CN115398081A - 包括传感器组件的岩石锚杆组件 - Google Patents

Abstract

一种用于岩石锚杆的传感器组件，其中所述岩石锚杆包括中心杆、用于围绕所述中心杆装配的对开管、装配到所述中心杆的楔形锚固组件、具有孔的岩石板和用于附接到所述中心杆的外端的螺母，其中所述传感器组件包括：距离传感器、用于将所述距离传感器附接到所述对开管的外部部分的支架、伸长的间隔构件，该伸长的间隔构件被构造用以围绕所述对开管装配在所述螺母和所述岩石板之间，以保持所述螺母和所述岩石板间隔开，其中所述间隔构件包括沿着所述间隔构件的长度的至少一部分延伸的开口，其中所述开口的尺寸设定成足够得大，以允许所述支架沿着所述间隔构件的长度的一部分移动，其中所述距离传感器通过所述支架附接到所述对开管的所述外部部分。

Description

包括传感器组件的岩石锚杆组件

技术领域

本公开涉及用于加固地层(诸如岩层)的岩石锚杆，并且具体是涉及用于随着时间监测这种锚杆以检测岩石运动的技术。

背景技术

地层(诸如岩石地层或岩石分层)通常使用岩石锚杆来加固。例如，岩石锚杆通常用于加固隧道顶部和稳定岩壁、斜坡和岩脉。根据例如待加固的地层类型，使用各种类型的岩石锚杆或锚固件。

一种常见类型的岩石锚杆是液压可膨胀岩石锚杆，该液压可膨胀岩石锚杆设有可膨胀主体，该可膨胀主体被打入到地层中，然后通过引入加压压力介质而膨胀，使得所述可膨胀主体压靠钻孔的孔壁，从而接合地层。从CZ 25706 U1中已知一种液压可膨胀岩石锚杆。

另一种类型的岩石锚杆是摩擦锚杆。这种岩石锚杆可以通过驱动装置(例如钻车)被打入到地层中。可机械膨胀锚杆包括伸长的可膨胀外部主体(有时被称为对开管)以及在外部主体内从设有螺母的尾部延伸到前部的中心杆，该前部在操作上连接到膨胀机构，所述膨胀机构用于在中心杆旋转时使外部主体膨胀。

在地层中安装可机械膨胀岩石锚杆时，驱动装置被操作以反复冲击锚杆的外部主体，从而迫使外部主体进入地层。当锚杆被打入到地层中足够得远时，锚杆通过螺母的旋转而膨胀，这导致中心杆的旋转，使得膨胀机构导致外部主体的膨胀。螺母可以是盲螺母，使得螺母可首先被拧到位于中心杆的尾部处的螺纹上，其中中心杆最终在盲螺母中触底(bottoms out)，从而防止中心杆和盲螺母之间的进一步相对旋转。这允许扭矩施加到螺母并进一步施加到中心杆，用于拉紧锚杆的膨胀机构。用于防止中心杆和螺母之间的共同旋转的其它装置也是可行的，例如螺纹锁紧流体或剪切销，其中可以使用带有通孔的标准螺母来代替盲螺母。

地面运动可能会导致岩石中产生裂缝，锚杆因此防止岩石块散开。然而，当岩石破裂时，锚杆上的载荷可能会增加，并且锚杆可能会被拉伸，从而增加了不希望的进一步的岩石运动和岩石锚杆失效的风险。

发明内容

本发明的目的是能够检测岩石运动，使得可以响应于岩石运动而在早期采取适当措施。根据本发明的第一方面，该目的通过如所附独立权利要求1中限定的用于岩石锚杆的本发明的传感器组件来实现，并且替代性实施例在从属权利要求中限定。该传感器组件用于岩石锚杆，该岩石锚杆包括中心杆、用于围绕中心杆装配的对开管、装配到中心杆的楔形锚固组件、带有孔的岩石板、用于附接到中心杆的外端的螺母和与螺母一起使用的垫圈。该传感器组件包括：距离传感器、用于将距离传感器附接到对开管的外部部分的支架、伸长的间隔构件，该伸长的间隔构件被构造用以围绕对开管装配在螺母和岩石板之间，以保持螺母和岩石板间隔开。间隔构件包括沿着间隔构件的长度的至少一部分延伸的开口，其中开口的尺寸设定成足够得大，以允许支架沿着间隔构件的长度的一部分移动，其中距离传感器通过支架附接到管的外部部分。

