許海龍

1煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測(cè)分院 北京 100013

2煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100013

隨 著錨索支護(hù)技術(shù)的不斷推廣和應(yīng)用，錨索支護(hù)已經(jīng)成為煤礦巷道施工安全高效首選的支護(hù)方式[1]。錨索支護(hù)在深部開采巷道、大斷面巷道、復(fù)合破碎頂板、高地應(yīng)力等困難條件巷道使用中取得了良好的支護(hù)效果[2]。礦用錨索張拉機(jī)具作為煤礦井下錨索支護(hù)施工中的主要設(shè)備，用于礦用錨索的安裝并完成預(yù)應(yīng)力的施加，能夠有效控制頂板離層、減小煤礦巷道的圍巖變形等。預(yù)應(yīng)力是錨索支護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)，直接決定支護(hù)效果，因此張拉機(jī)具的張拉作業(yè)成為錨索施工工藝中的關(guān)鍵工序[3]。煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MT/T 972—2006 對(duì)張拉機(jī)具的張拉性能試驗(yàn)方法和技術(shù)要求進(jìn)行了基本規(guī)定。傳統(tǒng)試驗(yàn)方法及裝置在操作性、試驗(yàn)精度、勞動(dòng)強(qiáng)度、數(shù)據(jù)讀取、環(huán)保衛(wèi)生等方面存在一定局限性，研制新型試驗(yàn)裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 張拉機(jī)具工作原理及發(fā)展趨勢(shì)

張拉機(jī)具由液壓泵站、穿心式張拉千斤頂、高壓膠管、張拉力指示表等組成，其液壓泵站動(dòng)力源可分為人力手動(dòng)式、人力腳踏式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和乳化液驅(qū)動(dòng)式等。如圖 1 所示，工作時(shí)，液壓泵為千斤頂提供高壓油液，通過(guò)千斤頂張拉和夾片對(duì)錨索的咬合作用完成預(yù)應(yīng)力施加，預(yù)應(yīng)力值通過(guò)張拉力指示表顯示。通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的輸出壓力，可使千斤頂施加不同的張拉力。千斤頂?shù)淖詣?dòng)錨固和退錨通過(guò)內(nèi)置錨鎖具實(shí)現(xiàn)。張拉機(jī)具操作簡(jiǎn)單，拆裝方便，安全高效，綜合性能優(yōu)越，在煤礦井下得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 張拉機(jī)具工作原理Fig.1 Working principle of tensioning facility

隨著煤礦開采能力的增強(qiáng)，礦井開采深度和難度不斷加大，出現(xiàn)了千米深井高地應(yīng)力巷道、極破碎圍巖巷道、特大斷面巷道、受強(qiáng)烈采動(dòng)影響的巷道等復(fù)雜工況，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)提出了更高要求[4]。為有效控制圍巖離層和破壞，提高巷道的安全性，錨索支護(hù)技術(shù)得到了快速發(fā)展，支護(hù)用鋼絞線向著大規(guī)格、高強(qiáng)度、大直徑、大破斷力的方向發(fā)展，常用鋼絞線直徑由 15.24～21.60 mm 發(fā)展到15.24～28.60 mm。錨桿索質(zhì)量及施加的預(yù)應(yīng)力不斷提高，礦用錨索張拉機(jī)具張拉力由 120～180 kN 提高到 120～600 kN。隨著“自動(dòng)化減人、機(jī)械化換人、智能化無(wú)人”的綠色智慧礦山建設(shè)逐步推進(jìn)，出現(xiàn)了車載式張拉機(jī)具，將張拉機(jī)具安裝在煤礦用液壓錨桿鉆車中，張拉機(jī)具的使用正在向智能化升降托舉、智能化安裝、智能化施加預(yù)應(yīng)力、智能化檢測(cè)施工效果方向發(fā)展，不斷減輕井下工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高巷道錨索支護(hù)作業(yè)工作效率[5]。

2 張拉性能傳統(tǒng)試驗(yàn)方法

MT/T 972—2006 對(duì)張拉機(jī)具張拉力、內(nèi)泄壓降、退錨壓力、示值準(zhǔn)確度偏差、外滲漏、超載試驗(yàn)等張拉性能的試驗(yàn)方法與技術(shù)要求進(jìn)行了基本規(guī)定。張拉性能測(cè)試中的一種常見方法 (見圖 2) 是通過(guò) 2 根立柱組成門式試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)，用千斤頂推力值表示張拉力值，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀傳輸至二次儀表進(jìn)行顯示。該測(cè)試方法能夠完成千斤頂推力性能試驗(yàn)，而實(shí)際上千斤頂?shù)捻斖屏χ岛蛷埨χ挡⒎堑韧?，施工作業(yè)中鋼絞線、錨鎖具和夾片對(duì)預(yù)應(yīng)力施加存在一定影響，因此該試驗(yàn)方法不能完全模擬施工狀況，并且存在退錨壓力測(cè)試時(shí)需二次拆裝、千斤頂和測(cè)力傳感器中心孔難以對(duì)中、試驗(yàn)臺(tái)架易變形、試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性難以保證等問(wèn)題[6]。

