CN101082564A

CN101082564A - 锚杆受力状态的随机无损动力检测技术

Info

Publication number: CN101082564A
Application number: CNA2006100407795A
Authority: CN
Inventors: 缪协兴; 李青峰; 徐金海; 茅献彪; 秦昊
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-12-05
Also published as: AU2006345338B2; AU2006345338A1; WO2007137466A1

Abstract

本发明锚杆受力状态的随机无损动力检测技术，在锚固于岩(煤)体锚杆锚索外露端上安装激振力紧固装置，并在锚杆锚索外露端的紧固螺母上安装与智能动测仪相连的加速度传感器，通过对激振力紧固装置施力，使锚杆产生横向振动，由加速度传感器采集此微振动加速度信号，传输给智能动测仪，智能动测仪将接收到的加速信号转换成数字信号并存储，最后将所有采集到的数据输入计算机进行运算处理，完成锚杆初始安装时的预应力及工作状态时的载荷检测，受力全过程监测、非破损、全面性，可对任意一根锚杆受力进行无损动力检测，其操作简单，使用方便、快捷，易于携带，效果好，具有广泛的实用性。

Description

锚杆受力状态的随机无损动力检测技术

技术领域

本发明涉及锚杆受力状态的随机无损动力检测技术，尤其适用于矿山、隧道、边坡预应力锚杆、锚索使用状态的在线监测，也适用于矿山、隧道、边坡锚杆、锚索使用状态的在线监测。

背景技术

锚杆支护被广泛地应用于地下巷道以及边坡围岩的加固与支护中，尤其在煤矿井下大量使用了锚杆支护，目前我国国有煤矿年巷道总进尺在1000万米以上，用于支护的锚杆用量高达4000万根以上，在这4000万根锚杆中有多少锚杆对地下巷道及边坡围岩起到加固作用，谁也无法回答。事实上，由于不同的锚杆或者距离很近的锚杆所承受的拉应力都会因围岩性质和施工质量的差异而不同，而且由于采矿过程中应力的重新分布或地质运动，同一根锚杆中的受力也会在服务期限内发生改变，若支护强度弱，围岩不安全，若支护强度过高，会造成材料浪费，因此非常有必要对锚杆中的应力状态进行实时监控。

目前对锚杆的安全稳定性进行监测主要有两种方法。一种监测方法是利用深孔多点位移计、位移收敛计、顶板离层指示仪等进行位移监测，位移是力作用的累积效应，因此这种监测在时间上是滞后的，时效性差。另一种监测方法是利用扭矩拔手、测力锚杆、拉拔计、钢弦计、液压枕式测力计等进行受力检测。扭矩拔手测力只能通过测试锚杆安装时的扭矩来估算预紧力，其准确率低。测力锚杆测力是通过贴有应变片的特殊锚杆测知这根锚杆在围岩内的受力状况，不能对任意一根普通锚杆进行受力监测。钢弦计、液压枕测力计测力是将它们安装在围岩与托板之间，根据锚杆受力后钢弦计的频率或液压枕的压力来测知锚杆的受力状况，也不能实现对任意一根锚杆进行受力监测。测力锚杆、拉拔计这两种受力检测手段只能进行点检测，并不能实行面检测，拉拔计测力是利用液压千斤顶进行拉拔试验来测定锚杆的锚固力(最大承载能力)，无法检测锚杆的受力状态，且这种检测手段既费工又费时，更重要的是这种检测手段对经锚杆加固的巷道产生较强的扰动，降低了锚杆对围岩的加固作用，而且仅限于个别抽查。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种方便、快捷、有效的锚杆、锚索受力状态的随机无损动力检测技术。

技术方案：本发明锚杆受力状态的随机无损动力检测装置，它包括计算机数据处理系统，还包括设在锚杆外露端上的激振力紧固装置、设在锚杆外露端紧固螺母上的加速度传感器，加速度传感器上连接有一信号采集智能动测仪；所述的激振力紧固装置为一形钢，形钢上设有一个可穿套在锚杆上的孔，还设有一个与该孔径成直角并相通的螺钉孔。

