本發(fā)明涉及錨桿軸力測(cè)量，具體涉及一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、端部錨固錨桿通過(guò)錨固劑提供粘錨力，從而使得錨桿能夠承受一定的拉力，增強(qiáng)圍巖的抗拉強(qiáng)度。目前，盡管端部錨固錨桿相較于全長(zhǎng)錨固錨桿具有一定的缺陷與不足，但是鑒于其比較經(jīng)濟(jì)且對(duì)于大多數(shù)圍巖條件尤其是不太復(fù)雜的巷道仍具有較好的支護(hù)效果，使得其在礦井的巷道支護(hù)中仍有廣泛應(yīng)用。隨著近些年煤礦開(kāi)采深度的不斷增加，巷道的圍巖條件也愈發(fā)復(fù)雜，這也對(duì)端部錨固錨桿提出了更高的要求。因此，為了能夠提升端部錨固錨桿在工程實(shí)際中的支護(hù)性能，延長(zhǎng)其使用壽命，對(duì)端部錨固錨桿進(jìn)行軸力監(jiān)測(cè)是非常有必要的。

2、目前，煤礦井下錨桿軸力監(jiān)測(cè)主要依賴于扭矩拔手、測(cè)力錨桿、拉拔計(jì)、鋼弦計(jì)、液壓枕式測(cè)力計(jì)等工具進(jìn)行，這些工具確實(shí)對(duì)錨桿軸力的監(jiān)測(cè)提供了便利，但在很多方面仍存在一定的問(wèn)題，部分測(cè)量方法改變了錨桿支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)狀態(tài)，使測(cè)試結(jié)果往往與實(shí)際受力狀況存在較大差異；還有一些方法需事先布置一定數(shù)量的測(cè)點(diǎn)實(shí)施定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，不能大面積、連續(xù)地對(duì)錨桿受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且大多數(shù)方法仍為接觸式測(cè)量，不能很好的地保證支護(hù)體系的完整性，會(huì)對(duì)錨桿的支護(hù)效果產(chǎn)生一定的擾動(dòng)。因此，開(kāi)發(fā)錨桿軸力的實(shí)時(shí)、連續(xù)、非接觸的監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法對(duì)于確保錨桿支護(hù)質(zhì)量具有重要意義。

3、由此可見(jiàn)，現(xiàn)有技術(shù)有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，其可在不破壞錨桿和巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)完整性的情況下，采用非接觸的方式獲得連續(xù)的、錨桿桿體的軸力分布情況，為端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)提供了一種新的技術(shù)手段。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

3、一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，依次包括以下步驟：

4、步驟一、分別獲取圍巖的相關(guān)參數(shù)、錨桿在錨固過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)以及錨固劑的相關(guān)參數(shù)；

5、步驟二、采用全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)來(lái)獲取錨固體系中錨桿托盤的應(yīng)變數(shù)據(jù)，將所述的應(yīng)變數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺珗?chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊中，借助于錨桿托盤的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系獲得托錨力；

6、步驟三、在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建錨桿托盤所產(chǎn)生的托錨力ft與錨桿軸力f的力學(xué)關(guān)系的計(jì)算解析式；將步驟一和步驟二中獲取得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值輸入到所述的計(jì)算解析式中，計(jì)算得到端部錨固錨桿軸力；

7、所述的計(jì)算解析式的具體步驟為：首先得到剪應(yīng)力計(jì)算解析式，如式(1)(2)所示：

8、當(dāng)l≤x≤l時(shí)，

9、當(dāng)0≤x≤l時(shí)，τ(x)＝0???(2)；

10、托錨力ft的大小等于托盤對(duì)錨桿或螺母的作用力，如式(3)所示：

11、當(dāng)l≤x≤l時(shí)，

12、推導(dǎo)得到關(guān)于托錨力ft與錨桿軸力f的力學(xué)關(guān)系的計(jì)算解析式，如式(4)、(5)所示：

13、當(dāng)l≤x≤l時(shí)，

14、當(dāng)0≤x≤l時(shí)，f＝ft???(5)；

15、式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)中：d為鉆孔直徑；d為錨桿直徑；x為錨桿上任意一點(diǎn)距巷道表面的距離；1為錨桿自由段長(zhǎng)度；l為錨桿總長(zhǎng)；i為錨桿桿體和鉆孔之間的間隙寬，即：i＝(d-d)/2w為錨固劑與圍巖的剪切剛度系數(shù)；e為錨桿桿體的彈性模量；q為常數(shù)，c為計(jì)算方便所代換的中間量，e為數(shù)學(xué)常數(shù)，是自然對(duì)數(shù)函數(shù)的底數(shù)，其取值約為2.71828。

