本發(fā)明涉及煤巷支護，尤其涉及一種錨桿鉆機支護可靠性測試裝置和評價方法。

背景技術：

1、錨桿支護是煤巷經濟有效的支護方式，可顯著提高巷道支護效果，降低支護成本，減輕工人勞動強度。

2、隨著高效快速掘進的推廣應用，煤礦開采強度、規(guī)模與產量的大幅度提高，出現(xiàn)了松軟破碎圍巖巷道等許多前所未有的復雜巷道，煤巷大量使用、巷道由小斷面向大斷面發(fā)展、單巷布置向多巷布置發(fā)展、巷道埋深由淺部向深部發(fā)展、簡單地質條件巷道向復雜地質條件巷道發(fā)展、人工錨桿支護向自動化和智能化支護發(fā)展，這些變化對錨桿支護技術提出更高、更苛刻的要求，安全可靠的錨桿支護是保證煤礦安全生產的基礎，也是煤礦智能化發(fā)展的前提和基礎。

3、目前的錨桿支護質量檢測方式未能模擬巷道環(huán)境條件，比如鉆機空載試驗無法反應巷道支護性能，鉆機鉆孔試驗，無法反應巷道實際尺寸，不能測試頂板壓力、游離巖塊對巷道圍巖的附加作用力，試驗項目為傳統(tǒng)的測試內容，未考核試驗次數、加速試驗，無法測試錨桿支護可靠性指標，巷道內部錨桿支護的直觀檢測方式欠缺，鉆機錨桿支護試驗僅檢測鉆機的性能參數，未檢測錨桿支護可靠性，且井下錨桿支護質量檢測主要為拉拔力測試和聲波錨固質量檢測，拉拔力測試屬于破壞性試驗，聲波錨固質量檢測不夠形象直觀，而傳統(tǒng)的錨桿檢測方式無法反應錨桿支護可靠性指標，無法展示和評價錨桿與巖層相互粘結固定的可靠性，煤礦錨桿檢測屬于事后檢測，檢測發(fā)現(xiàn)問題，改變智能錨桿鉆車的設計指標耗時較長，效率較低。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種能夠模擬真實巷道環(huán)境及檢測錨桿支護可靠性的錨桿鉆機支護可靠性測試裝置和評價方法。

2、本發(fā)明第一方面提供了一種錨桿鉆機支護可靠性測試裝置，包括：

3、井下環(huán)境模擬系統(tǒng)，所述井下環(huán)境模擬系統(tǒng)包括模擬巷道和巷道壓力模擬機構，所述模擬巷道用于模擬巷道的真實尺寸及表面形貌，所述巷道壓力模擬機構包括頂板來壓模擬、側幫來壓模擬以及頂板和側幫綜合來壓模擬；

4、錨桿支護監(jiān)測系統(tǒng)，所述錨桿支護監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測錨桿支護的排距、間距和三向位移；

5、錨桿錨固影像檢測系統(tǒng)，所述錨桿錨固影像檢測系統(tǒng)用于檢測所述錨桿的直線度以及所述模擬巷道內部產生的裂紋；

6、可靠性試驗系統(tǒng)，所述可靠性試驗系統(tǒng)實現(xiàn)了多排、多個所述錨桿支護可靠性試驗目標。

7、可選的，所述模擬巷道包括采動模擬區(qū)、掘采裝備、側幫砌體結構、錨桿支護試驗區(qū)和頂板砌體結構，所述側幫砌體結構和所述頂板砌體結構形成矩形洞室結構，所述錨桿支護試驗區(qū)布置于所述矩形洞室結構內，所述采動模擬區(qū)布置于所述模擬巷道的迎頭部位，所述掘采裝備在所述采動模擬區(qū)進行切削和進刀作業(yè)，以產生采煤動力，所述采煤動力由所述采動模擬區(qū)傳遞至所述側幫砌體結構和所述頂板砌體結構上。

8、可選的，所述模擬巷道沿掘進方向依次包括葉片狀層狀巖巷、塊狀巖巷、破碎巖巷、黏土充填帶和破碎帶巷道、半煤巖巷和煤巷，且所述模擬巷道的頂板和側幫表面均為凹凸不平的表面。

