[发明专利]一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置及方法，主要应用于矿山、地下工程等巷道、隧道中需要使用锚杆锚固的领域。

背景技术

锚杆支护已成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。近年来由于掘进面的不断延伸和开采范围的扩大，冒顶事故也时常发生，已经造成了巨大的经济损失和人员伤亡。在锚杆支护巷道的服务年限内，及时准确的对锚杆支护质量进行检测，对锚杆支护工程的正常维护和矿井安全生产具有十分重要的意义。

现有的矿用锚杆轴力检测装置主要分为两大类：一类是需要电源供电，中国专利CN101059382A公开了一种光纤光栅锚杆测力计；2002年，英国伦敦大学的M.D.Beard博士等人利用导向超声波来对锚杆进行检测；2007年太原理工大学的李义教授等人提出应力波反射法对锚杆轴力进行检测；2011年中国煤炭科工集团西安研究院邢龙龙提出电阻应变式测力锚杆,在支护过程中，由于锚杆的使用数量比较多，如果通过电线给每个检测装置供电，会增加巷道内电线的使用数量，对巷道的安全管理带来一定难度，因此第一类监测装置并没有得到广泛的应用。另一类不需要电源供电，中国专利CN103267596A公开了一种通过测量液体压力来判断锚杆的轴向力;2012年太原理工大学刘青康提出一种无需电源供电的活塞式锚杆轴力检测装置；2014年太原理工大学周清亮提出了一种无源型矿用锚杆轴向力监测装置，但检测装置结构复杂，成本较高，体积较大，需要专门工作人员进行检测，不适合大规模使用。

目前，国内矿井一般采用锚杆拉拔力检测，需要专门的工作人员定期对锚杆抽样试验，是一个既费时又费力的过程，其他监测装置由于本身的局限性，并没有得到广泛的应用。因此，研究出一种低成本、结构简单、易于监测、可靠性高、适合大规模使用的锚杆监测装置对矿井的安全生产具有十分重要的意义。

发明内容

本发明旨在提供一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置及方法，该监测装置利用结构模态在相同主振型下的固有频率与应力之间的线性关系，使监测装置在受到锤击力做自由振动时，发出的声音的频率随固有频率的变化而变化，工作人员可以根据不同频率的声音来判断锚杆轴向力的大小。该监测装置结构简单、可靠性高、适合大规模使用，实现了对锚杆轴向力的实时监测。

本发明提供了一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的装置，包括上盖和下部托盘，上盖为空心圆柱结构，中间的通孔供锚杆穿过，在圆柱底部设有凹槽；下部托盘包括中空圆形托盘，圆形托盘上端部设有环形板，圆形托盘的中间通孔供锚杆穿过，环形板上方与上盖的下端相接触，上盖扣在环形板上，上盖和下部托盘之间形成空腔。

锚杆用于插入岩体中起支护作用，本发明装置的各部件上设有穿入锚杆用的预留孔，一般安装在锚杆的下端部，该装置位于螺母和调心垫之间，装置上盖与调心垫接触，调心垫上方为矿用托盘，托盘与岩体直接接触；中空圆形托盘与环形板为一个整体，下部托盘下方为螺母。

上述装置的各部件上设有穿入锚杆用的通孔，通孔直径d=d₀+2，其中d₀为锚杆直径。

作为一种优选方案，所述中空圆形托盘底部的厚度为20mm，为中空圆柱形，圆柱的上端部与环形板沿锚杆的轴向距离为h=7mm，托盘与环形板接触处内部所成夹角α为40°，外部以半径R为17mm的圆弧进行过渡，环形板超出上盖外缘的宽度L为30mm，L的长度需要环形板与上盖的装配进行保证，环形板板厚为1mm；上盖凹槽内径比中空圆形托盘的外径大2*a=10mm，上盖的壁厚为24mm，上盖凹槽底端壁厚为10mm。

本发明提供了一种利用锤击声学法对锚杆轴力监测的方法，分析步骤如下：

（1）首先根据本装置测定不同载荷下的场点声压曲线：

根据锚杆的承受力选定四个不同载荷，分别对监测装置进行声场分析：

①初锚力F₀：锚杆安装时，螺母对锚杆会有一个初始预紧力F₀，此时环形板产生弯曲变形，环形板自由振动时，此时听到声音的频率为f₀；