CN115046663A - 锚杆应力监测方法和锚杆应力数据分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锚杆应力监测方法和锚杆应力数据分析方法，锚杆应力监测方法包括：提供多个安装有光纤光栅传感器的锚杆，并将所述锚杆分为多个锚杆组；确定所述锚杆的锚固位置以及相邻两个锚杆组之间的采样间距，根据锚固位置和采样间距在巷道的内帮和/或外帮安装所述锚杆组；通过调制解调器将多个锚杆的所述光纤光栅传感器连接到监测设备，利用监测设备对所述锚杆的应力数据进行长期监测。本发明实施例的锚杆应力监测方法对锚杆进行分布式设计，光纤光栅传感器可以提高测量数据的准确性和精确度，便于系统进行全面的监测与分析，并且可对锚杆应力进行长期监测，得到巷道内更加全面的数据，保证巷道内的人员安全，降低安全事故发生的几率。

Description

锚杆应力监测方法和锚杆应力数据分析方法

技术领域

本发明涉及矿用仪器仪表技术领域，尤其涉及一种锚杆应力监测方法和锚杆应力数据分析方法。

背景技术

锚杆支护作为如今煤矿行业运用最广泛的主动支护，锚杆的工作状态和支护质量决定着巷道安全性和围岩稳定性。因此对巷道的稳定性、安全性进行监测受到越来越广泛的重视，同时对监测的准确性、可靠性及在线监测能力的要求也越来越高。

相关技术中的锚杆检测方法只能进行点式测量，难以全面反映复杂的锚杆与岩土体相互作用关系。此外，传统的电测传感器，如电阻应变式和电阻差动式仪器的电信号低至1V~1mV ，一旦传输距离超过十几米信号接收器的灵敏度会迅速降低，即使抗干扰性较好，采用交流频率信号的钢弦式传感器的极限传输距离也仅有300m。锚杆应力分布及其长期工作状态由于传输距离的局限性而缺乏有效的长期实时监测方法，一旦工程结束，人员撤离，就不能长期实时地准确获取锚杆张拉状态。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种可长期监测的锚杆应力监测方法。

本发明的实施例还提出一种锚杆应力数据分析方法。

本发明实施例的锚杆应力监测方法包括：提供多个安装有光纤光栅传感器的锚杆，并将所述锚杆分为多个锚杆组；确定所述锚杆的锚固位置以及相邻两个锚杆组之间的采样间距，根据锚固位置和采样间距在巷道的内帮和/或外帮安装所述锚杆组，每个所述锚杆组中的多个锚杆位于巷道的同一断面内；通过调制解调器将多个所述锚杆的所述光纤光栅传感器连接到监测设备，利用监测设备对所述锚杆的应力数据进行长期监测。

本发明实施例的锚杆应力监测方法，通过设置锚杆组，对锚杆进行分布式设计，并且光纤光栅传感器可以更好地感知锚杆的应力应变数据，提高所测量数据的准确性和精确度，便于系统进行全面的监测与分析，并且可对锚杆应力进行长期监测，得到巷道内更加全面的数据，保证巷道内的人员安全，降低安全事故发生的几率，更好的保证了施工安全。

在一些实施例中，所述锚杆的锚固位置应在所述巷道的内帮和外帮严重变形处，相邻两个所述锚杆组之间的采样间距等于巷道的来压步距。

在一些实施例中，每个所述锚杆组包括四个锚杆，两个所述锚杆安装在所述内帮上，两个所述锚杆安装在所述外帮上，安装在内帮上的两个锚杆与安装在外帮上的两个锚杆一一对应。

在一些实施例中，位于内帮上的一个所述锚杆距离地面的高度为800mm，位于内帮上的另一个所述锚杆距离地面的高度为1800mm；

位于外帮上的一个所述锚杆距离地面的高度为800mm，位于外帮上的另一个所述锚杆距离地面的高度为1800mm。

在一些实施例中，所述锚杆组与工作面之间的距离大于等于200m。

在一些实施例中，所述锚杆的外周壁上设有沿其轴向延伸的凹槽，或者所述锚杆内设有沿其轴向延伸的容纳腔，所述光纤光栅传感器为多个并依次串联，多个所述光纤光栅传感器沿所述锚杆的轴向粘设在所述凹槽或所述容纳腔内，所述光纤光栅传感器适于与解调设备相连。

