CN209483400U - 一种智能型注浆锚索 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种智能型注浆锚索，包括中空管，所述中空管内沿其长度方向间隔设有多个检测点，光栅传感器，所述光栅传感器设置在中空管内，每个检测点处设有用于检测锚索压力的光栅传感器，光纤，所述光纤将所有光栅传感器串联起来，并将光栅传感器检测数据传输给数据采集分析仪，具有操作简便、安装方便、多点在线检测、检测数据准确等优点。

Description

一种智能型注浆锚索

技术领域

本实用新型涉及注浆锚索技术领域，具体涉及一种智能型注浆锚索。

背景技术

随着矿山开采深度增加，地压、顶板离层量等关键参数的检测对于保证安全生产至关重要。目前，对于地压、顶板离层量等参数的检测主要采用测压传感器进行检测，测压传感器的安装位置通常在锚杆或锚索底部，而安装时需要在锚杆或锚索上钻孔。采用上述检测方式不仅操作时间长，而且检测精度较低，对于深层的离层量和压力的变化，不能显示出具体的位置。因此，现有检测手段已经无法满足矿山开采的需求，有必要对现有地压、顶板离层量的检测设备及检测方法进行改进，为制定预防地压措施及处理方案提供科学依据。

需要说明的是，上述内容属于实用新型人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

实用新型内容

本实用新型提供了一种智能型注浆锚索，它具有操作简便、安装方便、多点在线检测、检测数据准确等优点，解决了现有技术中存在的问题。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种智能型注浆锚索，包括：中空管，所述中空管内沿其长度方向间隔设有多个检测点，光栅传感器，所述光栅传感器设置在中空管内，每个检测点处设有用于检测锚索压力的光栅传感器，光纤，所述光纤将所有光栅传感器串联起来，并将光栅传感器检测数据传输给数据采集分析仪。

所述光栅传感器的光栅设置在光纤内，所述光栅与光纤形成光纤光栅，所述光纤光栅粘贴在光栅传感器上。

相邻所述光栅传感器之间连接有不锈钢钢管，所述光纤穿过不锈钢钢管。

所述光栅传感器为光栅应变传感器，多个所述光栅应变传感器通过一根光纤串联连接后形成光纤光栅应变传感器串。

所述光栅应变传感器包括平面S型弹簧应变片，所述平面S型弹簧应变片上沿其长度方向设有凹槽，所述凹槽上粘贴有光纤光栅，所述平面S型弹簧应变片两端分别螺纹连接有连接螺母，两个连接螺母之间的平面S型弹簧应变片上套有套筒，所述连接螺母外端安装有不锈钢钢管。

所述平面S型弹簧应变片两端设有外螺纹，所述连接螺母一端设有内螺纹，所述连接螺母设有内螺纹的一端与平面S型弹簧应变片的端部外螺纹连接，另一端插入不锈钢钢管，所述连接螺母中心设有便于光纤穿过的通孔。

所述中空管对应光纤出口端设有三通管，所述三通管其中一路与中空管密封连接，第二路与注浆接头连接，第三路供光纤引出，所述第三路端口处安装有使光纤密封引出的密封堵头。

所述密封堵头与三通管螺纹连接。

本实用新型采用上述技术方案，能够带来如下有益效果：

1、通过对现有光栅传感器进行改造设计，使其能够与注浆锚索很好地结合起来，使本申请的注浆锚索既可以用于顶板治理，又同时用于数据监测治理效果，内置的光纤光栅传感器不带电本质安全、适用于煤矿井下易燃、易爆环境；光纤光栅传输损耗小、传输距离远、不受电磁场干扰和温度湿度影响、传输可靠性高。

2、通过光纤光栅应变传感器串，可以同时监测锚索各段的应力分布情况、顶板离层位置及离层量；光纤传感监测系统容量大、易于实现多点多参数在线监测；另外根据监测需求，可以改变相邻光栅传感器的间距，增减相应的光栅传感器数量，在节约成本的情况下，来达到监测需求。

