一种腐蚀环境下锚杆或锚索冲击试验装置及其操作方法

1.本发明涉及煤矿巷道冲击地压实验领域，具体的说，涉及一种腐蚀环境下锚杆或锚索冲击试验装置及其操作方法。


背景技术：

2.目前，锚杆、锚索支护已成为煤矿巷道的主要支护方式，已在我国煤矿巷道中大范围的推广应用。锚杆、锚索支护是将锚杆、锚索锚固于稳定煤岩体中，控制巷道围岩的变形与滑移错动。研究不同外部条件下锚杆、锚索支护过程中锚固力的衰减规律，对有效提高锚杆、锚索支护性能的可靠性，保证矿山工程安全具有重要意义。
3.对于目前普遍采用锚杆、锚索支护形式的煤矿井下巷道来说，锚杆、锚索支护的强度和高锚固力的持久性显得尤为重要，在支护过程中，锚杆、锚索的工作特性必定要受到井下环境的影响，例如在酸性、中性、碱性等腐蚀介质作用下，锚杆、锚索、锚固体很容易发生腐蚀，从而引起锚固力的衰减，而对于煤矿开采进入深部开采以后，地应力显著增大，矿压显现剧烈，巷道围岩产生宏观的变形膨胀、片帮、部分煤块发生抛射，冲击危险性增强，因此锚杆、锚索支护易处于腐蚀介质和动力冲击耦合作用的情况，使得锚固力的耐久性能和锚固性能严重降低，安全隐患增大。因此，研究锚杆、锚索在不同腐蚀环境、不同腐蚀程度下，锚杆、锚索锚固力抵抗冲击的性能规律对保证锚杆、锚索的支护强度，提高支护效果有着重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种腐蚀环境下锚杆或锚索冲击试验装置及其操作方法，本发明设计科学，能够在试验室条件下对处于不同腐蚀环境和冲击动载耦合作用下的锚杆或锚索支护体的锚固力衰减规律、应力分布规律进行模拟探究。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种腐蚀环境下锚杆或锚索冲击试验装置，包括腐蚀试验箱、锚固试验台和冲击动载施加机构，腐蚀试验箱固定安装在锚固试验台的顶部，锚固试验台通过支撑架固定支撑在地面上，腐蚀试验箱的前侧设置有一扇玻璃绝缘门，腐蚀试验箱和玻璃绝缘门均采用抗腐蚀绝缘材料制成，腐蚀试验箱的内底面上固定设置有煤岩体材料试验架，煤岩体材料试验架上固定设置有煤岩体材料样品，腐蚀试验箱的内顶面上左右间隔固定设置有向下喷雾的中性雾化器、酸性雾化器和碱性雾化器，腐蚀试验箱的内后面均匀固定设置有若干个上下间隔布置的u型控温器，腐蚀试验箱的内左面设置有湿度传感器和温度传感器，腐蚀试验箱的顶部固定设置有溶液箱，溶液箱内部左右间隔设置有中性液体盛装槽、酸性液体盛装槽和碱性液体盛装槽，中性液体盛装槽的出液口与中性雾化器的进液口连接，酸性液体盛装槽的出液口与酸性雾化器的进液口连接，碱性液体盛装槽的出液口与碱性雾化器的进液口连接，腐蚀试验箱的底板和锚固试验台上均开设有六个第一圆形通孔，腐蚀试验箱的底板上的六个第一圆形通孔与锚固试验台上的六个第一圆形通孔分别一一上下对应，冲击
动载施加机构通过锚固组件固定安装在锚固试验台的底部，锚固组件的上部向上穿过某两个上下对应的第一圆形通孔伸入到腐蚀试验箱内并锚固在煤岩体材料样品的底部，锚固试验台的顶部右侧部固定设置有位于腐蚀试验箱右侧的数控操作台，数控操作台通过内部的集成电缆分别与中性雾化器、酸性雾化器、碱性雾化器、u型控温器、湿度传感器和温度传感器信号连接。
