一种锚杆锚固过程试验设备及锚杆锚固质量评价方法与流程

1.本发明涉及矿山巷道支护技术领域，尤其涉及一种锚杆锚固过程试验设备及锚杆锚固质量评价方法。


背景技术：

2.锚杆支护技术已成为我国煤矿巷道首选和安全高效的支护方式。锚杆支护的主要部件包括锚杆、树脂锚固剂和杆尾构件。其中，树脂锚固剂是由树脂胶泥与固化剂两部分分隔包装成卷形，混合后能将锚杆与煤岩体黏结在一起的胶结材料。
3.锚杆安装时，首先采用专用机具施工钻孔，然后按设计要求将不同规格的锚固剂依次顶推至钻孔的孔底，此后将锚杆与施工机具相连，通过机具带动锚杆旋转并逐渐顶推至孔底，锚杆在旋转行进过程中搅拌并破碎树脂药卷。树脂药卷的不同组分混合后产生化学反应，形成具有很高黏结力的混合体，该混合体在极短时间内发生固结，在锚杆杆体与钻孔之间的间隙形成厚度几毫米至几厘米的圆环形锚固层，从而将钻孔孔壁的岩石与锚杆杆体黏结在一起。此后，通过施工机具拧紧锚杆尾部外露段的螺母对周围岩体施加预紧力。巷道围岩即将发生变形时，锚杆控制区内围岩变形产生的作用力通过杆尾的托板、螺母传递到杆体，杆体工作阻力增大，进而抑制锚固区内围岩结构面的离层、滑动、节理裂隙张开、新裂纹产生等情况，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，最大限度地保持围岩的完整性，减小锚固区围岩强度的降低，使围岩成为承载的主体。
4.然而，通过调研煤矿巷道支护失效的众多案例发现，由于安装期间锚杆在钻孔内不居中、树脂锚固剂搅拌不充分、树脂锚固剂凝固不充分等前期施工质量问题，经常发生锚杆锚固力低于设计值、过早失效等事件，锚杆预期支护效果难以充分发挥，严重威胁到煤矿巷道及作业人员的安全。
5.在现场施工时，无法实时察看锚杆与锚固剂的搅拌过程，无法确定锚固剂的凝固黏结情况，无法评价锚杆在钻孔内的居中度，致使在后期的事故分析时，难以客观评价锚杆的失效形式和破断原因。


技术实现要素：

6.本发明提供一种锚杆锚固过程试验设备，用以解决当前煤矿巷道锚杆支护技术无法准确判断锚固质量的问题。
7.本发明提供一种锚杆锚固过程试验设备，包括：
8.锚杆；
9.锚杆驱动装置，包括基座、滑动驱动组件和搅拌驱动组件，所述滑动驱动组件设置于所述基座，并与所述搅拌驱动组件连接；所述搅拌驱动组件与所述锚杆的连接端连接；
10.锚固模拟装置，包括底座和筒体，所述筒体沿着第一方向设置于所述底座，所述筒体内放置有树脂锚固剂；
11.所述滑动驱动组件用于驱动所述搅拌驱动组件和所述锚杆沿着第一方向运动，以
的步骤包括以下步骤：
33.将所述锚固体沿着轴线方向切割成多段锚固体样品；
34.通过非接触式光学检测设备对每段锚固体样品的端面进行扫描，得到锚固体横截面的孔隙面积；
35.计算锚固体分段横截面孔隙率pi，
36.计算锚固体横截面孔隙率p2，
[0037][0038]
其中，i为1至n的正整数，n大于等于3。
[0039]
本发明提供的锚杆锚固过程试验设备，可真实模拟锚固体的形成过程，方便直接观察树脂锚杆锚固的整个过程，可在锚固体形成之后将锚固体取出进行锚固质量评价，便于直观察看锚杆的锚固状态，准确判断锚杆的锚固效果，从而能够系统全面的评价锚杆的锚固质量，为现场锚杆锚固工艺的改善提供依据。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041]
图1是本发明提供的锚杆锚固过程试验设备的主视结构示意图；
[0042]
图2是本发明提供的锚杆驱动装置的主视结构示意图；
[0043]
图3是本发明提供的锚固模拟装置的主视结构示意图；
[0044]
图4是图3中a处的局部放大结构示意图；
[0045]
图5是本发明提供的筒体的立体结构示意图之一；
[0046]
图6是本发明提供的筒体的立体结构示意图之二；
[0047]
图7是本发明提供的筒体与环形紧固件的装配关系示意图之一；
[0048]
图8是本发明提供的筒体与环形紧固件的装配关系示意图之二；
[0049]
图9是本发明提供的锚固体表面的扫描图；
[0050]
图10是本发明提供的固体分段横截面孔隙率pi分布特征示意图；
