CN105067170A - 一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置及方法，主要应用于矿山、地下工程等巷道、隧道中需要使用锚杆锚固的领域。该监测装置利用结构模态在相同主振型下的固有频率与应力之间的线性关系，使监测装置在受到锤击力做自由振动时，发出声音的频率随固有频率的变化而变化，工作人员根据不同频率的声音来判断锚杆轴向力的大小。该监测装置结构简单、可靠性高、适合大规模使用，实现了对锚杆轴向力的实时监测。

Description

一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置及方法，主要应用于矿山、地下工程等巷道、隧道中需要使用锚杆锚固的领域。

背景技术

锚杆支护已成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。近年来由于掘进面的不断延伸和开采范围的扩大，冒顶事故也时常发生，已经造成了巨大的经济损失和人员伤亡。在锚杆支护巷道的服务年限内，及时准确的对锚杆支护质量进行检测，对锚杆支护工程的正常维护和矿井安全生产具有十分重要的意义。

现有的矿用锚杆轴力检测装置主要分为两大类：一类是需要电源供电，中国专利CN101059382A公开了一种光纤光栅锚杆测力计；2002年，英国伦敦大学的M.D.Beard博士等人利用导向超声波来对锚杆进行检测；2007年太原理工大学的李义教授等人提出应力波反射法对锚杆轴力进行检测；2011年中国煤炭科工集团西安研究院邢龙龙提出电阻应变式测力锚杆,在支护过程中，由于锚杆的使用数量比较多，如果通过电线给每个检测装置供电，会增加巷道内电线的使用数量，对巷道的安全管理带来一定难度，因此第一类监测装置并没有得到广泛的应用。另一类不需要电源供电，中国专利CN103267596A公开了一种通过测量液体压力来判断锚杆的轴向力;2012年太原理工大学刘青康提出一种无需电源供电的活塞式锚杆轴力检测装置；2014年太原理工大学周清亮提出了一种无源型矿用锚杆轴向力监测装置，但检测装置结构复杂，成本较高，体积较大，需要专门工作人员进行检测，不适合大规模使用。

目前，国内矿井一般采用锚杆拉拔力检测，需要专门的工作人员定期对锚杆抽样试验，是一个既费时又费力的过程，其他监测装置由于本身的局限性，并没有得到广泛的应用。因此，研究出一种低成本、结构简单、易于监测、可靠性高、适合大规模使用的锚杆监测装置对矿井的安全生产具有十分重要的意义。

发明内容

本发明旨在提供一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置及方法，该监测装置利用结构模态在相同主振型下的固有频率与应力之间的线性关系，使监测装置在受到锤击力做自由振动时，发出的声音的频率随固有频率的变化而变化，工作人员可以根据不同频率的声音来判断锚杆轴向力的大小。该监测装置结构简单、可靠性高、适合大规模使用，实现了对锚杆轴向力的实时监测。

本发明提供了一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置，包括上盖和下部托盘，上盖为空心圆柱结构，中间的通孔供锚杆穿过，在圆柱底部设有凹槽；下部托盘包括中空圆形托盘，圆形托盘上端部设有环形板，圆形托盘的中间通孔供锚杆穿过，环形板上方与上盖的下端相接触，上盖扣在环形板上，上盖和下部托盘之间形成空腔。

锚杆用于插入岩体中起支护作用，本发明装置的各部件上设有穿入锚杆用的预留孔，一般安装在锚杆的下端部，该装置位于螺母和调心垫之间，装置上盖与调心垫接触，调心垫上方为矿用托盘，托盘与岩体直接接触；中空圆形托盘与环形板为一个整体，下部托盘下方为螺母。

上述装置的各部件上设有穿入锚杆用的通孔，通孔直径d=d₀+2，其中d₀为锚杆直径。

作为一种优选方案，所述中空圆形托盘底部的厚度为20mm，为中空圆柱形，圆柱的上端部与环形板沿锚杆的轴向距离为h=7mm，托盘与环形板接触处内部所成夹角α为40°，外部以半径R为17mm的圆弧进行过渡，环形板超出上盖外缘的宽度L为30mm，L的长度需要环形板与上盖的装配进行保证，环形板板厚为1mm；上盖凹槽内径比中空圆形托盘的外径大2*a=10mm，上盖的壁厚为24mm，上盖凹槽底端壁厚为10mm。

