一种用于测试锚杆弯曲载荷的试验台及测试方法

摘要

本发明涉及矿山支护技术领域，具体涉及了一种用于测试锚杆弯曲载荷的试验台及测试方法。该试验台通过在工作测试台上设有钻孔模型，锚杆一端插入钻孔模型以形成锚固段和自由段；偏转装置套装于锚杆的钻孔模型外露端，用于使锚杆发生弯曲变形，锚杆在钻孔模型的孔口处形成第一弯曲部，在锚固段与自由段的分界面处形成第二弯曲部，弯曲应力计分别安装于第一弯曲部和第二弯曲部处，用于测试锚杆的弯曲应力。在实验室内实现对锚杆在不同安装角度时承受的弯曲载荷的测试，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。

权利要求

1.一种用于测试锚杆弯曲载荷的试验台，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)、弯曲应力计(104)和偏转装置(4)，所述工作测试台(2)上设有钻孔模型，所述锚杆(5)一端插入钻孔模型以形成锚固段(22)与自由段(21)，所述偏转装置(4)套装于锚杆(5)的钻孔模型外露端，用于使所述锚杆(5)发生弯曲变形，所述锚杆(5)在钻孔模型的孔口处形成第一弯曲部，在锚固段(22)与自由段(21)的分界面处形成第二弯曲部，所述弯曲应力计(104)分别安装于第一弯曲部和第二弯曲部位置，用于测试锚杆(5)的弯曲应力；

所述锚杆(5)一端插入钻孔模型，并在钻孔模型的孔底段通过锚固剂与其孔壁粘结形成锚固段(22)，在不与其孔壁粘结的孔口段形成自由段(21)；所述钻孔模型的孔壁为煤岩体物理模型(93)；

所述锚固段(22)内的煤岩体物理模型(93)钻孔中装有锚固剂，所述锚杆(5)通过锚固剂与煤岩体物理模型(93)粘结在一起，改变钻孔模型内锚固剂的装入量，可改变锚固段与自由段长度，从而改变锚固段与自由段分界面位置。

2.根据权利要求1所述的用于测试锚杆弯曲载荷的试验台，其特征在于，所述偏转装置(4)包括斜垫板(41)和托盘(42)，所述托盘(42)固定套设于位于钻孔模型外的锚杆(5)上，所述斜垫板(41)安装于钻孔模型的孔口处，用于改变所述托盘(42)安装面与钻孔模型轴线之间的夹角。

3.根据权利要求2所述的用于测试锚杆弯曲载荷的试验台，其特征在于，所述斜垫板(41)安装于钻孔模型的孔口处，且位于托盘(42)与冲击梁(62)之间。

4.根据权利要求3所述的用于测试锚杆弯曲载荷的试验台，其特征在于，所述斜垫板(41)为斜面体结构。

5.根据权利要求4所述的用于测试锚杆弯曲载荷的试验台，其特征在于，所述斜垫板(41)的法线与钻孔轴线的倾斜度0°-75°。

6.一种根据权利要求1中所述的用于测试锚杆弯曲载荷的试验台的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将待测的锚杆锚固于工作测试台的钻孔模型内，在钻孔模型的孔口段形成自由段，在钻孔模型的孔底段形成锚固段；

S2、通过偏转装置对锚杆施加弯曲载荷，使锚杆在钻孔模型的孔口处形成第一弯曲部和在自由段与锚固段之间分界面处形成第二弯曲部；

S3、通过弯曲应力计分别测试第一弯曲部和第二弯曲部的弯曲应力；

在步骤S1所述的钻孔模型的全长为煤岩体物理模型，锚固段长度随钻孔模型内装入锚固剂的数量变化可随意调整，直至进行钻孔模型全长锚固。

7.一种根据权利要求2-5中任一项所述的用于测试锚杆弯曲载荷的试验台的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将待测的锚杆锚固于工作测试台的钻孔模型内，在钻孔模型的孔口段形成自由段，在钻孔模型的孔底段形成锚固段；

