传感器。

在如上所述的一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置，优选，所述轴向位移测量装置为振弦式钢筋应力计，振弦式钢筋应力计的底部位于下固定板上，振弦式应力计的顶部顶靠上固定板。

在如上所述的一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置，优选，所述混凝土为圆柱状带锚杆孔的混凝土，混凝土的尺寸为外径120-180mm、高280mm，锚杆孔的尺寸为直径36-42mm、高250mm。

在如上所述的一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置，优选，所述压力工作罐为圆柱形压力工作罐，圆柱形压力工作罐的尺寸为直径300-400mm、高350mm，压力工作罐承受的最高压力为30mpa，且所述压力工作罐上设有释放压力的出气阀。

在如上所述的一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置，优选，所述混凝土和渗流压力储水箱的外侧包裹有塑封膜，所述渗流压力供水管贯穿塑封膜与渗流压力储水箱连通，用于防止渗流漏水。

一种使用上述任一项所述模拟深部地层锚杆拉拔试验装置的试验方法，所述试验方法包括如下步骤：

步骤一，混凝土试件的制备：

根据煤矿巷道的现场岩石力学性能选取混凝土浆液的配比，然后将混凝土浆液注入到模具中塑形并在常温下养护，养护好的混凝土进行脱模，在养护好的混凝土上先钻取放置锚杆的锚杆孔，得到混凝土试件，备用；

步骤二，锚杆试件的制备：

在锚杆试件下部利用车床铣出一个安装槽，然后在安装槽中设置光纤光栅应变传感器，并用硅胶进行封装，得到锚杆试件，备用；

步骤三，拉拔实验装置的安装：

先将步骤二制得的锚杆试件放置到步骤一制得的混凝土试件的锚杆孔内，并放入锚固剂，待锚杆在锚杆孔内锚固后将带有锚杆的混凝土试件放置到压力工作罐中；

将渗流压力供水管的出水端贯穿塑封膜和渗流压力储水箱的箱体后与渗流压力储水箱的储水腔连通；

通过水袋供水管向橡胶水袋中进行供水，橡胶水袋将混凝土进行包裹挤压，再通过水文水压控制仪来对水袋供水管中的水温和水压进行控制，达到测量所需的温度和压力，将压力工作罐进行封闭，然后打开压力工作罐上的出气阀，再持续向橡胶水袋中充入水压，直至达到试验所需围压；

将压力传感器、空心柱塞的千斤顶、锁具和固定板依次固定在锚杆上，并在下固定板上安装轴向位移测量装置；

将压力传感器和光纤光栅应变传感器分别连接各自相应的记录仪；

步骤五，试验的操作和数据的记录：

打开渗流压力控制仪和水文水压控制仪给混凝土试件施加渗透压力和一定温度下的模拟围岩压力，利用空心柱塞的千斤顶对锚杆施加不同的加压方式，直至锚杆从混凝土试件中被完全拔出，观察并记录在拔出过程中的锚杆的应力和应变以及锚杆的轴向位移的距离。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明通过橡胶水袋对混凝土试件的包裹挤压来模拟巷道内一定温度下的围岩压力，通过渗流压力储水箱内的渗流水对混凝土试件的持续渗流来模拟巷道内的渗流压力，然后通过空心柱塞的千斤顶对锚杆进行拉拔来模拟锚杆在巷道内承受的拉拔力，并在此过程中通过轴向位移测量装置来测量拉拔的距离，通过压力传感器来记录空心柱塞千斤顶所施压的拉拔力，通过轴向位移测量装置来测量拉拔的距离，通过光纤光栅应变传感器来记录拉拔过程中锚杆的应力应变；本发明相比现有技术还具有如下积极的技术效果：

1.本发明的试验装置制作较为简单，试验方法操作较为便捷。

2.实现锚固体在高应力、高地温及高渗流作用下的拉拔测试，客观地反映了被测试锚固材料在深部巷道受“三高”作用下的力学状态和破坏特征。

3.在锚杆拉拔试验中，利用光纤光栅应变传感器进行监测更加准确和高效。

附图说明

图1为本发明实施例中锚固拉拔试验装置的结构示意图；

图2为图1的锚杆的结构示意图；

图3为图1的带锚杆孔的混凝土的示意图。

图中：1、锁具；2、千斤顶；3、压力传感器；4、锚杆；5、锚固剂；6、混凝土；7、塑封膜；8、橡胶水袋；9、渗流压力控制仪；10、轴向位移测量装置；11、压力工作罐；12、水温水压控制仪；13、光纤光栅应变传感器；14、锚杆孔；15、上固定板；16、下固定板；17、水袋供水管；18、出气阀；19、渗流压力供水管；20、渗流压力储水箱。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1-3所示，本发明提供一种模拟深部地层锚杆拉拔试验装置，试验装置的压力工作罐11内放置有预制的混凝土6，混凝土6内预留有用于放置锚杆4的锚杆孔14，试验装置包括：供压机构、供渗机构和拉拔机构；

