一种组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试装置及方法与流程

本发明涉及喷射混凝土试验装置技术领域，尤其是一种组合体模拟围岩条件下的锚喷支护效果测试装置和锚喷效果测试方法。

背景技术：

目前随着锚杆和喷射混凝土组合的支护方式应用越来越广泛，然而锚喷支护的支护效果检验及安全性能测试只能通过现场监测去确定，但是由于不同的现场环境存在差异，现场监测误差较大，不利于混凝土锚喷支护效果的规律进行研究。通过单轴压缩试验研究锚喷结构的支护效果只能进行单一数据的测试，或者缺乏相应的试验设备。为了研究锚喷支护过程中混凝土的支护效果，以及围岩压力增大后混凝土的变形破坏特征，需要设计一种模拟围岩并且能够测试锚喷支护结构的支护效果的实验室测试装置，以及具体的测试方法。

技术实现要素：

为了实现通过室内试验测试锚喷支护结构的支护效果的目的，本发明提供了一种组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试装置及方法，具体技术方案如下。

一种组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试装置，其包括围岩支架、液压缸、模拟围岩组合体、锚杆和混凝土喷层；围岩支架上均匀排布固定有液压缸，模拟围岩组合体紧贴液压缸布置，锚杆设置在模拟围岩组合体内，混凝土喷层设置在模拟围岩组合体的锚杆外露端一侧的表面上；模拟围岩组合体包括多个围岩块，混凝土喷层和模拟围岩组合体之间还设置有应变片。

优选的是，围岩块呈三棱柱状，截面形状为三角形；围岩块使用石膏、水泥、石英砂和松香混合材料制成，围岩块利用围岩模具制作。

进一步优选的是，围岩模具上设置有多个模具槽，模具槽呈三棱柱状，模具槽的两侧设置有活动挡板；活动挡板两端设置有滑槽，滑槽上设置有滑块，滑块上设置有转轴，转轴和模具槽的侧壁相连。

进一步优选的是，模拟围岩组合体靠近液压缸一侧的围岩块截面面积大于靠近混凝土喷层一侧的围岩块截面面积。

还优选的是，围岩支架包括矩形围岩支架、直角半圆拱形围岩支架、梯形围岩支架、马蹄形围岩支架、圆形围岩支架和椭圆形围岩支架。

还优选的是，液压缸和模拟围岩组合体之间还设置有应力传感器；混凝土喷层的对侧设置有工业相机观测混凝土喷层的变形和破坏，模拟围岩组合体外露侧面的对侧也设置有工业相机。

还进一步优选的是，液压缸和模拟围岩组合体连接端还设置有压板，围岩支架使用型钢制作而成。

一种组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试方法，利用上述的一种组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试装置，步骤包括：

a.选择围岩支架，并安装液压缸，包括选择围岩支架的形状和尺寸；

b.根据模拟对象的实际工程尺寸和围岩的岩性，设计模拟围岩组合体的尺寸，以及围岩块的尺寸和材料配比，同时设计锚杆长度；

c.根据步骤b的设计，利用围岩模具制作围岩块；

d.将安装好的围岩支架水平放置在试验台平面上，将步骤c中制作好的围岩块贴紧液压缸摆放形成模拟围岩组合体，并加设锚杆；

e.在锚杆外露端一侧的模拟围岩组合体上喷射混凝土浆液，观测混凝土浆液渗入模拟围岩组合体内的深度；

f.待混凝土浆液完全凝固后形成混凝土喷层，通过液压缸加压，观测模拟围岩组合体所受压力、模拟围岩组合体的变形、混凝土喷层的变形以及混凝土喷层的裂隙发展。

优选的是，围岩块制作时根据围岩的岩性调整石膏、水泥、石英砂和松香的混合比例，围岩块制作后使用保鲜膜包覆留用。

优选的是，不同位置的液压缸施加压力的大小不同的压力模拟不同根据实际的围岩应力进行调节。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供的组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试装置及方法，通过围岩支架提供试验基准支架，利用液压缸提供围压，通过围岩块的组合模拟围岩组合体结构，并可以设置锚杆并在围岩组合体上喷射混凝土，从而模拟锚喷支护结构，利用液压缸增大围压至锚喷支护结构破坏的过程中通过监测来验证锚喷结构的支护效果。