本发明锚杆受力状态的随机无损动力检测方法，在锚固于岩(煤)体内的锚杆外露端上安装激振力紧固装置，并在锚杆外露端的紧固螺母上安装加速度传感器，在加速度传感器上连接信号采集智能动测仪；对激振力紧固装置施加力，使锚杆产生振动，通过设在紧固螺母上的加速度传感器采集锚杆振动加速度，加速度传感器采集到的加速度信号传输给智能动测仪，智能动测仪将接收到的加速度模拟信号转换成加速度数字信号并存储，将所采集到的数据输入计算机进行运算处理，选出锚杆振动前5阶频率中的任一阶频率及加速度波回波时间，计算出锚杆的预应力或工作载荷，将所计算出的锚杆1的预应力或工作载荷大小与锚杆锚固力设计值相比较，最终确定所测锚杆的受力状态。

有益效果：本发明锚杆受力状态的随机无损动力检测技术，最适用于矿山锚杆、锚索使用状态的在线监测，也适用于隧道、边坡锚杆锚索使用状态的在线监测。在锚固于岩(煤)体内的锚杆锚索外露端上安装激振力紧固装置和与信号采集智能动测仪相连的加速度传感器，通过对激振力紧固装置施力，使锚杆、锚索产生横向振动，通过加速度传感器，将信号传给智能动测仪，智能动测仪将接收到的加速度信号转换成数字信号并存储，最后通过计算机数据处理，完成锚杆锚索初始安装时的预应力及工作状态时的载荷检测，整个受力的全过程在线监测、非破损、全面性，可对任意一根锚杆受力进行无损动力检测，只要对锚杆锚索外露端敲击，无需在锚杆锚索施工时安装任何附加装置，其操作简单，使用方便、快捷，易于携带，效果好，具有广泛的实用性。

附图说明

附图是本发明锚杆受力状态的随机无损动力检测装置结构示意图。

图中：1-锚杆，2-树脂，3-煤体，4-托盘，5-加速度传感器，6-紧固螺母，7-激振力紧固装置，8-智能动测仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明锚杆受力状态的随机无损动力检测装置，主要由加速度传感器5、激振力紧固装置7、智能动测仪8和计算机数据处理系统构成，激振力紧固装置7固定在锚杆外露端，加速度传感器5通过磁性座紧贴于锚杆外露端的紧固螺母6上，信号采集智能动测仪8通过传输线与加速度传感器5相连接。加速度传感器5采用兰德科技有限责任公司生产的Bz105型加速度传感器；智能动测仪8采用长盛工程检测技术开发有限公司生产的JL-MG型智能动测仪，激振力紧固装置7为一方形钢，方形钢上设有一个可穿套在锚杆上的孔，还设有一个与该孔径成直角并相通的螺钉孔。

本发明锚杆受力状态的随机无损动力检测方法，采用在煤体3内的树脂2锚固的锚杆1外露端上安装激振力紧固装置7，在锚杆1外露端紧靠托盘4的紧固螺母6上安装加速度传感器5，加速度传感器5上连接有信号采集智能动测仪8；敲击固定在锚杆1外露端上的激振力紧固装置7，使锚杆1产生一微小的横向振动，通过安装在紧固螺母6上的加速度传感器5采集锚杆1微振动加速度，由加速度传感器5将采集到的加速度信号通过传输线传输给智能动测仪8，智能动测仪8将接收到的加速度模拟信号转换成加速度数字信号并存储，最后将所有采集到的数据输入计算机进行运算处理，得出受力锚杆1的加速度波的振动频率和回波时间，计算出锚杆1的预应力或工作载荷，将所计算出的锚杆1的预应力或工作载荷大小与锚杆锚固力设计值相比较，以此确定所测锚杆的受力状态。具体实施步骤如下：

a.首先在锚杆1外露端头部安装激振力紧固装置7，将Bz105型加速度传感器5一端与锚杆外露端上的紧固螺母侧面连接，一端与JL-MG型智能动测仪8连接，图1所示；

b.开启智能动测仪8，进入参数设置栏，输入所测锚杆的长度和直径大小，设定高通滤波为10Hz，低通滤波为2000Hz，波速为3500m/s～5100m/s，采样间隔为6μs；

