相似模拟实验台及锚杆支护效果实验测试方法与流程

本发明涉及一种实验台，特别是涉及一种用于测试锚杆支护效果的实验台；本发明还涉及一种利用实验台测试锚杆系统支护效果的方法。

背景技术：

在采矿、隧道、地铁等地下空间工程中，利用锚杆支护锚固围岩的应用十分广泛，对锚杆支护效果的检验也是工程设计中重要的一部分。锚杆对围岩的锚固作用，不是单个锚杆实现的，而是锚杆系统中的多个锚杆相互作用实现的。

现有技术中对锚杆支护效果的模拟是以局部单个锚杆为对象，还没有能对锚杆系统进行实验模拟的装置和方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种可对整个锚杆系统进行实验模拟的相似模拟实验台；本发明要解决的另一个技术问题是提供一种锚杆支护效果实验测试方法，其利用上述实验台对锚杆系统进行支护效果实验测试，具有测试简单、测试得到的数据更可靠的优点。

本发明相似模拟实验台，包括实验台框架及设置在实验台框架内的两组顶部加压油缸组、两组侧向移动加压系统和一组锚杆支护系统，所述实验台框架为矩形框架，所述实验台框架包括底座、顶部挡板、左侧挡板、右侧挡板、多个外侧可拆卸活动挡板、多个内侧可拆卸活动挡板，所述底座、顶部挡板、左侧挡板、右侧挡板围成所述矩形框架，多个外侧可拆卸活动挡板设置在矩形框架的前侧，多个内侧可拆卸活动挡板设置在矩形框架的后侧，所述顶部加压油缸组前后布置并间隔固定在顶部挡板的底部，两组侧向移动加压系统在实验台框架内前后间隔布置，每组所述侧向移动加压系统包括侧向位置液压驱动油缸组、侧向加压油缸组、移动调节台、侧向加压挡板，所述侧向位置液压驱动油缸组的和所述侧向加压油缸组的均平行于底座设置，所述移动调节台和所述侧向加压挡板均垂直于底座设置，所述移动调节台的下端、所述侧向加压挡板的下端分别与所述底座滑动连接，所述侧向位置液压驱动油缸组的一端固定在左侧挡板的右侧面，所述侧向位置液压驱动油缸组的另一端固定在所述移动调节台的左侧面，所述侧向加压油缸组的一端固定在所述移动调节台的右侧面，所述侧向加压油缸组的另一端固定在所述侧向加压挡板的左侧面，多个所述外侧可拆卸活动挡板并排设置且外侧可拆卸活动挡板的两端分别与所述移动调节台和所述右侧挡板连接，多个所述内侧可拆卸活动挡板并排设置且内侧可拆卸活动挡板的两端分别与所述移动调节台和所述右侧挡板连接，锚杆支护系统在实验框架内布置，所述锚杆支护系统包括间隔布置的多个T型托架、上盖板、下托板，所述T型托架的竖直段的下端与底座固定连接，多个所述T型托架的水平段位于同一高度，所述下托板支撑在多个所述T型托架的水平段的上方，所述上托板平行于下托板设置且位于所述下托板的上方，所述侧向加压挡板、上盖板、下托板、右侧挡板、外侧可拆卸活动挡板、内侧可拆卸活动挡板之间形成模拟材料承载空间。

本发明相似模拟实验台，其中，每组所述侧向移动加压系统还包括竖直设置的锁紧推杆，所述锁紧推杆为具有多段并可锁定在任意位置的可伸缩杆，所述锁紧推杆的下端固定在所述移动调节台的上端，所述锁紧推杆的上端与顶部挡板的底部相抵。