在一些实施例中，所述光纤光栅传感器包括光栅和纤芯，所述锚杆上还设有尾纤，所述纤芯铺设在所述凹槽或所述容纳腔内，所述光栅刻蚀在所述纤芯上，多个所述光纤光栅传感器的纤芯串联连接，所述尾纤与所述纤芯相连并从所述锚杆的尾端伸出。

在一些实施例中，所述锚杆上还设有保护层，所述保护层贴覆在所述光纤光栅传感器上。

本发明第二方面实施例的锚杆应力数据分析方法包括：

监测设备以1Hz的存储频率采集并存储锚杆的应力数据，对无效数据进行剔除；

将所述锚杆安装完成后第二天的数据作为基值数据，结合推进度将采集到的后期数据与基值数据进行对比，分析并得出结论。

在一些实施例中，剔除无效数据的方法包括：

将不满足

的数据作为测量值剔除，其它数据保留，式中：

，n为样本总数，X_i为样本值，

为均值；

监测设备在每分钟进行60次波长数据存储，波长值基于正态分布，将每个光纤光栅传感器一分钟内的中心波长

中不满足

的波长数据剔除，剩下的波长

记作有效数据；

在每分钟有效数据基础上通过格拉布斯准则检测，以每15分钟为一个单位，再次进行异常数据剔除。

附图说明

图1是本发明实施例的锚杆应力监测方法的流程图。

图2是本发明实施例的锚杆的示意图。

图3是本发明实施例的锚杆布置方式示意图。

附图标记：

1、锚杆；11、主体部；12、锚头部；2、光纤光栅传感器；21、光栅；22、纤芯；3、托盘；4、螺母；5、尾纤；6、外帮；7、内帮。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的锚杆应力监测方法包括以下步骤：

S1:提供多个安装有光纤光栅传感器2的锚杆1，并将锚杆1分为多个锚杆组；

S2:确定锚杆1的锚固位置以及相邻两个锚杆组之间的采样间距，根据锚固位置和采样间距在巷道的内帮7和/或外帮6安装锚杆组，每个锚杆组中的多个锚杆1位于巷道的同一断面内；

S3:通过调制解调器将多个锚杆1的光纤光栅传感器2连接到监测设备，监测设备可以为计算机，利用监测设备对锚杆1的应力数据进行长期监测。

光纤光栅传感器2属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅21的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器，光纤光栅传感器2适于与解调设备相连。

本发明实施例的锚杆应力监测方法，通过设置锚杆组，对锚杆1进行分布式设计，并且光纤光栅传感器2可以更好地感知锚杆1的应力应变数据，提高所测量数据的准确性和精确度，便于系统进行全面的监测与分析，并且可对锚杆1应力进行长期监测，得到巷道内更加全面的数据，保证巷道内的人员安全，降低安全事故发生的几率，更好的保证了施工安全。

在一些实施例中，锚杆1的锚固位置应在巷道的内帮7和外帮6严重变形处，由此，可以获取最准确的应力数据，从而判断锚杆1的受力情况。

进一步地，相邻两个锚杆组之间的采样间距根据巷道的来压步距确地，优选地，采样间距等于巷道的来压步距，例如巷道的来压布局为10m，则相邻两个锚杆组之间的采样间距为10m。

如图3所示，在一些实施中，每个锚杆组包括四个锚杆1，两个锚杆1安装在内帮7上，两个锚杆1安装在外帮6上，安装在内帮7上的两个锚杆1与安装在外帮6上的两个锚杆1一一对应，由此可以同时对巷道的内帮7和外帮6处的锚杆1应力进行监测，采集到的监测数据更加全面，每个帮侧上安装锚杆1数量不仅限于两个。

具体地，位于同一帮侧的两个锚杆1的高度不同，位于内帮7上的一个锚杆1距离地面的高度为800mm，位于内帮7上的另一个锚杆1距离地面的高度为1800mm。同样地，位于外帮6上的一个锚杆1距离地面的高度为800mm，位于外帮6上的另一个锚杆1距离地面的高度为1800mm。