S2、通过偏转装置对锚杆施加弯曲载荷，使锚杆在钻孔模型的孔口处形成第一弯曲部和在自由段与锚固段之间分界面处形成第二弯曲部；

S3、通过弯曲应力计分别测试第一弯曲部和第二弯曲部的弯曲应力；

在步骤S1所述的钻孔模型的全长为煤岩体物理模型，锚固段长度随钻孔模型内装入锚固剂的数量变化可随意调整，直至进行钻孔模型全长锚固。

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，在步骤S2所述通过改变斜垫板的倾斜角度，以改变钻孔模型轴线与托盘安装表面的夹角，使锚杆受到不同的弯曲载荷。

说明书

一种用于测试锚杆弯曲载荷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，尤其涉及一种用于测试锚杆弯曲载荷的试验台及应用其测试锚杆弯曲载荷的方法。

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，锚杆安装钻孔轴线与围岩表面形成不同角度，安装托盘拧紧螺母时，锚杆杆体轴线向围岩表面法线方向偏转，在锚固段与自由段分界面处和钻孔孔口处发生弯曲，杆体承受弯曲载荷，直接影响锚杆的实际综合承载能力。研究锚杆承受的弯曲载荷，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] 研究锚杆工作过程中承受弯曲载荷时的力学性能的方法主要有两大类：井下试验与实验室试验。

[0005] 井下试验主要测试的锚杆的轴向受力，只能反映锚杆在各种应力综合作用下形成的轴向应力或轴向载荷大小，无法区分实际载荷对锚杆的作用方式及幅度，也不能测试钻孔轴线与围岩表面倾斜时，杆体弯曲部位承受的弯曲载荷。因不能重新揭露钻孔中的锚杆，也不能测试锚杆杆体在弯曲载荷作用下的实际变形。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进行锚杆杆体材料试件的拉伸、弯曲、扭转、剪切及材料冲击的单项试验，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，室内单项试验只反映锚杆材料的单一力学指标，无法模拟锚杆在安装钻孔与围岩表面的夹角变化时的受力情况，无法测试出锚杆在不同安装角度下承受的弯曲载荷。

[0007] 因此，针对以上不足，需要一种能够在实验室内模拟钻孔轴线与围岩表面形成不同角度时，使锚杆发生弯曲的试验台及应用该试验台准确有效地测试出锚杆承受的弯曲载荷的方法。

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用于测试锚杆弯曲载荷的试验台及测试方法，使得能够在实验室内模拟锚杆在不同安装角度下发生弯曲，能够准确有效地测试出锚杆承受的弯曲载荷，并可对锚杆弯曲部位的变形进行剖切观察。

[0010] (二)技术方案

[0011] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于测试锚杆弯曲载荷的试验台，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、弯曲应力计和偏转装置，所述工作测试台上设有钻孔模型，所述锚杆一端插入钻孔模型以形成锚固段与自由段，所述偏转装置套装于锚杆的钻孔模型外露端，用于使所述锚杆发生弯曲变形，所述锚杆在钻孔模型的孔口处形成第一弯曲部，在锚固段与自由段的分界面处形成第二弯曲部，所述弯曲应力计分别安装于第一弯曲部和第二弯曲部位置，用于测试锚杆的弯曲应力。

[0012] 其中，所述偏转装置包括斜垫板和托盘，所述托盘固定套设于位于钻孔模型外的锚杆上，所述斜垫板安装于钻孔模型的孔口处，用于改变所述托盘安装面与钻孔模型轴线之间的夹角。

