基于智能拉拔測試系統的錨桿錨固力現場高效評測方法

徐 帥 郭玟志 紀旭波,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定巖體結合在一起而形成懸吊、組合梁等結構,通過提升圍巖的彈性模量E、黏聚力C和內摩擦角φ進而提升巖體的自穩能力[1-4]。因此,錨桿支護已成為巖土和地下工程中應用最為廣泛的支護加固方法[5-6]。錨桿支護是一項隱蔽性工程,其錨固力受現場施工工藝、桿體材料屬性、井下環境等多種因素影響,導致實際錨固力與理論或設計值差別較大。當支護系統輸出的實際錨固力小于設計值時,巷道將出現片幫、冒落現象;加密支護參數將消耗更多錨桿,造成支護成本上升、材料浪費[7-9]。因此,在綜合考慮支護效果、經濟成本和勞動效率的基礎上,定量分析與評價錨桿錨固力學特性,對保證井下支護科學設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]。在拉拔設備驅動方面,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、勞動強度大[16];有源泵站則因現場需供電、且體積大、現場移動困難,不利于現場錨桿拉拔測試;在試驗數據記錄方面,當前大部分測試系統依靠千分表獲取峰值荷載,該記錄方式難以科學評價錨桿支護受力特性[17-18],測試結果不可靠[19-20]。此外,錨桿現場拉拔測試時多采用焊接方式進行連接,該方式對桿體損傷大、工序復雜,焊點強度直接影響拉拔結果。因此,受驅動方式、測試結果和連接方式三方面的制約,導致現場難以科學、高效地開展錨桿支護質量評價工作。明確錨桿的現場錨固性能是保證井下巷道穩定和合理支護設計的基本前提,研發可高效測試、智能分析的錨桿現場錨固力測試裝置,對于礦山智能化建設很有必要。

針對上述問題,基于自主研發的錨桿智能拉拔測試系統,提出了現場測試快速連接技術,開發了拉拔過程壓力—位移實時采集軟件,對拉拔數據進行全過程采集與分析,實現了管縫錨桿、樹脂錨桿、漲殼式錨桿現場錨固力的快速測定。工程應用表明,該套測試系統為礦山錨桿支護質量評測提供了一種新的技術和方法,可為礦山高效支護、科學管理提供有益參考。

1 錨桿智能拉拔測試系統

1.1 系統組成

錨桿拉拔測試系統主要由加載模塊和數據采集模塊組成,其外觀如圖1所示。加載模塊中主要由便攜高壓動力源、反力筒以及相關接駁器、螺母等組成,數據采集模塊由分析軟件、信號轉換器、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工作原理如圖2所示。系統使用過程中,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模塊并進行信號轉換,最后通過USB接口傳輸到數據采集模塊。數據采集模塊中裝有智能數據采集分析終端對力與位移數據進行實時分析與圖像繪制,智能數據采集分析終端界面如圖3所示,采集完成可直接導出csv文件及圖形。

圖2 系統工作原理Fig.2 Working principle of the system

圖3 智能數據采集分析終端Fig.3 Intelligent data acquisition and analysis terminal

錨桿智能拉拔測試系統的工作參數為: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 系統標定

采用臥式錨桿伺服拉拔測試系統進行標定。臥式錨桿伺服拉拔測試系統(圖4(a))采用伺服微機進行控制,系統參數為: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、相同物理參數的螺紋鋼錨桿進行室內拉拔測試,比對桿體的荷載—位移曲線以評價錨桿智能拉拔測試系統的可靠性。采用錨桿智能拉拔測試系統的試驗過程如圖4(b)所示,得到圖4(c)所示的標定試驗結果。對比曲線趨勢、屈服荷載、極限荷載、材料剛度等指標發現,錨桿智能拉拔測試系統與伺服拉拔試驗機測試結果基本相同,可滿足現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標定Fig.4 Calibration of bolt intelligent pull-out test system