[0051]
图11是本发明提供的锚固体横截面的扫描图；
[0052]
图12是本发明提供的锚固体不同部位横截面的锚杆偏心率ei分布特征示意图；
[0053]
图13是本发明提供的锚杆圆心与锚固体圆心的距离的示意图；
[0054]
图14是本发明提供的锚固剂搅拌充分程度p4的划分等级示意图。
[0055]
附图标记：
[0056]
100、锚杆；200、锚杆驱动装置；210、基座；220、滑动驱动组件；221、驱动电机；222、丝杆；223、丝杆螺母；224、滑块；225、导轨；230、搅拌驱动组件；231、搅拌电机；232、滑动底座；300、锚固模拟装置；310、底座；320、筒体；321、围板；322、环形紧固件；323、固定法兰；324、法兰支座；325、卡槽；400、锚固体；500、孔隙。
具体实施方式
[0057]
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。
[0058]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0059]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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，或一体连接；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实施例中的具体含义。
[0060]
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0061]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0062]
如图1、图2和图3所示，锚杆锚固过程试验设备包括锚杆100、锚杆驱动装置200和锚固模拟装置300，锚杆100具有连接端和搅拌端，连接端用于与搅拌驱动组件230连接，搅拌端设置有搅拌头，搅拌头可在锚杆100转动过程中对树脂锚固剂进行充分搅拌，提高锚杆100的锚固质量。
[0063]
锚杆驱动装置200包括基座210、滑动驱动组件220和搅拌驱动组件230，基座210用于为滑动驱动组件220和搅拌驱动组件230提供安装基础。滑动驱动组件220设置于基座210，滑动驱动组件220与搅拌驱动组件230连接。滑动驱动组件220用于驱动搅拌驱动组件230和锚杆100沿着第一方向运动，以使锚杆100的搅拌端从筒体320的一端插入筒体320的内部。
[0064]
搅拌驱动组件230与锚杆100的连接端连接，搅拌驱动组件230用于驱动锚杆100轴向转动，以使锚杆100对树脂锚固剂进行搅拌。锚固模拟装置300包括底座310和筒体320，底座310用于为筒体320提供安装基础，底座310可以单独设置，也可与基座210一体成型，以减少锚杆锚固过程试验设备的部件数量。筒体320沿着第一方向设置于底座310，筒体320内放
置有树脂锚固剂。
[0065]
本发明提供的锚杆锚固过程试验设备，可真实模拟锚固体400的形成过程，方便在锚固体400形成之后将锚固体400取出进行锚固质量评价，便于直观察看锚杆100的锚固状态，准确判断锚杆100的锚固效果，从而能够系统全面的评价锚杆100的锚固质量，为现场锚杆100锚固工艺的改善提供依据。
[0066]
这里需要说明的是，这里的第一方向指的是图1中的左右方向。第二方向指的是图1中前后方向。
[0067]
