CN105332728B - 一种双托盘锚杆锚固力实时监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种双托盘锚杆锚固力实时监测方法及装置，属于锚固力监测方法及装置。方法：两托盘之间焊接五个短圆柱，包括中心一个空心圆柱和边缘四个中心对称的实心圆柱，每个圆柱轴向中心对称布置四个应变片，组成惠斯通全桥电路，且布片方向沿圆柱轴向。通过应变桥路采集当前圆柱表面应变值，控制器根据当前各圆柱的轴向应变值计算得到锚杆锚固力，并控制显式仪表及报警装置发出相应指示信号；双托盘锚杆锚固力监测装置的双托盘结构、应变桥、模拟数字转换器、控制器、显示仪表和报警装置顺序连接，本发明成本低廉，简单易用，易于推广应用，能准确实时监测锚杆锚固力，并当锚固力不足或锚固力超荷时及时报警，有效的降低煤矿安全事故发生的可能性。

Description

一种双托盘锚杆锚固力实时监测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种锚固力监测方法及装置，尤其在煤矿巷道及其他地下锚固工程中的一种双托盘锚杆锚固力实时监测方法及装置。

背景技术

锚杆被广泛应用于矿山开采和隧道围岩加固中，尤其在煤矿巷道支护中锚杆支护已经成为当前主要的技术手段。锚杆锚固力是体现锚杆支护的主动性和及时性的重要指标，监测锚杆的锚固力对于了解当前支护效果至关重要，但如何准确全面地监测锚杆工作状态及锚固力参数到目前来说仍然是一个难题。在煤矿巷道中当锚固力达不到支护要求时将引起围岩的离层、碎裂，最终可能会引发垮巷、冒顶等事故的发生；同时预紧力过大时往往容易造成局部岩体破坏，导致整体支护效果下降。因此，需要对锚杆的锚固力实时监测，及时掌握各个锚杆的锚固力情况,对锚固力小于最小设定值的锚杆补加载，对锚固力大于最大额定值的锚杆适当卸载。煤矿开采扰动等影响因素致使锚固力不能始终保持在一个固定数值，保持对锚杆锚固力的实时准确监测对降低煤矿安全事故发生的可能性至关重要。

目前，使用较多的锚杆锚固力检测装置有弹性元件电子测力计、液压枕指针式测力计和锚杆无损检测仪。测力元件一般安装在锚杆的外露端，用以测定锚杆的受力情况。但是一般的电子测力计和液压枕测力计，由于测力计的体积较大，造价高和使用不便等原因，其应用只限于在巷道中极少量锚杆受力情况的抽查和试验研究，不能对工程中所有锚杆进行测量；锚杆无损检测仪虽然可以检测巷道中全部锚杆，但测量效率太低且对技术人员要求过高。

发明内容

本发明的目的是要提供一种双托盘锚杆锚固力实时监测方法及装置，解决现有技术测力计测定装置较大、造价高、使用不便的问题。

本发明的目的是这样实现的：锚固力监测方法通过锚杆上安装显示仪表，实时显示锚杆锚固力大小，锚固力不足或锚固力超荷时及时报警，有效的降低煤炭安全事故发生的可能性；具体步骤包括：

(1)在锚杆支护时采用双托盘结构，双托盘结构由两托盘之间中心一个空心圆柱和边缘四个中心对称的实心圆柱焊接组成；

(2)在双托盘之间的五根圆柱上中部沿轴向布置四个中心对称应变片，组成惠斯通全桥电路；

(3)在锚杆附近布置一温度补偿片，组成惠斯通四分之一桥电路；

(4)锚杆安装后，通过应变片采集布片位置的应变值；

(5)模拟数字转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号；

(6)控制器根据应变片的应变值，计算当前锚杆锚固力；

(7)控制器控制显示仪表显示锚杆锚固力，当锚固力小于设定的最低要求或大于设定的最大锚固力时控制报警装置发出相应指示信号。

所述双托盘结构上布置的应变片采集当前布片位置应变值后，通过模拟数字转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号，控制器根据布片位置的应变值，计算各锚杆锚固力并控制显示仪表显示，控制报警装置发出报警信号。

所述锚固力实时监测方法的装置为锚固力监测预警系统，包括双托盘结构、应变桥、模拟数字转换器、控制器、显示仪表和报警装置；双托盘结构、应变桥、模拟数字转换器、控制器、显示仪表和报警装置顺序连接；其中：