c.向激振力紧固装置7横向敲击3～5次，敲击力控制在2kg左右，由Bz105型加速度传感器5将每次敲击的加速度波及回波采集传输给智能动测仪8，由智能动测仪8将该加速度信号转换成数字信号并存储；

d.将所采集到的所有数据由仪器输入计算机，选择所测波形中两条相似波形中的任一条波形，读取波形中入射波与同相反射波之间的时间差值，即可计算出锚杆未锚固段的长度；

e.用公式(1)：

f_{n} = \frac{{(n + β_{1})}^{2} π}{{2 l}^{2}} \sqrt{\frac{EI}{\overset{&OverBar;}{m}}}

计算得出非预应力锚杆前五阶的振动频率；

f.用公式(2)：

\{\begin{matrix} a (f) = \frac{2}{N} Σ_{k = 0}^{N - 1} x (t_{k}) \cos (2 πkf / SF) \\ b (f) = \frac{2}{N} Σ_{k = 0}^{N - 1} x (t_{k}) \sin (2 πkf / SF) \end{matrix}, (0 < f \leq \frac{SF}{2})

计算频率等间隔0.5Hz在0～900Hz取值的连续富里叶变换值，绘制出幅值频谱图，由频谱图的峰值及非预应力锚杆的前5阶频率值，得出所测预应力锚杆的前5阶频率中某一阶频率值。

g.用公式(3)：

N_{n} = \frac{{4 l}^{2} \overset{&OverBar;}{m} f_{n}^{2}}{{(n + β_{2})}^{2}} - \frac{{(n + β_{2})}^{2} π^{2} EI}{l^{2}}

即可计算出锚杆的工作载荷，将所计算出的锚杆的预应力或工作载荷大小与锚杆锚固力设计值相比较，最终确定所测锚杆是否处于安全范围内，若所测锚杆工作载荷大于锚固力设计值则为不安全，则需加设锚杆锚固，以保证锚杆支护工程的安全使用；若所测锚杆工作载荷小于锚固力设计值则为安全，不需要增设锚杆。

上述公式中：f_n为第n阶主振频率；n为频率阶数；β₁为非预应力频率系数；β₂为预应力频率系数；l为未锚固段长度；E-锚杆的弹性模量；l-锚杆的惯性矩； -锚杆单位长度质量；SF为采样频率；N为采样点数；x(t_k)为加速度信号时间序列；N_n-锚杆工作载荷。

Claims

1.锚杆受力状态的随机无损动力检测装置，它包括计算机数据处理系统，其特征在于：还包括设在锚杆(1)外露端上的激振力紧固装置(7)、设在锚杆外露端紧固螺母(6)上的加速度传感器(5)，加速度传感器(5)上连接有一信号采集智能动测仪(8)。

2.根据权利要求1所述的锚杆受力状态的随机无损动力检测装置，其特征在于：所述的激振力紧固装置(7)为一形钢，形钢上设有一个可穿套在锚杆上的孔，还设有一个与该孔径成直角并相通的螺钉孔。

3.锚杆受力状态的随机无损动力检测方法，其特征在于：在锚固于岩(煤)体内的锚杆(1)外露端上安装激振力紧固装置(7)，并在锚杆(1)外露端的紧固螺母(6)上安装加速度传感器(5)，在加速度传感器(5)上连接信号采集智能动测仪(8)；对激振力紧固装置(7)施加力，使锚杆产生振动，通过设在紧固螺母(6)上的加速度传感器(5)采集锚杆振动加速度，加速度传感器(5)采集到的加速度信号传输给智能动测仪(8)，智能动测仪(8)将接收到的加速度模拟信号转换成加速度数字信号并存储，将所采集到的数据输入计算机进行运算处理，选出锚杆振动前5阶频率中任一阶频率及加速度波回波时间，计算出锚杆的预应力或工作载荷，将所计算出的锚杆(1)的预应力或工作载荷大小与锚杆锚固力设计值相比较，最终确定所测锚杆的受力状态。