本发明提供了一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的方法，分析步骤如下：

（1）首先根据本装置测定不同载荷下的场点声压曲线：

根据锚杆的承受力选定四个不同载荷，分别对监测装置进行声场分析：

①初锚力F₀：锚杆安装时，螺母对锚杆会有一个初始预紧力F₀，此时环形板产生弯曲变形，环形板自由振动时，此时听到声音的频率为f₀；

②报警载荷F₁：报警载荷F₁，相对于破断载荷F₂提前了F₂-F₁（说明此时的锚杆已经处于危险状态，工作人员应该采取相应的安全措施，防止事故的发生或减少事故发生时的经济损失和人员伤亡），当锚杆的轴向力增加到F₁时，环形板发生进一步的弯曲变形，其内应力增加，环形板的固有频率随应力的增加而发生变化，环形板自由振动时，此时听到的声音的频率为f₁；

③破断载荷F₂：锚杆所能承受的最大载荷为F₂，即锚杆轴力达到F₂时，锚杆会发生断裂；监测装置在F₂载荷下的最大应力σ_max应该小于材料的屈服强度为σ_s；当锚杆的轴向力增加到F₂时，环形板发生进一步的弯曲变形，其内应力增加，环形板的固有频率随应力的增加而发生变化，环形板自由振动时，此时听到的声音的频率为f₂；

④失效载荷F₃：锚杆破断或锚固失效后，监测装置受力为F₃=0，此时环形板不发生弯曲，内部应力状态为零；环形板自由振动时，此时听到的声音的频率为f₃；

本发明提供的监测方法在对锚杆轴力进行监测时，首先将所述的监测装置安装到锚固结构中，当岩体的应力发生变化时，岩体对监测装置的作用力发生改变，当作用力增加时，环形板的弯曲变形增大，内部应力增大，环形板的固有频率发生变化；通过对环形板施加锤击力得到该受力状态下的声音频率，通过四种不同载荷区间的频率值，即通过声压-频率曲线图，来判断锚杆承受的力是否属于安全值范围。

所述监测方法中，应处于与监测装置轴线呈75度角范围内进行声音频率的测定。

本发明中，对环形板施加锤击力时，环形板的自由振动是结构模态主振型的叠加，通过改变主振型对应的固有频率来改变环形板自由振动的频率，

本发明的有益效果：

1）较好的解决了监测锚杆轴向力的问题，该装置结构简单，易于判断轴向力的大小，适合大规模使用。

2）激励采用锤击法，并且锤击力度取值范围较广，可根据锤击环形板时发出声音的频率来判断轴力的大小，监测方法简单，适合人工操作；

3）锚杆破断时，环形板的弯曲变形在弹性范围内，监测装置可以重复使用，减少材料消耗，降低了成本。

附图说明

图1是监测装置的安装示意图；

图2是监测装置的整体结构示意图；

图3是四个不同载荷下场点声压曲线；

图4是监测装置所受载荷与环形板固有频率的关系曲线；

图5是监测装置上盖部件的结构示意图；

图6是监测装置下部托盘部件的结构示意图；

图7是不同锤击力下同一位置场点声压曲线；

图8是四个不同锤击点的位置；

图9是四个不同锤击点下同一位置场点的声压曲线；

图10是工作人员所处四个不同检测位置；

图11是工作人员所处四个不同检测位置场点的声压曲线；

图中，1、岩石2、托盘3、调心垫4、上盖5、环形板6、中空圆形托盘7、螺母8、锚杆。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

锚杆用于插入岩体中起支护作用，图1示出了本发明监测装置的安装示意图，本发明装置的各部件上设有穿入锚杆用的预留孔，一般安装在锚杆8的下端部，该装置位于螺母7和调心垫3之间，装置上盖4与调心垫3接触，调心垫3上方为矿用托盘2，托盘2与岩体1直接接触；中空圆形托盘6与环形板5为一个整体，下部托盘下方为螺母7。

监测装置的具体结构见图2所示：装置包括上盖4和下部托盘，上盖4为空心圆柱结构，中间的通孔供锚杆8穿过，在圆柱底部设有凹槽；下部托盘包括中空圆形托盘6，中空圆形托盘6上端部设有5环形板，圆形托盘的中间通孔供锚杆8穿过，环形板5上方与圆柱的下端相接触，上盖4扣在环形板5上，上盖4和下部托盘之间形成空腔。