由此，可以同时获取不同高度处的锚杆应力数据，进一步提高采集到的数据的全面性。

在一些实施例中，锚杆组与工作面之间的距离大于等于200m，即，距离工作面最近的锚杆组与工作面之间的距离应当大于等于200m，使得数据能够测算到工作面较远的时候锚杆1杆体受力情况，判断其是否有明显受力变化。

如图2所示，锚杆1的外周壁上设有沿其轴向延伸的凹槽，或者锚杆1内设有沿其轴向延伸的容纳腔，多个光纤光栅传感器2依次串联并利用环氧胶粘设在凹槽或容纳腔内，保护层设在凹槽或容纳腔内，保护层贴覆在光纤光栅传感器2上，光纤光栅传感器2用于监测锚杆1的应力变化，光纤光栅传感器2利用环氧胶粘设在凹槽或容纳腔内。

需要说明的是，光纤光栅传感器2本身较为脆弱，当光纤光栅传感器2设置在锚杆1的凹槽内时，还可以通过设置封装结构进一步保护光纤光栅传感器2，由此，将光纤光栅传感器2设置于锚杆1内部，锚杆1可以对光线光栅21传感器起到保护作用，有效提高了光纤光栅传感器2的防潮、防水和防其他干扰的特性，长期稳定性强，可以在岩土层中的恶劣工作调节下长期监测。

具体地，光纤光栅传感器2包括光栅21和纤芯22，锚杆上还设有尾纤5，纤芯22铺设在锚杆1上的凹槽或者容纳腔内，光栅21刻蚀在纤芯22上，多个光纤光栅传感器2的纤芯23串联连接，尾纤5与纤芯22相连并从锚杆1的尾端伸出。

光栅21用于测量锚杆1杆体的形变程度，通过自身光栅21周期偏移量计算锚杆1的受力变化量，纤芯22用于将多个不同参数的光栅21连接起来，并将其不同的中心波长信息传递到尾纤5部分，尾纤5用于连接调制解调器。

纤芯22与锚杆1的轴线平行，即，纤芯22的延伸方向平行与锚杆1的轴向，如此设置，可以使光纤光栅传感器2更好地感知到锚杆1的应力的变化，为监测系统提供精确的测量数据，便于监测系统更好的分析。

优选地，尾纤5为铠装尾纤5，铠装尾纤5可以在不同环境下保证其能够连接到解调设备中，解决了普通光纤易于折断的问题。

在一些实施例中，锚杆1还包括保护层（未示出），保护层设在凹槽或容纳腔内，保护层贴覆在光纤光栅传感器2上，保护层对光纤光栅传感器2起到保护作用，防止外界粉尘等杂物对光纤光栅传感器2的正常工作造成不良影响。

具体地，保护层包括硅胶片、玻璃片和磁性件，硅胶片为柔性材质，可以很好地贴覆在光纤光栅传感器2上，玻璃片贴覆在硅胶片上，磁性件压设在玻璃片上，磁性件可以为电磁铁或者永磁体，磁性件通过磁力作用将玻璃片和硅胶片压紧在锚杆1上，防止光纤光栅传感器2从锚杆1上脱落。

进一步地，凹槽或容纳腔的缝隙内还填充有环氧胶，进一步提高了保护效果，防止粉尘通过缝隙进入到凹槽或者容纳腔内部。

在一些实施例中，锚杆1包括相连的主体部11和锚头部12，锚头部12位于锚杆1的前端，光纤光栅传感器2设在主体部11上，锚头部12的长度约为200mm，由于锚头部12要首先伸入钻孔中利用锚固剂进行锚固，为避免锚固过程中锚杆1在托盘3受力后泵出导致测量失效，因此将光纤光栅传感器2设在主体部11上。

可选地，光纤光栅传感器2设在锚杆1外周壁上的凹槽内，凹槽的深度为1mm，凹槽的宽度为1mm。

在一些实施中，锚杆1上还设有托盘3和螺母4，托盘3沿锚杆1的轴向可滑动地设在锚杆1上，锚杆1上设有外螺纹，螺母4与锚杆1螺纹连接，螺母4位于托盘33邻近锚杆1尾端的一侧，通过拧紧螺母4，可以利用托盘3对锚杆1施加高预应力，使得光纤光栅传感器2可以测量锚杆1轴向的受力变化。