3、可以根据实际情况改变传感器的灵敏度、量程、延展率，适合各种地质类型顶板的离层监测及锚索应力监测。

附图说明

图1为本实用新型光栅传感器的结构示意图；

图2为本实用新型光纤光栅应变传感器串的结构示意图；

图3为本实用新型安装光纤光栅应变传感器串的结构示意图；

图中，1、中空管，2、光栅传感器，201、平面S型弹簧应变片，202、凹槽，203、外螺纹，204、连接螺母，205、套筒，3、光纤，4、数据采集分析仪，5、光纤光栅应变传感器串，6、不锈钢钢管，7、三通管，8、注浆接头，9、密封堵头，10、光纤光栅。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本实用新型的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度方向”、“出口端”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，本申请中的“数据采集分析仪”是指能够对应变传感器检测的数据进行采集，并且根据锚索应力计算公式和顶板离层量进行进行计算实时显示数据的仪器，该仪器可以采用YGSJ18(C)矿用本安型光纤光栅解调仪，将锚索应力计算公式和顶板离层量的计算公式编程计算机语言输入该仪器即可，该仪器及编程属于现有技术，因此，在次不再赘叙。

如图1-3所示，一种智能型注浆锚索，包括中空管1，中空管1内沿其长度方向间隔设有多个检测点，光栅传感器2，光栅传感器2设置在中空管1内，每个检测点处设有用于检测锚索压力的光栅传感器2，光纤3，光纤3将所有光栅传感器2串联起来，并将光栅传感器2检测数据传输给数据采集分析仪4。通过对现有光栅传感器进行改造设计，使其能够与注浆锚索很好地结合起来，使本申请的注浆锚索既可以用于顶板治理，又同时用于数据监测治理效果，内置的光纤光栅传感器不带电本质安全、适用于煤矿井下易燃、易爆环境；光纤光栅传输损耗小、传输距离远、不受电磁场干扰和温度湿度影响、传输可靠性高。

光栅传感器2的光栅设置在光纤3内，光栅与光纤3形成光纤光栅10，光纤光栅10粘贴在光栅传感器2上。

相邻光栅传感器2之间连接有不锈钢钢管6，光纤3穿过不锈钢钢管6。

光栅传感器2为光栅应变传感器，多个光栅应变传感器通过一根光纤3串联连接后形成光纤光栅应变传感器串5。通过光纤光栅应变传感器串5，可以同时监测锚索各段的应力分布情况、顶板离层位置及离层量；光纤传感监测系统容量大、易于实现多点多参数在线监测；另外根据监测需求，可以改变相邻光栅传感器的间距，增减相应的光栅传感器数量，在节约成本的情况下，来达到监测需求。

光栅应变传感器包括平面S型弹簧应变片201，平面S型弹簧应变片201上沿其长度方向设有凹槽202，凹槽202上粘贴有光纤光栅10，平面S型弹簧应变片201两端分别螺纹连接有连接螺母203，两个连接螺母203之间的平面S型弹簧应变片201上套有套筒205，连接螺母203外端安装有不锈钢钢管6。

平面S型弹簧应变片201两端设有外螺纹203，连接螺母204一端设有内螺纹，连接螺母204设有内螺纹的一端与平面S型弹簧应变片201的端部外螺纹203连接，另一端插入不锈钢钢管6，连接螺母204中心设有便于光纤3穿过的通孔。

中空管1对应光纤出口端设有三通管7，三通管7其中一路与中空管1密封连接，第二路与注浆接头8连接，第三路供光纤3密封引出，第三路端口处安装有供光纤密封引出的密封堵头9。

