CN108917998A - 一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测方法及系统，监测系统包括计算机、数字示波器、超声波测试仪、超声波收发一体传感器；所述超声波收发一体传感器与超声波测试仪电连接，所述计算机与数字示波器并联，所述超声波测试仪与计算机、数字示波器通过USB数据传输线或井下无线传输网通信连接。监测方法是利用上述监测系统完成间接监测围岩应力状态。本发明（1）监测成本低；（2）不影响安全生产，不会对锚杆产生破坏，不影响锚杆的力学性能；（3）适用范围广，无需考虑围岩介质的影响；（4）操作简单，操作工人只需涂抹凡士林，耦合超声波收发元件与锚杆，没有高难度操作；（5）监测精度高。

Description

一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测方法及系统

技术领域

本发明涉及矿山煤岩体应力监测领域，特别是涉及一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测方法及系统，利用超声波监测系统发射一定频率的超声波信号，该信号在安装于煤岩体介质中的锚杆体内传播，超声波回波信号的声学参数的变化量可反映安装在煤岩体介质中锚杆的变形量及其受力引起的缺陷情况，对比分析锚杆安装前、安装初期以及安装后期的声学参数变化情况，计算整个锚杆的变形量、应变量及其应力状态，间接反映锚杆所在区域围岩所受的平均应力状态。

背景技术

煤矿巷道、隧道开挖及其它地下工程在施工过程中都会采用大量锚杆进行支护，将锚杆安装在煤岩体中，利用粘结剂对锚杆进行固定，用于提高煤岩体介质的强度，预防煤岩体失稳破坏发生事故。但该技术只能起到预防作用，降低煤岩体动力灾害发生的可能性，而地下工程中煤岩体的应力状态监测可为预警煤岩体发生动力灾害发生提供理论依据和技术支撑。因此，本发明提出一种利用超声波回波信号的声学参数监测围岩应力状态的监测系统和方法，该监测系统和方法科学合理、简单易行，对于评价巷道围岩的稳定性和安全性具有重要的指导意义。

锚杆支护是将锚杆安装到煤岩体介质中，只有一端露在空气中，对锚杆进行无损检测和应力监测只能通过裸露在空气中的这一端进行。目前，国内外监测锚杆受力的方法有锚杆测力计和测力锚杆，锚杆测力计种类繁多，有液压式锚杆测力计、钢弦式锚杆测力计、电阻应变式锚杆测力计。

液压式锚杆测力计通过测量液压枕油压确定锚杆尾部承受的载荷；钢弦式锚杆测力计是将液压枕油压转换成钢弦的振动频率，然后通过测量钢弦的振动频率确定锚杆的载荷；电阻应变式锚杆测力计是将电阻应变片作为敏感元件，与锚杆测力计刚性体粘贴在一起，通过测量应变片的电阻变化测出刚性体的应变值，然后换算出锚杆的载荷。这三种方法虽然都能有效检测锚杆受力情况，但只能测量锚杆尾部的载荷，适用于端部锚固的锚杆，对于加长锚固和全长锚固锚杆，沿杆体长度方向受力有很大差别，仅仅测量锚杆尾部受力状况并不能反映锚杆整体所受应力状态。

测力锚杆采用电阻应变片作为敏感元件，与测力锚杆的杆体粘贴在一起，同步变形，通过测量应变片的电阻变化即可测出杆体的应变值，这种方法克服了锚杆测力计只能检测锚杆尾部载荷的问题，能有效检测锚杆整体应力状态，但其制作工艺复杂，需要在杆体全长对称开两个槽，并且需要在杆体上贴大量应变片，贴应变片的工艺又很复杂，还需要给应变片涂防潮层，而且应变片还容易损坏，复杂的工艺决定了这种方法不能大面积应用。