供压机构，包括橡胶水袋8、水袋供水管17和水温水压控制仪12，橡胶水袋8包裹在混凝土6的周向外部，水袋供水管17贯穿压力工作罐11并连通橡胶水袋8，水袋供水管17上设有水温水压控制仪12，用于控制流向橡胶水袋8内水的流量和温度；水温水压控制仪12对水温的控制可以采用温控加热棒对水袋供水管17中的水进行加热，通过调节温控加热棒来对水温进行实时的控制，从而稳定试验所需温度，同时通过调整水温水压控制仪12来控制水压的大小，从而将水压稳定在试验所需压力，这个过程可以模拟在一定温度下的煤矿巷道内的锚杆4所承受的围岩压力。

供渗机构，包括渗流压力储水箱20、渗流压力供水管19和渗流压力控制仪9，渗流压力储水箱20固定在混凝土6的上侧，渗流压力储水箱20底部设有渗水孔；渗流压力供水管19贯穿压力工作罐11并连通渗流压力储水箱20，混凝土6和渗流压力储水箱20的外侧包裹有塑封膜7，渗流压力供水管19贯穿塑封膜7与渗流压力储水箱20连通，用于防止渗流漏水；渗流压力供水管19上设有渗流压力控制仪9，本实施例中渗流压力控制仪9为shineeast气液增压泵，用于控制流向渗流压力储水箱20内水气的流量；本实施例中，压力工作罐11可以为圆柱形，压力工作罐11的尺寸为直径300-400mm(如300mm、320mm、340mm、350mm、360mm、380mm、390mm、400mm)，高350mm，压力工作罐11的上部为带有与锚杆4直径相匹配的锚杆4贯通孔的上盖板，上盖板通过紧固螺栓固定在压力工作罐11上，出气阀18设置在上盖板上，同时压力传感器3设置在上盖板的上侧，压力工作罐11能够承受不低于30mpa的压力。

拉拔机构，包括固定板、千斤顶2、轴向位移测量装置10和压力传感器3，固定板包括上固定板15和下固定板16，上固定板15和下固定板16可以选用中部带孔的圆盘形钢板，中部的孔的直径能够保证锚杆4顺利穿过，；锚杆4贯穿上固定板15，锚杆4通过锁具1固定在上固定板15上，下固定板16位于压力工作罐11的上侧，下固定板16与压力工作罐11的连接处设有压力传感器3；下固定板16的上侧中部设有空心柱塞的千斤顶2，千斤顶2左右两侧的下固定板16上均设有轴向位移测量装置10，本实施例中轴向位移测量装置10为振弦式钢筋应力计，振弦式钢筋应力计的底部位于下固定板16上，振弦式应力计的顶部顶靠上固定板15，振弦式钢筋应力计相对下固定板16静止，锚杆4通过锁具1固定在上固定板15上，当千斤顶2开始启动后，锚杆4与上固定板15一起相对向下移动，上盖板对振弦式钢筋应力计进行挤压，振弦式钢筋应力计电连接振弦读数仪，这时振弦读数仪就可以同步测量出锚杆4被拉拔出的长度。

锚杆4的上部从上至下依次贯穿上固定板15、千斤顶2的柱塞腔体、下固定板16、工作罐的上盖板和渗流压力储水箱20，锚杆4的下部位于锚杆孔内14，锚杆4与锚杆孔14的内侧壁间设有8-20mm(如8mm、9mm、10mm、12mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm)的间隙，这个距离可以在保证锚固强度的前提下节省锚固剂的使用量，间隙内注有锚固剂5，这可以模拟在煤矿巷道支护中的锚杆4支护方式；锚杆4的下部设有安装槽，安装槽可以通过车床工进行铣出；安装槽内设有光纤光栅应变传感器13，光纤光栅应变传感器13电连接光纤光栅调节仪。同时混凝土6为圆柱状带锚杆孔14的混凝土6，混凝土6的尺寸为外径120-180mm(如120mm、125mm、130mm、135mm、140mm、145mm、150mm、160mm、170mm、180mm)，高280mm，锚杆孔14的尺寸为直径36-42mm(如36mm、38mm、39mm、40mm、41mm、42mm)，高250mm，