可以理解的是，如图5、图6、图7和图8所示，筒体320包括多个沿第一方向延伸的围板321，围板321的横截面为弧形，相邻两个围板321的弧度相同，此时所有围板321的尺寸是相同的。当然，相邻两个围板321的弧度也可以不相同，此时相邻两个围板321的尺寸不同。多个围板321围成筒体320，筒体320的外周面套设有多个环形紧固件322，多个环形紧固件322沿着第一方向间隔布置。环形紧固件322的两端通过螺栓连接，安装时将螺栓拧紧，环形紧固件322使得相邻两个围板321紧密贴合。拆卸时松开螺栓，环形紧固件322的内径变大，并与围板321分离，此时围板321可以很容易与环形紧固件322分离。当然，环形紧固件322的两端也可通过扣件连接，以方便环形紧固件322的打开与关闭。由于筒体320采用拼接式结构，方便筒体320的安装和拆卸，方便试验结束后取出内部的锚固体400，通过剖切观察等测试手段，进一步评价锚杆100的锚固质量；最大程度的保持锚固体400的原始形态，确保锚固质量评价的有效性。
[0068]
可以理解的是，筒体320呈圆柱形，筒体320的内径与钻孔的内径相同，以真实模拟锚固体400的形成过程。筒体320的内径大小根据需要模拟钻孔的内径进行确定。筒体320的材质为透明材质，使用透明材质的筒体320便于观察锚杆100的锚固过程，以及锚固完成后的锚固形态，使锚固工艺过程可视化，也便于直观化评价锚杆100的锚固质量。进一步地，环形紧固件322也可采用强度较高的透明材质。
[0069]
可以理解的是，如图5、图6、图7和图8所示，筒体320包括两个围板321，此时围板321的横截面呈半圆形。当然也可以是筒体320包括三个围板321，三个围板321的尺寸相同，此时围板321的横截面呈120度的弧度。
[0070]
可以理解的是，多个围板321中除其中两个相邻围板321不连接，其余相邻两个围板321采用合页连接，合页位于相邻两个围板321的外侧，使用合页将围板321连接在一起，既能加强锚固过程中相邻两个围板321之间的连接，又能方便围板321的安装和拆卸。进一步地，围板321的长侧边设置有密封垫，围板321安装到位后，相邻两个围板321之间的间隙通过密封垫密封。
[0071]
可以理解的是，如图3所示，锚固模拟装置300还包括两个固定法兰323，两个固定法兰323一一对应地套设于筒体320的两端，其中，套设于筒体320一端的固定法兰323中心设置有圆形通孔，通孔可供锚杆100穿过。套设于筒体320另一端的固定法兰323将筒体320的另一封堵，防止树脂锚固剂在搅拌过程中流出。两个固定法兰323分别与底座310连接，以实现固定法兰323对筒体320的固定。
[0072]
这里需要说明的是，对筒体320的固定方式并不仅仅限定于固定法兰323，也可采用扣件或者卡箍或者其他固定机构。
[0073]
可以理解的是，如图3和图4所示，锚固模拟装置300还包括两个法兰支座325，法兰
支座325用于对筒体320起到支撑作用。法兰支座325呈三角形架体，两个法兰支座325的上端与两个固定法兰323一一对应连接。底座310的上表面间隔设置有多个沿着第二方向延伸的卡槽325，两个法兰支座325的下端分别设置有两个卡块，两个法兰支座325下端的卡块分别卡接于对应的卡槽325内。通过采用卡接的形式将法兰支座325与底座310连接，可方便调节两个固定法兰323之间的距离，以适配不同长度的筒体320，满足不同实验的要求，实现不同的试验可以共用一个底座310，降低了生产成本和实验成本。
[0074]
这里需要说明的是，筒体320的长度根据原型锚杆100的锚固长度进行确定。对应于不同长度的筒体320，可根据需要调节法兰支座325的间距。为了保证安装过程中锚杆100良好的居中度，锚杆100轴线、筒体320的轴线处于同一直线上。
[0075]
可以理解的是，如图1和图2所示，滑动驱动组件220包括驱动电机221和丝杆组件，驱动电机221设置于基座210，驱动电机221用于驱动丝杆组件的丝杆222转动。丝杆组件设置于基座210，丝杆组件包括丝杆222、丝杆螺母、滑块224和导轨225，丝杆222与丝杆螺母螺纹配合，滑块224与丝杆螺母连接，并与导轨225滑动配合。由于丝杆组件为工业生产中常见的直线驱动机构，因此丝杆组件的具体结构在此不再详细介绍。驱动电机221的转轴与丝杆组件的丝杆222连接，丝杆组件的丝杆螺母与搅拌驱动组件230连接。
[0076]
