本發(fā)明涉及一種實驗臺，特別是涉及一種用于測試錨桿支護效果的實驗臺；本發(fā)明還涉及一種利用實驗臺測試錨桿系統(tǒng)支護效果的方法。

背景技術：

在采礦、隧道、地鐵等地下空間工程中，利用錨桿支護錨固圍巖的應用十分廣泛，對錨桿支護效果的檢驗也是工程設計中重要的一部分。錨桿對圍巖的錨固作用，不是單個錨桿實現(xiàn)的，而是錨桿系統(tǒng)中的多個錨桿相互作用實現(xiàn)的。

現(xiàn)有技術中對錨桿支護效果的模擬是以局部單個錨桿為對象，還沒有能對錨桿系統(tǒng)進行實驗模擬的裝置和方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種可對整個錨桿系統(tǒng)進行實驗模擬的相似模擬實驗臺；本發(fā)明要解決的另一個技術問題是提供一種錨桿支護效果實驗測試方法，其利用上述實驗臺對錨桿系統(tǒng)進行支護效果實驗測試，具有測試簡單、測試得到的數(shù)據(jù)更可靠的優(yōu)點。

本發(fā)明相似模擬實驗臺，包括實驗臺框架及設置在實驗臺框架內的兩組頂部加壓油缸組、兩組側向移動加壓系統(tǒng)和一組錨桿支護系統(tǒng)，所述實驗臺框架為矩形框架，所述實驗臺框架包括底座、頂部擋板、左側擋板、右側擋板、多個外側可拆卸活動擋板、多個內側可拆卸活動擋板，所述底座、頂部擋板、左側擋板、右側擋板圍成所述矩形框架，多個外側可拆卸活動擋板設置在矩形框架的前側，多個內側可拆卸活動擋板設置在矩形框架的后側，所述頂部加壓油缸組前后布置并間隔固定在頂部擋板的底部，兩組側向移動加壓系統(tǒng)在實驗臺框架內前后間隔布置，每組所述側向移動加壓系統(tǒng)包括側向位置液壓驅動油缸組、側向加壓油缸組、移動調節(jié)臺、側向加壓擋板，所述側向位置液壓驅動油缸組的和所述側向加壓油缸組的均平行于底座設置，所述移動調節(jié)臺和所述側向加壓擋板均垂直于底座設置，所述移動調節(jié)臺的下端、所述側向加壓擋板的下端分別與所述底座滑動連接，所述側向位置液壓驅動油缸組的一端固定在左側擋板的右側面，所述側向位置液壓驅動油缸組的另一端固定在所述移動調節(jié)臺的左側面，所述側向加壓油缸組的一端固定在所述移動調節(jié)臺的右側面，所述側向加壓油缸組的另一端固定在所述側向加壓擋板的左側面，多個所述外側可拆卸活動擋板并排設置且外側可拆卸活動擋板的兩端分別與所述移動調節(jié)臺和所述右側擋板連接，多個所述內側可拆卸活動擋板并排設置且內側可拆卸活動擋板的兩端分別與所述移動調節(jié)臺和所述右側擋板連接，錨桿支護系統(tǒng)在實驗框架內布置，所述錨桿支護系統(tǒng)包括間隔布置的多個T型托架、上蓋板、下托板，所述T型托架的豎直段的下端與底座固定連接，多個所述T型托架的水平段位于同一高度，所述下托板支撐在多個所述T型托架的水平段的上方，所述上托板平行于下托板設置且位于所述下托板的上方，所述側向加壓擋板、上蓋板、下托板、右側擋板、外側可拆卸活動擋板、內側可拆卸活動擋板之間形成模擬材料承載空間。

本發(fā)明相似模擬實驗臺，其中，每組所述側向移動加壓系統(tǒng)還包括豎直設置的鎖緊推桿，所述鎖緊推桿為具有多段并可鎖定在任意位置的可伸縮桿，所述鎖緊推桿的下端固定在所述移動調節(jié)臺的上端，所述鎖緊推桿的上端與頂部擋板的底部相抵。