图5、图6为监测装置的分解结构图，示出了各部件的尺寸，上述装置的各部件上设有穿入锚杆用的通孔，本实施例选取的锚杆直径为d₀=20mm，通孔直径d=d₀+2=22mm。

所述中空圆形托盘6的底部厚度为20mm，为中空圆柱形，圆柱的上端部与环形板沿锚杆的轴向距离为h=7mm，托盘与环形板接触处内部所成夹角为α=40°，外部以半径为R=17mm的圆弧进行过渡，环形板超出上盖外缘的宽度为L=30mm，环形板板厚为1mm；上盖凹槽内径比中空圆形托盘的外径大2*a=10mm，即在直径方向上有5mm的错位间距，上盖的壁厚为24mm，上盖凹槽的底端厚度为10mm。

本发明提供了一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的方法，分析步骤如下：

（1）首先根据本装置测定不同载荷下的场点声压曲线：

本发明主要针对的是矿用锚杆，国内主要使用的矿用锚杆的材料为20MnSi螺纹钢，杆体直径为20mm，屈服载荷为10.9t,破断载荷为17.8t。根据锚杆的安装使用要求，锚杆的初锚力为F₀=6～7t，锚杆轴力监测装置设置的报警载荷F₁=12t，相对于锚杆的破断载荷F₂=17.8t有5.8t提前量，在锚杆的安全强度范围内，保证工作人员提前发现可能过载的锚杆。

根据锤击声学法锚杆轴力监测装置的受力过程，环形板5发生弯曲变形，与上盖4和中空圆形托盘6的连接部分存在较大的应力集中，上盖4、中空圆形托盘6和环形板5选用材料为弹簧钢60Si2CrVA，其需要淬火和回火等热处理，抗拉强度σ_b为1900MPa，屈服强度σ_s为1700MPa。

安装锚杆时螺母7使锚杆8沿轴向产生一个初始预紧力，当岩体1的应力发生变化时，岩体1对监测装置的作用力发生变化，当作用力增加时，环形板的弯曲变形增大，内部应力增大。监测装置的固有频率与载荷近似呈线性关系（如图4所示），载荷变化17.8t，声音的频率变化216.92Hz。环形板自由振动时发出的声音的频率与监测装置第一阶固有频率一致。根据锚杆的承受力选定四个不同载荷，分别对监测装置进行声场分析：

1)初锚力F₀：锚杆8安装时，螺母7对锚杆8会有一个初始预紧力F₀=6t，此时环形板产生一定的弯曲变形，环形板自由振动时辐射声场上一点的声压曲线如图3所示中的曲线1，此时听到声音的频率为f₀=727.58Hz。

2）报警载荷F₁：报警载荷F₁=12t，相对于破断载荷17.8t提前了5.8t，说明此时的锚杆8已经处于危险状态，工作人员应该采取相应的安全措施，防止事故的发生或减少事故发生时的经济损失和人员伤亡。当锚杆8的轴向力增加到F₁=12t时，环形板的弯曲变形增加，其内应力增加，环形板自由振动时辐射声场上一点的声压曲线如图3所示中的曲线2，此时听到的声音的频率为f₁=655.12Hz，与初锚力6t下声音的频率小72.46Hz。

3）破断载荷F₂：锚杆8所能承受的最大载荷为F₂=17.8t，此时锚杆会发生断裂。理论计算监测装置在F₂载荷下的等效应力，最大等效应力为σ_max=1620Mpa，应该小于材料的屈服强度为σ_s=1700Mpa。环形板自由振动时辐射声场上一点的声压曲线如图3所示中的曲线3，此时听到的声音的频率为f₂=576.38Hz，与报警载荷12t下声音的频率小78.74Hz。

4）失效载荷F₃：锚杆破断或锚固失效后，监测装置受力为F₃=0，此时环形板不发生弯曲，内部应力状态为零。环形板自由振动时辐射声场上一点的声压曲线如图3所示中的曲线4，此时听到的声音的频率为f₃=793.3Hz，与初锚力6t下监测装置发出的声音的频率差65.72Hz。

根据音符与频率对照表，监测装置承受载荷0-17.8t，发出声音的频率从793.3Hz变化到576.38Hz，总共变化216.92Hz，人耳可以听到7种音符的声音，因此人耳对监测装置的分辨率为2.54t。