在将岩石锚杆安装到岩石或其它地层时，间隔构件装配在垫圈和岩石板之间。然后，使螺母旋转，以通过拧紧楔形锚固组件来引起锚杆的锚固。一旦岩石锚杆被锚固，则支架和距离传感器就被附接到对开管，其中支架延伸穿过开口。距离传感器被配置用以测量与岩石板的距离，但是在其它实施例中可以可替代地是测量与设置在距岩石板已知且静态距离处的物体的距离。在岩石地层中发生变化时，岩石可能迫使岩石板向外，同时对开管的内部部分仍然保持牢固地进一步附接到岩石/地层中，从而导致中心杆通过纵向延伸而变形。在中心杆的这种延伸时，对开管保持基本静止，而岩石板与间隔构件一起向外移动。距离传感器和岩石板之间的距离因此减小，因为支架保持静止，而间隔构件与岩石板一起向外移动。我们正在讨论的是相对运动。

传感器组件还可以包括第一单元，该第一单元被配置用以接收来自距离传感器的读数，并基于来自距离传感器的所述读数发射信号。这种第一单元的设置使得能够基于读数广播信息，使得其它实体能够远程监听所发射的信号，并使用信号中的信息来启动适当的措施，以降低不希望的进一步的岩石运动和岩石锚杆失效的风险。

第一单元可以被配置用以在一时间段上监测所述读数，并且其中所发射的信号指示在所述时间段上监测到的读数的变化超过预定阈值。因此，第一信号可以在随时间监测和解释所述读数方面起到积极的作用，其中所述发射的信号是在本地环境基础上的本地解释。这简化了监听系统的设计，使得可以在每个锚杆处在本地执行跟踪，而不是集中执行。因此，不同的锚杆可以使用不同的解释策略，例如基于它们各自的尺寸和材料，或者基于它们所安装的岩石的材料。

传感器组件还可以包括构造成可附接到螺母的基座单元，其中基座单元包括构造用以容纳第一单元的壳体。基座单元保护第一单元并将第一单元保持到螺母。

传感器组件还可以包括延伸到壳体之外的天线，其中天线连接到第一单元。在壳体之外提供天线能够增加信号强度，并且能够在将传感器组件安装到岩石锚杆时重新定向天线，使得天线指向有利的方向。

距离传感器可以是超声波传感器或激光传感器。这种传感器容易以低成本获得，并且坚固耐用，而且可靠。

间隔构件可以是柱形的。柱形形状易于制造并允许围绕中心杆旋转，从而能够更容易地组装在岩石锚杆上。

柱形的间隔构件的开口可以是沿着间隔构件延伸的伸长狭槽。伸长狭槽易于制造，例如通过铣削或挤出制成。

间隔构件的前部部分可以设有倒角座置部，该倒角座置部被构造用以与岩石板的孔配合，以使间隔构件相对于岩石板对准。因此，倒角座置部的设置能够改善载荷分布。

支架可以设有用于附接到对开管的附接装置。附接装置使得能够单独操纵传感器，直到已经完成锚杆的安装为止，使得在将岩石锚杆冲击打入到岩石中期间传感器不必存在。

附接装置可以包括螺钉。螺钉很容易获得，并且可以很容易地拧开和重新装配，以用于传感器的维护。

距离传感器可以是模拟传感器，例如刻度盘计量器或标尺。模拟传感器在具有大量电气干扰的恶劣环境中工作，因此在电子传感器出现故障时提供可靠耐用的后备。一些锚杆可以设有模拟传感器，并且附近的传感器可以设有数字传感器。此外，在同一岩石锚杆组件中可以提供模拟计量器或标尺，以与数字传感器互补。

传感器组件还可以包括对准装置，该对准装置被构造用以使对开管和间隔构件围绕中心杆锚杆的纵向轴线在旋转方向上对准。例如，对准装置可以分别包括从间隔构件或对开管延伸的突起，以及在对开管和间隔构件中的另一个中的匹配凹部。所述突起可以与间隔构件或对开管一体形成，或者键可以是定位于它们之间的独立部件。如果键是独立部件，则可以在对开管和间隔构件两者中均设置相应的凹部，以在键定位于两个凹部内时保持它们对准。通过使间隔构件和对开管在旋转方向上对准，对开管上的将要附接支架/附接支架的位置总是与在使用中支架将延伸穿过的对开管的开口对准。因此，这种对准在安装支架时是有用的，并进一步确保在螺母旋转时，支架不会被间隔构件挤压或损坏。