本发明相似模拟实验台，其中，所述锚杆支护系统还包括至少两个角铁，两个角铁分别固定连接在侧向加压挡板和右侧挡板上，两个所述角铁位于同一高度。

本发明相似模拟实验台，其中，每组所述顶部加压油缸组包括8个第一油缸。

本发明相似模拟实验台，其中，每组所述侧向位置液压驱动油缸组包括3个第二油缸。

本发明相似模拟实验台，其中，每组所述侧向加压油缸组包括3个第三油缸。

本发明相似模拟实验台，其中，还包括控制系统，所述控制系统用于控制顶部加压油缸组、侧向位置液压驱动油缸组、侧向加压油缸组的启闭和运动。

本发明相似模拟实验台，其中，还包括控制系统，所述控制系统用于控制第一油缸、第二油缸、第三油缸的油缸杆的伸缩。

本发明相似模拟实验台与现有技术的不同之处在于本发明相似模拟实验台包括顶部加压油缸组和侧向加压油缸组，可以同时实现顶部加压与侧向加压，更好的对某些侧压较大的地质条件进行模拟，同时本发明相似模拟实验台包括锚杆支护系统，可对锚杆的支护效果进行模拟测试，本发明相似模拟实验台通过设置侧向移动加压系统，使得实际进行模拟实验的实验台的长度和宽度可以调节，可以进行整个锚杆支护系统的三维模拟实验。

本发明锚杆支护效果实验测试方法，其采用上述实验台，包括以下步骤：步骤1、根据现场顶板条件，按一定岩块粒径配置用于模拟顶板岩体、煤体的模拟材料，按照设计的锚杆强度，根据相似关系制作模拟用的多个锚杆；步骤2、将实验台调节至巷道支护模拟模式，并将下托板安装于指定高度以构成模拟材料填充空间的底板，安装外侧可拆卸活动挡板和内侧可拆卸活动挡板，将步骤1中配比完成的模拟材料注入由前后两组外侧可拆卸活动挡板、及下托板围成的承载空间，在中间位置加入相似模拟材料层，并将多个应力传感器埋入相似模拟材料层中，将上盖板覆盖安装于承载空间顶部，之后加压压实；步骤3、根据锚杆支护设计方案，安装锚杆；步骤4、将上盖板和下托板拆卸，启动顶部加压油缸组和/或侧向加压油缸组对模拟材料及锚杆形成的模型进行加压，根据应力传感器的监测数据，实现对锚杆支护效果的实验测试。

本发明锚杆支护效果实验测试方法，其中，所述步骤2中，上盖板的下表面和下托板上表面均设置有多个可插拔的孔口开关片。

本发明锚杆支护效果实验测试方法与现有技术的不同之处在于本发明中利用的装置为上述实验台，该实验台的实验长度和宽度可以调节，能实现三维模拟实验，可以实现对整个锚杆系统的三维模拟实验，利用上述实验台对锚杆系统进行支护效果实验测试，测试简单，本发明可以测得锚杆系统中多个锚杆的锚固力的叠加影响区的数据，测试得到的数据更可靠。

下面结合附图对本发明的相似模拟实验台作进一步说明。

附图说明

图1为本发明相似模拟实验台的主视图；

图2为本发明相似模拟实验台中侧向移动加压系统分布示意图；

图3为本发明锚杆支护效果实验测试方法中模拟用锚杆的结构示意图；

图4为本发明锚杆支护效果实验测试方法中下托板上孔口开关片的分布示意图；

图5为本发明锚杆支护效果实验测试方法中锚杆锚固参数测试方法的原理图，也是本发明锚杆支护效果实验测试方法中应用的模拟材料与锚杆的模型示意图。

其中：1-实验台框架，11-底座，12-顶部挡板，13-左侧挡板，14-右侧挡板，15-外侧可拆卸活动挡板，15’-内侧可拆卸活动挡板，2-顶部加压油缸组，3-侧向移动加压系统，31-侧向位置液压驱动油缸组，32-侧向加压油缸组，33-移动调节台，34-侧向加压挡板，35-锁紧推杆，4-锚杆支护系统，41-T型托架，42-下托板，43-角铁，44-上盖板，45-锚杆安装孔，46-孔口开关片，102-锚杆排间距，103-锚固岩体厚度，104-双端固定锚杆，105-锚杆杆体，106-锚杆头，108-紧固螺母，109-锚杆托盘，111-原始应力区，201-应力传感器，202-相似模拟材料层，203-锚固力边界线，204-单个锚杆锚固力影响区，205-锚固力叠加影响区。

