1、第 29 卷 第 3 期 采矿与安全工程学报 Vol.29 No.32012 年 05 月 Journal of Mining & Safety Engineering May 2012文章编号：1673-3363-(2012)03-0000-00 1相似模拟实验中锚杆测力计的研制与应用伍永平 1，王俊超 1，2，解 盘石 1，张艳丽 1，任世广 1，高喜才 1（1.西安科技大学能源学院，教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；2.四川广旺船景煤业有限责任公司，四川宜宾 625250）摘 要 为了更好地对巷道各部位锚杆受力进行实时观测，利用巷道相似材料模型可对巷道围岩
2、变形破坏机理进行分析，采用 LY-12 硬铝合金作为弹性体材料设计了一种新型测力传感器，为确定巷道合理支护参数提供了科学依据。在 对比分析目前锚 杆测力计不足之处的基础上，运用材料力学理论确定了全桥环状锚杆测力计无孔状态下的尺寸，并运用 FLAC3D 数值模拟软件建立数值计算模型，对比分析锚杆测力 计有孔与无孔状态下的应力分布。同时实验室标定与应用也表明新型测力计在结构尺寸、稳定性、精度等方面均能达到相似材料模拟实验要求，它为实验中锚杆测力提供了一种有效的观测手段，具有广泛的 应用前景。 关键词 相似材料模型；围岩变形破坏机理；全桥环状锚杆测力计；FLAC 3D 数值模拟中图分类号 TD 35
3、3 文献标识码 A收稿日期：2011-09-25基金项目：国家自然科学基金项目（51074120） ；陕西省教育厅重点实验室项目（08JZ01，08JZ02）作者简介：伍永平（1962-） ，男，陕西省汉中市人，教授，博导，从事矿山压力及巷道支护方面的研究。E-mail： Tel：18283116823相似模拟研究是指在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，借助测试仪表观测模型内力学参数及其分布规律，利用在模型上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规律，从而解决采矿工程实际生产中的问题 1。相似模拟试验是以相似理论、因次分析作为依据的实验室研究方法，广泛应用于采矿工
4、程等研究领域，是一种强有力的科学研究手段 2。在实验室巷道相似材料模型中可以用来对巷道围岩变形破坏机理进行分析，进而为巷道合理支护参数确定提供科学依据随着锚杆支护应用范围的逐步扩大，部分锚固原理及方法已被认识和掌握，如强度强化理论 3-5、高强让压锚固技术 6、让压与锚注相结合的原理 7等。为了模拟锚杆支护的作用效果，在实验室进行巷道相似材料模拟试验，但锚杆、锚索等支护材料的受力测试手段一直未得到较好解决，对巷道各部位锚杆受力进行实时观测存在一定困难，大大降低了相似材料模拟实验在巷道支护参数确定方面的作用。现有的相似模拟试验的锚杆测力计主要有塑料环测力计、拱形测力计两种，如图 1 所示。图 1
5、 塑料环与拱形测力计Fig.1 Plastics-ring and actuation dynamometer它们不足之处在于： 性能不稳定，重复利用次数少，且测力的范围小，占用空间大； 制作材料在大变形下不能恢复原状，易受外界影响； 拱形测力计铜片和铁片连接不紧，元件加工难度大，且尺寸过大； 采用的电路易受外界环境影响，稳定性差。在分析目前锚杆测力计不足之处的基础上，运用材料力学理论确定了测力计无孔状态下的尺采矿与安全工程学报 第 29 卷2寸，运用 FLAC3D 数值模拟软件建立了数值模拟计算模型，对比分析了锚杆测力计有孔与无孔状态下的应力分布，并且在实验室通过标定与应用验证测力计在结构尺
6、寸、稳定性、精确度等各方面的性能，为锚杆测力计进一步的优化奠定基础。1 锚杆测力计结构设计基于相似模拟实验的实际要求，从弥补塑料环测力计和拱形测力计不足之处出发，确定全桥环状锚杆测力计为圆环形状，具体结构如图 2 所示。 力力图 2 环状锚杆测力计结构Fig.2 The structure of ring anchor dynamometer制作材料采用铝铜镁系中的典型硬铝合金，LY-12 弹性体材料，其成份较合理，综合性能较好。该合金的特点 8是：强度高，弹性后效系数小、疲劳系数高、耐化学腐蚀、有一定的耐热性，可用在 150C 以下的工作环境中；热状态、退火和新淬火状态下成形性能都较好，热处
7、理强化效果显著；通过金属及合金的显微检验，具有优良的抗应力腐蚀性能及抗腐蚀鳞状剥落性能，在各种介质（如水蒸气、弱酸、弱碱等）环境下长久使用不会产生凹坑或发黑现象；广泛用于飞机结构、铆钉、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他结构件。现常见锚杆的直径一般为 1622mm，预紧力为 50150kN，按相似理论 9计算可得锚杆的直径为 1.62.2mm，预紧力为 31.259.375 N，测力计量程为 20150 N，且在 50100 N 时，误差小于0.5%。同时，根据实验中巷道空间尺寸和托盘尺寸限制，测力计半径 R 一般应小于 10mm，宽 b约 15mm。2 锚杆测力计的力学分析弹性元件是测力计的关键部件