本發(fā)明相似模擬實驗臺，其中，所述錨桿支護系統(tǒng)還包括至少兩個角鐵，兩個角鐵分別固定連接在側向加壓擋板和右側擋板上，兩個所述角鐵位于同一高度。

本發(fā)明相似模擬實驗臺，其中，每組所述頂部加壓油缸組包括8個第一油缸。

本發(fā)明相似模擬實驗臺，其中，每組所述側向位置液壓驅動油缸組包括3個第二油缸。

本發(fā)明相似模擬實驗臺，其中，每組所述側向加壓油缸組包括3個第三油缸。

本發(fā)明相似模擬實驗臺，其中，還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)用于控制頂部加壓油缸組、側向位置液壓驅動油缸組、側向加壓油缸組的啟閉和運動。

本發(fā)明相似模擬實驗臺，其中，還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)用于控制第一油缸、第二油缸、第三油缸的油缸桿的伸縮。

本發(fā)明相似模擬實驗臺與現(xiàn)有技術的不同之處在于本發(fā)明相似模擬實驗臺包括頂部加壓油缸組和側向加壓油缸組，可以同時實現(xiàn)頂部加壓與側向加壓，更好的對某些側壓較大的地質條件進行模擬，同時本發(fā)明相似模擬實驗臺包括錨桿支護系統(tǒng)，可對錨桿的支護效果進行模擬測試，本發(fā)明相似模擬實驗臺通過設置側向移動加壓系統(tǒng)，使得實際進行模擬實驗的實驗臺的長度和寬度可以調節(jié)，可以進行整個錨桿支護系統(tǒng)的三維模擬實驗。

本發(fā)明錨桿支護效果實驗測試方法，其采用上述實驗臺，包括以下步驟：步驟1、根據(jù)現(xiàn)場頂板條件，按一定巖塊粒徑配置用于模擬頂板巖體、煤體的模擬材料，按照設計的錨桿強度，根據(jù)相似關系制作模擬用的多個錨桿；步驟2、將實驗臺調節(jié)至巷道支護模擬模式，并將下托板安裝于指定高度以構成模擬材料填充空間的底板，安裝外側可拆卸活動擋板和內側可拆卸活動擋板，將步驟1中配比完成的模擬材料注入由前后兩組外側可拆卸活動擋板、及下托板圍成的承載空間，在中間位置加入相似模擬材料層，并將多個應力傳感器埋入相似模擬材料層中，將上蓋板覆蓋安裝于承載空間頂部，之后加壓壓實；步驟3、根據(jù)錨桿支護設計方案，安裝錨桿；步驟4、將上蓋板和下托板拆卸，啟動頂部加壓油缸組和/或側向加壓油缸組對模擬材料及錨桿形成的模型進行加壓，根據(jù)應力傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對錨桿支護效果的實驗測試。

本發(fā)明錨桿支護效果實驗測試方法，其中，所述步驟2中，上蓋板的下表面和下托板上表面均設置有多個可插拔的孔口開關片。

本發(fā)明錨桿支護效果實驗測試方法與現(xiàn)有技術的不同之處在于本發(fā)明中利用的裝置為上述實驗臺，該實驗臺的實驗長度和寬度可以調節(jié)，能實現(xiàn)三維模擬實驗，可以實現(xiàn)對整個錨桿系統(tǒng)的三維模擬實驗，利用上述實驗臺對錨桿系統(tǒng)進行支護效果實驗測試，測試簡單，本發(fā)明可以測得錨桿系統(tǒng)中多個錨桿的錨固力的疊加影響區(qū)的數(shù)據(jù)，測試得到的數(shù)據(jù)更可靠。

下面結合附圖對本發(fā)明的相似模擬實驗臺作進一步說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明相似模擬實驗臺的主視圖；

