锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统及方法

技术领域

本发明涉及金属网测试技术领域，尤其涉及一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统及方法。

背景技术

巷道支护技术是煤炭开采中的一项关键技术，合理、安全、可靠的支护技术是实现矿井高产高效的必备条件。到目前为止，锚杆支护已经成为煤矿巷道首选的、高产高效的主要支护方式。由于这种支护方式具有支护成本低、支护效果好、劳动强度低、施工速度快等诸多优点，它的广泛采用给煤矿企业带来巨大的技术经济效益。

随着矿井埋深不断增加和地质条件日益复杂化，世界上先进的采煤国家纷纷加大锚杆支护技术的研究力度，不仅坚持以锚网支护为主导方向，而且从锚杆杆体材质及配套构件(螺母、托板、钢带、金属网)等方面日益向高强度、高刚度材料发展。开展金属网力学性能及支护效果研究，对提高锚杆支护效果、保证巷道安全具有重要的意义。

锚杆支护中与锚杆配套使用的构件包括托板、钢带、金属网、螺母、锚固剂等，锚杆支护的作用是锚杆与由这些构件共同完成的。金属网是煤矿井下常用的一种护表构件，高质量的金属网能有效地控制锚杆之间岩层的变形，托住挤入巷道的岩石，是确保锚杆加固作用的重要构件。煤矿锚杆支护用金属网主要有经纬网、菱形网、焊接钢筋网三种类型，金属网的力学性能及支护效果与网丝直径、编网形式、联网方式、压金属网的构件、锚杆的间排距等因素有关。国内一些成功实践证明，金属网是煤层动压巷道锚杆支护必不可少的技术措施，巷道围压的稳定性愈差，金属网的这种加固围岩作用就愈重要。

国内外虽然对锚杆支护金属网受力和变形分析做了一定的工作，但还缺乏全面、深入、系统的研究。金属网的选用还处于感性认识阶段，工程中大多采用类比法，尚未建立一套完整的理论分析与设计方法。结合井下现场使用情况，发现锚杆支护金属网的研究还存在以下问题：缺乏对金属网形状、尺寸与锚杆杆体力学性能匹配性的深入研究；金属网在井下现场使用时，其受力情况尚不清楚；目前各种金属网的使用条件尚无明确的参考标准，从而造成金属网在现场盲目滥用，这样既不能保证使用金属网的效果，也有可能造成材料的浪费。

锚杆支护金属网的变形破坏形态与极限承载力测试在国内基本属于空白，针对煤矿锚网支护巷道金属网的选择及联网方式随意性大，严重影响支护质量的问题，亟需研发一种专用的金属网变形破坏测试装置，可对煤矿井下目前使用的各类金属网进行极限承载力、不同支护方式下提供的最大护表力和挠度、强度利用率等力学性能测试。

发明内容

本发明提供一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统及方法，实现对煤矿井下目前使用的各类金属网进行极限承载力、不同支护方式下提供的最大护表力和挠度、强度利用率等力学性能测试。

本发明提供一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统，包括：

测试支撑装置，用于安装固定待测试的金属网；

施载装置，设置于测试支撑装置中部且位于金属网下方，用于对安装固定好的金属网施加载荷；

测力装置，设置于所述测试支撑装置一侧且与所述金属网连接，用于采集金属网监测点的应力应变数据。

根据本发明提供的一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统，所述测试支撑装置包括四个呈矩阵分布的支撑块。

根据本发明提供的一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统，还包括边界条件施加装置，设置于所述测试支撑装置上，用于向金属网施加边界条件。

根据本发明提供的一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统，所述边界条件施加装置包括承载框架，所述承载框架呈一口字型结构，所述承载框架的四个边角分别与四个支撑块连接，所述承载框架的四条边的顶部端面上均设置有传力垫块，所述传力垫块呈一板状结构，每个所述传力垫块上均排布有多个螺纹通孔组，在靠近相邻两个所述传力垫块连接处的其一螺纹通孔内可拆连接有一个用于固定金属网的锚杆支护组件，四个所述锚杆支护组件呈矩阵分布。

根据本发明提供的一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统，所述锚杆支护组件包括锚杆，所述锚杆为外螺纹结构且与传力垫块上的任一螺纹通孔适配，所述锚杆自下而上依次活动套接有拱形托板、调心球垫及垫片，所述垫片上侧的锚杆上螺纹套接有螺母。

