基于智能拉拔測試系統(tǒng)的錨桿錨固力現(xiàn)場高效評測方法

徐 帥 郭玟志 紀(jì)旭波,2 楊正明

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819;2.山東恒邦冶煉股份有限公司,山東 煙臺 264109)

錨桿可以將破碎圍巖與穩(wěn)定巖體結(jié)合在一起而形成懸吊、組合梁等結(jié)構(gòu),通過提升圍巖的彈性模量E、黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)而提升巖體的自穩(wěn)能力[1-4]。因此,錨桿支護(hù)已成為巖土和地下工程中應(yīng)用最為廣泛的支護(hù)加固方法[5-6]。錨桿支護(hù)是一項隱蔽性工程,其錨固力受現(xiàn)場施工工藝、桿體材料屬性、井下環(huán)境等多種因素影響,導(dǎo)致實際錨固力與理論或設(shè)計值差別較大。當(dāng)支護(hù)系統(tǒng)輸出的實際錨固力小于設(shè)計值時,巷道將出現(xiàn)片幫、冒落現(xiàn)象;加密支護(hù)參數(shù)將消耗更多錨桿,造成支護(hù)成本上升、材料浪費[7-9]。因此,在綜合考慮支護(hù)效果、經(jīng)濟(jì)成本和勞動效率的基礎(chǔ)上,定量分析與評價錨桿錨固力學(xué)特性,對保證井下支護(hù)科學(xué)設(shè)計與施工具有重要意義[10]。

錨桿拉拔測試是一種檢測錨桿錨固力的常用方法[11-15]。在拉拔設(shè)備驅(qū)動方面,分為手壓油泵和有源泵站兩種方式。但手壓油泵測試效率低、勞動強(qiáng)度大[16];有源泵站則因現(xiàn)場需供電、且體積大、現(xiàn)場移動困難,不利于現(xiàn)場錨桿拉拔測試;在試驗數(shù)據(jù)記錄方面,當(dāng)前大部分測試系統(tǒng)依靠千分表獲取峰值荷載,該記錄方式難以科學(xué)評價錨桿支護(hù)受力特性[17-18],測試結(jié)果不可靠[19-20]。此外,錨桿現(xiàn)場拉拔測試時多采用焊接方式進(jìn)行連接,該方式對桿體損傷大、工序復(fù)雜,焊點強(qiáng)度直接影響拉拔結(jié)果。因此,受驅(qū)動方式、測試結(jié)果和連接方式三方面的制約,導(dǎo)致現(xiàn)場難以科學(xué)、高效地開展錨桿支護(hù)質(zhì)量評價工作。明確錨桿的現(xiàn)場錨固性能是保證井下巷道穩(wěn)定和合理支護(hù)設(shè)計的基本前提,研發(fā)可高效測試、智能分析的錨桿現(xiàn)場錨固力測試裝置,對于礦山智能化建設(shè)很有必要。

針對上述問題,基于自主研發(fā)的錨桿智能拉拔測試系統(tǒng),提出了現(xiàn)場測試快速連接技術(shù),開發(fā)了拉拔過程壓力—位移實時采集軟件,對拉拔數(shù)據(jù)進(jìn)行全過程采集與分析,實現(xiàn)了管縫錨桿、樹脂錨桿、漲殼式錨桿現(xiàn)場錨固力的快速測定。工程應(yīng)用表明,該套測試系統(tǒng)為礦山錨桿支護(hù)質(zhì)量評測提供了一種新的技術(shù)和方法,可為礦山高效支護(hù)、科學(xué)管理提供有益參考。

1 錨桿智能拉拔測試系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

錨桿拉拔測試系統(tǒng)主要由加載模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成,其外觀如圖1所示。加載模塊中主要由便攜高壓動力源、反力筒以及相關(guān)接駁器、螺母等組成,數(shù)據(jù)采集模塊由分析軟件、信號轉(zhuǎn)換器、顯示界面及供電單元等組成。

圖1 錨桿智能拉拔測試系統(tǒng)實物圖Fig.1 Physical drawing of the intelligent pull-out test system of anchor bolt

錨桿智能拉拔測試系統(tǒng)工作原理如圖2所示。系統(tǒng)使用過程中,通過便攜高壓油泵帶動千斤頂對錨桿施加載荷,此時壓力傳感器與位移傳感器將采集到的4～20 mA信號輸出到IO模塊并進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換,最后通過USB接口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊中裝有智能數(shù)據(jù)采集分析終端對力與位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析與圖像繪制,智能數(shù)據(jù)采集分析終端界面如圖3所示,采集完成可直接導(dǎo)出csv文件及圖形。