本发明第二方面实施例的锚杆应力数据分析方法包括以下步骤：

光纤光栅传感器2将锚杆1的应力数据输送至监测设备，监测设备以1Hz（每秒储存一个波长）的存储频率采集并存储锚杆1的应力数据，对无效数据进行剔除，将锚杆1安装完成后第二天的数据作为基值数据，结合推进度将采集到的后期数据与基值数据进行对比，分析并得出结论。

具体地，在本实施例中，剔除无效数据的方法包括：

将不满足

的数据作为测量值剔除，其它数据保留，式中：

，n为样本总数，X_i为样本值，

为均值；

监测设备在每分钟进行60次波长数据存储，波长值基于正态分布，将每个光纤光栅传感器一分钟内的中心波长

中不满足

的波长数据剔除，剩下的波长

记作有效数据；

在每分钟有效数据基础上通过格拉布斯（Grubbs）准则检测，以每15分钟为一个单位，再次进行异常数据剔除。

需要说明的是，调制解调设备本身设置的算法是消除光谱寻峰带来的误差，但无法对巷道压力作用在传感器上的波长抖动数据进行剔除，为了能够准确的分析变化规律，需要对噪声波长进行剔除。巷道中锚杆受力监测变化在以秒为单位的时间里变化较慢，大量的数据存储保证即使在剔除部分数据依然可以实现结果准确分析，因此本发明对于无效波长数据采取剔除的方式，数据剔除采用

准则结合Grubbs准则检测方法。

准则思想源于切比雪夫不等式，假设对被测量进行等精度测量且服从正态分布，测试值X_i的残差

满足

，则将测量值作为异常值剔除；

为样本标准差，按照贝塞尔公式计算：

式中: n为样本总数，X_i为样本值，

为均值。

实验数据将满足

的数据作为测量值保留。设备在每分钟的时间中进行60次波长数据存储，波长值基于正态分布。将每个传感器一分钟内的中心波长

按照上述方式剔除，剩下的波长

记作有效波长。由于波长抖动、误差出现频次不规律，在拟合分析中采用准则以每分钟60个样本的数据进行剔除，在对每分钟样本数据剔除后计算有效值。在分析长期受力变化中，在每分钟有效数据基础上通过Grubbs 准则检测，以每15分钟为一个单位，再次进行异常数据剔除，如此以来既保证有效数据不会被删除又能够剔除噪声波长。

以下描述本发明实施例的锚杆应力监测方法的一个具体示例。

实验巷道为80m，根据巷道来压步距对锚杆1监测断面定在每组为10m的采样间距，在巷道内变形严重处施工锚杆1，设置8个锚杆组，每个锚杆组包括4个锚杆1，内、外帮6每帮各两个锚杆1，低位监测锚杆1距离底板高度约为800mm，高位监测锚杆1约为1800mm，锚杆1监测位置应易于施工，后期辅运巷道拆卸水管和二次挂网等工作会对传输信号线造成损毁，需要方便后期维护。

完成布设工作后，离工作面最近的监测锚杆1要大于200m的距离，使得数据能够测算到工作面较远的时候锚杆1杆体受力情况，判断其是否有明显受力变化。实验巷道为80米长，超前支架为40米左右，因此为了检测到离工作面最近的锚杆1数据，需要将解调设备布置在距离最先进入工作面锚杆1的120米位置处才能保证所有锚杆1的数据完整采集。

采集到的数据：在工作面还没有近距离推进过来时，即在距工作面120m以外的时候，锚杆1杆体不同部分虽然有变化，但趋势总体较为平缓，这说明杆体本身处于正常服役状态且巷道支护有效。同时也反应巷道两帮受力即使离工作面较远也在发生着变化但其受力变化较为微弱，受工作面应力重新分布影响较小。在距离工作面100米到60米的时刻，锚杆1传感器中心波长发生了较为剧烈的变化，埋深不同的位置变化幅度、变化趋势都出现了较大的变化和差异，埋深280mm和660mm的位置受力先是出现了急速的增长，但是后期逐渐又降了下来，且变化趋势和增量趋于一致；埋深1040mm和1420mm的位置受力趋于一致，在距离工作面较远的时候，总体受力虽有波动但无巨大变化，在距离工作面50米的时候，锚杆1杆体埋深的位置受力随着工作面的推进迅速增大；而埋深1800mm的位置则是一直持续增长。

