锚杆锚固质量测试仿真实验台研发应用

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摘要：针对现场锚杆锚固质量检测的局限性，设计研发了锚杆锚固质量测试仿真实验台。该实验台由固定架、锚固装置、拉拔装置组成。根据相关理论确定实验台各装置的合理参数，完成实验装置的设计。该实验台具有对锚杆锚固过程进行模拟、对锚固质量进行无损检测、对锚固体的力学性能进行测试等功能。应用结果表明，该实验台可以达到设计目标，满足锚固质量无损检测和锚固施工过程模拟要求。

关键词：实验台设计；锚杆锚固；锚固质量；锚杆拉拔

引言

锚杆支护作为煤矿巷道的一种主动支护方式，降低了巷道支护成本，提高了巷道支护的效果，简化了支护工艺，为工作面快速推进创造了条件。在锚杆支护中锚固质量决定着巷道围岩的稳定性。如何对巷道的稳定性进行评价并提前采取预警措施、减少灾害的发生，一直是巷道支护工程亟待解决的问题。随着我国煤矿的开采深度逐渐加大，受高应力、围岩性质等因素的影响，在同一条巷道中，即使有少数锚杆拉拔力不能满足设计要求，仍可能引起巷道垮落、冒顶等事故。目前，多数锚杆受力状态和锚固质量检测仍停留在破坏锚固孔围岩的试验阶段，这种监测方法既费时又费力，对锚固的围岩体存在干扰。如果能对拉拔力进行无损检测，必将减轻工人劳动强度，节约支护成本，有利于煤矿安全生产。因此，应用相关理论知识，结合现场实际情况，研发了一种锚杆锚固质量测试仿真实验台，并进行了应用测试。

1基于相似理论确定实验台相关参数

（1）相似条件与相似比实验台用于模拟煤矿井下锚固体的锚固质量测试，为了获得准确的测试结果，需要使实验台各参数的相似条件最大程度地满足原型，因此实验时使用矿用螺纹钢锚杆和树脂锚固剂，围岩模型所用材料与巷道围岩的强度相似。考虑到锚杆的工作环境，实验台的设计需满足时间、几何等相似条件。锚杆锚固后受力变形受巷道围岩应力的影响，利用拉拔装置模拟煤矿巷道锚杆受力情况，因此在实验室测试锚杆锚固质量时，施加拉拔力需要满足相似条件。相似条件是指在模拟锚杆锚固实验时，围岩模型变形速度与巷道围岩形变速度的相似性。速度和时间的相似性计算应以实际巷道围岩变形特征为依据，油缸的加载速度通过现场检测和相关理论可以确定vR和CV的取值，从而得到油缸动力加载的合理速度。（2）相似参数的确定实验台可以放置不同长度围岩模型，并满足煤矿巷道施工时的最大锚固长度，选择合适的高度方便实验操作，通过几何相似条件确定实验台的尺寸（长×宽×高）为2000mm×1000mm×1000mm。围岩模型根据实验要求选用不同的直径、长度的PVC管，在其内部浇注相似模拟材料。围岩模型采用的相似材料由与巷道中煤、岩力学性能相似的材料配制而成，例如C60强度的岩石由砂、硅灰、减水剂、粉煤灰、水泥、砾石、水按照一定配比混合制作而成，其他围岩模型材料通过对应材料配比进行配置。在围岩模型制作时，根据实验要求在其中部留设不同直径、深度的锚固孔。