根据本发明提供的一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统，所述锚杆支护组件的拱形托板与金属网之间还设置有加固件，所述加固件为钢带或钢筋梯梁或W钢护板。

根据本发明提供的一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统，所述传力垫块通过侧边固定件与金属网的侧边固定连接以向金属网施加边界条件，所述侧边固定件为铁丝或者钢筋夹具。

根据本发明提供的一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统，所述施载装置包括液压千斤顶、施载圆盘及手动压力泵，所述液压千斤顶位于四个所述支撑块的中心位置，所述液压千斤顶的输出端朝上设置且与施载圆盘连接，所述手动压力泵与液压千斤顶连接用于将载荷传给液压千斤顶。

根据本发明提供的一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统，所述测力装置包括电阻应变计和数字电阻应变仪，所述电阻应变计设置有若干个且分布安装在待测金属网的监测点上，所述电阻应变计与所述数字电阻应变仪电连接。

本发明还提供一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试方法，包括：

在金属网的监测点上安装电阻应变计；

将金属网放置在边界条件施加装置上，在靠近金属网的四个边角处采用锚杆支护组件将金属网固定；

对金属网施加边界条件；

施载装置对金属网施加载荷；

测力装置采集金属网监测点的应力应变数据进行测试分析。

本发明提供的锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统及方法，通过设置边界条件施加装置、加固件及侧边固定件，能够实现支护方式、边界条件及金属网类型的多种组合方式，可对煤矿井下目前使用的各类金属网进行极限承载力、不同支护方式下提供的最大护表力和挠度、强度利用率等力学性能测试，试验结果可直接应用于支护设计和工程实践。

附图说明

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。

图1是本发明提供的锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统的正视结构剖视示意图；

图2是电阻应变计在金属网上的分布示意图。

附图标记：

100、金属网；200、支撑块；

300、承载框架；301、传力垫块；302、侧边固定件；

400、锚杆；401、拱形托板；402、调心球垫；403、垫片；404、螺母；405、加固件；410、锚杆支护组件；

500、液压千斤顶；501、施载圆盘；502、数字压力表；

600、电阻应变计；601、数字电阻应变仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图2描述本发明的本发明提供一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试系统，包括：测试支撑装置、施载装置、测力装置及边界条件施加装置。

测试支撑装置用于安装固定待测试的金属网100；具体地，如图1所示，测试支撑装置包括四个呈矩阵分布的支撑块200，支撑块200与地面通过螺钉或其他紧固方式固定。

边界条件施加装置设置于测试支撑装置上，用于向金属网100施加边界条件。具体地，边界条件施加装置包括承载框架300，承载框架300呈一口字型结构，承载框架300的四个边角分别与四个支撑块200通过螺栓可拆固定连接，承载框架300的四条边的顶部端面上均设置有传力垫块301，传力垫块301呈一板状结构，每个传力垫块301上均排布有多个螺纹通孔组，在靠近相邻两个传力垫块301连接处的其一螺纹通孔内可拆连接有一个用于固定金属网100的锚杆支护组件410，四个锚杆支护组件410呈矩阵分布。所述传力垫块301通过侧边固定件302与金属网100的侧边固定连接以向金属网100施加边界条件。

传力垫块301是为了加大尺寸，使得该测试系统能够适用于尺寸大小不一的金属网100，在传力垫块301上设置有螺纹通孔组，一来是方便根据金属网100的尺寸调整锚杆支护组件410的位置，二来是为了给金属网100侧边施加边界条件。

更具体地，侧边固定件302为铁丝或者钢筋夹具；基于侧边固定件302的两种选择，可以得出边界条件也有两种，一种边界条件为用铁丝将金属网100侧边绑在传力垫块301上，模拟煤矿井下现场金属网间的连接情况；另一种边界条件为用钢筋夹具将金属网100固定在传力垫块301上，用以测试不同类型金属网的极限承载能力；钢筋夹具包括至少一个夹板，夹板通过螺栓将金属网100的侧边固定在传力垫块301上。

锚杆支护组件410包括锚杆400，锚杆400为外螺纹结构且与传力垫块301上的任一螺纹通孔适配，锚杆400自下而上依次活动套接有拱形托板401、调心球垫402及垫片403，垫片403上侧的锚杆400上螺纹套接有螺母404。