9、可選的，所述巷道壓力模擬機構包括立柱、側幫壓力模擬結構、頂板壓力加載油缸、質量塊、限位塊和橫梁；

10、所述立柱的數量為四個，四個所述立柱對稱設置于所述模擬巷道的兩側，所述橫梁設置于所述立柱的頂部，所述質量塊貫穿所述立柱，且所述立柱的上部設置有限位孔，所述限位孔的高度略大于所述模擬巷道的高度，所述限位塊設置于所述限位孔內，以支撐所述質量塊，所述頂板壓力加載油缸的數量為兩個，兩個所述頂板壓力加載油缸對稱設置于所述模擬巷道的兩側，且位于所述立柱的內側，驅動所述頂板壓力加載油缸帶動所述質量塊沿所述立柱的軸線方向往復運動，以使所述質量塊與所述模擬巷道的頂板分離和接觸；

11、所述側幫壓力模擬結構的數量為四個，四個所述側幫壓力模擬結構對稱設置于所述模擬巷道的兩側所述側幫壓力模擬結構包括箱體鉸接銷軸、箱體、套筒鉸接銷軸、套筒、側幫加載油缸，所述箱體由鋼板焊接構成，且設置于地面上，所述箱體的內部設置有軌道，所述套筒與所述軌道連接，所述側幫加載油缸的缸筒通過所述箱體鉸接銷軸與所述箱體鉸接，所述側幫加載油缸的活塞桿通過所述套筒鉸接銷軸與所述套筒鉸接，驅動所述側幫加載油缸，所述側幫加載油缸的活塞桿伸出，驅動所述套筒伸出與所述模擬巷道的側幫接觸。

12、可選的，所述錨桿支護監(jiān)測系統(tǒng)包括錨桿端頭、萬向視覺傳感器、設備坐標系、傳感器坐標系和測控工作站，所述錨桿端頭為完成支護的外露錨桿端頭，所述萬向視覺傳感器設置有兩個，且兩個所述萬向視覺傳感器對稱設置于所述掘采裝備上，所述萬向視覺傳感器包括俯仰旋轉軸、控制中心和左右旋轉軸，所述俯仰旋轉軸上設置有集成一體的圖像傳感器的信號發(fā)射器和信號接收器，所述俯仰旋轉軸的輸入端連接有有限轉角力矩電機，且其外部套設有支撐臂，所述支撐臂的底部與所述左右旋轉軸連接，所述控制中心驅動所述有限轉角力矩電機，以驅動所述俯仰旋轉軸，從而驅動所述圖像傳感器的信號發(fā)射器和信號接收器俯仰旋轉，以對同排的設置在所述模擬巷道頂板和側幫的所述錨桿端頭進行掃描；

13、所述設備坐標系設置于所述掘采裝備的幾何中心處，所述傳感器坐標系設置于兩個所述萬向視覺傳感器的中心處，所述有限轉角力矩電機的內部設置有角度傳感器，所述傳感器坐標系的俯仰角度和左右旋轉角度由所述角度傳感器測量，所述測控工作站內設置有激光脈沖發(fā)射器、激光二極管、反射棱鏡、接收器和計數器，所述激光脈沖發(fā)射器周期地驅動所述激光二級管發(fā)射激光脈沖，所述反射棱鏡引導激光并勻速掃描，所述信號接收器接收所述激光二級管的發(fā)射信號，所述計數器對所述激光二級管的發(fā)射時間與所述信號接收器的接收時間差做計數，根據激光發(fā)射和返回的時間差、激光的傳播速度計算被測點與所述反射棱鏡之間的直線距離，根據激光的橫向掃描角度和縱向掃描角度計算被測點在所述傳感器坐標系下的三維坐標，以變換為所述設備坐標系的坐標值，生成所述模擬巷道點云。

14、可選的，所述錨桿錨固影像檢測系統(tǒng)包括測試工藝槽、影像接收器、錨桿、x線發(fā)生器和錨固劑，所述測試工藝槽開設于所述側幫砌體結構和所述頂板砌體結構的支護區(qū)域的兩側，且所述測試工藝槽與所述錨桿支護方向平行設置，所述影像接收器和所述x線發(fā)生器設置于所述測試工藝槽的內部，所述錨桿通過所述錨固劑設置于所述模擬巷道內，且位于兩個所述測試工藝槽之間，驅動所述x線發(fā)生器發(fā)射x線，穿透兩個所述測試工藝槽之間的錨桿支護區(qū)域，所述影像接收器接收所述x線，以獲得所述錨桿支護區(qū)域的內部影像信息。