(1)应变桥，由应变片构成的应变桥用来采集布片位置当前应变值；

(2)模拟数字转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号；

(3)控制器，用于根据当前应变值，计算各圆柱轴力和锚杆锚固力，并控制显示面板显示当前锚杆锚固力、报警装置发出相应指示信号；

(4)显示仪表，用于显示当前各锚杆的锚固力；

(5)报警装置，用于根据控制器的控制发出报警信号。

所述的双托盘结构为两托盘之间焊接五个短圆柱，包括中心一个空心圆柱和边缘四个中心对称的实心圆柱。

所述的控制器包括第一确定单元，第二确定单元，求解单元，识别单元、第一控制单元和第二控制单元；第一确定单元和第二确定单元的输出均与求解单元的输入连接，求解单元的输出与识别单元的输入连接，识别单元的输出同时与第一控制单元和第二控制单元的输入连接；其中：

第一确定单元，用于根据双托盘结构布片处惠斯通电桥的电压值，确定布片位置的应变值；

第二确定单元，用于根据温度补偿片组成的惠斯通电桥的电压值，确定温度补偿片的应变值；

求解单元，用于根据布片位置的应变值与温度补偿片的应变值，求解当前布片位置的真实应变值；并且根据双托盘之间五根圆柱布片处的应变求出各圆柱轴力，通过各圆柱轴力求解出当前锚杆的锚固力数值；

识别单元，用于判断各锚杆锚固力数值是否在安全范围内；

第一控制单元，用于根据求解单元的结果，控制显示仪表显示当前各锚杆锚固力数值；

第二控制单元，用于根据识别单元的结果，当锚固力不足或锚固力超荷时，控制报警装置发出报警信号。

有益效果：本发明结合双托结构的对称性及受力方式，通过特定的应变片布置方案，能够实时准确监测当前锚杆锚固力，并通过显示仪表，将当前锚固力反馈给技术员，当锚固力不足或锚固力超荷的锚杆进行报警，提醒技术员，有效的降低煤矿安全事故发生的可能性，并为煤矿的安全生产提供保障。

优点：本发明的测定装置体积小、结构简单、成本低廉，简单易用，易于推广应用，在巷道扰动后锚固力不易检测的情况下，能够准确监测每根锚杆的锚固力，当锚固力处于危险范围时对技术人员进行提醒，有效的降低煤矿安全事故发生的可能性。

附图说明：

图1为本发明的装置的系统构架图。

图2为本发明双托盘的结构示意图。

图3为本发明双托盘结构的应变片布置示意图。

图3-1为本发明双托盘结构的应变片布置示意图。

图4为本发明双托盘的力学模型示意图。

图5为本发明一个实施例中控制器的示意图。

图6为本发明一个实施例中双托盘布片位置应变读取示意图。

图7为本发明锚固力监测预警方法一个实施例的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例1：本发明涉及一种锚固力监测方法，在双托盘结构的连接部件布置应变片，组成惠斯通应变桥电路，通过显示仪表即时显示各个锚杆当前锚固力，当锚固力不足或锚固力超荷时对技术员进行提醒，有效的降低煤矿安全事故发生的可能性；

具体步骤包括：

(1)在锚杆支护时采用双托盘结构，双托盘结构由两托盘之间中心一个空心圆柱和边缘四个中心对称的实心圆柱焊接组成。

(2)在双托盘之间的五根圆柱上中部沿轴向布置四个中心对称应变片，组成惠斯通全桥电路；

(3)在锚杆附近布置一温度补偿片，组成惠斯通四分之一桥电路；

(4)锚杆安装后，通过应变片采集布片位置的应变值；

(5)模拟数字转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号；

(6)控制器根据应变片的应变值，计算当前锚杆锚固力；

(7)控制器控制显示仪表显示锚杆锚固力，当锚固力小于设定的最低要求或大于设定的最大锚固力时控制报警装置发出相应指示信号。

本发明为一种本发明涉及一种锚固力监测方法及装置，如图1所示，为本发明的装置构架图，包括双托盘锚杆11、惠斯通应变桥电路12、模拟数字转换器13、控制器14、显示仪表15和报警装置16；双托盘锚杆11、惠斯通应变桥电路12、模拟数字转换器13、控制器14、显示仪表15和报警装置16顺序连接。

