CN108915748B - 一种监测锚杆安装预紧力的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种监测锚杆安装预紧力的装置及其使用方法，属于采矿与岩土工程巷道锚杆支护技术领域，可解决在锚杆安装过程中不能精准有效地将设计的锚杆预紧力施加到锚杆上的问题，本发明在安装锚杆的过程中，随着预紧力的施加，液压缸内的液压油会逐渐被压缩，由设计预紧力对应的液压油压缩高度与信号杆底部和下垫板的高差相同，故当锚杆施加到设定预紧力时信号杆便会与下垫板紧密贴合，此时说明锚杆达到了设定的预紧力值。本发明不需要高强弹簧，通过观察信号杆与下垫板之间的距离即可实现对预紧力的监测。

Description

一种监测锚杆安装预紧力的装置及其使用方法

技术领域

本发明属于采矿与岩土工程巷道锚杆支护技术领域，具体涉及一种监测锚杆安装预紧力的装置及其使用方法。

背景技术

锚杆支护是加固巷道围岩的有效途径，锚杆支护技术目前已经在煤矿巷道、城市地下空间以及边坡等工程领域中普遍采用。锚杆是现代煤矿支护的基本组成部分，锚杆支护是一种简单有效的主动支护，在安装锚杆过程中通过对锚杆施加一定的预紧力将锚固岩体与锚杆有效地连接到一起，从而在围岩中形成特定的承载结构来控制巷道围岩安全稳定。预紧力是锚杆支护技术的关键参数，在安装过程中精准有效的将设定的预紧力施加到锚杆上能够很大程度上提高岩体的抗拉、抗剪强度和稳定性。

在公开文献中可以获得公开号为CN203452813U的“一种锚杆预紧力的检测装置”专利，其测量实际施加预紧力大小的方法为在托盘与螺母之间加放两块垫块，垫块中间放置高强弹簧，并在下垫块上竖直放置刻度尺，通过刻度尺读出锚杆安装过程中压缩高压弹簧的高度，利用胡克定律进行计算实际施加预紧力的大小。这种方法存在两个缺点，其一是锚杆预紧力一般都在60KN以上，制造能够承受如此高载荷的高强弹簧较为困难；其二是这种方法通过固定在下部垫块上的刻度尺读出弹簧的压缩量来确定预紧力的大小，在现场施工时由于施工条件和人员的限制，很难精准的读出弹簧的压缩量，所以会导致在实际施加预应力时会产生较大的误差。

为了解决在锚杆安装过程中精准有效地将设计的锚杆预紧力施加到锚杆上，提高岩体的抗拉、抗剪强度和稳定性，达到控制巷道岩体安全稳定的目的，迫切需要寻求一种能够有效监测实际施加预紧力大小的装置与方法。

发明内容

本发明针对现有锚杆预紧力监测装置容易出现误差的问题，提供一种监测锚杆安装预紧力的装置及其使用方法。

本发明采用如下技术方案：

一种监测锚杆安装预紧力的装置，包括上垫板、下垫板、两个信号杆和两个装有液压油的液压缸，上垫板和下垫板的中心分别设有贯穿锚杆的通孔，上垫板和下垫板的通孔位于同一轴线，通孔的直径与锚杆的直径相匹配，锚杆与上垫板顶端接触面处设有套在锚杆上的锚杆螺母，上垫板上沿着通孔的轴线对称设有固定信号杆的开孔，信号杆穿过开孔，顶端通过信号杆螺母与上垫板的开孔连接，液压缸沿着通孔的轴线对称固定连接在下垫板上，其中，两个液压缸和两个信号杆以通孔为中心呈十字分布，液压缸的液压油上设有带活塞杆的活塞，活塞的直径与液压缸的直径相匹配，活塞杆伸出液压缸。

所述液压缸的底部设有进出油口，活塞顶部设有导向环，活塞中部设有密封圈。

所述液压缸和活塞杆的接触端设有导向套。

所述通孔的外缘与开孔的外缘之间的距离为10mm。

所述下垫板底部设有托盘，托盘上设有与锚杆的直径相匹配的通孔。

一种监测锚杆安装预紧力的装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步，通过液压缸的进出油口向液压缸内注射液压油，至活塞顶端与液压缸顶端平齐为止，液压缸的高度与活塞的厚度差为液压油的高度h；

第二步，根据公式∆h=－∆P▪h/K，得出在固定压强差时，所需要的液压油的压缩高度，通过液压油的压缩高度，调节信号杆与下垫板之间的距离，使该距离等于液压油的压缩高度，调节好以后，通过信号杆螺母将信号杆固定在上垫板，其中，∆h为液压油的压缩高度即活塞的下降高度，∆P为锚杆安装预紧力前后所对应的压强差，h为液压油的高度即液压缸的高度与活塞的厚度差，K为液压油的体积弹性模量，∆P为通过活塞杆作用前后到活塞上的力除以活塞与液压油的接触面积之差；

