錨桿支護實踐教學實驗臺的設計與應用

賈后省，張夢婕，張 輝

(1. 河南理工大學 能源科學與工程學院， 河南 焦作 454003；2. 河南理工大學 工商管理學院， 河南 焦作 454003)

錨桿支護實踐教學實驗臺的設計與應用

賈后省1，張夢婕2，張 輝1

(1. 河南理工大學 能源科學與工程學院， 河南 焦作 454003；2. 河南理工大學 工商管理學院， 河南 焦作 454003)

分析了錨桿支護教學的要點和難點，模塊化設計了錨桿支護實踐教學實驗臺，并展開了頂板鉆孔施工與錨桿錨固實驗、錨桿錨固質量檢測實驗、頂板合理錨固層位判別實驗、實際錨固狀態下錨桿力學性能測試、錨桿預緊力損失監測等方面的實踐教學。該實驗臺對于學生完善專業知識、提升實際動手能力、增加專業知識學習興趣、增強團隊合作意識等方面具有積極作用。

錨桿支護； 模塊化設計； 實踐教學； 錨桿錨固

采礦工程專業的人才培養是煤炭行業持續、有續發展的重要基礎[1-2]。由于煤礦工程的隱蔽性、復雜性、危險性，長期以來，相關煤礦專業的實踐教學難以行之有效地開展，多是通過簡化的模型或者人為設計的動畫進行，即便結合教師的課堂講解，學生也很難想象出實際工程條件下的專業知識運用，導致學生對某些專業知識點理解困難，甚至理解錯誤[3-5]。

針對實踐教學研發相應教學設備是解決此類問題的有效途徑。例如，國土資源部科普基地建立了仿真實訓礦井，形成了真實的井下巷道生產系統，使學生能夠切實感受到井下的設計要點與生產氛圍[6]；運城職業技術學院進行了實際比例的礦山各功能分區模型制造，并輔以相關的視頻動畫，提高了學生學習效率與學習興趣[7-8]；河南義煤集團新安煤礦展開了地面模型培訓、操作與井下實際生產系統參觀相結合的模式，大幅提升了培訓效率[9]。

近年來，錨桿支護以顯著的經濟、技術優越性，在巷(隧)道圍巖控制領域得到了廣泛應用[10-12]，錨桿支護的相關施工與操作貫穿了采礦工程教學的井巷工程、采礦學、礦山壓力與巖層控制等多門學科，因此設計一種高度模擬現場環境的錨桿施工實驗臺，對于學生理解錨桿支護相關知識點、提升動手能力、提高學生學習熱情將具有積極意義。

1 實驗臺模塊化結構設計

最大限度地模擬現場施工條件與圍巖環境并可安裝真實錨桿，是錨桿支護實踐教學實驗臺結構設計的基本原則，前提是需要與真實巷(隧)道尺寸相當的操作空間。根據機械設計總體要求，結合需要完成的功能，以適于安裝的模塊化原理為設計理念，實驗臺由基礎架臺、龍門框架、圍巖箱、加載油缸、液壓系統組成。實驗臺實照及結構如圖1所示。其中，基礎架臺主要用于支撐和固定圍巖箱和加載油缸，便于下方的錨桿鉆機向圍巖箱內鉆錨固孔，支腿下端通過地腳螺栓固定在地面，基礎架臺裝有方便人員上下的扶梯和護欄。圍巖箱(結構見圖2)由箱體、壓板和擋板組成，箱內可分層澆筑以模擬層狀圍巖，側邊擋板由螺栓固定，各側邊擋板留有20 mm的間隙以供傳感器導線穿過，圍巖箱另一邊為有機玻璃板，用于觀測內部圍巖的情況。龍門框架(結構見圖3)固定在基礎架臺上，用于承載圍巖箱和加載油缸。加載油缸設置3組，最大行程300 mm，單個加載油缸最大加載力1 000 kN，并配備相應的高壓泵站和連油管。