(2)围岩块设计成三棱柱状，能够很好的模拟实际的围岩传递力的特征，喷射混凝土后形成的“围岩-锚杆-喷射混凝土”组合体，通过观测整体受力变形破坏情况真实的还原现场锚喷结构，从而使试验结果更加符合实际。

(3)通过设计围岩块的材料组分制作不同强度的围岩块，从而模拟不同的围岩环境，通过使用围岩模具，从而可以制作更多形状的三棱柱围岩块，进而可以设置不同的巷道形状，从液压缸至混凝土喷层围岩块的截面逐渐减小，从而能够模拟围岩的破碎程度；液压缸端部设置压板可以保证模拟围岩组合体受力均匀。

(4)该组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试方法利用该测试装置进行试验，试验可以根据模拟对象调节巷道形状，以及围岩的岩性和尺寸，设计合适的尺寸适合在实验室进行测试，并能够根据混凝土喷浆渗入模拟围岩组合体的深度判断混凝土喷浆的密闭和密封效果。

另外本发明还具有操作方便，模拟条件接近真实的围岩及锚喷支护情况，并且可重复试验，测试成本低，并且可以测试多种特殊情况下的锚喷支护效果。

附图说明

图1是组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试装置结构示意图；

图2是围岩块结构示意图；

图3是围岩模具整体结构示意图；

图4是围岩模具的模具槽结构示意图；

图中：1-围岩支架；2-液压缸；3-模拟围岩组合体；4-锚杆；5-混凝土喷层；6-围岩模具；7-模具槽；8-活动挡板；9-滑块；10-转轴。

具体实施方式

结合图1至图4所示，本发明提供的一种组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试装置及方法的具体实施方式如下。

实施例1

一种组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试装置具体结构包括围岩支架1、液压缸2、模拟围岩组合体3、锚杆4和混凝土喷层5。通过围岩支架1提供试验基准和支架，保证整体机构的稳定性，利用液压缸2提供围压，通过围岩块的组合模拟围岩组合体3结构，并可以设置锚杆4并在围岩组合体上喷射混凝土，从而模拟锚喷支护结构，利用液压缸2增大围压至锚喷支护结构破坏的过程中通过监测来判断锚喷结构的支护效果。

其中围岩支架1上均匀排布固定有液压缸2，保证各个方向的压力可调，模拟围岩组合体3紧贴液压缸布置，锚杆4设置在模拟围岩组合体3内，模拟实际巷道中的锚杆4，混凝土喷层5设置在模拟围岩组合体3的锚杆外露端一侧的表面上，模拟实际巷道中的混凝土喷层5，根据模拟对象可以调整混凝土喷层5的厚度，以及混凝土的配比。

模拟围岩组合体3包括多个围岩块，围岩块紧密贴合拼组成模拟围岩组合体3，混凝土喷层5和模拟围岩组合体3之间还设置有应变片，便于监测混凝土喷层和围岩的变形。围岩块呈三棱柱状，截面形状为三角形，具体可以为等边三角形和等腰直角三角形，这两种三角形组合方便形状规则；还可以为锐角三角形和直角三角形，从而适应拱形等形状的巷道制作。围岩块具体使用石膏、水泥、石英砂和松香混合材料制成，可以根据模拟的围岩性质适当调整各组分的比例，围岩块利用围岩模具6制作，围岩模具6可以制作不同截面尺寸的围岩块。围岩块在组合模拟围岩组合体时，模拟围岩组合体3靠近液压缸一侧的围岩块截面面积大于靠近混凝土喷层5一侧的围岩块截面面积，从而更好的还原巷道深部围岩较完整，巷道表面附近围岩破碎的实际情况。

围岩模具6上设置有多个模具槽7，模具槽7呈三棱柱状，模具槽7的两侧设置有活动挡板8。活动挡板8两端设置有滑槽，滑槽上设置有滑块9，滑块上设置有转轴10，转轴10和模具槽7的侧壁相连。活动挡板8可以沿转轴转动，从而调整模具槽7内两个活动挡板的夹角大小，活动挡板8还可以沿滑槽滑动从而控制围岩块截面三角形的边长。通过活动挡板调整好模具槽的形状后，使用量角器放入模具槽测量角度确定，并将混合材料倒入模具槽，将模具槽的上表面抹平，完成围岩块的制作。围岩块设计成三棱柱状，能够很好的模拟实际的围岩传递力的特征，喷射混凝土后形成的“围岩-锚杆-喷射混凝土”组合体，通过观测整体受力变形破坏情况真实的还原现场锚喷结构，从而使试验结果更加符合实际。