圖2為本發(fā)明相似模擬實驗臺中側向移動加壓系統(tǒng)分布示意圖；

圖3為本發(fā)明錨桿支護效果實驗測試方法中模擬用錨桿的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明錨桿支護效果實驗測試方法中下托板上孔口開關片的分布示意圖；

圖5為本發(fā)明錨桿支護效果實驗測試方法中錨桿錨固參數(shù)測試方法的原理圖，也是本發(fā)明錨桿支護效果實驗測試方法中應用的模擬材料與錨桿的模型示意圖。

其中：1-實驗臺框架，11-底座，12-頂部擋板，13-左側擋板，14-右側擋板，15-外側可拆卸活動擋板，15’-內側可拆卸活動擋板，2-頂部加壓油缸組，3-側向移動加壓系統(tǒng)，31-側向位置液壓驅動油缸組，32-側向加壓油缸組，33-移動調節(jié)臺，34-側向加壓擋板，35-鎖緊推桿，4-錨桿支護系統(tǒng)，41-T型托架，42-下托板，43-角鐵，44-上蓋板，45-錨桿安裝孔，46-孔口開關片，102-錨桿排間距，103-錨固巖體厚度，104-雙端固定錨桿，105-錨桿桿體，106-錨桿頭，108-緊固螺母，109-錨桿托盤，111-原始應力區(qū)，201-應力傳感器，202-相似模擬材料層，203-錨固力邊界線，204-單個錨桿錨固力影響區(qū)，205-錨固力疊加影響區(qū)。

具體實施方式

結合圖1和圖2所示，本發(fā)明相似模擬實驗臺包括實驗臺框架1、兩組頂部加壓油缸組2、兩組側向移動加壓系統(tǒng)3、錨桿支護系統(tǒng)4、控制系統(tǒng)，圖中未示出控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)用于控制頂部加壓油缸組2、側向移動加壓系統(tǒng)3的啟閉和動作，兩組頂部加壓油缸組2、兩組側向移動加壓系統(tǒng)3和錨桿支護系統(tǒng)4均設置在實驗臺框架1內，實驗臺框架1為矩形框架，實驗臺框架1包括底座11、頂部擋板12、左側擋板13、右側擋板14、多個外側可拆卸活動擋板15、多個內側可拆卸活動擋板15’，底座11、頂部擋板12、左側擋板13、右側擋板14圍成矩形框架，多個外側可拆卸活動擋板15設置在矩形框架的外側，多個內側可拆卸活動擋板15’設置在矩形框架的內側，每組頂部加壓油缸組2包括8個第一油缸，每組側向位置液壓驅動油缸組31包括3個第二油缸，每組側向加壓油缸組32包括3個第三油缸。

結合圖1和圖2所示，兩組頂部加壓油缸組2前后布置并間隔固定在頂部擋板12的底部，兩組側向移動加壓系統(tǒng)3在實驗臺框架1內前后間隔布置，每組側向移動加壓系統(tǒng)3包括側向位置液壓驅動油缸組31、側向加壓油缸組32、移動調節(jié)臺33、側向加壓擋板34，側向位置液壓驅動油缸組31的和側向加壓油缸組32的均平行于底座11設置，移動調節(jié)臺33和側向加壓擋板34均垂直于底座11設置，移動調節(jié)臺33的下端、側向加壓擋板34的下端分別與底座11滑動連接，側向位置液壓驅動油缸組31的一端固定在左側擋板13的右側面，側向位置液壓驅動油缸組31的另一端固定在移動調節(jié)臺33的左側面，側向加壓油缸組32的一端固定在移動調節(jié)臺33的右側面，側向加壓油缸組32的另一端固定在側向加壓擋板34的左側面，底座11上設置有軌道，移動調節(jié)臺33的下端、側向加壓擋板34的下端均設置有滑槽，滑槽與軌道配合使得移動調節(jié)臺33和側向加壓擋板34可在底座11上滑動，側向位置液壓驅動油缸組31可以驅動移動調節(jié)臺33在底座11上滑動，側向加壓油缸組32的伸縮可帶動側向加壓擋板34在底座11上滑動。