15、可選的，所述x線發(fā)生器包括改向輪、鏈條、連接板、x線機、窄縫校直板、導軌、拉線位移傳感器、電機、驅動輪和電氣控制箱，所述窄縫校直板設置于所述x線機的發(fā)射端，所述x線機與所述導軌滑動連接，且所述x線機通過所述連接板與所述鏈條連接，所述鏈條的兩端分別與所述改向輪和所述驅動輪嚙合，所述驅動輪通過平鍵設置于所述電機的輸出軸上，所述電氣控制箱控制所述電機帶動所述驅動輪旋轉，以帶動所述鏈條繞所述驅動輪和所述改向輪運動，所述鏈條通過所述連接板驅動所述x線機沿所述導軌運動，所述拉線位移傳感器的一端設置于所述導軌的端部，另一端設置于所述x線機的底部，且所述拉線位移傳感器與所述導軌平行設置，以采集所述x線機的位移數據；

16、所述x線機包括殼體、兩個托板、鏈條安裝板和銷軸，兩個所述托板沿所述導軌的延伸方向對稱設置于所述殼體遠離所述導軌的一端，且兩個所述托板上均開設有第一凹槽，所述窄縫校直板的數量為兩個，兩個所述窄縫校直板分別設置于兩個所述第一凹槽中，相對的一側形成狹縫，所述殼體上沿所述導軌的延伸方向對稱開設有兩組圓柱孔，兩個所述導軌分別穿過兩組所述圓柱孔，所述鏈條安裝板對稱設置于所述連接板上，所述銷軸貫穿所述鏈條安裝板和所述鏈條，且所述銷軸與所述鏈條安裝板過盈配合，所述銷軸與所述鏈條間隙配合，以使所述鏈條繞所述銷軸旋轉。

17、可選的，所述可靠性試驗系統(tǒng)包括頂板試塊安裝模塊、試塊粘結固定模塊和試塊拆卸模塊；

18、所述頂板試塊安裝模塊包括試塊存放區(qū)、豎向防護板、側向防護板、縱向支撐梁、橫向支撐梁、試塊和裝載機，所述裝載機用于從所述試塊存放區(qū)叉取所述試塊并將所述試塊依次安裝于所述頂板砌體結構上，所述縱向支撐梁和所述橫向支撐梁垂直固定所述試塊，所述豎向防護板焊接于所述橫向支撐梁上，且其頂部開設有第二凹槽，所述側向防護板的兩端分別設置于相鄰的兩個所述豎向防護板的第二凹槽中；

19、所述試塊粘結固定模塊包括第一工作臂、錨固劑存儲倉、滾輪、隔板、膠泥和固化劑，相鄰的兩個所述試塊之間具有試塊縫隙，所述錨固劑存儲倉設置于所述第一工作臂的端部，且所述錨固劑存儲倉的內部設置有兩個倉體，兩個倉體均設置有柔性填充袋，所述膠泥設置于一個所述柔性填充袋內，所述固化劑設置于另一個所述柔性填充袋內，所述隔板設置于所述錨固劑存儲倉靠近所述第一工作臂的一端，另一端開設有v型凹槽，所述v型凹槽的兩翼具有噴口，所述第一工作臂與所述隔板之間設置有滾輪，驅動所述第一工作臂帶動所述滾輪擠壓所述隔板，使所述膠泥和所述固化劑突破所述柔性填充袋，由所述噴口匯合流入所述試塊縫隙中；

20、所述試塊拆卸模塊包括舉升機和切割機，所述切割機具有第二工作臂，所述第二工作臂的端部鉸接連接有刀頭，所述舉升機具有四個舉升臂，且相鄰的兩個所述舉升臂之間通過筋板連接，驅動所述第二工作臂帶動所述刀頭沿所述試塊縫隙往復運動，以將所述試塊縫隙中的所述膠泥和所述固化劑切割，驅動所述舉升機，帶動所述舉升臂托起所述試塊遠離所述模擬巷道的頂部，所述裝載機托起所述舉升臂上的所述試塊，將所述試塊運輸至所述試塊存放區(qū)。

21、本發(fā)明第二方面提供了一種錨桿鉆機支護可靠性的評價方法，基于上述任一項所述的錨桿鉆機支護可靠性測試裝置完成，開發(fā)了錨桿鉆機支護可靠性加速試驗方案和錨桿支護可靠性評價指標體系矩陣，包括錨桿鉆機支護可靠性加速指標系統(tǒng)和影響錨桿鉆機支護可靠性因素系統(tǒng)；