圖1 實驗臺實照及結構圖

圖2 圍巖箱結構圖

圖3 龍門框架結構示意圖

實驗采用真實錨桿，設置實驗臺圍巖箱的合理尺寸為1 000 mm×500 mm×1 500 mm，可并排施工2～4根長度不超過1 350 mm的錨桿。為了盡可能模擬現場施工環境，基礎架臺的高度定為2 000 mm，即一般巷道掘進期間錨桿的施工高度。加載油缸用來模擬實際應力環境，加載油缸加載時，圍巖變形速度以實際地質條件下的變形特征為依據，其加載速度為

vm=CVvp

式中：vm為圍巖變形速度，mm /s；CV為時間相似性系數；vp為實際圍巖變形速度，mm /s。

實驗室中，一般要求在幾小時內完成錨桿錨固施工，CV為10-11～10-13。根據時間相似性準則，得到加載油缸加載的合理速度為0.11 mm /s。

2 實驗臺在本科實踐教學中的應用

錨桿支護實踐教學實驗臺是服務于采礦工程本科專業的采礦學、井巷工程、礦山壓力與巖層控制3門主體課程中錨桿支護施工的相關內容，用于頂板鉆孔施工與錨桿錨固實驗、錨桿錨固質量檢測實驗、頂板合理錨固層位判別實驗、實際錨固狀態下錨桿力學性能測試等方面的實踐教學。

2.1 頂板鉆孔施工與錨桿錨固實驗

錨桿是巷(隧)道最為普遍應用的支護材料，錨桿支護實踐教學實驗臺可模擬現場錨桿施工過程，配合空氣壓縮機、氣動式單體錨桿鉆機、六棱中空鉆桿、連接套、鉆頭、錨桿攪拌器、樹脂錨固劑、φ20 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿等設備和材料的使用，可使學生掌握頂板錨桿的施工過程與技術要點。

實驗過程中，鉆機壓力必須保持在0.4～0.63 MPa，壓縮空氣要潔凈和干燥，把附近氣水分離裝置中的積水排放干凈。沖洗水壓應保持0.6～1.2 MPa。把圍巖箱置于基礎架臺上并固定，開始鉆孔工作，開眼位時，轉速不可過快，氣腿推力要調小一些。當鉆進孔眼30 mm左右時，方可逐步加快轉速，加大推力，進入正常鉆孔作業。隨后，人工用錨桿將一根錨固劑向錨桿孔內推入，并頂到位,裝上攪拌套筒，用錨桿機攪拌和安裝，鉆機的轉速，先以中速為宜，氣腿推進的時間以15～30 s為宜，緊固錨桿后完成錨桿錨固。圖4為學生進行該實驗的現場圖片。

圖4 頂板鉆孔施工與錨桿錨固試驗現場照片

2.2 錨桿錨固質量檢測實驗

巷(隧)道錨桿錨固質量檢測是實際工程中的常規檢測項目，本實驗的目的是判定巷道圍巖的可錨性,以及評價錨桿、樹脂、圍巖錨固系統的性能和錨桿的錨固力。實際檢測必須在現場進行，使用的材料和設備與巷道正常支護相同。本實驗目的是使學生掌握錨桿錨固質量檢測原理，了解檢測中的相關操作規范、操作方法以及檢測中所涉技術要點，

拉拔檢測在錨桿安裝后0.5～4.0 h進行，檢測時應確保錨桿拉力計油缸的中心線與錨桿軸線重合，檢測由2人完成，一人加載，一人記錄，實驗時應緩慢均勻地操作手動泵壓桿。當錨桿出現明顯位移時停止加壓，記錄錨桿拉力計讀數，此讀數即為錨固力數值。

2.3 頂板合理錨固層位判別實驗

合理錨固層位判別是層狀圍巖巷(隧)道支護的重要前提之一，本實驗的目的是判斷不同層位的可錨性，評價錨桿、樹脂、圍巖錨固系統的性能和錨桿的錨固力，得到最為合理的錨固層位，需要錨桿拉拔計配合完成。實驗前，需要在圍巖箱澆筑配別不同強度的層狀圍巖(見圖5)，學生要了解其圍巖層位組成，包括巖性、厚度等。然后，選擇要進行錨固的層位，切割相應長度的錨桿。按照實驗的操作規程，分別進行不同層位的錨桿錨固(或由指導教師提前準備)并做好標記。

