[發明專利]一種利用錘擊聲學法對錨桿軸力監測的裝置及方法

有效

• 申請號: 201510476087.4
• 申請日: 2015-08-06
• 公開（公告）號: CN105067170B
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 趙利平;張杰;梁義維;竇傳浩;尹啟瑞
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01L1/25
• 分類號: G01L1/25
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司14101
• 代理人: 申艷玲

技術領域

本發明涉及一種利用錘擊聲學法對錨桿軸力監測的裝置及方法，主要應用于礦山、地下工程等巷道、隧道中需要使用錨桿錨固的領域。

背景技術

錨桿支護已成為世界各國礦井巷道的一種主要支護形式，代表了煤礦巷道支護技術的主要發展方向。近年來由于掘進面的不斷延伸和開采范圍的擴大，冒頂事故也時常發生，已經造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。在錨桿支護巷道的服務年限內，及時準確的對錨桿支護質量進行檢測，對錨桿支護工程的正常維護和礦井安全生產具有十分重要的意義。

現有的礦用錨桿軸力檢測裝置主要分為兩大類：一類是需要電源供電，中國專利CN101059382A公開了一種光纖光柵錨桿測力計；2002年，英國倫敦大學的M.D.Beard博士等人利用導向超聲波來對錨桿進行檢測；2007年太原理工大學的李義教授等人提出應力波反射法對錨桿軸力進行檢測；2011年中國煤炭科工集團西安研究院邢龍龍提出電阻應變式測力錨桿,在支護過程中，由于錨桿的使用數量比較多，如果通過電線給每個檢測裝置供電，會增加巷道內電線的使用數量，對巷道的安全管理帶來一定難度，因此第一類監測裝置并沒有得到廣泛的應用。另一類不需要電源供電，中國專利CN103267596A公開了一種通過測量液體壓力來判斷錨桿的軸向力;2012年太原理工大學劉青康提出一種無需電源供電的活塞式錨桿軸力檢測裝置；2014年太原理工大學周清亮提出了一種無源型礦用錨桿軸向力監測裝置，但檢測裝置結構復雜，成本較高，體積較大，需要專門工作人員進行檢測，不適合大規模使用。

目前，國內礦井一般采用錨桿拉拔力檢測，需要專門的工作人員定期對錨桿抽樣試驗，是一個既費時又費力的過程，其他監測裝置由于本身的局限性，并沒有得到廣泛的應用。因此，研究出一種低成本、結構簡單、易于監測、可靠性高、適合大規模使用的錨桿監測裝置對礦井的安全生產具有十分重要的意義。

發明內容

本發明旨在提供一種利用錘擊聲學法對錨桿軸力監測的裝置及方法，該監測裝置利用結構模態在相同主振型下的固有頻率與應力之間的線性關系，使監測裝置在受到錘擊力做自由振動時，發出的聲音的頻率隨固有頻率的變化而變化，工作人員可以根據不同頻率的聲音來判斷錨桿軸向力的大小。該監測裝置結構簡單、可靠性高、適合大規模使用，實現了對錨桿軸向力的實時監測。

本發明提供了一種利用錘擊聲學法對錨桿軸力監測的裝置，包括上蓋和下部托盤，上蓋為空心圓柱結構，中間的通孔供錨桿穿過，在圓柱底部設有凹槽；下部托盤包括中空圓形托盤，圓形托盤上端部設有環形板，圓形托盤的中間通孔供錨桿穿過，環形板上方與上蓋的下端相接觸，上蓋扣在環形板上，上蓋和下部托盤之間形成空腔。

錨桿用于插入巖體中起支護作用，本發明裝置的各部件上設有穿入錨桿用的預留孔，一般安裝在錨桿的下端部，該裝置位于螺母和調心墊之間，裝置上蓋與調心墊接觸，調心墊上方為礦用托盤，托盤與巖體直接接觸；中空圓形托盤與環形板為一個整體，下部托盤下方為螺母。

上述裝置的各部件上設有穿入錨桿用的通孔，通孔直徑d=d₀+2，其中d₀為錨桿直徑。

作為一種優選方案，所述中空圓形托盤底部的厚度為20mm，為中空圓柱形，圓柱的上端部與環形板沿錨桿的軸向距離為h=7mm，托盤與環形板接觸處內部所成夾角α為40°，外部以半徑R為17mm的圓弧進行過渡，環形板超出上蓋外緣的寬度L為30mm，L的長度需要環形板與上蓋的裝配進行保證，環形板板厚為1mm；上蓋凹槽內徑比中空圓形托盤的外徑大2*a=10mm，上蓋的壁厚為24mm，上蓋凹槽底端壁厚為10mm。

本發明提供了一種利用錘擊聲學法對錨桿軸力監測的方法，分析步驟如下：

（1）首先根據本裝置測定不同載荷下的場點聲壓曲線：

根據錨桿的承受力選定四個不同載荷，分別對監測裝置進行聲場分析：

①初錨力F₀：錨桿安裝時，螺母對錨桿會有一個初始預緊力F₀，此時環形板產生彎曲變形，環形板自由振動時，此時聽到聲音的頻率為f₀；