圖2 張拉性能傳統(tǒng)試驗(yàn)方法 1Fig.2 Traditional test method 1 for tension performance

另一種常見測(cè)試方法 (見圖 3) 采用 4 根立柱方式，臺(tái)架上側(cè)中心孔穿入鋼絞線，采用相應(yīng)直徑規(guī)格的鋼絞線將錨具、千斤頂、中空式測(cè)力傳感器、上側(cè)面板和墊塊等串聯(lián)起來(lái)，通過(guò)模擬煤礦井下巷道頂板錨索支護(hù)施工狀態(tài)完成試驗(yàn)。該試驗(yàn)方法能夠保證測(cè)力傳感器和千斤頂中心孔對(duì)齊，臺(tái)架不易變形，消除了錨鎖具和夾片對(duì)預(yù)應(yīng)力施加造成的影響，在一定程度上提高了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。但是該方法仍存在一定局限性：試驗(yàn)前靠人工托舉傳感器和千斤頂進(jìn)行連接安裝，當(dāng)錨鎖具和夾片咬合發(fā)揮作用后試驗(yàn)人員方能離開，勞動(dòng)強(qiáng)度較大；雖然張拉力試驗(yàn)完成后可直接通過(guò)千斤頂反向供油收縮進(jìn)行退錨性能試驗(yàn)，避免了二次拆裝，但退錨性能測(cè)試結(jié)束前即需要人工托扶千斤頂，防止退錨結(jié)束后直接墜地；試驗(yàn)中外滲漏油液及試驗(yàn)前后卸裝膠管漏油，影響試驗(yàn)臺(tái)周邊清潔衛(wèi)生。

圖3 張拉性能傳統(tǒng)試驗(yàn)方法 2Fig.3 Traditional test method 2 for tension performance

綜合分析上述 2 種測(cè)試方法的優(yōu)勢(shì)和不足，研制了一種便于操作與測(cè)試數(shù)據(jù)采集處理、降低試驗(yàn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、安全可靠并具備外漏油液收集等功能的試驗(yàn)裝置，在滿足試驗(yàn)要求的同時(shí)，能夠模擬煤礦井下錨索支護(hù)作業(yè)工況，提高了試驗(yàn)方法的科學(xué)性、便捷性和準(zhǔn)確性。

3 試驗(yàn)裝置總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)張拉機(jī)具使用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，確定研發(fā)試驗(yàn)裝置的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：承受試驗(yàn)力不低于 1 000 kN，適應(yīng)千斤頂中孔直徑范圍為 15～40 mm，張拉行程為 0～300 mm，工作臺(tái)高度為 800 mm。為降低試驗(yàn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，采用臥式結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)人員進(jìn)行樣品與傳感器安裝時(shí)無(wú)需人工托舉對(duì)中操作，通過(guò) V 形平臺(tái)和上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中心孔對(duì)中調(diào)節(jié)。設(shè)置集油裝置對(duì)試驗(yàn)前后管路安裝、拆卸及試驗(yàn)中外泄漏油液進(jìn)行收集。另外，試驗(yàn)裝置還具備安全防護(hù)、液壓泵壓裝等功能。將測(cè)力傳感器及壓力傳感器引入測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)軟件界面實(shí)時(shí)讀取和保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)前可輸入樣品基本信息，試驗(yàn)結(jié)束后直接輸出試驗(yàn)記錄和檢驗(yàn)報(bào)告。張拉性能試驗(yàn)工作流程如圖4 所示。

4 試驗(yàn)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 張拉性能試驗(yàn)工作流程Fig.4 Process flow of tension performance test