22、所述錨桿鉆機支護可靠性加速指標系統(tǒng)包括四個加速指標，分別為增加進給油缸流量提升鉆機進給速度、增加鉆箱馬達流量提升鉆箱旋轉速度、增加巷道試塊硬度提升鉆機進給阻力和鉆箱旋轉切削阻力、和增加鉆機使用頻率；

23、所述影響錨桿鉆機支護可靠性因素系統(tǒng)包括三個維度，分別為任務剖面、巷道地質條件和試驗考核方案，所述任務剖面維度包括頂錨和幫錨兩個條件，所述巷道地質條件維度包括葉片狀層狀巖巷、塊狀巖巷、破碎巖巷、黏土充填帶和破碎帶巷道、半煤巖巷和煤巷六個影響因子，所述試驗考核方案包括常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案共十六個考核因子。

24、可選的，所述四個加速指標的加速代號分別為a1、b1、c1和d1，正常代號分別為a0、b0、c0和d0，取至少一種代號，由排列組合理論可獲得加速試驗方案共十五種，其中，優(yōu)先選用a1b1c1d1加速試驗方案。

25、可選的，所述錨桿鉆機頂錨任務剖面下的可靠性指標變量為d，可靠性指標體系矩陣為：

26、

27、其中，所述矩陣第一行表示葉片狀層狀巖巷地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值，所述矩陣第二行表示塊狀巖巷地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值，所述矩陣第三行表示破碎巖巷地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值，所述矩陣第四行表示黏土充填帶和破碎帶巷道地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值，所述矩陣第五行表示半煤巖巷道地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值，所述矩陣第六行表示煤巷地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值；

28、所述錨桿鉆機幫錨任務剖面下的可靠性指標變量為b，可靠性指標體系矩陣為：

29、

30、其中，所述矩陣第一行表示葉片狀層狀巖巷地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值，所述矩陣第二行表示塊狀巖巷地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值，所述矩陣第三行表示破碎巖巷地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值，所述矩陣第四行表示黏土充填帶和破碎帶巷道地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值，所述矩陣第五行表示半煤巖巷道地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值，所述矩陣第六行表示煤巷地質條件下，常規(guī)試驗和不同的加速壽命試驗方案對應的可靠性指標值。

31、本發(fā)明實施例提供的技術方案與現(xiàn)有技術相比具有如下有益效果：

32、本發(fā)明實施例提供的錨桿鉆機支護可靠性測試裝置和評價方法，此測試裝置包括井下環(huán)境模擬系統(tǒng)、錨桿支護監(jiān)測系統(tǒng)、錨桿錨固影像檢測系統(tǒng)和可靠性試驗系統(tǒng)。

33、井下環(huán)境模擬系統(tǒng)包括模擬巷道和巷道壓力模擬機構，通過設置模擬巷道，使得巷道尺寸、巷道表面不平整度與實際一致，通過制作不同的巷道模擬試驗單元，實現(xiàn)了模擬巷道材質差異的目標，保證了試驗的巷道地質條件與實際相符，實現(xiàn)了檢測錨桿鉆機支護的實際服役特性，通過開發(fā)巷道壓力模擬機構，模擬巷道壓力作用下錨桿錨固可靠性，巷道壓力模擬機構包括巷道壓力模擬試驗臺、巷道壓力半實物仿真系統(tǒng)組成，解決了巷道壓力巨大、試驗危險系數高的技術難題，通過比例縮放和半實物仿真技術，實現(xiàn)了巷道壓力的計算機仿真，從而實現(xiàn)了巷道壓力作用下錨桿錨固可靠性檢測。

34、錨桿支護監(jiān)測系統(tǒng)通過對巷道多排、多根錨桿支護進行完整掃描，生成錨桿端頭點云數據，通過高速計算機分析處理、質點坐標幾何變換和圖像識別，生成巷道錨桿支護影像，實現(xiàn)了錨桿排距、間距、三向位移的實時在線精密測試，通過與三維數模對比，獲得錨桿支護三維幾何誤差數據，提高了測試精度和測試效率，試驗結果形象直觀，測試參數更加全面。

35、錨桿錨固影像檢測系統(tǒng)用于檢測錨桿的直線度以及模擬巷道內部產生的裂紋，檢測方式形象直觀，應用計算機圖像識別技術，讀取和分析錨桿錨固質量影像學檢測結果，獲得砌體結構內部錨桿整體完備性、直線度、平行度、錨固角度等數據信息。

36、可靠性試驗系統(tǒng)通過提供大量的試驗錨桿數量，反映了錨桿支護的可靠性，實現(xiàn)了多排、多個錨桿支護可靠性試驗目標。