圖2 系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of the system

圖3 智能數(shù)據(jù)采集分析終端Fig.3 Intelligent data acquisition and analysis terminal

錨桿智能拉拔測試系統(tǒng)的工作參數(shù)為:拉拔力0～30 t、拉伸位移 0～200 mm、力加載速率 1～20 kN/min、最大工作時長8 h、四通道采集信號。

1.2 系統(tǒng)標(biāo)定

采用臥式錨桿伺服拉拔測試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。臥式錨桿伺服拉拔測試系統(tǒng)(圖4(a))采用伺服微機(jī)進(jìn)行控制,系統(tǒng)參數(shù)為:拉伸載荷0～300 kN、拉伸位移0～800 mm、力加載速率0.1～20 kN/min、位移加載速率0.1～200 mm/min,測試精度為0.5%。

對同一廠家、批次、相同物理參數(shù)的螺紋鋼錨桿進(jìn)行室內(nèi)拉拔測試,比對桿體的荷載—位移曲線以評價錨桿智能拉拔測試系統(tǒng)的可靠性。采用錨桿智能拉拔測試系統(tǒng)的試驗過程如圖4(b)所示,得到圖4(c)所示的標(biāo)定試驗結(jié)果。對比曲線趨勢、屈服荷載、極限荷載、材料剛度等指標(biāo)發(fā)現(xiàn),錨桿智能拉拔測試系統(tǒng)與伺服拉拔試驗機(jī)測試結(jié)果基本相同,可滿足現(xiàn)場錨桿測試過程中的拉拔力、位移及精度要求。

圖4 錨桿智能拉拔測試系統(tǒng)標(biāo)定Fig.4 Calibration of bolt intelligent pull-out test system

2 錨桿拉拔測試現(xiàn)場快速連接方法

為滿足錨桿現(xiàn)場拉拔測試快速連接的需求,設(shè)計了錨桿接駁器以匹配螺紋桿體(樹脂、水泥砂漿、漲殼、玻璃鋼錨桿等)、管縫桿體(管縫錨桿、水脹式錨桿)兩類礦山常用錨桿。螺紋桿體接駁器(圖5(a))與錨桿桿體通過內(nèi)外螺紋相互咬合進(jìn)行連接;管縫類錨桿連接時需在安裝前裝入圖5(b)所示的“T”型拉環(huán),配合管縫接駁器(圖5(c))完成快速連接。

圖5 錨桿接駁器Fig.5 Anchor bolt connector

以管縫錨桿測試為例,錨桿現(xiàn)場拉拔快速連接過程如圖6所示。管縫錨桿安裝前將預(yù)置拉環(huán)(圖5(b))套入管縫錨桿,使其位于托盤與錨桿擋環(huán)之間;拉拔時,首先將接駁器套裝在拉環(huán)上,使其與錨桿緊密接觸,而后將拉桿與接駁器通過螺紋緊密連接;而后將反力筒穿過拉桿并與巖壁接觸,再依次以拉桿為軸心套入千斤頂、壓力傳感器、均力環(huán),最后用螺母進(jìn)行緊固,并給錨桿施加2～3 kN預(yù)緊拉力以消除裝置與巖壁的間隙。完成上述操作后,錨桿已經(jīng)被拉緊。將位移傳感器固定在千斤頂?shù)耐獗谏?使其隨均力環(huán)移動以便實時采集位移信號。完成傳感器及加載系統(tǒng)布置后,通過油管連接千斤頂與動力源,傳感器與采集系統(tǒng)接通,啟動數(shù)據(jù)記錄軟件,使其處于工作狀態(tài);啟動油泵,通過控制油泵供油速率,使得拉拔力持續(xù)穩(wěn)定增加,當(dāng)壓力或位移達(dá)到預(yù)定值時,便可停止試驗,保存試驗數(shù)據(jù)。

圖6 錨桿現(xiàn)場測試過程示意Fig.6 Schematic of anchor bolt field test process

3 現(xiàn)場拉拔測試

在新城金礦-525 m水平采場聯(lián)絡(luò)巷開展錨桿智能拉拔測試系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用試驗?，F(xiàn)場巷道巖性為混合花崗巖,試驗管縫錨桿外徑42 mm、壁厚 2.5 mm、錨桿長2.4m、鉆孔直徑40mm、管徑差2mm;樹脂錨桿長2.2 m、直徑22 mm,桿體為無肋螺紋鋼,采用3卷樹脂錨固劑進(jìn)行端錨;漲殼式錨桿長2.2 m、桿體直徑22 mm,每種錨桿測試3根以降低試驗誤差。現(xiàn)場試驗首先進(jìn)行鉆孔(孔徑40 mm)及錨桿安裝工作如圖7(a)和圖7(b)所示,完成后采用圖6所示的連接方法進(jìn)行拉拔測試,圖7(c)、圖7(d)所示為拉拔后錨桿發(fā)生的撕裂、滑移現(xiàn)象。