[0013] 其中，所述斜垫板安装于钻孔模型的孔口处，且位于托盘与冲击梁之间。

[0014] 其中，所述斜垫板为斜面体结构。

[0015] 其中，所述斜垫板的法线与钻孔轴线的倾斜度0°-75°。

[0016] 其中，所述锚杆一端插入钻孔模型，并在钻孔模型的孔底段通过锚固剂与其孔壁粘结形成锚固段，在不与其孔壁粘结的孔口段形成自由段。

[0017] 其中，所述锚固段内的煤岩体物理模型钻孔中装有锚固剂，所述锚杆通过锚固剂与煤岩体物理模型粘结在一起。

[0018] 本发明还提供一种用于测试锚杆弯曲载荷的试验台的测试方法，包括如下步骤：

[0019] S1、将待测的锚杆锚固于工作测试台的钻孔模型内，在钻孔模型的孔口段形成自由段，在钻孔模型的孔底段形成锚固段；

[0020] S2、通过偏转装置对锚杆施加弯曲载荷，使锚杆在钻孔模型的孔口处形成第一弯曲部和在自由段与锚固段之间分界面处形成第二弯曲部；

[0021] S3、通过弯曲应力计分别测试第一弯曲部和第二弯曲部的弯曲应力。

[0022] 其中，在步骤S2所述通过改变斜垫板的倾斜角度，以改变钻孔模型轴线与托盘安装表面的夹角，使锚杆受到不同的弯曲载荷。

[0023] 其中，在步骤S1所述的钻孔模型的全长为煤岩体物理模型，锚固段长度随钻孔模型内装入锚固剂的数量变化可随意调整，直至进行钻孔模型全长锚固。

[0024] (三)有益效果

[0025] 本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明用于测试锚杆弯曲载荷的试验台实现在实验室内模拟锚杆在安装钻孔与煤岩体表面夹角变化时的弯曲受力情况；实现在实验室内对锚杆弯曲载荷的测试，并可对锚杆弯曲部位的变形进行剖切观察，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。

附图说明

[0026] 图1为本发明实施例用于测试锚杆弯曲载荷的试验台的剖视图。

[0027] 其中，2：工作测试台；4：偏转装置；5：锚杆；21：自由段；22：锚固段；41：斜垫板；42：托盘；62：冲击梁；93：煤岩体物理模型；104：弯曲应力计。

具体实施方式

[0028] 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。

[0029] 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；除非另有说明，“缺口状”的含义为除截面平齐外的形状。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。

[0030] 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。

[0031] 如图1所示，本实施例所述的用于测试锚杆弯曲载荷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、弯曲应力计104和偏转装置4，工作测试台2设有钻孔模型，锚杆5一端插入钻孔模型以形成自由段21和锚固段22；偏转装置4套装于锚杆5外，偏转装置4位于工作测试台2钻孔模型的孔口处，用于使锚杆5发生弯曲变形，锚杆5在钻孔模型的孔口处形成第一弯曲部，在锚固段22与自由段21的分界面处形成第二弯曲部，弯曲应力计104分别安装于第一弯曲部和第二弯曲部处，用于测试锚杆5的弯曲应力。该试验台实现在实验室内模拟锚杆在安装钻孔与煤岩体表面夹角变化时的弯曲受力情况。

[0032] 钻孔模型事先并不划分锚固段和自由段。锚固段和自由段长度是由使用的锚固剂数量决定的。锚固剂增加时，锚固段范围自然延长，锚固剂用量足够时，钻孔内的锚杆可全部与孔壁粘结，即进行全长锚固。

[0033] 而且，偏转装置4包括斜垫板41和托盘42，托盘42固定套设于锚杆5外，托盘42位于工作测试台2的钻孔模型的孔口处，斜垫板41位于托盘42与工作测试台2之间，斜垫板41的倾斜面成为锚杆5托盘42的安装面，使用不同倾斜度的斜垫板41会使托盘42的安装面发生不同角度倾斜，从而改变托盘42安装面与钻孔模型轴线之间的夹角；斜垫板41对托盘42具有力的作用，锚杆5安装预紧时，托盘42带动锚杆5的自由段21轴线向斜垫板法线方向偏转；锚杆5在托盘42的带动下在钻孔模型的孔口处形成第一弯曲部，且在锚固段22与自由段21的分界面处形成第二弯曲部。