結合圖1和圖2所示，多個外側可拆卸活動擋板15并排設置且外側可拆卸活動擋板15的兩端分別與移動調節(jié)臺33和右側擋板14連接，多個內側可拆卸活動擋板15’并排設置且內側可拆卸活動擋板15’的兩端分別與移動調節(jié)臺33和右側擋板14連接，錨桿支護系統(tǒng)4在實驗框架1內布置，錨桿支護系統(tǒng)4包括間隔布置的多個T型托架41、上蓋板44、下托板42，T型托架41的豎直段的下端與底座11固定連接，多個T型托架41的水平段位于同一高度，下托板42支撐在多個T型托架41的水平段的上方，上蓋板44平行于下托板42設置且位于下托板42的上方，側向加壓擋板34、上蓋板44、上托板42、右側擋板14、外側可拆卸活動擋板15、內側可拆卸活動擋板15’之間形成模擬材料承載空間。

如圖1和圖2所示，每組側向移動加壓系統(tǒng)3還包括豎直設置的鎖緊推桿35，鎖緊推桿35為具有多段并可鎖定在任意位置的可伸縮桿，鎖緊推桿35的下端固定在移動調節(jié)臺33的上端，鎖緊推桿35的上端與頂部擋板12的底部相抵。

如圖1、圖2所示，錨桿支護系統(tǒng)4還包括至少兩個角鐵43，兩個角鐵43分別固定連接在側向加壓擋板34和右側擋板14上，兩個角鐵43位于同一高度，下托板42可支撐在T型托架上且其兩端可以卡在兩個角鐵43上，兩個角鐵43具有卡住下托板42使其不向上竄動的作用，此外，在進行錨桿支護效果模擬實驗時，裝好錨桿一段時間后需要將下托板42拆卸下來，此時，兩個角鐵43將對模擬材料的下邊緣起到支撐作用，用以模擬真實情況下的邊界條件。

控制系統(tǒng)用于控制頂部加壓油缸組、側向位置液壓驅動油缸組、側向加壓油缸組的啟閉和運動?？刂葡到y(tǒng)可控制第一油缸、第二油缸、第三油缸的油缸桿的伸縮。結合圖1和圖2所示，兩組頂部加壓油缸組2前后布置并間隔固定在頂部擋板12的底部，每組頂部加壓油缸組2中的8個第一油缸的缸筒固定在頂部擋板12的底部，第一油缸豎直設置，每組側向位置液壓驅動油缸組31中的第二油缸均水平且間隔設置，第二油缸的缸筒均與左側擋板13固定連接，第二油缸的油缸桿的端部均與移動調節(jié)臺33的左側面固定，每組側向加壓油缸組32中的3個第三油缸均水平且間隔設置，第三油缸的缸筒均與移動調節(jié)臺的右側面固定連接，第三油缸的油缸桿的端部均與側向加壓擋板34固定連接，側向位置液壓驅動油缸組31中的第一油缸伸縮可驅動移動調節(jié)臺在底座1上滑動。本發(fā)明實驗臺中兩組側向位置液壓驅動油缸組31之間由控制系統(tǒng)獨立控制，每組側向位置液壓驅動油缸組31內的第一油缸由控制系統(tǒng)同步控制；多組側向加壓油缸組32之間由控制系統(tǒng)獨立控制，每組側向加壓油缸組32內的第三油缸由控制系統(tǒng)同步控制；兩組頂部加壓油缸組2之間由控制系統(tǒng)獨立控制，每組頂部加壓油缸組2內的第一油缸由控制系統(tǒng)控制單獨供油。