惠斯通应变桥电路2用于采集双托盘轴向应变；模拟数字转换器3用于将应变桥路采集到的模拟信号转换为数字信号，并将转换后的数字信号传递给控制器14；控制器14对接收到的数据进行处理计算出锚固力，控制显示仪表15显示各锚杆锚固力，当锚固力不足或锚固力超荷时，控制报警装置16发出警报。

图2所示为本发明的双托盘结构，通过外托盘1和内托盘2之间焊接五个短圆柱组成双托盘结构，包括中心一个空心圆柱3和边缘四个中心对称的实心圆柱，即实心圆柱4、实心圆柱5、实心圆柱6和实心圆柱7。图示双托盘结构通过焊接方式加工，首先选取外托盘1依次焊接中心空心圆柱3，边缘四个实心圆柱。其次选取中心空心圆柱3焊接内托盘2，最后内托盘2与边缘四个实心圆柱依次焊接。

图3所示为本发明双托盘结构应变片布置方式，图3-1所示为双托盘结构m-m截面下的应变片布置方式，为了保证应变数据的准确性和消除弯曲的影响，双托盘之间五根连接圆柱上均沿轴向布置四个应变片，并连接组成惠斯登全桥电路。

所述的应变片采集双托盘结构布片位置应变值后，利用模拟数字转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号并传递给控制器，控制器计算各锚杆锚固力并控制显示仪表显示，并控制报警装置发出报警信号。

图4所示为本发明的锚固力求解力学模型图。双托盘结构m-m截面截断后，取结构上半部作为研究对象。中点A、B、C、D、E为应变片粘贴位置，F_n为锚杆锚固力,设A、B、C、D、E处的圆柱轴力分别为F_A、F_B、F_C、F_D、F_E，并用均布载荷的形式表示。D₁为中心空心圆柱内直径,D₂为中心空心圆柱外直径，D₃为边缘四根实心圆柱直径。可以利用A、B、C、D、E处的应变求取各个圆柱的轴力，由受力平衡可知锚杆锚固力等于双托盘之间五根圆柱的轴力之和，通过轴力相加可求出锚杆锚固力F_n。具体的求解步骤为：

通过惠斯通全桥求出A、B、C、D、E处的应变ε_A、ε_B、ε_C、ε_D、ε_E，惠斯通四分之一桥求出温度补偿片的应变ε_t，并求出消除温度影响后的应变。根据消除温度影响后的应变求出各个圆柱的轴力

通过各圆柱上的轴力求出锚杆锚固力大小

F_n＝F_A+F_B+F_C+F_D+F_E (6)

F_n即为监测的锚杆锚固力。

如图5所示，为本发明的一个实施例的控制器示意图，包括第一确定单元41、第二确定单元42、求解单元43、识别单元44、第一控制单元45、第二控制单元46，其中：

第一确定单元，用于根据桥壳布片处惠斯通电桥的电压值，确定布片位置的应变值；

第二确定单元，用于根据温度补偿片组成的惠斯通电桥的电压值，确定温度补偿片的应变值；

求解单元，用于根据布片位置的应变值与温度补偿片的应变值，求解当前布片位置的真实应变值；并且根据双托盘之间五根圆柱布片处的应变求出各圆柱轴力，通过各圆柱轴力求解出当前锚杆的锚固力数值；

识别单元，用于判断各锚杆锚固力数值是否在安全范围内；

第一控制单元，用于根据求解单元的结果，控制显示仪表显示当前各锚杆锚固力数值；

第二控制单元，用于根据识别单元的结果，当前锚固力小于或超出安全范围时，控制报警装置发出报警信号；

图6为本发明一个实施例中各双托盘布片位置应变读取示意图，本实施例可以由图4所示控制器的第一确定单元执行。具体步骤包括：

步骤411，令i＝1；

步骤412，由惠斯登全桥电路，获取当前双托盘布片位置的应变值；

步骤413，记录当前双托盘布片位置的应变值；

步骤414，判断当前桥数i是否大于总桥数n，若i＜n，执行步骤415，否则，执行步骤416；

步骤415，令i＝i+1，并返回执行412；

步骤416，结束。

如图7所示，为本发明一个实施例中锚固力监测预警方法示意图。本实施例可以由图4所述的控制器执行。具体步骤包括：

步骤601，给定锚固力的最小值F_min和最大值F_max；

步骤602，确定双托盘处的应变值和温度补偿片应变值，此步骤由控制器第一确定单元和第二确定单元完成；

步骤603，利用公式(6)求解当前锚杆锚固力F_n，此步骤由控制器求解单元完成；

步骤604，控制器控制仪表显示各锚杆当前锚固力，此步骤由控制器的第一控制单元完成；

步骤605，判断锚杆锚固力F_n是否大于额定锚固力F_max或小于最小锚固力F_min，若F_min<F_n<F_max，执行步骤607，否则，执行步骤606，此步骤由控制器识别单元完成；