使用上述模拟深部地层锚杆4拉拔试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤一，混凝土6试件的制备：根据煤矿巷道的现场岩石力学性能选取混凝土6浆液的配比，此处可以提前测定好所要试验的具体的巷道岩壁的岩石力学性能，进而再确定混凝土6浆液的溶液配比，混凝土6的配比然后将混凝土6浆液注入到模具中塑形并在常温下养护28天，养护好的混凝土6进行脱模，在养护好的混凝土6上先钻取放置锚杆4的锚杆孔14，得到混凝土6试件，备用。

步骤二，锚杆4试件的制备：

在锚杆4试件下部利用车床铣出一个安装槽，然后在安装槽中设置光纤光栅应变传感器13，并用硅胶进行封装，得到锚杆4试件，备用。

步骤三，拉拔实验装置的安装：

先将步骤二制得的锚杆4试件放置到步骤一制得的混凝土6试件的锚杆孔14内，并放入锚固剂5，待锚杆4在锚杆孔14内锚固后将带有锚杆4的混凝土6试件放置到压力工作罐11中，然后将压力工作罐11的上盖板穿过锚杆4，再利用固定螺栓将上盖板与压力工作罐11的罐体密封为一体。

将渗流压力供水管19的出水端贯穿塑封膜7和渗流压力储水箱20的箱体后与渗流压力储水箱20的储水腔连通。

通过水袋供水管17向橡胶水袋8中进行供水，橡胶水袋8将混凝土6进行包裹挤压，再通过水文水压控制仪来对水袋供水管17中的水温和水压进行控制，达到测量所需的温度和压力，将压力工作罐11进行封闭，然后打开压力工作罐11上的出气阀18，再持续向橡胶水袋8中充入水压，直至达到试验所需围压。

将压力传感器3、空心柱塞的千斤顶2、锁具1和固定板依次固定在锚杆4上，并在下固定板16上安装轴向位移测量装置10。

将压力传感器3和光纤光栅应变传感器13分别连接各自相应的记录仪；

步骤五，试验的操作和数据记录：打开渗流压力控制仪9和水文水压控制仪给混凝土6试件施加渗透压力和一定温度下的模拟围岩压力，利用空心柱塞的千斤顶2对锚杆4施加不同的加压方式，直至锚杆4从混凝土6试件中被完全拔出，观察并记录在拔出过程中的锚杆4的应力和应变以及锚杆4的轴向位移的距离。

实施例2

如图1所示，在本实施例中，为了保证锚杆4在拉拔试验过程中所承受的力为竖直的轴向力，在试验装置上设置水平仪，具体做法为：在实施例1中的试验装置的基础上，在上固定板15的正面和压力工作罐11的罐体的正面均设置气泡式或者是指针式的水平仪，且水平仪分别位于锚杆4正面所对的上固定板的正面和压力工作罐15的正面，早具体试验的过程中，当锚杆所承受的力为非竖直轴向的力时，指针或者气泡将会同步进行显示，从而为试验人员矫正施加力的方向提供依据。本实施例中的其它试验装置的结构与实施例1相同，在此不再赘述综上，，本发明利用可以控制水温水压的橡胶水袋8对混凝土6的挤压力来模拟巷道内围岩的一定温度下的围压，利用可以控制渗流速度的渗流压力储水箱20来模拟巷道内一定的渗流压力，再利用空心柱塞的千斤顶2对锚杆4的拉拔来模拟在锚杆4支护中锚杆4所承受的拉拔力，并在此过程中分别利用相应的传感器和记录仪来记录在拉拔过程中的锚杆4的应力和应变过程，并对记录的数据进行分析，从而为深部地下巷道的支护设计提供相应的准确的理论依据。

综上，本发明还具有如下有益效果：

本发明通过橡胶水袋对混凝土试件的包裹挤压来模拟巷道内一定温度下的围岩压力，通过渗流压力储水箱内的渗流水对混凝土试件的持续渗流来模拟巷道内的渗流压力，然后通过空心柱塞的千斤顶对锚杆进行拉拔来模拟锚杆在巷道内承受的拉拔力，并在此过程中通过轴向位移测量装置来测量拉拔的距离，通过压力传感器来记录空心柱塞千斤顶所施压的拉拔力，通过轴向位移测量装置来测量拉拔的距离，通过光纤光栅应变传感器来记录拉拔过程中锚杆的应力应变。

本发明的试验装置制作较为简单，试验方法操作较为便捷。本发明能实现锚固体在高应力、高地温及高渗流作用下的拉拔测试，客观地反映了被测试锚固材料在深部巷道受“三高”作用下的力学状态和破坏特征。本发明在锚杆拉拔试验中，利用光纤光栅应变传感器进行监测更加准确和高效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。