6.支撑架包括正方形龙门框架，锚固试验台的下表面四侧边缘焊接固定在正方形龙门框架的上表面，正方形龙门框架由四根型钢焊接而成，正方形龙门框架的底部四角处均焊接有竖直支腿，竖直支腿的底部通过地脚螺栓固定在地面上，锚固试验台的上表面四侧边沿均固定设置有围在腐蚀试验箱外部四周的安全防护栏，安全防护栏的前侧部设置有两扇对开且位于腐蚀试验箱正前方的防护栅门。
7.煤岩体材料试验架包括正方形框架底座、左开栅钢板、右开栅钢板和后开栅钢板，正方形框架底座水平设置，正方形框架底座的下表面左侧边缘和右侧边缘均焊接有长条竖直支板，长条竖直支板的下侧边焊接在腐蚀试验箱的底板上表面，左开栅钢板和右开栅钢板均沿前后方向竖向设置，后开栅钢板沿左右方向竖向设置，左开栅钢板的下侧边一体焊接固定连接在正方形框架底座的上表面左侧边缘，右开栅钢板的下侧边一体焊接固定连接在正方形框架底座的上表面右侧边缘，后开栅钢板的下侧边一体焊接固定连接在正方形框架底座的上表面后侧边缘，左开栅钢板的后侧边与后开栅钢板的左侧边以及右开栅钢板的后侧边与后开栅钢板的右侧边均一体焊接固定连接。
8.冲击动载施加机构包括冲击锤和冲击框架，冲击框架竖向设置在锚固试验台的下方，冲击框架的顶部通过锚固组件固定连接在锚固试验台的底部，冲击锤竖向滑动设置在冲击框架上。
9.冲击锤包括圆柱形钢锭和第一正方形钢板，圆柱形钢锭竖向设置，第一正方形钢板水平设置，圆柱形钢锭的顶部焊接固定连接在第一正方形钢板的下表面中部，第一正方形钢板的四角处均设置有一个上下通透的第二圆形通孔。
10.冲击框架包括两块第二正方形钢板和四根高强圆钢，两块第二正方形钢板均水平设置且上下间隔对应设置，四根高强圆钢均竖向设置且呈矩形阵列布置在两块第二正方形钢板之间，四根高强圆钢的下端分别焊接连接在下侧的第二正方形钢板的上表面四角处，四根高强圆钢的上端分别焊接连接在上侧的第二正方形钢板的下表面四角处，四根高强圆钢分别对应穿过四个第二圆形通孔，高强圆钢与第二圆形通孔之间滑动连接，上侧的第二正方形钢板的中部开设有一个上下通透的第三圆形通孔，第三圆形通孔与第一圆形通孔的内径相同且与锚固试验台上相应某一个第一圆形通孔上下对应设置；锚固组件包括锚杆或锚索、蝶形托盘和螺母，锚杆或锚索的上端部向上穿过某两个上下对应的第一圆形通孔伸入到腐蚀试验箱内并锚固在煤岩体材料样品的底部，锚杆或锚索的下端部向下穿过第三圆形通孔，蝶形托盘套装在锚杆或锚索的下端部并与上侧的第二正方形钢板的下表面紧密接触，螺母螺纹套装在锚杆或锚索的下端部并与蝶形托盘的下部紧密接触。
11.一种腐蚀环境下锚杆或锚索冲击试验装置的操作方法，具体包括以下步骤：（1）、安装固定试验装置：根据基础图，使用地脚螺栓将支撑架固定在坚硬地面上，锚固试验台保持水平，然后将腐蚀试验箱固定安装在锚固试验台上并进行调试；
（2）、按照煤岩体材料试验架的尺寸切割制作煤岩体材料样品，将煤岩体材料样品放入煤岩体材料试验架中进行固定；（3）、在煤岩体材料样品的底部钻设锚固孔：启动锚杆钻机，使钻杆竖直向上依次穿过某两个上下对应的第一圆形通孔伸入到腐蚀试验箱内，并将锚杆的上端在煤岩体材料样品的底部向上钻进至试验要求深度后停止，卸下钻杆，从而得到试验所需的锚固孔；（4）、在锚固孔中固定安装锚杆或锚索；（5）、将冲击动载施加机构与锚杆或锚索连接并固定安装在锚固试验台的底部；（6）、在中性液体盛装槽、酸性液体盛装槽和碱性液体盛装槽中分别注入配置好的中性溶液、酸性溶液和碱性溶液，开始腐蚀试验；（7）、腐蚀试验分别进行至30天、60天、90天时，开始进行不同强烈程度的重锤动态冲击试验，将冲击锤向上移动至不同位置高度后做自由落体运动，冲击锤自上而下坠落冲击下侧的第二正方形钢板，从而对锚杆或锚索产生冲击拉拔，通过锚杆或锚索拉拔试验可探究在不同腐蚀环境、不同腐蚀程度下锚杆或锚索锚固力抵抗冲击的性能规律。