传统的锚杆锚固检测技术主要是拉拔法和取芯法。拉拔法用液压千斤顶拉拔锚杆，得出锚杆的极限载荷，再通过锚杆的载荷位移曲线来判断锚杆的锚固质量。这种方法虽然结果精确，但其具有破坏性，检测过的锚杆失去支护作用，且其工作量大，操作不方便，测得的载荷也只是整体的拉拔力，不能对锚杆各段的受力进行评价。

取芯法沿锚杆平行方向将锚杆、锚固介质和部分岩石一同取出，然后通过目测的方法进行评价。这种方法虽然能提供有用的信息，但同样具有破坏性，不仅锚杆失去支护能力，也破坏了巷道支护，并且这种方法只能抽检，只能反映出部分锚杆的状态，不能代表整体支护情况。

超声波对锚杆的无损检测一般是用于检测锚杆是否断裂，锚杆长度是否与设计的相一致，或者检测锚杆的锚固质量，利用超声波监测锚杆应变状态间接反映围岩应力状态的方法仍处于空白状态。

发明内容

本发明目的在于针对以上所述存在的问题，提供一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测方法及系统，超声波监测系统包括超声波测试仪、超声波收发一体传感器、数据传输和数据分析。利用超声波监测系统测量超声波信号发射回波的声学参数，反映安装在煤岩体介质中锚杆的变形量或锚杆所受应力引起的缺陷，计算整个锚杆的应变量及其应力状态，间接得出锚杆所在区域围岩所受的应力状态。该系统和方法可以同时实现端部锚固和全长锚固锚杆所受应力的测试，监测方法科学实用，具体操作简单方便。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测方法，包括如下步骤：

S1、针对某一采区或回采工作面开采巷道区域，按一定面积或安全生产需求合理布置监测围岩应力状态的锚杆；

S2、将被监测应力状态锚杆的两端打磨平整，以便超声波收发一体传感器与锚杆的耦合及超声波在锚杆中的传播和反射；

S3、在安装锚杆前，先将所有需要监测的锚杆一端做标记并记录，测量被监测锚杆的多种物理参数；

S4、将需要监测的锚杆安装到煤岩介质中，把做好的标记裸露在围岩外，将超声波收发一体传感器涂抹适量耦合剂，并与监测锚杆裸露端耦合，然后进行超声波测试，测量超声波在被监测锚杆中的传播物理参数；如果监测锚杆裸露端离地面较远，可将超声波收发一体传感器固定在伸缩杆一端，操作人员在伸缩杆另一端操作；

S5、超声波测试仪发生一定频率的超声波信号，超声波信号经超声波收发一体传感器传入安装在围岩介质中的锚杆，并传播到锚杆的另一末端被反射回来形成回波，携带了锚杆物理力学性质信息的超声波信号被超声波收发一体传感器接收，然后传入超声波测试仪，存储相关信息并进行记录；

S6、利用计算机对比分析发射和反射回来的超声波信号，得出反射回来的超声波在被监测锚杆中的传播物理参数；

S7、超声波信号对锚杆的监测从锚杆安装完毕开始，每天派工作人员固定时间去测试一次，将测试的声学参数数据与已测数据对比分析，得出声学参数变化情况；

S8、锚杆安装到煤岩介质中，与煤岩体产生相互作用力，二者大小相等，起到支护煤岩体的作用；在锚杆发生破坏前，其应力状态能反映出该区域围岩所受应力情况；而锚杆所受应力与其本身发生的变形量或应变量存在必然联系，超声波声学参数可以准确地测试锚杆在受力状态下的变形量或应变量；通过对比分析锚杆不同应力状态下的超声波声学参数，间接得出锚杆所在区域煤岩体的平均受力状态。