围岩支架1包括矩形围岩支架、直角半圆拱形围岩支架、梯形围岩支架、马蹄形围岩支架、圆形围岩支架和椭圆形围岩支架，设置不同的形状模拟不同实际调节下的巷道围岩。液压缸2和模拟围岩组合体3之间还设置有应力传感器，可以实时监测模拟的围岩应力，从而方便调节围岩应力。混凝土喷层5的对侧设置有工业相机观测混凝土喷层的变形和破坏，可以观测混凝土喷层的裂隙随巷道围岩应力变化发展情况，模拟围岩组合体3外露侧面的对侧也设置有工业相机，可以观测围岩组合体和混凝土喷层5厚度方向上随巷道围岩应力变化的发展情况。

液压缸2和模拟围岩组合体3连接端还设置有压板，从而保证液压缸对模拟围岩组合体施加的压力均匀，围岩支架1使用型钢制作而成，其中两侧的立柱、底部横梁以及顶梁均可以使用双筋h型刚制作。

一种组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试方法，利用上述的一种组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试装置，具体的试验步骤包括：

步骤a.选择围岩支架1，并安装液压缸2，液压缸2可以焊接固定在围岩支架1上，围岩支架1的选择包括选择围岩支架1的形状和尺寸，形状和尺寸的选择根据模拟对象选择。

步骤b.根据模拟对象的实际工程尺寸和围岩的岩性，设计模拟围岩组合体3的尺寸，还包括根据模拟围岩组合体3的形状进行围岩块的划分，以及围岩块的尺寸和材料配比，根据围岩的硬度调整混合材料中水泥的配比，同时设计锚杆长度。

步骤c.根据步骤b的设计，利用围岩模具制作围岩块。围岩块制作时根据围岩的岩性调整石膏、水泥、石英砂和松香的混合比例，围岩块制作后使用保鲜膜包覆留用。

步骤d.将安装好的围岩支架1水平放置在试验台平面上，将步骤c中制作好的围岩块贴紧液压缸摆放形成模拟围岩组合体，并加设锚杆。

步骤e.在锚杆4外露端一侧的模拟围岩组合体上喷射混凝土浆液，观测混凝土浆液渗入模拟围岩组合体3内的深度。

步骤f.待混凝土浆液完全凝固后形成混凝土喷层5，通过液压缸2加压。其中不同位置的液压缸施加压力的大小不同的压力模拟不同根据实际的围岩应力进行调节。观测模拟围岩组合体所受压力、模拟围岩组合体的变形、混凝土喷层的变形以及混凝土喷层的裂隙发展。

该组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试方法利用该测试装置进行试验，试验可以根据模拟对象调节巷道形状，以及围岩的岩性和尺寸，设计合适的尺寸适合在实验室进行测试，并能够根据混凝土喷浆渗入模拟围岩组合体的深度判断混凝土喷浆的密闭和密封效果。另外本方法还具有操作方便，模拟条件接近真实的围岩及锚喷支护情况，并且可重复试验，测试成本低，并且可以测试多种特殊情况下的锚喷支护效果。

实施例2

在实施例1的基础上，为进一步的说明本发明一种组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试装置的结构和锚喷支护效果测试的方法，以某矿的回风巷道锚喷支护模拟测试为例做进一步的详细说明。

某矿回风大巷的断面较，宽度达4m，高度近3m，断而积接近12m²，并且煤层较破碎，巷道通过锚喷支护结构进行支护。利用组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试方法对该巷道的锚喷支护效果进行测试，具体的测试步骤包括：

步骤a.选择围岩支架1，并安装液压缸2。根据回风大巷的巷道实际情况选择直角半圆拱形围岩支架1，支架的宽度为3m，高度为3m，长度为0.5m，其中直墙高2m，拱高1m。将液压缸排布焊接固定在围岩支架上。液压缸2和模拟围岩组合体3连接端还设置有压板，并在压板上设置应力传感器，围岩支架使用双筋h型刚制作而成。