12.步骤（4）具体为：将树脂锚固剂药卷放入步骤（3）中钻设的锚固孔底部，将锚杆或锚索的下端插入锚杆钻机的钻头中进行固定，将锚杆或锚索的上端穿过锚固孔对应的两个第一圆形通孔并伸入到锚固孔中，使锚杆或锚索的上端与树脂锚固剂药卷接触，启动锚杆钻机，锚杆钻机带动锚杆或锚索转动，锚杆或锚索搅拌树脂锚固剂药卷，使锚杆或锚索在锚固孔中固定，完成锚固。
13.步骤（5）具体为：将上侧的第二正方形钢板上的第三圆形通孔对应套装在锚杆或锚索的下端，并使上侧的第二正方形钢板的上表面与锚固试验台的下表面紧密接触，然后将蝶形托盘套装在锚杆或锚索的下端并与上侧的第二正方形钢板的下表面紧密接触，再在锚杆或锚索的下端套装螺母并进行预紧。
14.步骤（6）具体为：将锚杆或锚索与所穿过的两个第一圆形通孔之间的间隙密封，然后在中性液体盛装槽、酸性液体盛装槽和碱性液体盛装槽中分别注入配置好的中性溶液、酸性溶液和碱性溶液，通过数控操作台打开湿度传感器和温度传感器，选择性打开某一个u型控温器，同时选择性打开中性雾化器、酸性雾化器、碱性雾化器，中性液体盛装槽内的中性溶液通过中性雾化器向下喷在煤岩体材料样品上部，酸性液体盛装槽内的酸性溶液通过酸性雾化器向下喷在煤岩体材料样品上部，碱性液体盛装槽内的碱性溶液通过碱性雾化器向下喷在煤岩体材料样品上部，从而使煤岩体材料样品在中性溶液、酸性溶液或碱性溶液的作用下进行腐蚀试验。
15.本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明的有益效果如下：（1）、本发明可在实验室条件下研究锚杆或锚索支护系统在不同腐蚀环境中的应力腐蚀机理、锚固力衰减规律；（2）、本发明可在实验室条件下真实模拟煤矿井下现场条件，易于操作实现，较现场试验具有更高的可靠性、可操作性和便捷性；（3）、本发明可在实验室条件下综合探究锚杆或锚索支护系统在不同腐蚀环境和冲击能量释放耦合作用下的锚固力承载与衰减规律。
16.本发明设计科学，能够在试验室条件下对处于不同腐蚀环境和冲击动载耦合作用
下的锚杆或锚索支护体的锚固力衰减规律、应力分布规律进行模拟探究。
附图说明
17.图1是本发明的结构示意图。
18.图2是本发明的腐蚀试验箱及其内部结构示意图。
19.图3是本发明的冲击动载施加机构的结构示意图。
20.图4是图1中a处局部放大图。
具体实施方式
21.以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
22.如图1-4所示，一种腐蚀环境下锚杆或锚索冲击试验装置，包括腐蚀试验箱1、锚固试验台2和冲击动载施加机构，腐蚀试验箱1固定安装在锚固试验台2的顶部，锚固试验台2通过支撑架固定支撑在地面上，腐蚀试验箱1的前侧设置有一扇玻璃绝缘门3，腐蚀试验箱1和玻璃绝缘门3均采用抗腐蚀绝缘材料制成，腐蚀试验箱1的内底面上固定设置有煤岩体材料试验架，煤岩体材料试验架上固定设置有煤岩体材料样品4，腐蚀试验箱1的内顶面上左右间隔固定设置有向下喷雾的中性雾化器5、酸性雾化器6和碱性雾化器7，腐蚀试验箱1的内后面均匀固定设置有若干个上下间隔布置的u型控温器8，腐蚀试验箱1的内左面设置有湿度传感器9和温度传感器10