可以理解的是，如图1和图2所示，搅拌驱动组件230包括搅拌电机231和滑动底座232，滑动底座232与丝杆组件的滑块224连接，搅拌电机231设置于滑动底座232上，搅拌电机231的转轴与锚杆100的连接端连接段连接，为了方便锚杆100与搅拌电机231的转轴连接，搅拌电机231的转轴可设置夹持工具，安装时将锚杆100的连接端通过夹持工具与搅拌电机231的转轴连接。
[0077]
如图1、图2和图3所示，锚杆100的锚固过程：驱动电机221带动丝杠转动，通过螺纹驱动丝杆螺母做直线移动。在丝杆螺母的带动下，滑动底座232沿导轨225直线滑动，从而推动搅拌电机231作直线运动，使锚杆100的搅拌端接近并从筒体320的一端插入筒体320内。控制搅拌电机231转动，搅拌电机231带动锚杆100绕自身轴线转动，从而使锚杆100搅拌树脂锚固剂，完成锚杆100的安装锚固。
[0078]
本发明还提供一种锚杆锚固质量评价方法，评价方法基于上述任意一项实施例所述的锚杆锚固过程试验设备；评价方法包括以下步骤：
[0079]
步骤100，利用锚杆锚固过程试验设备制作锚固体；
[0080]
驱动电机带动丝杠转动，使锚杆的搅拌端从筒体的一端插入筒体内。控制搅拌电机转动，带动锚杆对树脂锚固剂进行搅拌，待锚杆锚固完成后，将筒体从固定法兰上取下，打开环形紧固件，使得围板与锚固体分离，完成锚固体400的制作。
[0081]
步骤200，计算锚固体表面孔隙率p1、锚固体横截面孔隙率p2、锚杆居中度p3和锚固剂搅拌充分程度p4；将锚固体400表面孔隙率p1、锚固体横截面孔隙率p2、锚杆居中度p3和锚固剂搅拌充分程度p4均按照优秀、良好、合格以及不合格分别划分为四个等级；
[0082]
可以理解的是，计算锚固体表面孔隙率p1的步骤包括以下步骤：
[0083]
步骤210，通过非接触式光学检测设备沿着锚固体的轴线方向对锚固体的外表面进行扫描，得到锚固体表面孔隙面积；
[0084]
非接触式光学检测设备可以为三维激光扫描仪，也可以为其他扫描设备，如图9所示，在扫描图像中，表面的深色区域代表孔隙500，通过软件计算所述深色区域的面积，便可
计算出锚固体400表面孔隙面积。
[0085]
步骤211，计算锚固体表面孔隙率p1，计算锚固体表面孔隙率p1采用下列公式(1)进行计算；
[0086][0087]
锚固体400表面孔隙率越小，则锚固体400表面孔隙占比越低，锚固体400完整性越好，锚固效果越好；反之，锚固体400表面孔隙率越大，则孔隙500占比越高，锚固效果越差。
[0088]
锚固体400表面孔隙率p1具体按照优秀、良好、合格以及不合格四个等级进行评价：
[0089]
当0＜p1≤10％，评价为优秀；
[0090]
当10％＜p1≤20％，评价为良好；
[0091]
当20％＜p1≤40％，评价为合格；
[0092]
当p1＞40％，评价为不合格。
[0093]
可以理解的是，计算锚固体400横截面孔隙率p2的步骤包括以下步骤：
[0094]
步骤220，将锚固体沿着轴线方向切割成多段锚固体样品；
[0095]
切割锚固体400时，以锚固体400的一端为起点，沿着轴线方向按照预定长度间隔将锚固体400切割成多段锚固体样品，即每段锚固体样品的长度相同，锚固体样品的数量记作n。
[0096]
步骤221，通过非接触式光学检测设备对每段锚固体样品的横截面进行扫描，得到锚固体横截面的孔隙面积；
[0097]
这里需要说明的是，在使用非接触式光学检测设备对每段锚固体样品的横截面进行扫描时，对于两端的锚固体样品扫描的部位是两端锚固体样品的切割面，位于中间的其他锚固体样品扫描的是同一侧的切割面。
[0098]
步骤222，计算锚固体分段横截面孔隙率pi，计算锚固体分段横截面孔隙率pi采用下列公式(2)进行计算；
[0099][0100]
步骤223，计算锚固体横截面孔隙率p2，计算锚固体横截面孔隙率采用如下公式(3)进行计算；
[0101][0102]
其中，i为1至n的正整数，n大于等于3。
[0103]
如图10所示，汇总锚固体400不同部位的横截面孔隙率分布情况，得到固体分段横截面孔隙率pi分布特征。
[0104]