本发明的第二方面涉及一种岩石锚杆组件，其包括如上所述的传感器组件和岩石锚杆。

对开管的外端部分可以设有孔，该孔被构造用以由螺钉接合。

本发明的第三方面涉及一种地面支撑监测系统，该地面支撑监测系统包括多个如上所述的传感器组件和监测单元，该监测单元被配置用以接收由所述多个传感器组件的第一单元发射的数据。监测单元还被配置用以将接收到的数据转发给接受者，或者通过监测在一时间段上的传感器读数来分析接收到的数据，并且发射指示在所述时间段上监测到的读数的变化超过预定阈值的信号。因此，监测系统将多个传感器连接到中央监测单元，该中央监测单元可以根据本地要求进行不同配置。例如，中央单元可以在本地处理数据，或者中央单元可以将数据传达/转发给接受者，例如从许多地理位置地点收集数据的远程监测系统。监测单元的提供使得一种类型的信号能够用在监测单元和每个岩石锚杆的第一单元之间，并且另一种类型的信号能够用于与外部系统通信，从而使得一种类型的信号能够在地下用于复杂环境中的短程传输，而另一种类型的信号用于与远程站点的通信。

附图说明

图1示出了包括根据第一实施例的传感器组件的岩石锚杆组件的分解透视图。

图2示出了安装在岩石(岩石未示出)中的图1的岩石锚杆组件的透视图，处于随后的岩石破裂和移动之前。

图3示出了安装在岩石(岩石未示出)中的图2的岩石锚杆组件的透视图，但是在随后的岩石破裂和移动之后，从而导致岩石锚杆的中心杆的伸长。因此，距离D1小于图2中的距离。

图4示出了锚杆的端部部分(未示出岩石板)，其带有用于使间隔构件和对开管在旋转方向上对准的对准装置。

1	传感器组件	9	伸长的间隔构件
				2	中心杆	10	开口
3	对开管	11	第一单元
				4	楔形锚固组件	12	基座单元
5	岩石板	13	附接装置
				6	螺母	14	线缆
7	距离传感器	15	垫圈
				8	支架	16	对准装置

具体实施方式

下文将参照附图描述根据第一实施例的传感器组件1。

传感器组件1适合用于岩石锚杆，该岩石锚杆包括中心杆2、用于围绕中心杆2装配的对开管3、装配到中心杆2的楔形锚固组件4、具有孔的岩石板5和用于附接到中心杆2的外端的螺母6。如本领域已知的是，通过在地层中钻孔、插入岩石锚杆并旋转岩石锚杆的螺母6以从而使中心杆2旋转，将岩石锚杆安装到地层。在中心杆2的旋转下楔形机构拉紧时，楔形锚固组件4使岩石锚杆锚固在地层中。

以已知方式用驱动套筒(未示出)将岩石锚杆锤入到地层中，随后使驱动套筒旋转，以对岩石锚杆的端部处的螺母6施加动量。在本发明中，提供传感器组件1，以能够监测岩石锚杆随时间的伸长，当岩石在安装有岩石锚杆的位置处出现裂缝而使得外部岩石块相对于在其中锚固有岩石锚杆的内部岩石块向外移动时，则可能发生岩石锚杆的伸长。

因此，传感器组件1能够检测岩石运动，从而可以及早采取适当措施，包括例如进一步加固岩石、更换锚杆或对松动的岩石块的受控移除。

传感器组件1包括：距离传感器7、用于将距离传感器7附接到对开管3的外部部分的支架8、伸长的间隔构件9，该间隔构件9被构造用以围绕对开管3装配在螺母6和岩石板5之间，以保持螺母6和岩石板5间隔开。间隔构件9包括沿着间隔构件9的长度的一部分延伸的开口10。该开口的尺寸设定成足够得大，以允许支架8沿着中心杆2的长度的一部分移动，其中距离传感器7通过支架8附接到对开管3的外部部分。在其它实施例中，替代性地是，开口可以沿着间隔构件9的整个长度延伸。