8、，它的结构形状、材料、加工精度、热处理工艺等关系到测力计的综合性能，且元件上黏贴电阻应变片处应尽量在应力分布均匀之处，黏贴面积应大一些，并有足够高的灵敏度以使测力计有较大的电信号输出。故元件的材料应有较高的强度和韧性，同时弹性好，滞后小，疲劳极限高，有较好的淬透性 10。现以圆环的应力分布为基础，给出了测力计的量程、非线性度与圆环厚度、半径的关系，以此为基础确定圆环的厚度、宽度和半径。2.1 测力计结构参数确定圆环受力状态和截面形状如图 3 所示，沿圆环直径方向有一对集中作用力 P，由于对称性，只须考虑 1/4 圆环，再有载荷是作用于纵向对称面的，因此横截面 m-n 上无剪力，横向压力为 P/
9、2。设圆环平均半径为 R，C、D 两端所受压力均为 P。bADC0xyPPBaRPnmCA图 3 圆环受力状态和截面形状Fig.3 Stress state and cross-section shape of Circle ring1/4 圆环上任一截面弯矩 M 为 11(1)12=(cos)FR式中 R 为圆环平均半径。因此 m-n 横截面（ =0）上对应的正应力为12(2)0EW式中：W 为截面抗弯模量，且 W = ba2/6；a 为应力环的壁厚；b 为应力环的宽度； 为 m-n 横截面实测应变。由于圆环受到同样的力 P 作用于 C 和 D 两点，应变片贴在圆环 A、B 两处内、外对称表
10、面上。因此圆环受到的总应力为压应力和弯曲应力之和，即(3)0MNW式中：N 为截面 A、B 上的压力， N=P/2；A 为圆环的截面面积，A=a b。A、B 两处的应力 的表达式 13：7（ ）(4)21.089PRa许 用根据预先确定的圆环几何尺寸 R、a 和 b 中任意两项尺寸后 ，就可算出圆环另一未知尺寸。根据在弹性范围内厚度 a 越小灵敏度越高得锚杆孔 测力环第 3 期 伍永平等：相似模拟实验中锚杆测力计的研制与应用 3出 14-15(5)510Ra再由不锈钢材料弹性变形极限得(6)2Pb弹 性最后得出圆环测力计的尺寸参数：a = 0.7 mm ，b = 15 mm ，R = 10 m
11、m2.2 数值模拟分析由于理论计算是基于无孔条件下的应力分布基础上进行的，而在实际测量中会带来一定的不方便，所以需在表面打两孔以便测试。结合理论计算结果，运用有限差分算法程序 FLAC3D16，建立数值模拟模型计算出圆环有孔与无孔状态下的力学特征，如图 4 所示。通过对圆环表面施加相应载荷后，可看出圆环变形较小且一直处于弹性状态，卸载后可恢复原形状；圆环的内外两侧处于完全相反的受力状态，即内侧在拉伸状态下，则外侧处于挤压状态，无孔状态下最大受拉应力值达 2.273 GPa，带锚杆孔时为 2.635 GPa；有孔状态下，在孔周围形成了剪应力集中区域，但集中应力值较小，对圆孔及圆环变形影响较小，可
12、看出圆环在有无杆孔条件下的力学特征基本相同。鉴于实验中的巷道尺寸大小与应力环加工的方便，最终选取了宽 15 mm、厚 0.8 mm、半径为 8 mm的圆环。 拉应力/Gpa-0.1560.0000.0000.2500.2500.5000.5000.7500.7501.0001.0001.2501.2501.5001.5001.7501.7502.0002.0002.2502.2502.635拉应力/Gpa-0.1310.0000.0000.2500.2500.5000.5000.7500.7501.0001.0001.2501.2501.5001.5001.7501.7502.0002.000
13、2.2502.2502.273图4 锚杆有孔与无孔状态下的力学特征Fig.4 The mechanics characteristic of Circle on hole and nohole state3 锚杆测力计制作与标定通过对测力计的结构尺寸、材料、以及电路设计综合分析后，利用 LY-12 硬铝合金作为弹性材料，制作圆环并钻孔，在圆环最大直径内、外对称的表面上黏贴应变片。制作的锚杆测力计共四根线，其中电源线为红+黄- ，信号线为灰+棕-，见图 5。图 5 锚杆测力计及其标定加载装置Fig.5 The anchor dynamometer and its calibrationloadi
14、ng equipment用标准砝码加载进行标定，标定与实测时均用西安科大研制的 36 路压力计算数据采集系统。其标定结果如表 1 所示，标定应变值与加载荷载拟合曲线如图 6 所示，可知测力计在测量量程内线性较好，性能稳定。表 1 锚杆测力计的标定应变值Table 1 The calibration strain value of anchor dynamometer应变值加载/N1 2 3平均值10.45 3166 3080 3240 316220.65 8400 8423 8270 836430.85 13220 12670 12800 1289741.05 18726 18085 1855