总结以上锚杆1不同位置受力情况可以看出，锚杆1杆体在巷道围岩支护的时候，不同位置受力变形并不同步，因此可以看出锚杆1受力复杂且受力变化非线性的特点，并不是传统中认为锚杆1受力仅仅集中在轴向，如果锚杆1受力主要由于围岩表层煤块碎落导致托盘3带动锚杆1崩出导致，那么锚杆1不同位置变化增量可以不一致，但是总体变化趋势必须一致；然而根据测量到的数据分析，说明杆体不仅受轴向拉力，其径向所受煤层压应力影响也很大。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种锚杆应力监测方法，其特征在于，包括：

提供多个安装有光纤光栅传感器的锚杆，并将所述锚杆分为多个锚杆组；

确定所述锚杆的锚固位置以及相邻两个锚杆组之间的采样间距，根据锚固位置和采样间距在巷道的内帮和/或外帮安装所述锚杆组，每个所述锚杆组中的多个锚杆位于巷道的同一断面内；

通过调制解调器将多个所述锚杆的所述光纤光栅传感器连接到监测设备，利用监测设备对所述锚杆的应力数据进行长期监测。

2.根据权利要求1所述的锚杆应力监测方法，其特征在于，所述锚杆的锚固位置应在所述巷道的内帮和外帮严重变形处，相邻两个所述锚杆组之间的采样间距等于巷道的来压步距。

3.根据权利要求1所述的锚杆应力监测方法，其特征在于，每个所述锚杆组包括四个锚杆，两个所述锚杆安装在所述内帮上，两个所述锚杆安装在所述外帮上，安装在内帮上的两个锚杆与安装在外帮上的两个锚杆一一对应。

4.根据权利要求3所述的锚杆应力监测方法，其特征在于，位于内帮上的一个所述锚杆距离地面的高度为800mm，位于内帮上的另一个所述锚杆距离地面的高度为1800mm；

位于外帮上的一个所述锚杆距离地面的高度为800mm，位于外帮上的另一个所述锚杆距离地面的高度为1800mm。

5.根据权利要求1所述的锚杆应力监测方法，其特征在于，所述锚杆组与工作面之间的距离大于等于200m。

6.根据权利要求1所述的锚杆应力监测方法，其特征在于，所述锚杆的外周壁上设有沿其轴向延伸的凹槽，或者所述锚杆内设有沿其轴向延伸的容纳腔，所述光纤光栅传感器为多个并依次串联，多个所述光纤光栅传感器沿所述锚杆的轴向粘设在所述凹槽或所述容纳腔内，所述光纤光栅传感器适于与解调设备相连。

7.根据权利要求6所述的锚杆应力监测方法，其特征在于，所述光纤光栅传感器包括光栅和纤芯，所述锚杆上还设有尾纤，所述纤芯铺设在所述凹槽或所述容纳腔内，所述光栅刻蚀在所述纤芯上，多个所述光纤光栅传感器的纤芯串联连接，所述尾纤与所述纤芯相连并从所述锚杆的尾端伸出。

8.根据权利要求6所述的锚杆应力监测方法，其特征在于，所述锚杆上还设有保护层，所述保护层设在所述凹槽或所述容纳腔内，所述保护层贴覆在所述光纤光栅传感器上。

9.一种锚杆应力数据分析方法，其特征在于，包括：

监测设备以1Hz的存储频率采集并存储锚杆的应力数据，对无效数据进行剔除；

将所述锚杆安装完成后第二天的数据作为基值数据，结合推进度将采集到的后期数据与基值数据进行对比，分析并得出结论。

10.根据权利要求9所述的锚杆应力数据分析方法，其特征在于，剔除无效数据的方法包括：

将不满足

的数据作为测量值剔除，其它数据保留，式中：

，n为样本总数，X_i为样本值，

为均值；

监测设备在每分钟进行60次波长数据存储，波长值基于正态分布，将每个光纤光栅传感器一分钟内的中心波长

中不满足

的波长数据剔除，剩下的波长

记作有效数据；

在每分钟有效数据基础上通过格拉布斯准则检测，以每15分钟为一个单位，再次进行异常数据剔除。

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