锚杆支护实践教学实验台的设计与应用

贾后省，张梦婕，张 辉

(1. 河南理工大学 能源科学与工程学院， 河南 焦作 454003；2. 河南理工大学 工商管理学院， 河南 焦作 454003)

锚杆支护实践教学实验台的设计与应用

贾后省1，张梦婕2，张 辉1

(1. 河南理工大学 能源科学与工程学院， 河南 焦作 454003；2. 河南理工大学 工商管理学院， 河南 焦作 454003)

分析了锚杆支护教学的要点和难点，模块化设计了锚杆支护实践教学实验台，并展开了顶板钻孔施工与锚杆锚固实验、锚杆锚固质量检测实验、顶板合理锚固层位判别实验、实际锚固状态下锚杆力学性能测试、锚杆预紧力损失监测等方面的实践教学。该实验台对于学生完善专业知识、提升实际动手能力、增加专业知识学习兴趣、增强团队合作意识等方面具有积极作用。

锚杆支护； 模块化设计； 实践教学； 锚杆锚固

采矿工程专业的人才培养是煤炭行业持续、有续发展的重要基础[1-2]。由于煤矿工程的隐蔽性、复杂性、危险性，长期以来，相关煤矿专业的实践教学难以行之有效地开展，多是通过简化的模型或者人为设计的动画进行，即便结合教师的课堂讲解，学生也很难想象出实际工程条件下的专业知识运用，导致学生对某些专业知识点理解困难，甚至理解错误[3-5]。

针对实践教学研发相应教学设备是解决此类问题的有效途径。例如，国土资源部科普基地建立了仿真实训矿井，形成了真实的井下巷道生产系统，使学生能够切实感受到井下的设计要点与生产氛围[6]；运城职业技术学院进行了实际比例的矿山各功能分区模型制造，并辅以相关的视频动画，提高了学生学习效率与学习兴趣[7-8]；河南义煤集团新安煤矿展开了地面模型培训、操作与井下实际生产系统参观相结合的模式，大幅提升了培训效率[9]。

近年来，锚杆支护以显著的经济、技术优越性，在巷(隧)道围岩控制领域得到了广泛应用[10-12]，锚杆支护的相关施工与操作贯穿了采矿工程教学的井巷工程、采矿学、矿山压力与岩层控制等多门学科，因此设计一种高度模拟现场环境的锚杆施工实验台，对于学生理解锚杆支护相关知识点、提升动手能力、提高学生学习热情将具有积极意义。

1 实验台模块化结构设计

最大限度地模拟现场施工条件与围岩环境并可安装真实锚杆，是锚杆支护实践教学实验台结构设计的基本原则，前提是需要与真实巷(隧)道尺寸相当的操作空间。根据机械设计总体要求，结合需要完成的功能，以适于安装的模块化原理为设计理念，实验台由基础架台、龙门框架、围岩箱、加载油缸、液压系统组成。实验台实照及结构如图1所示。其中，基础架台主要用于支撑和固定围岩箱和加载油缸，便于下方的锚杆钻机向围岩箱内钻锚固孔，支腿下端通过地脚螺栓固定在地面，基础架台装有方便人员上下的扶梯和护栏。围岩箱(结构见图2)由箱体、压板和挡板组成，箱内可分层浇筑以模拟层状围岩，侧边挡板由螺栓固定，各侧边挡板留有20 mm的间隙以供传感器导线穿过，围岩箱另一边为有机玻璃板，用于观测内部围岩的情况。龙门框架(结构见图3)固定在基础架台上，用于承载围岩箱和加载油缸。加载油缸设置3组，最大行程300 mm，单个加载油缸最大加载力1 000 kN，并配备相应的高压泵站和连油管。

图1 实验台实照及结构图

图2 围岩箱结构图

图3 龙门框架结构示意图

实验采用真实锚杆，设置实验台围岩箱的合理尺寸为1 000 mm×500 mm×1 500 mm，可并排施工2～4根长度不超过1 350 mm的锚杆。为了尽可能模拟现场施工环境，基础架台的高度定为2 000 mm，即一般巷道掘进期间锚杆的施工高度。加载油缸用来模拟实际应力环境，加载油缸加载时，围岩变形速度以实际地质条件下的变形特征为依据，其加载速度为

vm=CVvp

式中：vm为围岩变形速度，mm /s；CV为时间相似性系数；vp为实际围岩变形速度，mm /s。

实验室中，一般要求在几小时内完成锚杆锚固施工，CV为10-11～10-13。根据时间相似性准则，得到加载油缸加载的合理速度为0.11 mm /s。

2 实验台在本科实践教学中的应用

锚杆支护实践教学实验台是服务于采矿工程本科专业的采矿学、井巷工程、矿山压力与岩层控制3门主体课程中锚杆支护施工的相关内容，用于顶板钻孔施工与锚杆锚固实验、锚杆锚固质量检测实验、顶板合理锚固层位判别实验、实际锚固状态下锚杆力学性能测试等方面的实践教学。

2.1 顶板钻孔施工与锚杆锚固实验

锚杆是巷(隧)道最为普遍应用的支护材料，锚杆支护实践教学实验台可模拟现场锚杆施工过程，配合空气压缩机、气动式单体锚杆钻机、六棱中空钻杆、连接套、钻头、锚杆搅拌器、树脂锚固剂、φ20 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆等设备和材料的使用，可使学生掌握顶板锚杆的施工过程与技术要点。