15、0 1845451.30 23770 23260 23800 2361061.50 28818 28090 28750 2855371.70 34199 33670 34000 3395681.95 39281 38170 39030 3882792.20 44456 43700 44410 44189102.40 49844 49500 49590 49645采矿与安全工程学报 第 29 卷41 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 04 0 0 0 05 0 0 0 06 0 0 0 00 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0加载 / N应变值应变拟合曲线图 6
16、 标定应变值的拟合曲线Fig.6 The fitting curve of calibration strain value4 锚杆测力计应用实例应用实例以四川广旺集团赵家坝煤矿 3964平巷相似模拟实验为例，对锚杆测力计相关参数进行了实践检验，相似模拟实验模型的原始参数取自赵家坝煤矿实验段巷道的煤岩层柱状图和地质资料。3964 回采巷道实验段 9#煤含夹矸 12 层，夹矸总厚为 0.040.08 m。煤层平均厚 0.99 m，平均倾角 64，煤属光亮型，硬度 f = 23，在现场巷道实验段在巷道底角可见 10#煤，厚 0.8 m，且夹矸较多。根据现场实测，巷道围岩层理发育，且层理间的黏结强度
17、较低，其中老顶层理厚约 1525 cm，直接顶在 1530 cm，煤层约 3050 cm，底板约 2540 cm。同时，围岩的节理也较发育，其中煤层节理发育程度最大，直接顶次之，老顶最小。相似模拟实验过程和巷道锚杆测力计布置见图 7，试验中共使用该类传感器 30 只，耗时 15 d，在整个实验过程共进行了近 100 次加载，在加载过程中对锚杆测力计数据进行统计分析表明，数据能真实反映出急斜巷道不同部位锚杆受力状态差异，如图 8 所示，对支护参数优化提供重要依据。加载过程中传感器反映灵敏，部分超量程的测力计卸载后仍可恢复至零值附近，精度高。尽管模型中还含有少量水分，但从数据上看对传感器的测值影响
18、较小，在长时间监测中较稳定。图 7 实验过程及锚杆测力计布置Fig.7 The layout of anchor dynamometerand experiment process02 0 4 0 6 0 8 0 1 0 02 55 07 51 0 0锚杆受力/N加载 / 1 0 k g1#1 3 002#3#4#5#6#7#8#图 8 不同部位锚杆受力状态Fig.8 The anchor mechanics state of different Position5 结 论1）采用 LY-12 硬铝合金作为弹性体材料设计的全桥环状锚杆测力计体积小，质量轻，性能稳定，结构设计合理，制造工艺较简单
19、，便于黏贴电阻应变片；具有较强的环境适应能力以及一定的耐热性，可在 150C 温度下工作，且在各种介质环境下长期使用不会产生凹坑或发黑现象；2）通过数值计算表明对圆环表面施加相应载荷后，圆环变形较小且一直处于弹性状态，卸载后可恢复原形状；圆环无孔状态下最大受拉应力值达 2.273 GPa，带锚杆孔时 2.635 GPa，可看出圆环在有无杆孔条件下的力学特征基本相同，最终确定在圆环表面钻孔，便于实验室锚杆测力；3）通过相似材料模拟实验测试表明，本次研制的锚杆测力计在模拟实验测试中具有良好的性能，测力计的量程为 20150 N，尤其在 50100 N 时，测力计迟滞性误差小于 5，可以作为矿山以及
20、相关学科领域相似材料模拟实验中锚杆、锚索等构件受力监测的常规实验设备。参考文献：1 李晓红，卢义玉，康勇，等岩石力学实验模拟技术M北京：科学出版社，20072 李鸿昌矿山压力的相似模拟实验M徐州：中国矿业大学出版社，19883 侯朝炯，勾攀峰巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究J岩石力学与工程学报，2000 ，19(3)：365-368HOU Chao-jiong，GOU Pan-fengMechanism study on strength enhancement for the rocks surrounding roadway supported by boltJChinese Journa
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