[发明专利]大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统及方法

说明书

本发明公开了一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统及方法，主要包括：密封箱体，在箱体内壁依次均匀设有若干个独立提供侧向挤压力的侧压单元，箱体内填充煤岩体或相似模拟材料；沿着试验系统内嵌锚杆或注浆锚杆的直线方向上依次设置若干个横向的剪切单元、扭转注浆锚杆的扭曲单元，以及控制扭曲单元直线伸拉的拉伸单元；在试验系统内嵌注浆锚杆的自由端与注浆装置可拆卸连接。有益效果：通过大尺度地下模拟试验系统，可以模拟复杂地质条件下普通锚杆及注浆锚杆在拉、扭、剪、切、弯单因素或多因素耦合作用杆体的力学特性；模拟地下岩体及注浆岩体在复杂条件下的变形规律及力学特性并测试不同浆液的渗流扩散规律及岩体强度的变化。

技术领域

本发明涉及矿山支护设备及其检测试验设备领域，具体涉及一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统及方法。

背景技术

锚杆支护已经成为煤矿巷道、隧道及边坡等支护的高效支护手段，在我国得到了大面积的推广。以煤矿为例，锚杆不仅能够增加锚固煤岩体的锚固力，还能通过注浆改善煤岩体的力学性能，起到防止巷道两帮位移、巷道底板底鼓。

锚杆打入巷道围岩中后，在围岩的作用下实际受力情况非常复杂，一根锚杆同时受到剪切、拉伸、扭转等情况下的一种或多种力组合，研究锚杆在围岩中的实际受力情况也非常难以实现。

本试验系统具有大尺度的围岩锚注一体的支护体模拟系统，研究锚杆在裂隙围岩中注浆以及与注浆岩体相互作用机理，更深层次研究锚杆作用与围岩的受力状态。

在围岩中，锚杆受到复杂外力的作用下，产生一系列的变形，造成锚杆的承载能力下降，并且在不同组合应力状态下的承载能力显著不同。单根锚杆在不同组合应力状态下的承载能力研究，便于研究锚杆在围岩中的实际受力。

单根锚杆在这些复杂的外力作用，在锚杆杆体内形成拉伸应力、扭转应力、剪切应力、围岩应力等复杂的应力组合，使锚杆实际承载能力下降，并在不同应力组合时的承载能力显著不同。复杂的外力作用也使锚杆的变形情况复杂化，锚杆轴向伸长、扭转、剪切作为锚杆变形的主要形式，使锚杆对注浆煤岩体的约束力下降，是引起锚杆支护巷道围岩变形的主要因素。

现有的锚杆测试系统主要存在以下缺点：

（1）虽然国内外学者对锚杆的力学特性及围岩特性进行了许多探索性的工作，积累了丰富的经验，但没有集锚杆、煤岩体、注浆材料为一体的支护体力学特性试验系统。

（2）目前的测试平台主要对锚杆或岩样的力学特性大多是单一的拉力、弯矩、扭矩及剪切力试验研究，对锚杆、岩样或支护体同时处于拉力、弯矩、扭矩、剪应力及环境因素的多场耦合条件下的破坏机理试验还没有涉及到，并且很少考虑深部岩体实际的复杂的地质条件及围压作用的影响。

（3）目前常用的方法主要采用小型试样进行测试，无法完整模拟井下地质环境，难以对锚杆及支护体进行整体测试，不能够完整反映杆体及支护体的受力及变形状态。

发明内容

为了解决锚杆现有上述检测技术中存在的问题，本发明提供一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统，包括：

地下模拟系统，用于模拟锚杆复杂工作环境，所述复杂围岩地质条件模拟系统包括箱体，所述箱体为密封的立方体中空结构，箱体每个内壁均设有若干个独立提供侧向挤压力的侧压单元，箱体内填充相似材料或煤岩体，锚杆或注浆锚杆穿过箱体侧壁伸入箱体内；

剪切单元，用于提供试验所需剪切力，所述剪切单元包括至少两个交错设置剪切块，剪切块由动力设备推动平移，所述剪切块移动方向垂直于锚杆轴线；

拉伸单元，用于提供试验所需拉力，所述拉伸单元为伸缩设备组成；