如图11所示，图中显示了多个锚固体400的横截面，表面深色区域代表孔隙500的位置，锚固体400横截面孔隙率越小，则锚固体400横截面孔隙500占比越低，锚固体400完整性越好，锚固效果越好。反之，锚固体400横截面孔隙率越大，则孔隙500占比越高，锚固效果越差。
[0105]
锚固体横截面孔隙率p2具体按照优秀、良好、合格以及不合格四个等级进行评价：
[0106]
当0＜p2≤10％，评价为优秀；
[0107]
当10％＜p2≤20％，评价为良好；
[0108]
当20％＜p2≤40％，评价为合格；
[0109]
当p2＞40％，评价为不合格。
[0110]
可以理解的是，计算锚杆居中度p3的步骤包括以下步骤：
[0111]
锚杆的居中度，采用锚杆偏心率ei指标来衡量。计算锚杆偏心率ei采用下列公式(4)进行计算；
[0112][0113]
如图13所示，a点至b点的距离为锚杆圆心与锚固体圆心的距离，锚杆偏心率越小，锚杆圆心与锚固体圆心的距离越小，则锚杆居中度越好，说明锚杆的锚固效果越好。反之，偏心率越大，则两圆心之间距离越大，锚杆居中度越差，说明锚固效果越差。
[0114]
如图12所示，汇总锚固体不同部位横截面的锚杆偏心率ei分布情况，得到锚杆居中度p3的分布特征，从而能够定量化评价锚杆的锚固效果。
[0115]
计算锚杆居中度p3采用下列公式(5)进行计算；
[0116][0117]
锚杆居中度p3具体按照优秀、良好、合格以及不合格四个等级进行评价：
[0118]
当p3≥90％，评价为优秀；
[0119]
当80≤p3＜90％，评价为良好；
[0120]
当60≤p3＜80％，评价为合格；
[0121]
当p3＜60％，评价为不合格。
[0122]
可以理解的是，煤矿现场锚杆安装施工过程中，由于工程岩体的不透明性，不能判断钻孔内锚固剂的搅拌过程是否充分，因此存在树脂锚固剂的外包装薄膜(以下简称薄膜)搅拌破碎不充分的现象。如果大片的薄膜与钻孔内壁贴合，将在锚固体400与孔壁之间形成一定面积的分界面，该区域内锚固体400与孔壁因隔离而失去黏结作用，势必影响锚杆的锚固质量。为此，提出了锚固剂搅拌充分程度p4这一评价指标，具体采用锚固体400表面残余薄膜的面积占比来衡量。计算锚固剂搅拌充分程度p4采用下列公式(5)进行计算；
[0123][0124]
薄膜越破碎，锚固体400表面残余薄膜的面积占比越小，说明锚固剂搅拌越充分，锚杆的锚固效果越好；反之，残余薄膜面积占比越大，则锚固效果越差。
[0125]
如图14所示，锚固剂搅拌充分程度p4具体按照优秀、良好、合格以及不合格四个等级进行评价：
[0126]
当p4≥90％，评价为优秀；
[0127]
当80≤p4＜90％，评价为良好；
[0128]
当60≤p4＜80％，评价为合格；
[0129]
当p4＜60％，评价为不合格。
[0130]
步骤300，在确定锚固体表面孔隙率p1、锚固体横截面孔隙率p2、锚杆居中度p3和锚
固剂搅拌充分程度p4均没有不合格的情况下，计算锚固效果p；
[0131]
p＝(1-p1)w1+(1-p2)w2+p3w3+p4w4[0132]
其中，若0.90≤p＜1，则其综合评价为“优秀”，锚固效果p的等级为a级；若0.80≤p＜0.90，则其综合评价为“良好”，锚固效果p的等级为b级；若0.60≤p＜0.80，则其综合评价为“合格”，锚固效果p的等级为c级；若p＜0.60，则其综合评价为“不合格”，锚固效果p的等级为d级。
[0133]
锚杆锚固效果由锚固体表面孔隙率p1、锚固体横截面孔隙率p2、锚杆居中度p3、锚固剂搅拌充分程度p4等多个因素共同决定，将各因素对树脂锚杆锚固效果的影响权重设为wj，j为1、2、3或4。根据现场和实验室试验结果，各因素的影响权重分别为w1＝0.3、w2＝0.2、w3＝0.3、w4＝0.2，最终用锚固效果p来综合评价锚杆的锚固质量。
[0134]
当然，当锚固体表面孔隙率p1、锚固体横截面孔隙率p2、锚杆居中度p3和锚固剂搅拌充分程度p4中的其中一个评价为“不合格”时，锚固效果p的等级为d级。
[0135]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。