第三步，将该装置置于托盘上，然后将锚杆穿过上下垫板的通孔，将锚杆螺母置于锚杆与上垫板顶端接触面；

第四步，通过拧紧锚杆上的锚杆螺母施加压力，压力作用于上垫板，然后通过活塞杆作用到活塞上，通过活塞压缩液压缸内的液压油，观察信号杆与下垫板之间的距离，当信号杆与下垫板紧密贴合时，该锚杆达到了设计的预紧力大小。

本发明的有益效果如下：

本发明在安装锚杆的过程中，随着预紧力的施加，液压缸内的液压油会逐渐被压缩，由设计预紧力对应的液压油压缩高度与信号杆底部和下垫板的高差相同，故当锚杆施加到设定预紧力时信号杆便会与下垫板紧密贴合，此时说明锚杆达到了设定的预紧力值。

本发明不需要高强弹簧，通过观察信号杆与下垫板之间的距离即可实现对预紧力的监测。

附图说明

图1为本发明的装置的主视剖面图；

图2为本发明的装置的左视剖面图；

图3为本发明的装置的俯视图；

图4为本发明的液压缸的局部放大图；

其中：1-锚杆螺母；2-上垫板；3-液压缸；4-活塞；5-液压油；6-下垫板；7-托盘；8-锚杆；9-信号杆；10-导向套；11-导向环；12-密封圈；13-进出油口；14-信号杆螺母。

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步说明。

一种监测锚杆安装预紧力的装置，包括上垫板2、下垫板6、两个信号杆9和两个装有液压油5的液压缸3，上垫板2和下垫板6的中心分别设有贯穿锚杆8的通孔，上垫板2和下垫板6的通孔位于同一轴线，通孔的直径与锚杆8的直径相匹配，锚杆8与上垫板2顶端接触面处设有套在锚杆8上的锚杆螺母1，上垫板2上沿着通孔的轴线对称设有固定信号杆9的开孔，信号杆9穿过开孔，顶端通过信号杆螺母14与上垫板2的开孔连接，液压缸3沿着通孔的轴线对称固定连接在下垫板6上，其中，两个液压缸3和两个信号杆9以通孔为中心呈十字分布，液压缸3的液压油5上设有带活塞杆的活塞4，活塞4的直径与液压缸3的直径相匹配，活塞杆伸出液压缸3。

所述液压缸3的底部设有进出油口13，活塞4顶部设有导向环11，活塞4中部设有密封圈12。

所述液压缸3和活塞杆的接触端设有导向套10。

所述通孔的外缘与开孔的外缘之间的距离为10mm。

所述下垫板6底部设有托盘7，托盘7上设有与锚杆8的直径相匹配的通孔。

一种监测锚杆安装预紧力的装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步，通过液压缸3的进出油口13向液压缸内注射液压油5，至活塞4顶端与液压缸3顶端平齐为止，液压缸3的高度与活塞4的厚度差为液压油5的高度h；

第二步，根据公式∆h=－∆P▪h/K，得出在固定压强差时，所需要的液压油5的压缩高度，通过液压油5的压缩高度，调节信号杆9与下垫板6之间的距离，使该距离等于液压油5的压缩高度，调节好以后，通过信号杆螺母14将信号杆9固定在上垫板2，其中，∆h为液压油5的压缩高度即活塞4的下降高度，∆P为锚杆8安装预紧力前后所对应的压强差，h为液压油5的高度即液压缸3的高度与活塞4的厚度差，K为液压油5的体积弹性模量，∆P为通过活塞杆作用前后到活塞上的力除以活塞与液压油的接触面积之差；

第三步，将该装置置于托盘7上，然后将锚杆8穿过上下垫板的通孔，将锚杆螺母1置于锚杆8与上垫板2顶端接触面；

第四步，通过拧紧锚杆8上的锚杆螺母1施加压力，压力作用于上垫板2，然后通过活塞杆作用到活塞4上，通过活塞4压缩液压缸3内的液压油5，观察信号杆9与下垫板6之间的距离，当信号杆9与下垫板6紧密贴合时，该锚杆8达到了设计的预紧力大小。

本发明所使用的上下垫板均采用Q275B型钢，在锚杆预紧力的施加范围内不会出现挠曲变形。

本发明所述的液压缸3为圆柱形，材质采用壁厚为3mm的Q275B型钢，内径20mm，外径26mm，缸体内壁高度为50mm，活塞4厚度为10mm，活塞杆也采用Q275B型钢，液压缸3内所用活塞4采用导向环11、密封圈12来防止缸体在使用过程中出现漏液现象，缸内液压油使用矿用型液压油，该液压油的体积弹性模量K=0.7×10³MPa，体积弹性模量与压缩系数k之间的关系式为：K=1/k=－∆P▪V/∆V，式中k为液压油的压缩系数，∆P为压强差，V为液压油的体积，∆V为施加预紧力前后液压油的体积差。在安装锚杆过程中，液压缸3的相对压强值由0逐渐增加到锚杆设定预紧力所对应的压强。