进一步的，在所述的步骤S3、S4、S5、S6中，被监测锚杆中的多种传播物理参数为：

锚固体中超声波纵波波速

为锚杆安装后初期的超声波纵波波速，m/s；为原始锚杆长度，m；为超声波从锚杆一端传入，经另一端反射，再次到达传入端所经历的时间，s；

超声波在自由锚杆中和在锚固体中的纵波波速不同，且变化明显，所以不能直接用自由锚杆中的波速分析锚杆及围岩介质的应力状态；

衰减系数，采用标准样品对比法

为锚杆的衰减系数，dB/mm；为与锚杆几何尺寸相同的铝杆的衰减系数；、分别为铝杆和锚杆的超声波首波幅值，mV；为锚杆的长度，mm；

锚杆测试长度

为锚杆测试长度，m，即锚杆安装后，受到围岩介质应力影响发生变形后的长度；为监测时超声波的传播时间，s；

锚杆应变

锚杆应力

为锚杆的杨氏弹性模量，Pa；

锚杆所受拉力

为锚杆横截面积，；为锚杆直径，。

进一步的，在步骤S3中，被监测锚杆的多种物理参数包括锚杆的长度、半径、密度、纵波波速但不仅限于长度、半径、密度、纵波波速。

进一步的，在步骤S4中，超声波在被监测锚杆中的传播物理参数包括传播时间、传播距离和波形幅值但不仅限于传播时间、传播距离和波形幅值。

进一步的，在步骤S6中，反射回来的超声波在被监测锚杆中的传播物理参数包括传播时间、传播距离和波形幅值变化值但不仅限于传播时间、传播距离和波形幅值变化值。

进一步的，耦合剂为凡士林但不仅限于凡士林。

进一步的，本发明并提供了一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测系统，包括计算机、数字示波器、超声波测试仪、超声波收发一体传感器；所述超声波收发一体传感器与待测锚杆外露端头耦合，所述超声波收发一体传感器与超声波测试仪电连接，所述计算机与数字示波器并联，所述超声波测试仪与计算机、数字示波器通过USB数据传输线或井下无线传输网通信连接。

进一步的，所述无线传输网为KJ系统分站。

本发明的原理是：

所述超声波测试仪与超声波收发一体传感器连接，超声波收发一体传感器与锚杆外露端头耦合，超声波测试仪发射一定频率的超声波信号，通过超声波收发一体传感器传输到锚杆体中并接受回波信号，数据传输包括USB数据传输或井下无线传输（利用KJ系统分站），计算机对数据进行分析，包括对比分析超声波发射信号和回波信号的声学参数变化，分析锚杆变形量或应变量与锚杆应力状态的关系。超声波信号通过超声波收发一体传感器从锚杆的外露末端传输到安装在煤岩介质中的锚杆另一末端，在锚杆中传播的超声波信号会被反射回来，又传输给超声波收发一体传感器，并被超声波测试仪接收到。超声波测试仪可以储存超声波纵波信号反射回来的传播时间、距离和波形幅值等参数，上井后将测试数据直接导出到监测控制室电脑；也可以通过井下无线传输技术将数据传输到井下KJ系统分站，再将测试数据传输到地面监测控制室。通过计算超声波纵波速度、波幅变化情况与锚杆变形量或应变量、锚杆所受应力的关系式，反演得出锚杆安装区域围岩的平均应力状态。

所述超声波测试仪与超声波收发一体传感器具有在井下发射和接受在锚杆中反射回来的超声波信号的功能，对比发射与接受的超声波信号传播速度、幅值等参数，对比分析计算安装在煤岩介质中锚杆的变形量或应变量，反演计算锚杆安装区域的围岩的平均应力状态。

锚杆安装到煤岩介质中，与煤岩体产生相互作用力，二者大小相等，起到支护煤岩体的作用。在锚杆发生破坏前，其应力状态能反映出该区域围岩所受应力情况。而锚杆所受应力与其本身发生的变形量或应变量存在必然联系，超声波声学参数可以准确地测试锚杆在受力状态下的变形量或应变量。通过对比分析锚杆不同应力状态下的超声波声学参数，间接得出锚杆所在区域煤岩体的平均受力状态。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的利用超声波监测锚杆应变间接监测围岩应力状态的方法，具有以下优点：（1）监测成本低，无需在每根锚杆上安装额外的装置，只需在安装锚杆前将锚杆两端打磨平整；（2）不影响安全生产，不会对锚杆产生破坏，不影响锚杆的力学性能；（3）适用范围广，无需考虑围岩介质的影响；（4）操作简单，操作工人只需涂抹凡士林，耦合超声波收发元件与锚杆，没有高难度操作；（5）监测精度高。