[0034] 优选地，为了实现整体一体化设置，斜垫板41设置于托盘42与冲击梁62之间；冲击梁62与锚杆5固定连接。斜垫板41优选为斜面体结构，斜垫板41的法线与钻孔轴线倾斜度可随意改变，优选为0°-75°；其中斜垫板41可以优选为倾斜角度为5°的斜面体结构；斜垫板41可以优选为倾斜角度为10°的斜面体结构；斜垫板41可以优选为倾斜角度为15°的斜面体结构；斜垫板41可以优选为倾斜角度为20°的斜面体结构；斜垫板41可以优选为倾斜角度为25°的斜面体结构；斜垫板41可以优选为倾斜角度为30°的斜面体结构；从而获知钻孔模型角度与杆体弯曲载荷的关系。

[0035] 优选地，锚杆5一端插入钻孔模型，并在钻孔模型的孔底段通过锚固剂与其孔壁粘结形成锚固段22，在不与其孔壁粘结的孔口段形成自由段21。

[0036] 而且，锚固段内的锚杆5通过锚固剂与煤岩体物理模型93固定粘结，进一步地，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。有效地模拟锚杆在支护时的真实情况，保证了测试数据的准确性。

[0037] 值得提出，改变钻孔模型内锚固剂的装入量，可改变锚固段与自由段长度，从而改变锚固段与自由段分界面位置，直至锚杆在钻孔模型内全长锚固，消除孔内弯曲点，使锚杆由两处弯曲转变为孔口一处弯曲受力。

[0038] 通过该用于测试锚杆弯曲载荷的试验台，可实现在实验室内对锚杆弯曲载荷的测试，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。

[0039] 本发明还提供了一种根据所述的用于测试锚杆弯曲载荷的试验台的测试方法，包括如下步骤：

[0040] S1、将待测的锚杆锚固于工作测试台的钻孔模型内，在钻孔模型的孔口段形成自由段，在钻孔模型的孔底段形成锚固段；

[0041] 其中，锚杆一端插入钻孔模型，并在钻孔模型的孔底段通过锚固剂与其孔壁粘结形成锚固段，在不与其孔壁粘结的孔口段形成自由段；

[0042] 进一步地，钻孔模型的全长为煤岩体物理模型，锚固段长度随钻孔模型内装入锚固剂的数量变化可随意调整，直至进行钻孔模型全长锚固。锚杆通过锚固剂搅拌锚固于煤岩体物理模型内，煤岩体物理模型通过浮筒、锚固钢管安装于工作测试台的钻孔模型内。煤岩体物理模型优选为真实的煤或岩石，煤岩体物理模型也可为与煤、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。

[0043] S2、通过偏转装置对锚杆施加弯曲载荷，使锚杆在钻孔模型的孔口处形成第一弯曲部和在自由段与锚固段之间分界面处形成第二弯曲部；

[0044] 斜垫板对托盘具有力的作用；使用不同倾斜度的斜垫板使托盘的安装面发生倾斜，从而改变托盘安装面与钻孔模型轴线之间的夹角，锚杆在托盘的带动下在钻孔模型的孔口处形成第一弯曲部，且在锚固段与自由段的分界面处形成第二弯曲部。

[0045] 具体为：分别使用倾斜角度为5°的斜垫板改变托盘的安装面；使用倾斜角度为10°的斜垫板改变托盘的安装面；使用倾斜角度为15°的斜垫板改变托盘的安装面；使用倾斜角度为20°的斜垫板改变托盘的安装面；使用倾斜角度为25°的斜垫板改变托盘的安装面；使用倾斜角度为30°的斜垫板改变托盘的安装面。

[0046] S3、通过弯曲应力计分别测试第一弯曲部和第二弯曲部的弯曲应力。

[0047] 相应地，在使用倾斜角度为5°的斜垫板时测试并记录弯曲部的弯曲应力；在使用倾斜角度为10°的斜垫板时测试并记录弯曲部的弯曲应力；在使用倾斜角度为15°的斜垫板时测试并记录弯曲部的弯曲应力；在使用倾斜角度为20°的斜垫板时测试并记录弯曲部的弯曲应力；在使用倾斜角度为25°的斜垫板时测试并记录弯曲部的弯曲应力；在使用倾斜角度为30°的斜垫板时测试并记录弯曲部的弯曲应力。

[0048] 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。