一旦岩石锚杆被锚固，则将支架8和距离传感器7附接到对开管3，其中支架8延伸穿过开口10。如图1和图2所示，距离传感器7被配置用以测量与岩石板的第一距离D1，但是在其它实施例中，可以替代性地是测量与在距岩石板5的已知静态距离处设置的物体的距离。当岩石地层发生变化时，岩石可能会迫使岩石板5向外，同时对开管3仍保持牢固附接到岩石/地层，从而导致中心杆2通过纵向延伸而变形，其中第一距离D1减小，当比较图1(中心杆伸长之前)和图2(中心杆伸长之后)中的第一距离D1时，这一点很明显。图1和图2还示出，从岩石板5到螺母6的长度D2的长度是静态的，并且对开管3的长度D3也是静态的。因此，在中心杆2伸长时，对开管3保持基本静止(不伸长)，而岩石板5向外移动。距离传感器7和岩石板5之间的第一距离D1因此减小，因为支架8保持静止，而间隔构件9随着岩石板5一起向外移动。同样，我们正在讨论的是相对运动。

传感器组件1还包括第一单元11，该第一单元11被配置用以接收来自距离传感器7的读数，并基于来自距离传感器7的所述读数发射信号。提供这种第一单元11使得能够基于所述读数广播信息，使得其它实体能够远程监听所发射的信号，并使用信号中的信息来启动适当措施，以降低不希望的进一步的岩石运动或岩石锚杆失效的风险。在其它实施例中，可替代地是，可以省略第一单元11，其中必须通过任何其它合适手段(例如通过有线/直接连接)从每个距离传感器7收集读数。

第一单元11被配置用以在在一时间段上监测所述读数，并且所发射的信号指示在所述时间段上监测到的读数的变化超过预定阈值。因此，第一单元在随着时间推移监测和解释读数方面具有积极的作用，其中所发射的信号是在本地环境基础上的本地解释。这简化了任何监听系统的设计，减少了用于分析的数据传输的需要，并且使得能够在每个锚杆处进行本地监测而不是远程监测。因此，不同的锚杆可以使用不同的解释策略，例如基于它们各自的尺寸和材料，或者基于它们安装在其中的岩石的本地材料特性或稳定性的重要性。

如图1-3所示，传感器组件1还包括基座单元12，该基座单元12被构造为可附接到螺母6。基座单元12包括被构造用以容纳第一单元11的壳体。基座单元12保护第一单元11并将第一单元11保持到螺母6。这里，基座单元12通过物理线缆14连接到距离传感器7，使得来自距离传感器的读数之间的信号可通过线缆14传输到第一单元。此外，线缆14的使用提供了物理链接，使得第一单元和基座单元在安装或维护时不会意外地从距离传感器上脱落。此外，用于为距离传感器7供电的电池设置在基座单元12内，并且电力通过线缆14传输到距离传感器7。基座单元12设有中央凹部，该中央凹部被构造用以通过摩擦/压配合装配到螺母6。在另一实施例中，基座单元12的中央凹部设有螺纹，用于接合图中所示的螺母的大的外螺纹。

传感器组件1还包括位于壳体内的天线(未示出)。然而，在其它实施例中，天线可以延伸到壳体之外。天线连接到第一单元，以发送其信号。

距离传感器7是超声波传感器，但替代性地是，其也可以是激光传感器或任何其它合适的传感器。此外，替代性地是，距离传感器7可以是模拟传感器，例如刻度盘计量器或标尺。如果使用模拟传感器，则需要手动检查或通过摄像机进行目视检查，例如安装在机器人上的摄像机，从而定期自动检查刻度盘或计量器。

间隔构件9是柱形的，并且设有沿着间隔构件9延伸的伸长狭槽。所述狭槽限定了用于支架沿着移动的开口10。

间隔构件9的前部部分设有倒角座置部，该倒角座置部被构造用以与岩石板5的孔配合，以使间隔构件9相对于岩石板5对准。在其它实施例中，前部部分可以具有任何其它合适形状，例如平面或圆化形。

支架8设有螺钉形式的附接装置，用于将支架8附接到对开管。在其它实施例中，可以使用任何其它合适的附接手段(例如铆钉、粘合剂、焊接或机械紧固件(例如按钮))将支架8附接到对开管。在其它实施例中，支架8可以与对开管成一体。

本发明的第二方面涉及一种岩石锚杆组件，其包括上述的传感器组件1和岩石锚杆。

对开管3的外端部设有孔，该孔被构造用于与螺钉13接合。在替代性实施例中，没有提供孔，其中在安装岩石锚杆时或在安装用于将距离传感器/支架附接到所用的对开管的替代性装置时，可能必须手动添加孔。