附图说明

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。

图1是本发明的无线传输监测系统示意图；

图2是本发明的USB数据传输监测系统示意图；

图3是本发明的监测方法流程图。

具体实施方式

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。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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1、2、3所示，本发明提供了一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测方法，包括如下步骤：

S1、针对某一采区或回采工作面开采巷道区域，按一定面积或安全生产需求合理布置监测围岩应力状态的锚杆；

S2、将被监测应力状态锚杆的两端打磨平整，以便超声波收发一体传感器与锚杆的耦合及超声波在锚杆中的传播和反射；

S3、在安装锚杆前，先将所有需要监测的锚杆一端做标记并记录，测量被监测锚杆的多种物理参数；

S4、将需要监测的锚杆安装到煤岩介质中，把做好的标记裸露在围岩外，将超声波收发一体传感器涂抹适量耦合剂，并与监测锚杆裸露端耦合，然后进行超声波测试，测量超声波在被监测锚杆中的传播物理参数；如果监测锚杆裸露端离地面较远，可将超声波收发一体传感器固定在伸缩杆一端，操作人员在伸缩杆另一端操作；

S5、超声波测试仪发生一定频率的超声波信号，超声波信号经超声波收发一体传感器传入安装在围岩介质中的锚杆，并传播到锚杆的另一末端被反射回来形成回波，携带了锚杆物理力学性质信息的超声波信号被超声波收发一体传感器接收，然后传入超声波测试仪，存储相关信息并进行记录；

S6、利用计算机对比分析发射和反射回来的超声波信号，得出反射回来的超声波在被监测锚杆中的传播物理参数；

S7、超声波信号对锚杆的监测从锚杆安装完毕开始，每天派工作人员固定时间去测试一次，将测试的声学参数数据与已测数据对比分析，得出声学参数变化情况；

S8、锚杆安装到煤岩介质中，与煤岩体产生相互作用力，二者大小相等，起到支护煤岩体的作用；在锚杆发生破坏前，其应力状态能反映出该区域围岩所受应力情况；而锚杆所受应力与其本身发生的变形量或应变量存在必然联系，超声波声学参数可以准确地测试锚杆在受力状态下的变形量或应变量；通过对比分析锚杆不同应力状态下的超声波声学参数，间接得出锚杆所在区域煤岩体的平均受力状态。

在所述的步骤S3、S4、S5、S6中，被监测锚杆中的多种传播物理参数为：

锚固体中超声波纵波波速

为锚杆安装后初期的超声波纵波波速，m/s；为原始锚杆长度，m；为超声波从锚杆一端传入，经另一端反射，再次到达传入端所经历的时间，s；

超声波在自由锚杆中和在锚固体中的纵波波速不同，且变化明显，所以不能直接用自由锚杆中的波速分析锚杆及围岩介质的应力状态；

衰减系数，采用标准样品对比法

为锚杆的衰减系数，dB/mm；为与锚杆几何尺寸相同的铝杆的衰减系数；、分别为铝杆和锚杆的超声波首波幅值，mV；为锚杆的长度，mm；

锚杆测试长度

为锚杆测试长度，m，即锚杆安装后，受到围岩介质应力影响发生变形后的长度；为监测时超声波的传播时间，s；

锚杆应变

锚杆应力

为锚杆的杨氏弹性模量，Pa；

锚杆所受拉力

为锚杆横截面积，；为锚杆直径，。

在步骤S3中，被监测锚杆的多种物理参数包括锚杆的长度、半径、密度、纵波波速但不仅限于长度、半径、密度、纵波波速。

在步骤S4中，超声波在被监测锚杆中的传播物理参数包括传播时间、传播距离和波形幅值但不仅限于传播时间、传播距离和波形幅值。

在步骤S6中，反射回来的超声波在被监测锚杆中的传播物理参数包括传播时间、传播距离和波形幅值变化值但不仅限于传播时间、传播距离和波形幅值变化值。耦合剂为凡士林但不仅限于凡士林。