锚杆支护组件410的拱形托板401与金属网100之间还设置有加固件405，加固件405为钢带或钢筋梯梁或W钢护板。基于传力垫块301的设置，锚杆支护组件410配合加固件405可以实现更加稳固的支护方式，基于加固件405的不同选择，可以形成包括单体锚杆支护、锚杆+钢带支护、锚杆+钢筋梯梁支护、锚杆+W钢护板支护的多种支护方式。图1为锚杆+钢带支护方式及边界条件为用钢筋夹具将金属网100侧边固定在传力垫块301上的示意图。

施载装置设置于测试支撑装置中部且位于金属网100下方，用于对安装固定好的金属网100施加载荷；具体地，施载装置包括液压千斤顶500、施载圆盘501及手动压力泵，液压千斤顶500位于四个支撑块200的中心位置，液压千斤顶500的输出端朝上设置且与施载圆盘501连接，手动压力泵与液压千斤顶500连接用于将载荷传给液压千斤顶500；

为了更好进行施载动作，施载圆盘501的直径优选在250-350mm之间，圆盘边缘进行坡口处理，避免在金属网上出现集中载荷或施载面积过大；加载过程中在金属网100和施载圆盘501之间垫两层圆形柔性皮带，减小圆盘边缘对金属网100的剪切影响。

液压千斤顶500包括两个伸缩油缸，伸缩油缸能够实现千斤顶的加载和卸压；手动压力泵配备有型号为YS-1型的数字压力表502，能够实现施加载荷的连续监测和记录。

测力装置设置于所述测试支撑装置一侧且与所述金属网100连接，用于采集金属网100监测点的应力应变数据；具体地，测力装置包括电阻应变计600和数字电阻应变仪601，电阻应变计600设置有若干个且分布安装在待测金属网100的监测点上，电阻应变计600与数字电阻应变仪601电连接。

更具体地，电阻应变计600的敏感栅宽度不大于1mm，能够安装在煤矿井下常用的直径为3.2mm、4.0mm、6.5mm金属网丝上；在本实施例中，电阻应变计600选择型号为BX120-2AA的电阻应变计，其敏感栅长宽为2×1mm，灵敏系数为2.08±1％，电阻为120±0.1％Ω；

数字电阻应变仪601的应变测量范围为0～±19999με，精度为±0.1％FS，分辨率为1με，可连续监测12个监测点的应变值；在本实施例中，数字电阻应变仪601选择型号为YJK4500B型的静态电阻应变仪，其应变测量范围为0～±19999με，精度为±0.1％FS，分辨率为1με，测量时从应变仪上读出应变计处的应变值。

一种锚杆支护金属网变形破坏形态与极限承载力测试方法，包括：

在金属网100的监测点上安装电阻应变计600；具体为：对金属网100的12个应变监测点位置进行标记，然后准备两组总共20个电阻应变计，一组编号为101-110，另一组标号为201-210，将20个电阻应变计600与数字电阻应变仪601通过导线连接后，按照如图2的分布方式粘贴到12个监测点上，其中，有的监测点粘贴两个电阻应变计600；

将金属网100放置在边界条件施加装置上，在靠近金属网100的四个边角处采用锚杆支护组件410将金属网100固定；在此过程中，可根据需要，在锚杆支护组件410和金属网100之间添加不同类型的加固件405，以测试不同支护方式下的金属网100的应力应变数据；在用锚杆支护组件410固定金属网100时，用定扭矩扳手将锚杆400的预紧扭矩加到400Nm；

对金属网100施加边界条件；可根据需要，采用铁丝将金属网100侧边绑在传力垫块301上，模拟煤矿井下现场金属网间的连接情况；或者用钢筋夹具将金属网100固定在传力垫块301上，用以测试不同类型金属网的极限承载能力；

支护方式、边界条件及金属网类型可以有多种组合方式，使得本装置能够对不同类型金属网进行全方位的测试；

施载装置对金属网100施加载荷；具体地，通过手动压力泵将载荷传给液压千斤顶500，对金属网100施加载荷；

测力装置采集金属网100监测点的应力应变数据进行测试分析；具体地，当金属网100的“网兜”中心处的挠度达到预定值时，记下数字压力表502的读数，然后分别测定应变计处金属网的应变和“网兜”中心轴线上指定点的变形值。最后，对试验采集的多组数据进行数理统计分析，绘制金属网的承载和变形响应曲线。

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。