具体实施方式

结合图1和图2所示，本发明相似模拟实验台包括实验台框架1、两组顶部加压油缸组2、两组侧向移动加压系统3、锚杆支护系统4、控制系统，图中未示出控制系统，控制系统用于控制顶部加压油缸组2、侧向移动加压系统3的启闭和动作，两组顶部加压油缸组2、两组侧向移动加压系统3和锚杆支护系统4均设置在实验台框架1内，实验台框架1为矩形框架，实验台框架1包括底座11、顶部挡板12、左侧挡板13、右侧挡板14、多个外侧可拆卸活动挡板15、多个内侧可拆卸活动挡板15’，底座11、顶部挡板12、左侧挡板13、右侧挡板14围成矩形框架，多个外侧可拆卸活动挡板15设置在矩形框架的外侧，多个内侧可拆卸活动挡板15’设置在矩形框架的内侧，每组顶部加压油缸组2包括8个第一油缸，每组侧向位置液压驱动油缸组31包括3个第二油缸，每组侧向加压油缸组32包括3个第三油缸。

结合图1和图2所示，两组顶部加压油缸组2前后布置并间隔固定在顶部挡板12的底部，两组侧向移动加压系统3在实验台框架1内前后间隔布置，每组侧向移动加压系统3包括侧向位置液压驱动油缸组31、侧向加压油缸组32、移动调节台33、侧向加压挡板34，侧向位置液压驱动油缸组31的和侧向加压油缸组32的均平行于底座11设置，移动调节台33和侧向加压挡板34均垂直于底座11设置，移动调节台33的下端、侧向加压挡板34的下端分别与底座11滑动连接，侧向位置液压驱动油缸组31的一端固定在左侧挡板13的右侧面，侧向位置液压驱动油缸组31的另一端固定在移动调节台33的左侧面，侧向加压油缸组32的一端固定在移动调节台33的右侧面，侧向加压油缸组32的另一端固定在侧向加压挡板34的左侧面，底座11上设置有轨道，移动调节台33的下端、侧向加压挡板34的下端均设置有滑槽，滑槽与轨道配合使得移动调节台33和侧向加压挡板34可在底座11上滑动，侧向位置液压驱动油缸组31可以驱动移动调节台33在底座11上滑动，侧向加压油缸组32的伸缩可带动侧向加压挡板34在底座11上滑动。

结合图1和图2所示，多个外侧可拆卸活动挡板15并排设置且外侧可拆卸活动挡板15的两端分别与移动调节台33和右侧挡板14连接，多个内侧可拆卸活动挡板15’并排设置且内侧可拆卸活动挡板15’的两端分别与移动调节台33和右侧挡板14连接，锚杆支护系统4在实验框架1内布置，锚杆支护系统4包括间隔布置的多个T型托架41、上盖板44、下托板42，T型托架41的竖直段的下端与底座11固定连接，多个T型托架41的水平段位于同一高度，下托板42支撑在多个T型托架41的水平段的上方，上盖板44平行于下托板42设置且位于下托板42的上方，侧向加压挡板34、上盖板44、上托板42、右侧挡板14、外侧可拆卸活动挡板15、内侧可拆卸活动挡板15’之间形成模拟材料承载空间。

如图1和图2所示，每组侧向移动加压系统3还包括竖直设置的锁紧推杆35，锁紧推杆35为具有多段并可锁定在任意位置的可伸缩杆，锁紧推杆35的下端固定在移动调节台33的上端，锁紧推杆35的上端与顶部挡板12的底部相抵。

如图1、图2所示，锚杆支护系统4还包括至少两个角铁43，两个角铁43分别固定连接在侧向加压挡板34和右侧挡板14上，两个角铁43位于同一高度，下托板42可支撑在T型托架上且其两端可以卡在两个角铁43上，两个角铁43具有卡住下托板42使其不向上窜动的作用，此外，在进行锚杆支护效果模拟实验时，装好锚杆一段时间后需要将下托板42拆卸下来，此时，两个角铁43将对模拟材料的下边缘起到支撑作用，用以模拟真实情况下的边界条件。