2 錨桿拉拔測試現場快速連接方法

為滿足錨桿現場拉拔測試快速連接的需求,設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))與錨桿桿體通過內外螺紋相互咬合進行連接;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,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,錨桿現場拉拔快速連接過程如圖6所示。管縫錨桿安裝前將預置拉環(圖5(b))套入管縫錨桿,使其位于托盤與錨桿擋環之間;拉拔時,首先將接駁器套裝在拉環上,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,最后用螺母進行緊固,并給錨桿施加2～3 kN預緊拉力以消除裝置與巖壁的間隙。完成上述操作后,錨桿已經被拉緊。將位移傳感器固定在千斤頂的外壁上,使其隨均力環移動以便實時采集位移信號。完成傳感器及加載系統布置后,通過油管連接千斤頂與動力源,傳感器與采集系統接通,啟動數據記錄軟件,使其處于工作狀態;啟動油泵,通過控制油泵供油速率,使得拉拔力持續穩定增加,當壓力或位移達到預定值時,便可停止試驗,保存試驗數據。

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

3 現場拉拔測試

在新城金礦-525 m水平采場聯絡巷開展錨桿智能拉拔測試系統的現場應用試驗。現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?，F場試驗首先進行鉆孔(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所示的連接方法進行拉拔測試,圖7(c)、圖7(d)所示為拉拔后錨桿發生的撕裂、滑移現象。

圖7 現場錨桿拉拔測試Fig.7 Field bolt pull-out test

圖8(a)為管縫錨桿現場測試位移—荷載曲線。分析可知:0～20 mm內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束,隨著位移增長錨固力在一定范圍內波動,但不發生明顯下降,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了錨固力隨位移增大到86 kN后錨固力呈斷崖式下降的現象。該現象出現的原因是管縫錨桿桿體所受載荷達到桿體材料的極限強度,從而發生撕裂破斷。進一步分析圖8(a)可知:管縫錨桿以滑動失效為主,但當所受載荷達到桿體極限強度時將發生斷裂失效,此時拉拔力可增大35%以上,但變形能力則下降60%左右。

圖8 現場錨桿拉拔測試結果Fig.8 Results of field bolt pull-out test

通過分析樹脂錨桿現場測試拉拔力—位移曲線(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備間發生“壓密”,導致錨桿真實所受荷載較小;之后繼續加載,拉拔力隨位移增長而迅速增大直至桿體破斷。加載過程中出現短暫的拉拔力隨位移增長而不變的現象,是螺紋鋼桿體發生屈服現象所致。現場測試結果表明:樹脂錨桿屈服載荷為175 kN,破斷載荷為230 kN。

圖8(c)為漲殼式錨桿現場測試結果,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大幅度波動。該現象出現的原因是漲殼錨頭與鉆孔壁間發生擠壓摩擦不均勻產生的。位移為23～25 mm時,漲殼式錨桿均出現了錨頭滑脫失效導致錨固力喪失的現象,錨桿被拔出?，F場測試結果表明: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位移后將發生錨固失效現象,變形能力較弱。

4 結 論

(1)針對傳統拉拔設備測試效率低、便攜性差的問題,自主研發了錨桿智能拉拔測試系統,開發了錨桿測試數據分析軟件,實現了錨桿測試全過程數據的實時記錄與智能分析,測試數據準確、連續,并可根據位移—拉拔力曲線分析拉拔過程中的錨桿受力特性與規律。

(2)采用接駁器與預置拉環匹配的方法,實現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(常規管縫、水脹管縫)及錨索的快速連接。簡化了現場拉拔測試流程,提出的錨桿拉拔測試現場快速連接方法,可對全尺寸參數的上述錨桿與錨索進行現場拉拔試驗。

(3)應用錨桿智能拉拔測試系統在新城金礦開展了現場拉拔測試,測試結果表明: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120、25 mm?，F場應用表明:錨桿智能拉拔測試系統便攜高效,能夠實現智能采集分析數據且結果準確性好,可為礦山支護工作提供必要的檢測手段。