使用時，本發(fā)明相似模擬實驗臺中側向位置液壓驅動油缸組31的第二油缸伸縮，驅動移動調節(jié)臺33在底座11上左右滑動，進而帶動側向加壓擋板34移動，移動調節(jié)臺33移動到適當位置時，鎖定鎖緊推桿35，鎖緊推桿35的上端與頂板擋板12的底部相抵，將移動調節(jié)臺33的當前位置鎖定，防止移動調節(jié)臺33繼續(xù)移動，適當位置是指使得實驗臺寬度適合于實驗的要求。結合圖1和圖2所示，移動調節(jié)臺33上設置有多個螺栓孔331，右側擋板14上設置有多個螺栓孔141，移動調節(jié)臺33和右側擋板14的前側連接外側可拆卸活動擋板15，移動調節(jié)臺33和右側擋板14的后側連接內側可拆卸活動擋板15’，外側可拆卸活動擋板15的左端和內側可拆卸活動擋板15’的左端通過螺栓16和螺栓孔331與移動調節(jié)臺33連接，外側可拆卸活動擋板15的右端和內側可拆卸活動擋板15’的右端通過螺栓17和螺栓孔141與右側擋板14連接，多個外側可拆卸活動擋板15并排設置且相鄰兩個外側可拆卸活動擋板15之間沒有間隙，多個內側可拆卸活動擋板15’并排設置且相鄰兩個內側可拆卸活動擋板15’沒有間隙，側向加壓擋板34、下托板42、上蓋板44、右側擋板14、外側可拆卸活動擋板15、內側可拆卸活動擋板15’之間形成模擬材料承載空間，模擬材料承載空間用于填入相似模擬材料。外側可拆卸活動擋板15和內側可拆卸活動擋板15’的個數(shù)可以根據(jù)實驗的高度選擇。

本發(fā)明相似模擬實驗臺可以實現(xiàn)一臺實驗臺同時具備二維相似模擬、三維相似模擬的功能，減少了實驗器材成本與占地，提高實驗臺的利用效率；本發(fā)明相似模擬實驗臺在進行二維相似模擬時，可以同時實現(xiàn)頂部加壓和側向加壓，能更好的對某些側壓較大的地質條件進行模擬；本發(fā)明相似模擬實驗臺還可以實現(xiàn)兩組二維相似模擬實驗的同時進行，提高實驗的工作效率。本發(fā)明相似模擬實驗臺在進行二維模擬實驗時，需要安裝內側可拆卸活動擋板15’，右側擋板14可設置成兩塊分體板，兩塊分體板之間存在間隔，本發(fā)明相似模擬實驗臺進行三維相似模擬時，例如進行測試錨桿系統(tǒng)支護效果的實驗時，不需要安裝內側可拆卸活動擋板15’，只需要安裝外側可拆卸活動擋板15，且需要將右側擋板14兩塊分體板之間的間隔封閉，兩塊側向加壓擋板34之間的間隔也需要封閉，這樣才能形成模擬材料承載空間。本發(fā)明相似模擬實驗臺中內側可拆卸活動擋板15’要根據(jù)實際需要選擇是否安裝。

本發(fā)明相似模擬實驗臺最重要的作用是用于測試錨桿系統(tǒng)支護效果，使用時，將實驗臺調至適當位置，將下托板44安裝于指定高度以構成模擬材料承載空間的底板，安裝前后兩個外側可拆卸活動擋板15，將已經配比完成的模擬材料注入由前后兩組外側可拆卸活動擋板15、及下托板42圍成的承載空間，在中間位置加入相似模擬材料層，并將多個應力傳感器埋入相似模擬材料層中，將上托板42覆蓋安裝于承載空間頂部，之后加壓壓實，再根據(jù)錨桿支護設計方案，安裝錨桿，之后將上蓋板44和下托板42拆卸，啟動頂部加壓油缸組和/或側向加壓油缸組對模擬材料及錨桿形成的模型進行加壓，并記錄應力傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對錨桿支護效果的實驗測試。

本發(fā)明錨桿支護效果實驗測試方法，采用的裝置和材料有：1、上述的相似模擬實驗臺，如圖1所示；2、相似模擬所用的巖石、煤體等模擬材料，該模擬材料以工程現(xiàn)場頂板為參照，符合相似理論得到的參數(shù)；3、相似模擬所用的錨桿104，該錨桿以理論設計錨桿為參照，符合相似理論得到的錨桿參數(shù)；4、孔口開關片46，用于相似模擬材料固結后將孔口開關片46拆除以安裝錨桿104。