本发明并提供了一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测系统，包括计算机、数字示波器、超声波测试仪、超声波收发一体传感器；所述超声波收发一体传感器与待测锚杆外露端头耦合，所述超声波收发一体传感器与超声波测试仪电连接，所述计算机与数字示波器并联，所述超声波测试仪与计算机、数字示波器通过USB数据传输线或井下无线传输网通信连接。所述无线传输网为KJ系统分站。

所述超声波测试仪与超声波收发一体传感器连接，超声波收发一体传感器与锚杆外露端头耦合，超声波测试仪发射一定频率的超声波信号，通过超声波收发一体传感器传输到锚杆体中并接受回波信号，数据传输包括USB数据传输或井下无线传输（利用KJ系统分站），计算机对数据进行分析，包括对比分析超声波发射信号和回波信号的声学参数变化，分析锚杆变形量或应变量与锚杆应力状态的关系。超声波信号通过超声波收发一体传感器从锚杆的外露末端传输到安装在煤岩介质中的锚杆另一末端，在锚杆中传播的超声波信号会被反射回来，又传输给超声波收发一体传感器，并被超声波测试仪接收到。超声波测试仪可以储存超声波纵波信号反射回来的传播时间、距离和波形幅值等参数，上井后将测试数据直接导出到监测控制室电脑；也可以通过井下无线传输技术将数据传输到井下KJ系统分站，再将测试数据传输到地面监测控制室。通过计算超声波纵波速度、波幅变化情况与锚杆变形量或应变量、锚杆所受应力的关系式，反演得出锚杆安装区域围岩的平均应力状态。

所述超声波测试仪与超声波收发一体传感器具有在井下发射和接受在锚杆中反射回来的超声波信号的功能，对比发射与接受的超声波信号传播速度、幅值等参数，对比分析计算安装在煤岩介质中锚杆的变形量或应变量，反演计算锚杆安装区域的围岩的平均应力状态。

锚杆安装到煤岩介质中，与煤岩体产生相互作用力，二者大小相等，起到支护煤岩体的作用。在锚杆发生破坏前，其应力状态能反映出该区域围岩所受应力情况。而锚杆所受应力与其本身发生的变形量或应变量存在必然联系，超声波声学参数可以准确地测试锚杆在受力状态下的变形量或应变量。通过对比分析锚杆不同应力状态下的超声波声学参数，间接得出锚杆所在区域煤岩体的平均受力状态。

本发明的利用超声波监测锚杆应变间接监测围岩应力状态的方法，具有以下优点：（1）监测成本低，无需在每根锚杆上安装额外的装置，只需在安装锚杆前将锚杆两端打磨平整；（2）不影响安全生产，不会对锚杆产生破坏，不影响锚杆的力学性能；（3）适用范围广，无需考虑围岩介质的影响；（4）操作简单，操作工人只需涂抹凡士林，耦合超声波收发元件与锚杆，没有高难度操作；（5）监测精度高。

Claims (8)