圖7 現(xiàn)場錨桿拉拔測試Fig.7 Field bolt pull-out test

圖8(a)為管縫錨桿現(xiàn)場測試位移—荷載曲線。分析可知:0～20 mm內(nèi)管縫錨桿的錨固力迅速增大到最大錨固力;超過20 mm后,隨著拉拔位移增大,管縫錨桿開始滑移直到試驗結(jié)束,隨著位移增長錨固力在一定范圍內(nèi)波動,但不發(fā)生明顯下降,平均錨固力為61.5 kN、單位錨固力為25.6 kN/m。但其中一根錨桿拉拔過程中出現(xiàn)了錨固力隨位移增大到86 kN后錨固力呈斷崖式下降的現(xiàn)象。該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是管縫錨桿桿體所受載荷達(dá)到桿體材料的極限強(qiáng)度,從而發(fā)生撕裂破斷。進(jìn)一步分析圖8(a)可知:管縫錨桿以滑動失效為主,但當(dāng)所受載荷達(dá)到桿體極限強(qiáng)度時將發(fā)生斷裂失效,此時拉拔力可增大35%以上,但變形能力則下降60%左右。

圖8 現(xiàn)場錨桿拉拔測試結(jié)果Fig.8 Results of field bolt pull-out test

通過分析樹脂錨桿現(xiàn)場測試?yán)瘟Α灰魄€(圖8(b))可知,在加載初期(位移為0～40mm)隨位移增長荷載增長緩慢,其原因為巷道壁與設(shè)備間發(fā)生“壓密”,導(dǎo)致錨桿真實所受荷載較小;之后繼續(xù)加載,拉拔力隨位移增長而迅速增大直至桿體破斷。加載過程中出現(xiàn)短暫的拉拔力隨位移增長而不變的現(xiàn)象,是螺紋鋼桿體發(fā)生屈服現(xiàn)象所致?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明:樹脂錨桿屈服載荷為175 kN,破斷載荷為230 kN。

圖8(c)為漲殼式錨桿現(xiàn)場測試結(jié)果,其平均錨固力為94.5 kN,拉拔過程中錨固力隨位移增長出現(xiàn)大幅度波動。該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是漲殼錨頭與鉆孔壁間發(fā)生擠壓摩擦不均勻產(chǎn)生的。位移為23～25 mm時,漲殼式錨桿均出現(xiàn)了錨頭滑脫失效導(dǎo)致錨固力喪失的現(xiàn)象,錨桿被拔出。現(xiàn)場測試結(jié)果表明:在變形能力方面,管縫錨桿可提供150 mm以上的位移量,繼續(xù)加載仍可滑移;樹脂錨桿可提供120 mm左右的變形量,漲殼式錨桿在25 mm位移后將發(fā)生錨固失效現(xiàn)象,變形能力較弱。

4 結(jié) 論

(1)針對傳統(tǒng)拉拔設(shè)備測試效率低、便攜性差的問題,自主研發(fā)了錨桿智能拉拔測試系統(tǒng),開發(fā)了錨桿測試數(shù)據(jù)分析軟件,實現(xiàn)了錨桿測試全過程數(shù)據(jù)的實時記錄與智能分析,測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、連續(xù),并可根據(jù)位移—拉拔力曲線分析拉拔過程中的錨桿受力特性與規(guī)律。

(2)采用接駁器與預(yù)置拉環(huán)匹配的方法,實現(xiàn)了不同類型的螺紋錨桿(樹脂、水泥砂漿、漲殼、玻璃鋼錨桿等)、管縫錨桿(常規(guī)管縫、水脹管縫)及錨索的快速連接。簡化了現(xiàn)場拉拔測試流程,提出的錨桿拉拔測試現(xiàn)場快速連接方法,可對全尺寸參數(shù)的上述錨桿與錨索進(jìn)行現(xiàn)場拉拔試驗。

(3)應(yīng)用錨桿智能拉拔測試系統(tǒng)在新城金礦開展了現(xiàn)場拉拔測試,測試結(jié)果表明:管縫錨桿、樹脂錨桿和漲殼式錨桿的拉拔力可分別達(dá)到61.5、230和94.5 kN;變形能力方面,管縫錨桿可提供沿桿體全長位移量,樹脂錨桿、漲殼式錨桿分別可達(dá)120、25 mm。現(xiàn)場應(yīng)用表明:錨桿智能拉拔測試系統(tǒng)便攜高效,能夠?qū)崿F(xiàn)智能采集分析數(shù)據(jù)且結(jié)果準(zhǔn)確性好,可為礦山支護(hù)工作提供必要的檢測手段。