实验过程中，钻机压力必须保持在0.4～0.63 MPa，压缩空气要洁净和干燥，把附近气水分离装置中的积水排放干净。冲洗水压应保持0.6～1.2 MPa。把围岩箱置于基础架台上并固定，开始钻孔工作，开眼位时，转速不可过快，气腿推力要调小一些。当钻进孔眼30 mm左右时，方可逐步加快转速，加大推力，进入正常钻孔作业。随后，人工用锚杆将一根锚固剂向锚杆孔内推入，并顶到位,装上搅拌套筒，用锚杆机搅拌和安装，钻机的转速，先以中速为宜，气腿推进的时间以15～30 s为宜，紧固锚杆后完成锚杆锚固。图4为学生进行该实验的现场图片。

图4 顶板钻孔施工与锚杆锚固试验现场照片

2.2 锚杆锚固质量检测实验

巷(隧)道锚杆锚固质量检测是实际工程中的常规检测项目，本实验的目的是判定巷道围岩的可锚性,以及评价锚杆、树脂、围岩锚固系统的性能和锚杆的锚固力。实际检测必须在现场进行，使用的材料和设备与巷道正常支护相同。本实验目的是使学生掌握锚杆锚固质量检测原理，了解检测中的相关操作规范、操作方法以及检测中所涉技术要点，

拉拔检测在锚杆安装后0.5～4.0 h进行，检测时应确保锚杆拉力计油缸的中心线与锚杆轴线重合，检测由2人完成，一人加载，一人记录，实验时应缓慢均匀地操作手动泵压杆。当锚杆出现明显位移时停止加压，记录锚杆拉力计读数，此读数即为锚固力数值。

2.3 顶板合理锚固层位判别实验

合理锚固层位判别是层状围岩巷(隧)道支护的重要前提之一，本实验的目的是判断不同层位的可锚性，评价锚杆、树脂、围岩锚固系统的性能和锚杆的锚固力，得到最为合理的锚固层位，需要锚杆拉拔计配合完成。实验前，需要在围岩箱浇筑配别不同强度的层状围岩(见图5)，学生要了解其围岩层位组成，包括岩性、厚度等。然后，选择要进行锚固的层位，切割相应长度的锚杆。按照实验的操作规程，分别进行不同层位的锚杆锚固(或由指导教师提前准备)并做好标记。

图5 实验台围岩箱层状岩体配比

图6为不同层位围岩锚杆拉拔力实验数据，由于锚杆拉拔计量程有限，采取了锚固剂减半的方法。实验结果显示，当锚杆锚固在细砂岩、粗砂岩时，拉拔力分别达到215 kN和145 kN，高于标准值；当锚杆锚固在泥岩、煤中时，拉拔力分别为65 kN和70 kN，低于标准值。因此合理锚固层位应为细砂岩和粗砂岩，实际应用时，应根据锚杆要求长度情况而定。

图6 不同层位围岩锚杆拉拔力

2.4 实际锚固状态下锚杆力学性能测试

锚杆力学性能是巷(隧)道支护设计的重要依据，本实验的目的是使学生掌握锚杆力学性能的指标与测试方法，了解广泛使用的左旋无纵筋螺纹钢锚杆的性能参数。锚杆拉拔力测试与显示由锚杆测力计完成。

测试时，首先根据实验台围岩套筒长度与传感器厚度，切割相应长度的锚杆，按照实验操作规程，进行钻孔、锚杆安装(或由指导教师提前准备)，在锚杆紧固前安装好锚杆测力计的传感器。锚杆安装后0.5～4.0 h进行拉拔，应缓慢均匀地操作手动泵压杆。当锚杆出现明显位移时，记录该时刻的拉拔长度与拉拔力，每隔一定位移记录一次，直至锚杆破断。最后，分析实验数据，绘制锚杆力学性能曲线。图7为Φ20 mm×1 000 mm左旋无纵肋螺纹钢锚杆的拉伸曲线，锚杆每拉伸10～20 mm进行一次记录。测试结果显示，初始拉拔力为22 kN，之后随着拉伸长度的增加，近乎直线增加，拉伸长度超过45 mm左右时，拉拔力变化不大，在165～180 kN之间，拉伸长度220 mm时，拉拔力急剧减小，随后破断，延伸率为22%左右。

图7 锚杆拉伸曲线

3 结语

锚杆支护实践教学实验台最大限度地模拟了现场实际中的围岩条件与施工环境，围绕当前普遍使用的锚杆支护技术展开实践教学，实验台所涉及的实验是课堂学习的有效补充，对于学生深入理解锚杆支护技术的一些热点和难点问题有较大作用。同时，实验由学生相互配合完成，且有学生自己动手操作，对于完善学生专业知识、提升实际动手能力、增加专业知识学习兴趣、增强团队合作意识等方面具有积极作用。

References)

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Design and application of experimental rig for practical teaching of bolt supporting

Jia Housheng1, Zhang Mengjie2, Zhang Hui1

(1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 2. School of Business Administration, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)

The key points and difficulties of the bolt supporting teaching are analyzed, the modular design of the experimental rig is conducted, and the practical teaching is carried out for the roof drilling construction and bolt anchoring experiment, the measurement experiment of bolt anchoring quality, the discrimination test of reasonable roof bolting horizon, mechanical property test of anchors under actual anchoring condition, the monitoring experiment of pre-stress loss of anchors, etc. This experimental rig has a positive effect on improving the students’ professional knowledge, enhancing their practical ability, increasing their interest in professional knowledge learning, strengthening their teamwork awareness, etc.

bolt supporting; modular design; practical teaching; bolt anchoring

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.026

2016-11-15 修改日期：2017-01-09

河南理工大学教育教学改革研究项目资助(2014JG020)；河南理工大学博士基金项目资助(B2016-49)

贾后省(1988—)，男，山东济宁，博士，讲师，研究方向为巷道支护理论与技术

E-mail：jiahousheng@126.com

张梦婕(1989—)，女，河南焦作，硕士，助教.

E-mail：zhangmengjie819@126.com.

TD353；G484

B

1002-4956(2017)06-0106-04