本发明的第三方面涉及一种地面支撑监测系统，该地面支撑监测系统包括多个上述的传感器组件1以及监测单元(未示出)，该监测单元被配置用以接收由所述多个传感器组件1的第一单元11发射的数据。监测单元还被配置用以将接收到的数据转发给接受者，或者通过在一时间段上监测传感器读数来分析接收到的数据，并且发射指示在所述时间段上监测到的读数变化超过预定阈值的信号。监测单元可以以运行软件的计算机系统的形式实施，该软件被设计用以执行监测单元的上述功能。监测单元可以远离第一单元设置，只要监测系统能够接收由第一单元11发射的数据即可。

Claims (15)

1.一种岩石锚杆组件，所述岩石锚杆组件包括传感器组件(1)和岩石锚杆(2，3，4，5，6，15)，其中所述岩石锚杆包括中心杆(2)、用于围绕所述中心杆(2)装配的对开管(3)、装配到所述中心杆(2)的楔形锚固组件(4)、具有孔的岩石板(5)、用于附接到所述中心杆的外端的螺母(6)以及与所述螺母(6)一起使用的垫圈，

所述传感器组件(1)包括：

距离传感器(7)，

支架(8)，所述支架(8)用于将所述距离传感器(7)附接到所述对开管(3)的外部部分，

伸长的间隔构件(9)，所述伸长的间隔构件(9)被构造用以围绕所述对开管(3)装配在所述垫圈和所述岩石板(5)之间，以保持所述螺母(6)和所述岩石板(5)间隔开，

其中所述间隔构件(9)包括沿着所述间隔构件(9)的长度的至少一部分延伸的开口(10)，其中所述开口(10)的尺寸设定成足够得大，以允许所述支架(11)沿着所述间隔构件(9)的长度的一部分移动，其中所述距离传感器(7)通过所述支架(8)附接到所述对开管(3)的所述外部部分。

2.根据权利要求1所述的岩石锚杆组件，还包括：

第一单元(11)，所述第一单元(11)被配置用以接收来自所述距离传感器(7)的读数，并基于来自所述距离传感器(7)的所述读数发射信号。

3.根据权利要求2所述的岩石锚杆组件，其中，所述第一单元(11)被配置用以在一时间段上监测所述读数，并且其中所发射的所述信号指示在所述时间段上监测到的读数的变化超过预定阈值。

4.根据权利要求2-3中任一项所述的岩石锚杆组件，还包括构造成能够附接到所述螺母(6)的基座单元(12)，其中所述基座单元(12)包括构造用以容纳所述第一单元(11)的壳体。

5.根据权利要求4所述的岩石锚杆组件，还包括延伸到所述壳体之外的天线，其中所述天线连接到所述第一单元。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的岩石锚杆组件，其中，所述距离传感器(7)是超声波传感器或激光传感器。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的岩石锚杆组件，其中，所述间隔构件是柱形的。

8.根据权利要求7所述的岩石锚杆组件，其中，柱形的所述间隔构件(9)的所述开口是沿着所述间隔构件(9)延伸的伸长狭槽。

9.根据前述权利要求中任一项所述的岩石锚杆组件，其中，所述间隔构件(9)的前部部分设有倒角座置部，所述倒角座置部被构造用以与所述岩石板的所述孔配合，以使所述间隔构件相对于所述岩石板对齐。

10.根据前述权利要求中任一项所述的岩石锚杆组件，其中，所述支架(8)设有用于附接到所述对开管的附接装置(13)。

11.根据权利要求10所述的岩石锚杆组件，其中，所述附接装置(13)包括螺钉。

12.根据权利要求1或6-10中任一项所述的岩石锚杆组件，其中，所述距离传感器是模拟传感器，例如是刻度盘计量器或标尺。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的岩石锚杆组件，还包括对准装置，所述对准装置被构造用以使所述对开管和所述间隔构件围绕所述中心杆(2)锚杆的纵向轴线在旋转方向上对准。

14.根据前述权利要求中任一项所述的岩石锚杆组件，其中，所述对开管的外端部设有孔，所述孔被构造用以与所述螺钉接合。

15.一种地面支撑监测系统，包括多个根据权利要求1-11中任一项所述的岩石锚杆组件，其中所述地面支撑监测系统还包括监测单元，所述监测单元被配置用以接收由所述多个传感器组件(1)的所述第一单元(11)发射的数据，并且所述监测单元被配置用以：

将接收到的数据转发给接受者，或者

通过在一时间段上监测传感器读数来分析所接收的数据，并发射指示在所述时间段上监测到的读数的变化超过预定阈值的信号。

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