控制系统用于控制顶部加压油缸组、侧向位置液压驱动油缸组、侧向加压油缸组的启闭和运动。控制系统可控制第一油缸、第二油缸、第三油缸的油缸杆的伸缩。结合图1和图2所示，两组顶部加压油缸组2前后布置并间隔固定在顶部挡板12的底部，每组顶部加压油缸组2中的8个第一油缸的缸筒固定在顶部挡板12的底部，第一油缸竖直设置，每组侧向位置液压驱动油缸组31中的第二油缸均水平且间隔设置，第二油缸的缸筒均与左侧挡板13固定连接，第二油缸的油缸杆的端部均与移动调节台33的左侧面固定，每组侧向加压油缸组32中的3个第三油缸均水平且间隔设置，第三油缸的缸筒均与移动调节台的右侧面固定连接，第三油缸的油缸杆的端部均与侧向加压挡板34固定连接，侧向位置液压驱动油缸组31中的第一油缸伸缩可驱动移动调节台在底座1上滑动。本发明实验台中两组侧向位置液压驱动油缸组31之间由控制系统独立控制，每组侧向位置液压驱动油缸组31内的第一油缸由控制系统同步控制；多组侧向加压油缸组32之间由控制系统独立控制，每组侧向加压油缸组32内的第三油缸由控制系统同步控制；两组顶部加压油缸组2之间由控制系统独立控制，每组顶部加压油缸组2内的第一油缸由控制系统控制单独供油。

使用时，本发明相似模拟实验台中侧向位置液压驱动油缸组31的第二油缸伸缩，驱动移动调节台33在底座11上左右滑动，进而带动侧向加压挡板34移动，移动调节台33移动到适当位置时，锁定锁紧推杆35，锁紧推杆35的上端与顶板挡板12的底部相抵，将移动调节台33的当前位置锁定，防止移动调节台33继续移动，适当位置是指使得实验台宽度适合于实验的要求。结合图1和图2所示，移动调节台33上设置有多个螺栓孔331，右侧挡板14上设置有多个螺栓孔141，移动调节台33和右侧挡板14的前侧连接外侧可拆卸活动挡板15，移动调节台33和右侧挡板14的后侧连接内侧可拆卸活动挡板15’，外侧可拆卸活动挡板15的左端和内侧可拆卸活动挡板15’的左端通过螺栓16和螺栓孔331与移动调节台33连接，外侧可拆卸活动挡板15的右端和内侧可拆卸活动挡板15’的右端通过螺栓17和螺栓孔141与右侧挡板14连接，多个外侧可拆卸活动挡板15并排设置且相邻两个外侧可拆卸活动挡板15之间没有间隙，多个内侧可拆卸活动挡板15’并排设置且相邻两个内侧可拆卸活动挡板15’没有间隙，侧向加压挡板34、下托板42、上盖板44、右侧挡板14、外侧可拆卸活动挡板15、内侧可拆卸活动挡板15’之间形成模拟材料承载空间，模拟材料承载空间用于填入相似模拟材料。外侧可拆卸活动挡板15和内侧可拆卸活动挡板15’的个数可以根据实验的高度选择。

本发明相似模拟实验台可以实现一台实验台同时具备二维相似模拟、三维相似模拟的功能，减少了实验器材成本与占地，提高实验台的利用效率；本发明相似模拟实验台在进行二维相似模拟时，可以同时实现顶部加压和侧向加压，能更好的对某些侧压较大的地质条件进行模拟；本发明相似模拟实验台还可以实现两组二维相似模拟实验的同时进行，提高实验的工作效率。本发明相似模拟实验台在进行二维模拟实验时，需要安装内侧可拆卸活动挡板15’，右侧挡板14可设置成两块分体板，两块分体板之间存在间隔，本发明相似模拟实验台进行三维相似模拟时，例如进行测试锚杆系统支护效果的实验时，不需要安装内侧可拆卸活动挡板15’，只需要安装外侧可拆卸活动挡板15，且需要将右侧挡板14两块分体板之间的间隔封闭，两块侧向加压挡板34之间的间隔也需要封闭，这样才能形成模拟材料承载空间。本发明相似模拟实验台中内侧可拆卸活动挡板15’要根据实际需要选择是否安装。