在监测锚杆安装预紧力的过程中通过扭矩扳手扭动锚杆螺母所产生的压力作用于上垫板上，然后通过活塞杆作用到活塞4上，通过活塞4压缩液压缸3内的液压油5，根据液压油5的压缩高度监测锚杆的预紧力。施加到锚杆上的预紧力等于单个液压缸压力的2倍。

在安装锚杆的过程中，随着预紧力的施加，液压缸3内的液压油5会逐渐被压缩，由设计预紧力对应的液压油5压缩高度与信号杆9底部和下垫板6的高差相同，故当锚杆8施加到设定预紧力时信号杆9便会与下垫板6紧密贴合，此时说明锚杆8达到了设定的预紧力值。

实施例

某矿对某巷道锚杆预紧力的设计值为70KN，当液压缸3的液压油5注射至活塞4顶端与液压缸3顶端平齐时，活塞4与液压油5的接触面积为3.14×10^-4m²，由单个液压缸3承受的压力为35KN，故在锚杆8施加预应力前与达到设定预紧力时液压缸内的压强差∆P=F/S=－111.5MPa，由压缩高度与液压油的体积弹性模量K以及液压油高度h和施加预紧力前后的压强差值能够得出：∆h=－∆P▪h/K=6.4mm，其中，缸内液压油使用矿用型液压油，该液压油的体积弹性模量K=0.7×10³MPa，故通过刻度尺调整控制信号杆9与下垫板6之间的高差为6.4mm，调整好信号杆9的位置后，用信号杆螺母14将信号杆9固定到上垫板2上，然后在实际施工时，通过扭矩扳手拧紧锚杆螺母时，通过观察信号杆9与下垫板6之间的高度变化，当信号杆9与下垫板6紧密贴合时，即代表施加到锚杆上的预紧力已经达到设计值。

Claims (1)

1.一种监测锚杆安装预紧力的装置的使用方法，所述监测锚杆安装预紧力的装置，包括上垫板（2）、下垫板（6）、两个信号杆（9）和两个装有液压油（5）的液压缸（3），上垫板（2）和下垫板（6）的中心分别设有贯穿锚杆（8）的通孔，上垫板（2）和下垫板（6）的通孔位于同一轴线，通孔的直径与锚杆（8）的直径相匹配，锚杆（8）与上垫板（2）顶端接触面处设有套在锚杆（8）上的锚杆螺母（1），上垫板（2）上沿着通孔的轴线对称设有固定信号杆（9）的开孔，信号杆（9）穿过开孔，顶端通过信号杆螺母（14）与上垫板（2）的开孔连接，液压缸（3）沿着通孔的轴线对称固定连接在下垫板（6）上，其中，两个液压缸（3）和两个信号杆（9）以通孔为中心呈十字分布，液压缸（3）的液压油（5）上设有带活塞杆的活塞（4），活塞（4）的直径与液压缸（3）的直径相匹配，活塞杆伸出液压缸（3）；所述液压缸（3）的底部设有进出油口（13），活塞（4）顶部设有导向环（11），活塞（4）中部设有密封圈（12）；所述液压缸（3）和活塞杆的接触端设有导向套（10）；所述通孔的外缘与开孔的外缘之间的距离为10mm；所述下垫板（6）底部设有托盘（7），托盘（7）上设有与锚杆（8）的直径相匹配的通孔；其特征在于：所述使用方法包括如下步骤：

第一步，通过液压缸（3）的进出油口（13）向液压缸内注射液压油（5），至活塞（4）顶端与液压缸（3）顶端平齐为止，液压缸（3）的高度与活塞（4）的厚度差为液压油（5）的高度h；

第二步，根据公式∆h=－∆P▪h/K，得出在固定压强差时，所需要的液压油（5）的压缩高度，通过液压油（5）的压缩高度，调节信号杆（9）与下垫板（6）之间的距离，使该距离等于液压油（5）的压缩高度，调节好以后，通过信号杆螺母（14）将信号杆（9）固定在上垫板（2），其中，∆h为液压油（5）的压缩高度即活塞（4）的下降高度，∆P为锚杆（8）安装预紧力前后所对应的压强差，h为液压油（5）的高度即液压缸（3）的高度与活塞（4）的厚度差，K为液压油（5）的体积弹性模量，∆P为通过活塞杆作用前后到活塞（4）上的力除以活塞（4）与液压油（5）的接触面积之差；

第三步，将该装置置于托盘（7）上，然后将锚杆（8）穿过上下垫板的通孔，将锚杆螺母（1）置于锚杆（8）与上垫板（2）顶端接触面；

第四步，通过拧紧锚杆（8）上的锚杆螺母（1）施加压力，压力作用于上垫板（2），然后通过活塞杆作用到活塞（4）上，通过活塞（4）压缩液压缸（3）内的液压油（5），观察信号杆（9）与下垫板（6）之间的距离，当信号杆（9）与下垫板（6）紧密贴合时，该锚杆（8）达到了设计的预紧力大小。