步骤b.由于矿井回风大巷的巷道端面较大，并且巷道围岩较破碎，根据矿井实际情况进行等比例缩放模拟巷道围岩，设计围岩组合体厚度为0.5m，分别制作截面为等边三角形其高分别200mm、100mm、80mm和40mm的围岩块，以及截面为等腰直角三角形且直角边边长分别200mm、100mm、80mm和40mm的围岩块，根据岩性选择石膏、水泥、石英砂和松香的配比，质量比为4:1:9:1.5。选择锚杆锚固长度为0.4m，锚杆外露段长度为10mm。

步骤c.根据步骤b的设计，利用围岩模具制作围岩块，制作不同尺寸的围岩块，围岩块截面积越小需要的围岩块数量越多。围岩块制作时根据围岩的岩性调整石膏、水泥、石英砂和松香的混合比例，可以不加入松香，围岩块制作后使用保鲜膜包覆留用，保证围岩块的试验性能。

步骤d.将安装好的围岩支架1水平放置在试验台平面上，将步骤c中制作好的围岩块分5层依次贴紧液压缸摆放形成模拟围岩组合体，先摆放截面面积大的围岩块再摆放截面面积小的围岩块，并先钻孔再加锚固剂，最后加设锚杆4。最后在模拟围岩组合体上贴设应变片，用于监测变形量。

步骤e.在锚杆4外露端一侧的模拟围岩组合体上喷射混凝土浆液，设置混凝土喷层的厚度为12mm，观测混凝土浆液渗入模拟围岩组合体内的深度，从而测量混凝土浆液的渗入深度，判断混凝土浆液的密闭和密封围岩裂隙效果。

浆液完全凝固后形成混凝土喷层5后，组合体模拟围岩的锚喷支护效果测试装置完成，具体包括围岩支架1、液压缸2、模拟围岩组合体3、锚杆4和混凝土喷层5，围岩支架1上均匀排布固定有液压缸2，模拟围岩组合体3紧贴液压缸布置，锚杆4设置在模拟围岩组合体3内，混凝土喷层5设置在模拟围岩组合体3的锚杆外露端一侧的表面上。模拟围岩组合体3包括多个围岩块，混凝土喷层5和模拟围岩组合体3之间还设置有应变片。围岩块呈三棱柱状，截面形状为三角形，围岩块使用石膏、水泥、石英砂和松香混合材料制成，围岩块利用围岩模具制作。围岩模具6上设置有多个模具槽7，模具槽7呈三棱柱状，模具槽7的两侧设置有活动挡板8，活动挡板8两端设置有滑槽，滑槽上设置有滑块9，滑块上设置有转轴10，转轴10和模具槽7的侧壁相连。活动挡板上可以设置插孔和插销方便固定。模拟围岩组合体3靠近液压缸2一侧的围岩块截面面积大于靠近混凝土喷层一侧的围岩块截面面积。液压缸2和模拟围岩组合体3之间还设置有应力传感器，混凝土喷层5的对侧设置有工业相机观测混凝土喷层5的变形和破坏，模拟围岩组合体3外露侧面的对侧也设置有工业相机。

步骤f.待混凝土浆液完全凝固后形成混凝土喷层5后，可以通过吊车将装置整体吊装旋转90度直立放置，从而进一步的模拟实际的巷道情况。通过液压缸2进行加压，可以通过施加不同大小的压力模拟巷道收到不同侧向应力的影响。期间通过应力传感器观测模拟围岩组合体所受压力，通过工业相机观测模拟围岩组合体的变形情况，通过混凝土喷层对侧的工业相机观测混凝土喷层的变形，以及通过模拟围岩组合体外露侧面对侧的工业相机混凝土喷层的裂隙发展。

另外还可以通过单侧的液压缸加压模拟一侧受测压影响的锚喷结构变形破坏情况，或者通过在一侧设置锚杆另一侧不设置锚杆来判断锚杆对锚喷结构的作用。另外该装置还可以测试多种特殊情况下的锚喷支护效果。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。