本发明相似模拟实验台最重要的作用是用于测试锚杆系统支护效果，使用时，将实验台调至适当位置，将下托板44安装于指定高度以构成模拟材料承载空间的底板，安装前后两个外侧可拆卸活动挡板15，将已经配比完成的模拟材料注入由前后两组外侧可拆卸活动挡板15、及下托板42围成的承载空间，在中间位置加入相似模拟材料层，并将多个应力传感器埋入相似模拟材料层中，将上托板42覆盖安装于承载空间顶部，之后加压压实，再根据锚杆支护设计方案，安装锚杆，之后将上盖板44和下托板42拆卸，启动顶部加压油缸组和/或侧向加压油缸组对模拟材料及锚杆形成的模型进行加压，并记录应力传感器的监测数据，实现对锚杆支护效果的实验测试。

本发明锚杆支护效果实验测试方法，采用的装置和材料有：1、上述的相似模拟实验台，如图1所示；2、相似模拟所用的岩石、煤体等模拟材料，该模拟材料以工程现场顶板为参照，符合相似理论得到的参数；3、相似模拟所用的锚杆104，该锚杆以理论设计锚杆为参照，符合相似理论得到的锚杆参数；4、孔口开关片46，用于相似模拟材料固结后将孔口开关片46拆除以安装锚杆104。

结合图3-图5所示，本发明锚杆支护效果实验测试方法，包括以下步骤：

步骤1、根据现场顶板条件，按相似理论配比一定粒径的用于模拟顶板岩体、煤体的材料，按照设计的锚杆强度，根据相似理论制作模拟用的锚杆104；

步骤2、通过控制系统控制实验台的侧向位置液压驱动油缸组31启动，使移动调节台33向右侧移动并到达三维模拟状态，锁紧锁紧推杆35，将下托板42安装于指定高度以构成模拟材料填充空间的底板，安装前后两组外侧可拆卸活动挡板15，将步骤1中配比完成的模拟材料注入由前后两组外侧可拆卸活动挡板15、及下托板42围成的承载空间，在中间厚度位置铺相似模拟材料层202，并将多个应力传感器201埋入相似模拟材料层202中，继续注入模拟材料直至填满，将上盖板44覆盖安装于承载空间顶部，之后加压压实；

步骤3、按照设计的锚杆布置密度，应用相似理论得到模拟实验的锚杆布置密度，并按照此布置密度，将上盖板44和下托板42的孔口开关片46抽出，并把锚杆杆体105穿过锚杆安装孔45，在顶端锚杆头106先后安装防松垫圈109与紧固螺母108，之后在底端锚杆头106先后安装锚杆托盘109与紧固螺母108，依次将所有锚杆安装完毕；

步骤4、将所有锚杆安装完毕后，将上盖板44和下托板42拆卸，启动顶部加压油缸组2可对模型顶部施加垂直载荷，启动侧向加压油缸组32可对模型侧面施加水平载荷，通过应力传感器201所监测数据，可以得到锚杆支护应力状态，实现锚杆支护效果的实验测试。

步骤2中，可以根据模拟岩层的厚度增加前后两组外侧可拆卸活动挡板15，前后两组外侧可拆卸活动挡板15保持高度一致即可。步骤2中，上盖板44的下表面和下托板42上表面均设置有多个可插拔的孔口开关片46，孔口开关片46用于定位锚杆的安装位置以安装锚杆。

本发明锚杆支护效果实验测试方法利用上述相似模拟实验台，该实验台的实验长度和宽度可以调节，能实现三维模拟实验，可以实现对整个锚杆系统的三维模拟实验，利用上述实验台对锚杆系统进行支护效果实验测试，测试简单，本发明可以测得锚杆系统中多个锚杆的锚固力的叠加影响区的数据，测试得到的数据更可靠。

本发明相似模拟实验台及锚杆支护效果实验测试方法通过对锚杆支护设计方案的模拟，以验证方案的可靠性，此外还可进一步对不同岩层赋存条件下如：软岩、坚硬顶板、破碎顶板、一般顶板锚杆支护方式及支护机理进行研究，也可对支护参数研究实验包括锚杆间距，锚固长度，锚固力等参数的研究，通过实验验证锚杆支护原理悬吊、组合拱、组合梁、最大水平应力。本发明提出的锚杆支护效果的实验测试方法，在实验台上实现对锚杆整体支护效果的物理相模拟，可以对锚杆的行间距、列间距、锚固深度、预应力大小、锚固强度等多要素进行实验模拟。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。