試驗(yàn)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)部分為張拉性能試驗(yàn)提供平臺(tái)，由千斤頂 V 形安放平臺(tái)、傳感器中心高調(diào)節(jié)器、液壓泵工作臺(tái)、集油機(jī)構(gòu)、臺(tái)架及防護(hù)罩等組成。千斤頂 V 形安放平臺(tái)能夠保證千斤頂中心線的水平位置，通過(guò)測(cè)力傳感器中心高調(diào)節(jié)器使傳感器與千斤頂保持同一中心高度。測(cè)力傳感器中心高調(diào)節(jié)器由旋轉(zhuǎn)盤、絲杠、托舉環(huán)及附件組成。液壓泵工作平臺(tái)用于固定液壓泵，基于人機(jī)工程學(xué)考慮，平臺(tái)高度設(shè)計(jì)為 800 mm，便于試驗(yàn)人員進(jìn)行試驗(yàn)操作。平臺(tái)面板均勻開設(shè)螺栓孔，通過(guò)螺栓及壓板實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的壓裝功能，保證液壓泵在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，在手動(dòng)液壓泵工作中更便于人力施加。管路拆裝過(guò)程中及試驗(yàn)中外滲漏油液通過(guò)螺栓孔收集至面板下側(cè)集油漏斗，千斤頂 V 形安放平臺(tái)底部設(shè)有集油管，將試驗(yàn)中滲漏油液匯集至集油箱，保證了試驗(yàn)臺(tái)周邊的衛(wèi)生清潔。在試驗(yàn)臺(tái)周邊設(shè)置可開啟式防護(hù)罩，避免了試驗(yàn)過(guò)程中因高壓油液溢出、錨具破碎或鋼絞線斷裂等帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。防護(hù)罩設(shè)置玻璃鋼觀察窗，便于試驗(yàn)過(guò)程中觀察樣品狀況。

圖5 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成Fig.5 Structural composition of test device

通過(guò) SolidWorks 軟件完成試驗(yàn)裝置各部分結(jié)構(gòu)的三維模型設(shè)計(jì) (見圖 6)，結(jié)構(gòu)緊湊，布置合理，滿足張拉性能試驗(yàn)要求，同時(shí)便于試驗(yàn)人員操作，減輕試驗(yàn)人員工作強(qiáng)度，并且能夠及時(shí)收集外泄漏油液，滿足實(shí)驗(yàn)室 6 S 管理對(duì)設(shè)備周邊環(huán)境衛(wèi)生的要求。

圖6 試驗(yàn)裝置三維結(jié)構(gòu)示意Fig.6 3D structural sketch of test device

5 試驗(yàn)裝置測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置張拉性能測(cè)試原理如圖 7 所示，通過(guò)測(cè)力傳感器測(cè)量張拉千斤頂輸出的張拉力，通過(guò)壓力傳感器測(cè)量液壓泵輸出的油液壓力，測(cè)力傳感器和壓力傳感器將電流信號(hào)傳輸至測(cè)控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析和處理，完成張拉力值、示值誤差、退錨壓力、內(nèi)泄壓降等參數(shù)的測(cè)量。

圖7 測(cè)試原理Fig.7 Testing principle

測(cè)控系統(tǒng)基于 PLC 應(yīng)用控制技術(shù)，采用 Visual Studio 軟件完成測(cè)控系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)，如圖 8 所示。測(cè)控界面按照不同動(dòng)力源設(shè)計(jì)成手動(dòng)、氣動(dòng)或電動(dòng) 3 種測(cè)控通道，試驗(yàn)前根據(jù)動(dòng)力源形式選擇進(jìn)入相應(yīng)形式的測(cè)控界面。測(cè)控系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了張拉力、試驗(yàn)壓力、退錨壓力、內(nèi)泄壓降等數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣動(dòng)張拉機(jī)具供氣壓力的調(diào)節(jié)和耗氣量的測(cè)量，以及對(duì)電動(dòng)張拉機(jī)具功率、電壓和電流的測(cè)量。通過(guò)測(cè)試前錄入樣品基本信息和測(cè)試結(jié)束對(duì)相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)的保存，試驗(yàn)結(jié)束后可直接輸出試驗(yàn)記錄和出具檢驗(yàn)報(bào)告。

圖8 測(cè)控系統(tǒng)軟件界面Fig.8 Software interface of measurement and control system

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)當(dāng)前張拉性能試驗(yàn)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀及試驗(yàn)方法的分析，完成了試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)裝置能夠模擬煤礦井下張拉機(jī)具使用工況，不但滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試驗(yàn)方法的規(guī)定，同時(shí)降低了試驗(yàn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、試驗(yàn)操作的便捷性以及試驗(yàn)過(guò)程的安全性和清潔性。新研制的試驗(yàn)裝置為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供方法依據(jù)，同時(shí)能夠?yàn)閺埨瓩C(jī)具生產(chǎn)企業(yè)出廠檢驗(yàn)設(shè)備的升級(jí)改造提供設(shè)計(jì)參考。