，腐蚀试验箱1的顶部固定设置有溶液箱11，溶液箱11内部左右间隔设置有中性液体盛装槽、酸性液体盛装槽和碱性液体盛装槽，中性液体盛装槽的出液口与中性雾化器5的进液口连接，酸性液体盛装槽的出液口与酸性雾化器6的进液口连接，碱性液体盛装槽的出液口与碱性雾化器7的进液口连接，腐蚀试验箱1的底板和锚固试验台2上均开设有六个第一圆形通孔12，腐蚀试验箱1的底板上的六个第一圆形通孔12与锚固试验台2上的六个第一圆形通孔12分别一一上下对应，冲击动载施加机构通过锚固组件固定安装在锚固试验台2的底部，锚固组件的上部向上穿过某两个上下对应的第一圆形通孔12伸入到腐蚀试验箱1内并锚固在煤岩体材料样品4的底部，锚固试验台2的顶部右侧部固定设置有位于腐蚀试验箱1右侧的数控操作台13，数控操作台13通过内部的集成电缆分别与中性雾化器5、酸性雾化器6、碱性雾化器7、u型控温器8、湿度传感器9和温度传感器10信号连接。
23.支撑架包括正方形龙门框架14，锚固试验台2的下表面四侧边缘焊接固定在正方形龙门框架14的上表面，正方形龙门框架14由四根型钢焊接而成，正方形龙门框架14的底部四角处均焊接有竖直支腿15，竖直支腿15的底部通过地脚螺栓固定在地面上，锚固试验台2的上表面四侧边沿均固定设置有围在腐蚀试验箱1外部四周的安全防护栏16，安全防护栏16的前侧部设置有两扇对开且位于腐蚀试验箱1正前方的防护栅门17。u型控温器8为电加热棒，常规技术。
24.煤岩体材料试验架包括正方形框架底座18、左开栅钢板19、右开栅钢板20和后开栅钢板，正方形框架底座18水平设置，正方形框架底座18的下表面左侧边缘和右侧边缘均焊接有长条竖直支板21，长条竖直支板21的下侧边焊接在腐蚀试验箱1的底板上表面，左开栅钢板19和右开栅钢板20均沿前后方向竖向设置，后开栅钢板沿左右方向竖向设置，左开栅钢板19的下侧边一体焊接固定连接在正方形框架底座18的上表面左侧边缘，右开栅钢板
20的下侧边一体焊接固定连接在正方形框架底座18的上表面右侧边缘，后开栅钢板的下侧边一体焊接固定连接在正方形框架底座18的上表面后侧边缘，左开栅钢板19的后侧边与后开栅钢板的左侧边以及右开栅钢板20的后侧边与后开栅钢板的右侧边均一体焊接固定连接。
25.冲击动载施加机构包括冲击锤和冲击框架，冲击框架竖向设置在锚固试验台2的下方，冲击框架的顶部通过锚固组件固定连接在锚固试验台2的底部，冲击锤竖向滑动设置在冲击框架上。
26.冲击锤包括圆柱形钢锭22和第一正方形钢板23，圆柱形钢锭22竖向设置，第一正方形钢板23水平设置，圆柱形钢锭22的顶部焊接固定连接在第一正方形钢板23的下表面中部，第一正方形钢板23的四角处均设置有一个上下通透的第二圆形通孔。
27.冲击框架包括两块第二正方形钢板24和四根高强圆钢25，两块第二正方形钢板24均水平设置且上下间隔对应设置，四根高强圆钢25均竖向设置且呈矩形阵列布置在两块第二正方形钢板24之间，四根高强圆钢25的下端分别焊接连接在下侧的第二正方形钢板24的上表面四角处，四根高强圆钢25的上端分别焊接连接在上侧的第二正方形钢板24的下表面四角处，四根高强圆钢25分别对应穿过四个第二圆形通孔，高强圆钢25与第二圆形通孔之间滑动连接，上侧的第二正方形钢板24的中部开设有一个上下通透的第三圆形通孔26，第三圆形通孔26与第一圆形通孔12的内径相同且与锚固试验台2上相应某一个第一圆形通孔12上下对应设置；锚固组件包括锚杆或锚索27、蝶形托盘28和螺母29，锚杆或锚索27的上端部向上穿过某两个上下对应的第一圆形通孔12伸入到腐蚀试验箱1内并锚固在煤岩体材料样品4的底部，锚杆或锚索27的下端部向下穿过第三圆形通孔26，蝶形托盘28套装在锚杆或锚索27的下端部并与上侧的第二正方形钢板24的下表面紧密接触，螺母29螺纹套装在锚杆或锚索27的下端部并与蝶形托盘28的下部紧密接触。