下面详细说明监测装置的监测条件：

以载荷6t下监测装置为例，分析锤击力大小、锤击点位置和工作人员所处检测位置对监测装置检测结果的影响：

1）只改变锤击力大小，查看距离监测装置2m处轴线位置场点的声压曲线，如图7所示。由图7可知，锤击力越大，监测装置发生声音的声压值越大，锤击力在3-10N内，均满足监测装置的使用要求，锤击力的范围较广，采用人工锤击环形板就可满足监测装置的使用要求。

2）在环形板圆周上任意选取四个不同位置作为锤击点（如图8所示），查看距监测装置2m处轴线位置场点声压曲线，如图9所示。由图9可知，四个不同锤击点产生的声场分布相同。因此，锤击监测装置环形板圆周上的任意位置得到的检测结果相同。

3）分别选取与监测装置轴线成0度、45度、75度、90度处四个场点（如图10所示）作为工作人员所处的检测位置，分析四个不同位置处的场点声压曲线（如图11所示）。由图11可知，与监测装置轴线成90度时，相同距离处场点的声压值最小，而且会出现两个频率的声音并且频率相差不大，对工作人员的检测带来困难。工作人员进行检测时，应站在与监测装置轴线成75度角范围内，以监测装置轴线位置处检测效果最佳。

Claims (6)

1.一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置，其特征在于：包括上盖和下部托盘，上盖为空心圆柱结构，中间的通孔供锚杆穿过，在圆柱底部设有凹槽；下部托盘包括中空圆形托盘，圆形托盘上端部设有环形板，圆形托盘的中间通孔供锚杆穿过，环形板上方与上盖的下端相接触，上盖扣在环形板上，上盖和下部托盘之间形成空腔。

2.根据权利要求1所述的利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置，其特征在于：所述上盖和圆形托盘的中间设有通孔，通孔直径d=d₀+2，其中d₀为锚杆直径。

3.根据权利要求1所述的利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置，其特征在于：所述中空圆形托盘为中空圆柱形，圆柱的上端部与环形板沿锚杆的轴向距离为h=7mm，托盘与环形板接触处内部所成夹角α为40°，外部以半径R为17mm的圆弧进行过渡，环形板超出上盖外缘的宽度L为30mm，环形板板厚为1mm；上盖凹槽内径比中空圆形托盘的外径大2*a=10mm，上盖的壁厚为24mm，上盖凹槽底端壁厚为10mm。

4.一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的方法，采用权利要求1~3任一项所述的装置，其特征在于：在对锚杆轴力进行监测时，首先将所述的监测装置安装到锚固结构中，当岩体的应力发生变化时，岩体对监测装置的作用力发生改变，当作用力增加时，环形板的弯曲变形增大，内部应力增大，环形板的固有频率发生变化；通过对环形板施加锤击力，使环形板自由振动，得到该受力状态下的声音频率，通过四种不同载荷区间的频率值，来判断锚杆承受的力是否属于安全值范围。

5.根据权利要求4所述的利用锤击声学法对锚杆轴力监测的方法，其特征在于：所述的四种不同载荷区间为：

①初锚力F₀：锚杆安装时，螺母对锚杆会有一个初始预紧力F₀，此时环形板产生弯曲变形，环形板自由振动时，此时听到声音的频率为f₀；

②报警载荷F₁：报警载荷F₁，相对于破断载荷F₂提前了F₂-F₁，当锚杆的轴向力增加到F₁时，环形板发生进一步的弯曲变形，其内应力增加，环形板的固有频率随应力的增加而发生变化，环形板自由振动时，此时听到的声音频率为f₁；

③破断载荷F₂：锚杆所能承受的最大载荷为F₂，即锚杆轴力达到F₂时，锚杆会发生断裂；监测装置在F₂载荷下的最大应力σ_max应该小于材料的屈服强度σ_s；当锚杆的轴向力增加到F₂时，环形板发生进一步的弯曲变形，其内应力增加，环形板的固有频率随应力的增加而发生变化，环形板自由振动时，此时听到的声音的频率为f₂；

④失效载荷F₃：锚杆破断或锚固失效后，监测装置受力为F₃=0，此时环形板不发生弯曲，内部应力状态为零；环形板自由振动时，此时听到的声音频率为f₃。

6.根据权利要求4所述的利用锤击声学法对锚杆轴力监测的方法，其特征在于：所述监测方法中，应处于与监测装置轴线呈75度角范围内进行声音频率的测定。