密封堵头9与三通管7螺纹连接。

本申请的智能型注浆锚索的锚索应力检测过程：

(1)将注浆锚索安装到顶板上，通过注浆操作将水泥浆注满整个锚索及锚索周边裂缝，水泥浆凝固后将光纤光栅应变传感器串与锚索连接为一体；

(2)将光纤3尾纤端与数据采集分析仪连接；

(3)对光栅传感器依次编号为1、2、3、……、X，X大于1，且为整数；

(4)根据数据采集分析仪采集的数据和锚索应力计算公式得到锚索应力，锚索应力计算公式：

其中，F为锚索应力(单位KN)，K_ε为平面S型弹簧应变片系数，经标定后为常量，L_ε为平面S型弹簧应变片长度(这里的长度是指平面S型弹簧应变片两个外螺纹之间的长度)，常量(单位MM)，Δλ_B为光纤光栅的布拉格波长变化量(单位NM)，P_ε为有效光弹系数，P_ε＝0.22，λ_B为光纤光栅的布拉格波长(单位NM)，F与Δλ_B成正比。

(5)根据步骤(4)中的锚索应力计算公式分别计算出每个光栅传感器对应的锚索应力，即F₁，F₂，F₃，…，F_X。

本申请智能型注浆锚索顶板离层量检测过程，根据锚索应力检测方法中得到的锚索应力值和顶板离层量计算公式计算得出顶板离层量，顶板离层量计算公式：

∑L＝L₁+L₂+…+L_X (2)

其中，L_X为光栅传感器编号为X点处对应的离层值，ΔF_X为光栅传感器编号为X点处对应锚索应力变化量，ΔF_X+1为光栅传感器编号为X+1点处对应锚索应力变化量，D_X为光栅传感器编号为X所处的顶板深度，D_X+1为光栅传感器编号为X+1所处的顶板深度。

本申请中的光纤光栅测量原理：

由文献可知，当温度、应变同时发生变化时，总的Bragg波长位移应为热移动分量和应变移动分量之和：

其中：

λ_B为光栅的布拉格波长，Δλ_B为光栅的布拉格波长变化量，α为光纤热膨胀系数，ζ为光纤热光系数，ΔT为光纤光栅温度变化量，P_e为有效光弹系数，ε为光纤光栅所受应变。

在环境温度不变即ΔT为零时，光纤光栅波长变化量Δλ_B与光纤光栅所受应变ε成正比关系。

本申请中锚索应力具体测量方法推导过程：

S型平面弹簧由n节结构相同的基本单元组成，且结构对称。L为弹簧直梁长度，H为弹簧横截面厚度，B为弹簧横截面宽度，R为弯半径。

在弹簧的线性弹性范围内，采用卡氏第二定律为结构在力作用方向上的位移，F为作用力，V_ε为在力F作用下弹簧的应变能，根据胡可定律，弹性系数k则表示为k＝F/δ，根据相关文献资料，n节的平面弹簧垂直弹性系数

改变弹簧节数、弯曲半径、直梁长度、梁宽和梁厚，可以改变应变传感器的弹性系数，在作用力F不变的情况下，力作用方向上的位移与k成反比关系。优化弹性系数k，可以使光纤光栅粘贴区的所受应变不变的情况下，增大整个传感器的形变量，使得锚索屈服极限区间内，传感器本体的形变为弹性形变。

在优化的弹性系数k条件下，锚索应力F与力作用方向上的位移成正比关系，根据力的传递性，F同样作用在S型弹簧中部应变片上，F与光纤光栅波长变化量Δλ_B成正比关系：

即：

F＝kδ＝k_εL_εε＝k_εL_εΔλ_B/(1-P_ε)λ_B

其中，k_ε为系数，L_ε为S型弹簧中部应变片长度。

本申请中顶板离层测量方法的推导过程：

假定光纤光栅智能注浆锚索中有n个光纤应变传感器时，该锚索锚索应力示值分别为F₁、F₂、F_x、F_x+1、..、F_n，其位于顶板深度分别为D₁、D₂、D_x、D_x+1、…、D_n，且D₁＜D₂＜D_x＜D_x+1＜D_n，

当上下相邻的两个光纤应变传感器应力值受拉力影响呈现显著增大现象如受力示值F_x、F_x+1显著变大，且其变化量ΔF_x、ΔF_x+1均大于ΔF₁、ΔF₂、ΔF_n时，判断顶板出现离层情况，离层点位于深度D_x、D_x+1之间，假设D_x、D_x+1之间应变为均匀变化，且其应变为(Δε_x+Δε_x+1)/2，则离层值为应变与距离的乘积：