結合圖3-圖5所示，本發(fā)明錨桿支護效果實驗測試方法，包括以下步驟：

步驟1、根據(jù)現(xiàn)場頂板條件，按相似理論配比一定粒徑的用于模擬頂板巖體、煤體的材料，按照設計的錨桿強度，根據(jù)相似理論制作模擬用的錨桿104；

步驟2、通過控制系統(tǒng)控制實驗臺的側向位置液壓驅動油缸組31啟動，使移動調節(jié)臺33向右側移動并到達三維模擬狀態(tài)，鎖緊鎖緊推桿35，將下托板42安裝于指定高度以構成模擬材料填充空間的底板，安裝前后兩組外側可拆卸活動擋板15，將步驟1中配比完成的模擬材料注入由前后兩組外側可拆卸活動擋板15、及下托板42圍成的承載空間，在中間厚度位置鋪相似模擬材料層202，并將多個應力傳感器201埋入相似模擬材料層202中，繼續(xù)注入模擬材料直至填滿，將上蓋板44覆蓋安裝于承載空間頂部，之后加壓壓實；

步驟3、按照設計的錨桿布置密度，應用相似理論得到模擬實驗的錨桿布置密度，并按照此布置密度，將上蓋板44和下托板42的孔口開關片46抽出，并把錨桿桿體105穿過錨桿安裝孔45，在頂端錨桿頭106先后安裝防松墊圈109與緊固螺母108，之后在底端錨桿頭106先后安裝錨桿托盤109與緊固螺母108，依次將所有錨桿安裝完畢；

步驟4、將所有錨桿安裝完畢后，將上蓋板44和下托板42拆卸，啟動頂部加壓油缸組2可對模型頂部施加垂直載荷，啟動側向加壓油缸組32可對模型側面施加水平載荷，通過應力傳感器201所監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得到錨桿支護應力狀態(tài)，實現(xiàn)錨桿支護效果的實驗測試。

步驟2中，可以根據(jù)模擬巖層的厚度增加前后兩組外側可拆卸活動擋板15，前后兩組外側可拆卸活動擋板15保持高度一致即可。步驟2中，上蓋板44的下表面和下托板42上表面均設置有多個可插拔的孔口開關片46，孔口開關片46用于定位錨桿的安裝位置以安裝錨桿。

本發(fā)明錨桿支護效果實驗測試方法利用上述相似模擬實驗臺，該實驗臺的實驗長度和寬度可以調節(jié)，能實現(xiàn)三維模擬實驗，可以實現(xiàn)對整個錨桿系統(tǒng)的三維模擬實驗，利用上述實驗臺對錨桿系統(tǒng)進行支護效果實驗測試，測試簡單，本發(fā)明可以測得錨桿系統(tǒng)中多個錨桿的錨固力的疊加影響區(qū)的數(shù)據(jù)，測試得到的數(shù)據(jù)更可靠。

本發(fā)明相似模擬實驗臺及錨桿支護效果實驗測試方法通過對錨桿支護設計方案的模擬，以驗證方案的可靠性，此外還可進一步對不同巖層賦存條件下如：軟巖、堅硬頂板、破碎頂板、一般頂板錨桿支護方式及支護機理進行研究，也可對支護參數(shù)研究實驗包括錨桿間距，錨固長度，錨固力等參數(shù)的研究，通過實驗驗證錨桿支護原理懸吊、組合拱、組合梁、最大水平應力。本發(fā)明提出的錨桿支護效果的實驗測試方法，在實驗臺上實現(xiàn)對錨桿整體支護效果的物理相模擬，可以對錨桿的行間距、列間距、錨固深度、預應力大小、錨固強度等多要素進行實驗模擬。

以上的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發(fā)明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明權利要求書確定的保護范圍內。