步骤606，控制器控制报警装置发出预警，此步骤由控制器第二控制单元完成；

步骤607，结束。

至此，已经详细描述了本发明。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (5)

1.一种双托盘锚杆锚固力实时监测方法，其特征是：锚固力监测方法通过锚杆上安装显示仪表，实时显示锚杆锚固力大小，锚固力不足或锚固力超荷时及时报警，有效的降低煤炭安全事故发生的可能性；

具体步骤包括：

（1）在锚杆支护时采用双托盘结构，双托盘结构由两托盘之间中心一个空心圆柱和边缘四个中心对称的实心圆柱焊接组成；

（2）在双托盘之间的五根圆柱上中部沿轴向布置四个中心对称应变片，组成惠斯通全桥电路；

（3）在锚杆附近布置一温度补偿片，组成惠斯通四分之一桥电路；

（4）锚杆安装后，通过应变片采集布片位置的应变值；

（5）模拟数字转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号；

（6）控制器根据应变片的应变值，计算当前锚杆锚固力；

（7）控制器控制显示仪表显示锚杆锚固力，当锚固力小于设定的最低要求或大于设定的最大锚固力时控制报警装置发出相应指示信号。

2.根据权利要求1所述的一种双托盘锚杆锚固力实时监测方法，其特征是：所述双托盘结构上布置的应变片采集当前布片位置应变值后，利用模拟数字转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号，之后执行控制器根据布片位置的应变值，计算各锚杆锚固力并控制显示仪表显示，并控制报警装置发出报警信号。

3.根据权利要求1所述的一种双托盘锚杆锚固力实时监测方法的装置，其特征是：锚固力实时监测方法的装置为锚固力监测预警系统，包括双托盘结构、应变桥、模拟数字转换器、控制器、显示仪表和报警装置；双托盘结构、应变桥、模拟数字转换器、控制器、显示仪表和报警装置顺序连接；其中：

（1）应变桥，由应变片构成的应变桥用来采集布片位置当前应变值；

（2）模拟数字转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号；

（3）控制器，用于根据当前应变值，计算各圆柱轴力和锚杆锚固力，并控制显示面板显示当前锚杆锚固力、报警装置发出相应指示信号；

（4）显示仪表，用于显示当前各锚杆的锚固力；

（5）报警装置，用于根据控制器的控制发出报警信号。

4.根据权利要求3所述的一种双托盘锚杆锚固力实时监测方法的装置，其特征是：所述的双托盘结构为两托盘之间焊接五个短圆柱，包括中心一个空心圆柱和边缘四个中心对称的实心圆柱。

5.根据权利要求3所述的一种双托盘锚杆锚固力实时监测方法的装置，其特征是：所述的控制器包括第一确定单元、第二确定单元、求解单元、识别单元、第一控制单元和第二控制单元；第一确定单元和第二确定单元的输出均与求解单元的输入连接，求解单元的输出与识别单元的输入连接，识别单元的输出同时与第一控制单元、第二控制单元的输入连接；其中：

第一确定单元，用于根据双托盘结构布片处惠斯通电桥的电压值，确定布片位置的应变值；

第二确定单元，用于根据温度补偿片组成的惠斯通电桥的电压值，确定温度补偿片的应变值；

求解单元，用于根据布片位置的应变值与温度补偿片的应变值，求解当前布片位置的真实应变值；并且根据双托盘之间五根圆柱布片处的应变求出各圆柱轴力，通过各圆柱轴力求解出当前锚杆的锚固力数值；

识别单元，用于判断各锚杆锚固力数值是否在安全范围内；

第一控制单元，用于根据求解单元的结果，控制显示仪表显示当前各锚杆锚固力数值；

第二控制单元，用于根据识别单元的结果，当锚固力不足或锚固力超荷时，控制报警装置发出报警信号。