圖5 實驗臺圍巖箱層狀巖體配比

圖6為不同層位圍巖錨桿拉拔力實驗數據，由于錨桿拉拔計量程有限，采取了錨固劑減半的方法。實驗結果顯示，當錨桿錨固在細砂巖、粗砂巖時，拉拔力分別達到215 kN和145 kN，高于標準值；當錨桿錨固在泥巖、煤中時，拉拔力分別為65 kN和70 kN，低于標準值。因此合理錨固層位應為細砂巖和粗砂巖，實際應用時，應根據錨桿要求長度情況而定。

圖6 不同層位圍巖錨桿拉拔力

2.4 實際錨固狀態下錨桿力學性能測試

錨桿力學性能是巷(隧)道支護設計的重要依據，本實驗的目的是使學生掌握錨桿力學性能的指標與測試方法，了解廣泛使用的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿的性能參數。錨桿拉拔力測試與顯示由錨桿測力計完成。

測試時，首先根據實驗臺圍巖套筒長度與傳感器厚度，切割相應長度的錨桿，按照實驗操作規程，進行鉆孔、錨桿安裝(或由指導教師提前準備)，在錨桿緊固前安裝好錨桿測力計的傳感器。錨桿安裝后0.5～4.0 h進行拉拔，應緩慢均勻地操作手動泵壓桿。當錨桿出現明顯位移時，記錄該時刻的拉拔長度與拉拔力，每隔一定位移記錄一次，直至錨桿破斷。最后，分析實驗數據，繪制錨桿力學性能曲線。圖7為Φ20 mm×1 000 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿的拉伸曲線，錨桿每拉伸10～20 mm進行一次記錄。測試結果顯示，初始拉拔力為22 kN，之后隨著拉伸長度的增加，近乎直線增加，拉伸長度超過45 mm左右時，拉拔力變化不大，在165～180 kN之間，拉伸長度220 mm時，拉拔力急劇減小，隨后破斷，延伸率為22%左右。

圖7 錨桿拉伸曲線

3 結語

錨桿支護實踐教學實驗臺最大限度地模擬了現場實際中的圍巖條件與施工環境，圍繞當前普遍使用的錨桿支護技術展開實踐教學，實驗臺所涉及的實驗是課堂學習的有效補充，對于學生深入理解錨桿支護技術的一些熱點和難點問題有較大作用。同時，實驗由學生相互配合完成，且有學生自己動手操作，對于完善學生專業知識、提升實際動手能力、增加專業知識學習興趣、增強團隊合作意識等方面具有積極作用。

References)

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Design and application of experimental rig for practical teaching of bolt supporting

Jia Housheng1, Zhang Mengjie2, Zhang Hui1

(1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 2. School of Business Administration, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)

The key points and difficulties of the bolt supporting teaching are analyzed, the modular design of the experimental rig is conducted, and the practical teaching is carried out for the roof drilling construction and bolt anchoring experiment, the measurement experiment of bolt anchoring quality, the discrimination test of reasonable roof bolting horizon, mechanical property test of anchors under actual anchoring condition, the monitoring experiment of pre-stress loss of anchors, etc. This experimental rig has a positive effect on improving the students’ professional knowledge, enhancing their practical ability, increasing their interest in professional knowledge learning, strengthening their teamwork awareness, etc.

bolt supporting; modular design; practical teaching; bolt anchoring

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.026

2016-11-15 修改日期：2017-01-09

河南理工大學教育教學改革研究項目資助(2014JG020)；河南理工大學博士基金項目資助(B2016-49)

賈后省(1988—)，男，山東濟寧，博士，講師，研究方向為巷道支護理論與技術

E-mail：jiahousheng@126.com

張夢婕(1989—)，女，河南焦作，碩士，助教.

E-mail：zhangmengjie819@126.com.

TD353；G484

B

1002-4956(2017)06-0106-04