1.一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

S1、针对某一采区或回采工作面开采巷道区域，按一定面积或安全生产需求合理布置监测围岩应力状态的锚杆；

S2、将被监测应力状态锚杆的两端打磨平整，以便超声波收发一体传感器与锚杆的耦合及超声波在锚杆中的传播和反射；

S3、在安装锚杆前，先将所有需要监测的锚杆一端做标记并记录，测量被监测锚杆的多种物理参数；

S4、将需要监测的锚杆安装到煤岩介质中，把做好的标记裸露在围岩外，将超声波收发一体传感器涂抹适量耦合剂，并与监测锚杆裸露端耦合，然后进行超声波测试，测量超声波在被监测锚杆中的传播物理参数；如果监测锚杆裸露端离地面较远，可将超声波收发一体传感器固定在伸缩杆一端，操作人员在伸缩杆另一端操作；

S5、超声波测试仪发生一定频率的超声波信号，超声波信号经超声波收发一体传感器传入安装在围岩介质中的锚杆，并传播到锚杆的另一末端被反射回来形成回波，携带了锚杆物理力学性质信息的超声波信号被超声波收发一体传感器接收，然后传入超声波测试仪，存储相关信息并进行记录；

S6、利用计算机对比分析发射和反射回来的超声波信号，得出反射回来的超声波在被监测锚杆中的传播物理参数；

S7、超声波信号对锚杆的监测从锚杆安装完毕开始，每天派工作人员固定时间去测试一次，将测试的声学参数数据与已测数据对比分析，得出声学参数变化情况；

S8、锚杆安装到煤岩介质中，与煤岩体产生相互作用力，二者大小相等，起到支护煤岩体的作用；在锚杆发生破坏前，其应力状态能反映出该区域围岩所受应力情况；而锚杆所受应力与其本身发生的变形量或应变量存在必然联系，超声波声学参数可以准确地测试锚杆在受力状态下的变形量或应变量；通过对比分析锚杆不同应力状态下的超声波声学参数，间接得出锚杆所在区域煤岩体的平均受力状态。

2.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于：在所述的步骤S3、S4、S5、S6中，被监测锚杆中的多种传播物理参数为：

锚固体中超声波纵波波速

为锚杆安装后初期的超声波纵波波速，m/s；为原始锚杆长度，m；为超声波从锚杆一端传入，经另一端反射，再次到达传入端所经历的时间，s；

超声波在自由锚杆中和在锚固体中的纵波波速不同，且变化明显，所以不能直接用自由锚杆中的波速分析锚杆及围岩介质的应力状态；

衰减系数，采用标准样品对比法

为锚杆的衰减系数，dB/mm；为与锚杆几何尺寸相同的铝杆的衰减系数；、分别为铝杆和锚杆的超声波首波幅值，mV；为锚杆的长度，mm；

锚杆测试长度

为锚杆测试长度，m，即锚杆安装后，受到围岩介质应力影响发生变形后的长度；为监测时超声波的传播时间，s；

锚杆应变

锚杆应力

为锚杆的杨氏弹性模量，Pa；

锚杆所受拉力

为锚杆横截面积，；为锚杆直径，。

3.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于：在步骤S3中，被监测锚杆的多种物理参数包括锚杆的长度、半径、密度、纵波波速但不仅限于长度、半径、密度、纵波波速。

4.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于：在步骤S4中，超声波在被监测锚杆中的传播物理参数包括传播时间、传播距离和波形幅值但不仅限于传播时间、传播距离和波形幅值。

5.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于：在步骤S6中，反射回来的超声波在被监测锚杆中的传播物理参数包括传播时间、传播距离和波形幅值变化值但不仅限于传播时间、传播距离和波形幅值变化值。

6.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于：耦合剂为凡士林但不仅限于凡士林。

7.一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测系统，其特征在于：包括计算机、数字示波器、超声波测试仪、超声波收发一体传感器；所述超声波收发一体传感器与待测锚杆外露端头耦合，所述超声波收发一体传感器与超声波测试仪电连接，所述计算机与数字示波器并联，所述超声波测试仪与计算机、数字示波器通过USB数据传输线或井下无线传输网通信连接。

8.如权利要求7所述的监测系统，其特征在于：所述无线传输网为KJ系统分站。