L＝[(Δε_x+Δε_x+1)/2]x(D_x-D_x+1)

其中，Δε_x，Δε_x+1为第x，x+1个光纤光栅应变传感器应变值；根据锚索应力F与ε对应的关系得：

x点离层点的离层值为：

总离层值为：

∑L＝L₁+L₂+...+L_n

本申请中应变传感器标定过程：

应变传感器封装完毕后，首先进行传感器标定，标定设备为电子应变标定平台。

通过固定应变传感器两端，设置标定间隔为200微应变(或其它间隔)，从正行程0开始依次标定至1600微应变，然后再负行程，依次从1600微应变标定至0，反复2次。标定过程中对光纤光栅波长以及标定平台实际应变进行记录，然后计算出各参数值。

本申请中的光栅传感器现场应用：

注浆口在锚索注浆体总成的侧面，留有一M12的内螺纹结构，在注浆之前采用胶堵封装，保护螺纹和注浆管内部清洁。注浆接头上有一M12的外螺纹与锚索注浆体上的内螺纹相连接，注浆时现场安装到注浆体上。不会影响前面的锚索安装与搅拌。注浆接头内有单向阀结构能防止注浆液的回流，对保证注浆质量有关键性的作用。锚索体注浆后浆液充满整个注浆管与锚索孔，凝固后使传感器与锚索体锚索孔紧密接触，形成一个整体。

上述具体实施方式不能作为对本实用新型保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本实用新型实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本实用新型的保护范围内。

本实用新型未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种智能型注浆锚索，其特征在于，包括：

中空管，所述中空管内沿其长度方向间隔设有多个检测点；

光栅传感器，所述光栅传感器设置在中空管内，每个检测点处设有用于检测锚索压力的光栅传感器；

光纤，所述光纤将所有光栅传感器串联起来，并将光栅传感器检测数据传输给数据采集分析仪。

2.根据权利要求1所述的一种智能型注浆锚索，其特征在于：所述光栅传感器的光栅设置在光纤内，所述光栅与光纤形成光纤光栅，所述光纤光栅粘贴在光栅传感器上。

3.根据权利要求2所述的一种智能型注浆锚索，其特征在于：相邻所述光栅传感器之间连接有不锈钢钢管，所述光纤穿过不锈钢钢管。

4.根据权利要求2所述的一种智能型注浆锚索，其特征在于：所述光栅传感器为光栅应变传感器，多个所述光栅应变传感器通过一根光纤串联连接后形成光纤光栅应变传感器串。

5.根据权利要求4所述的一种智能型注浆锚索，其特征在于：所述光栅应变传感器包括平面S型弹簧应变片，所述平面S型弹簧应变片上沿其长度方向设有凹槽，所述凹槽上粘贴有光纤光栅，所述平面S型弹簧应变片两端分别螺纹连接有连接螺母，两个连接螺母之间的平面S型弹簧应变片上套有套筒，所述连接螺母外端安装有不锈钢钢管。

6.根据权利要求5所述的一种智能型注浆锚索，其特征在于：所述平面S型弹簧应变片两端设有外螺纹，所述连接螺母一端设有内螺纹，所述连接螺母设有内螺纹的一端与平面S型弹簧应变片的端部外螺纹连接，另一端插入不锈钢钢管，所述连接螺母中心设有便于光纤穿过的通孔。

7.根据权利要求1所述的一种智能型注浆锚索，其特征在于：所述中空管对应光纤光栅出口端设有三通管，所述三通管其中一路与中空管密封连接，第二路与注浆接头连接，第三路供光纤光栅引出，所述第三路端口处安装有使光纤密封引出的密封堵头。

8.根据权利要求7所述的一种智能型注浆锚索，其特征在于：所述密封堵头与三通管螺纹连接。