28.一种腐蚀环境下锚杆或锚索冲击试验装置的操作方法，具体包括以下步骤：（1）、安装固定试验装置：根据基础图，使用地脚螺栓将支撑架固定在坚硬地面上，锚固试验台2保持水平，然后将腐蚀试验箱1固定安装在锚固试验台2上并进行调试；（2）、按照煤岩体材料试验架的尺寸切割制作煤岩体材料样品4，将煤岩体材料样品4放入煤岩体材料试验架中进行固定；（3）、在煤岩体材料样品4的底部钻设锚固孔：启动锚杆钻机，使钻杆竖直向上依次穿过某两个上下对应的第一圆形通孔12伸入到腐蚀试验箱1内，并将锚杆的上端在煤岩体材料样品4的底部向上钻进至试验要求深度后停止，卸下钻杆，从而得到试验所需的锚固孔；（4）、在锚固孔中固定安装锚杆或锚索27；（5）、将冲击动载施加机构与锚杆或锚索27连接并固定安装在锚固试验台2的底部；（6）、在中性液体盛装槽、酸性液体盛装槽和碱性液体盛装槽中分别注入配置好的中性溶液、酸性溶液和碱性溶液，开始腐蚀试验；（7）、腐蚀试验分别进行至30天、60天、90天时，开始进行不同强烈程度的重锤动态冲击试验，将冲击锤向上移动至不同位置高度后做自由落体运动，冲击锤自上而下坠落冲
击下侧的第二正方形钢板24，从而对锚杆或锚索27产生冲击拉拔，通过锚杆或锚索27拉拔试验可探究在不同腐蚀环境、不同腐蚀程度下锚杆或锚索27锚固力抵抗冲击的性能规律。
29.步骤（4）具体为：将树脂锚固剂药卷放入步骤（3）中钻设的锚固孔底部，将锚杆或锚索27的下端插入锚杆钻机的钻头中进行固定，将锚杆或锚索27的上端穿过锚固孔对应的两个第一圆形通孔12并伸入到锚固孔中，使锚杆或锚索27的上端与树脂锚固剂药卷接触，启动锚杆钻机，锚杆钻机带动锚杆或锚索27转动，锚杆或锚索27搅拌树脂锚固剂药卷，使锚杆或锚索27在锚固孔中固定，完成锚固。
30.步骤（5）具体为：将上侧的第二正方形钢板24上的第三圆形通孔26对应套装在锚杆或锚索27的下端，并使上侧的第二正方形钢板24的上表面与锚固试验台2的下表面紧密接触，然后将蝶形托盘28套装在锚杆或锚索27的下端并与上侧的第二正方形钢板24的下表面紧密接触，再在锚杆或锚索27的下端套装螺母29并进行预紧。
31.步骤（6）具体为：将锚杆或锚索27与所穿过的两个第一圆形通孔12之间的间隙密封，然后在中性液体盛装槽、酸性液体盛装槽和碱性液体盛装槽中分别注入配置好的中性溶液、酸性溶液和碱性溶液，通过数控操作台13打开湿度传感器9和温度传感器10，选择性打开某一个u型控温器8，同时选择性打开中性雾化器5、酸性雾化器6、碱性雾化器7，中性液体盛装槽内的中性溶液通过中性雾化器5向下喷在煤岩体材料样品4上部，酸性液体盛装槽内的酸性溶液通过酸性雾化器6向下喷在煤岩体材料样品4上部，碱性液体盛装槽内的碱性溶液通过碱性雾化器7向下喷在煤岩体材料样品4上部，从而使煤岩体材料样品4在中性溶液、酸性溶液或碱性溶液的作用下进行腐蚀试验。
32.以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。