2锚杆锚固质量测试仿真实验台设计

实验台以相似准则为理论依据、结合实验目的确定各个装置的合理参数，实现试验台的各功能，并满足机械设计的总体要求。实验台主要由固定架、锚固装置、拉拔装置组成。实验台遵循模块化设计理念，根据实验要求进行相关模块的拼装，具有操作便捷、便于移动、占地面积小等优点。（1）固定架的设计固定架结构如图1所示。固定架用于支撑和固定相关实验装置，主要是由支腿、上框架和下框架构成，4个支腿分别焊接于上、下框架的4个角，上、下框架相互平行放置，支腿下端安装底座，通过螺栓将底座固定于实验地面，满足相关实验的稳定性要求。固定架的前端为安装板，用于安装环形油缸等相应的实验装置；固定架的上部有固定板，用于固定不同类型的围岩模型。上、下框架分别设有固定手动油泵、压力表、钢管夹具等装置的接口。（2）锚固装置的设计锚固装置包括手持式锚杆钻机、空气压缩机和锚杆连接器等装置，用于将锚杆锚固于锚固孔内。主要操作步骤：将锚固孔模型固定于固定架的固定板上，将树脂锚固剂塞入锚固孔内；其次，手持式锚杆钻机夹紧锚杆连接器小直径的一端，锚杆连接器的另一端夹紧锚杆尾部，通过锚杆钻机带动锚杆在锚固孔内搅拌树脂锚固剂，实现锚杆的锚固。空气压缩机为锚杆钻机提供动力。（3）拉拔装置的设计拉拔装置用于对锚固后的锚杆进行拉拔力测试，主要由环形油缸、手动油泵和压力表组成。拉拔装置固定在固定架上，其工作原理：在锚杆的外露端靠近锚固孔的位置安放1个锚杆托盘，锚杆穿过环形油缸，在外端再加1个锚杆托盘并用螺母拧紧达到预紧的效果。环形油缸在手动油泵的逐渐加压下，使锚杆所受的拉力逐渐增大，并缓慢将锚杆从锚固孔内拉出，压力表实时显示拉拔力，最终完成锚杆拉拔实验的模拟。手动油泵最大可以施加拉拔力300kN，环形油缸最大伸缩量为60mm。

3锚杆锚固质量测试仿真实验台应用

（1）锚杆锚固过程的模拟在实验台进行锚杆锚固前，先进行锚固孔模型的制作。首先将相应模拟材料按设定好的配比制作成浆液，将浆液浇入大直径的PVC管中，PVC管的中心有一段直径较小的PVC管用来形成锚固孔，通常锚固孔直径为准26～30mm；待砂浆固化至一定层度后，慢慢地将细PVC管抽出来，等其完全凝固，带有锚固孔的围岩模型便制作完成。将制作好的锚固孔模型通过弧形夹具固定于固定架上，联接锚固装置，在锚固孔内塞入树脂锚固剂，用手持式锚杆钻机带动锚杆搅拌树脂锚固剂，完成锚杆锚固。（2）锚杆锚固质量无损检测锚杆锚固完成后，在锚杆外露端安装拉拔装置，采用拉拔装置模拟煤矿巷道锚杆受力，将手动油泵放置在实验台上部，通过压手动油泵摇杆来给环形油缸施加压力。接下来进行锚杆锚固质量的无损检测模拟实验，具体操作步骤：将传感器安装于锚杆尾部，通过手动油泵对环形油缸进行加压，油缸压力每增加10kN用力锤敲击锚杆端头1次。在实验时尽量减少不必要的扰动，传感器实时接收锚杆传递的信号。接收信号通过无损检测仪处理后得到响应曲线，如图2所示。（3）锚杆锚固的拉拔力分析锚杆锚固质量的无损检测模拟实验完成后，继续对锚杆端部施加拉拔力，使得围岩-锚固剂界面或锚杆-锚固剂界面的黏结力达到极限状态，随着压力的增加围岩被破坏，锚杆逐渐从锚固模型中拉出。在锚杆体拉拔的过程中，得到锚杆伸长量和承载力之间的关系，如图3所示。当锚杆承载力约为30kN时，锚固孔附近逐渐开始出现小的裂缝；当加载至65kN时锚固孔附近裂缝逐渐变大；加载至78kN时，锚杆伸长量达到1.8cm，之后压力值明显降低，表明锚杆达到了极限拉拔力。

4结语

该实验台可以完成锚杆锚固过程和锚固体拉拔过程的模拟，以及锚杆锚固质量无损检测等实验，并对其进行力学分析，满足现场锚杆锚固施工过程和锚固质量检测仿真教学和科研要求。应用结果表明，该实验台能够良好地完成实验，达到理想的实验目标。本文只进行了锚杆锚固拉拔模拟、锚杆锚固质量的无损检测，目前无法实现改变围岩的应力，将会在之后工作中做进一步深入研究，不断完善该试验。

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作者：吕情绪 单位：国家能源集团 神东煤炭集团