16、上述的一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，步驟一中，圍巖的相關(guān)參數(shù)是指圍巖的剪切剛度；錨桿在錨固過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)包括鉆孔直徑、錨桿直徑、錨桿總長(zhǎng)、錨桿自由段長(zhǎng)度、錨桿桿體和鉆孔之間的間隙寬；錨固劑的相關(guān)參數(shù)包括錨固劑的剪切剛度。

17、上述的一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，步驟二中，所述的全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)包括圖像采集模塊、可升降旋轉(zhuǎn)支架、高分辨率相機(jī)、激光測(cè)距裝置以及照明裝置，所述的圖像采集模塊位于可升級(jí)旋轉(zhuǎn)支架上，通過(guò)可升降旋轉(zhuǎn)支架來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿托盤變化的全方位監(jiān)測(cè)；所述的激光測(cè)距裝置用于測(cè)量并確定托盤所在的空間位置；所述的照明裝置用于向系統(tǒng)提供光源。

18、上述的一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，在目標(biāo)錨桿所在巷道內(nèi)選取合適的位置布置全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，將高分辨率相機(jī)對(duì)準(zhǔn)錨桿的托盤，利用圖像采集模塊進(jìn)行圖像采集，將所采集到的圖像導(dǎo)入全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法，通過(guò)追蹤錨桿托盤表面的散斑圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)變形過(guò)程中錨桿托盤的表面位移及應(yīng)變的動(dòng)態(tài)測(cè)量，并將所獲取的數(shù)據(jù)結(jié)合錨桿托盤的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系推算出錨桿托盤在發(fā)生變形過(guò)程中的托錨力。

19、上述的一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，步驟三中，w＝w1w2/(w1+w2)，其中，w1為錨固劑的剪切剛度，w2為圍巖的剪切剛度。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明帶來(lái)了以下有益技術(shù)效果：

21、(1)本發(fā)明通過(guò)分析端部錨固錨桿的受力情況，得出錨桿軸力與托錨力的力學(xué)關(guān)系式。通過(guò)分析可知，端部錨固錨桿在自由段各節(jié)點(diǎn)軸力相等，且均勻分布，而在錨固段軸力與錨桿的托錨力呈指數(shù)關(guān)系變化，解析式的推算使得錨桿軸力的計(jì)算變得更加精確直觀。本發(fā)明通過(guò)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)獲取巷道中錨桿托盤的應(yīng)變數(shù)據(jù)，在不接觸錨固體系的前提下，觀測(cè)托盤的全場(chǎng)變形，不需要貼應(yīng)變片或?qū)﹀^桿進(jìn)行拉拔等操作，只需通過(guò)將收集到的圖像與數(shù)字圖像相關(guān)法相結(jié)合，獲得托盤的全場(chǎng)應(yīng)變分布以及應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿托錨力的非接觸測(cè)量，進(jìn)一步保護(hù)錨固體系的完整性。

22、(2)本發(fā)明中將全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)中的圖像采集模塊固定在可自由移動(dòng)、升降、旋轉(zhuǎn)的支架上，打破了過(guò)去技術(shù)中錨桿軸力巡檢范圍的局限性，該裝置配置靈活，便于攜帶，擴(kuò)大了錨桿軸力的監(jiān)測(cè)范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巷道中頂板及兩幫上錨桿的多角度、全方位監(jiān)測(cè)，僅需通過(guò)、位置角度、方向的調(diào)整便可獲得全面完整且準(zhǔn)確的托盤的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)到以往技術(shù)所不能監(jiān)測(cè)到的盲區(qū)，為錨桿軸力的檢測(cè)提供更多的數(shù)據(jù)支撐，使錨桿軸力的檢測(cè)區(qū)域更自由、更完整。

23、(3)本發(fā)明采用全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到錨桿托盤的托錨力，進(jìn)而得到錨桿桿體的軸力的實(shí)時(shí)分布情況?，F(xiàn)有技術(shù)所獲得的數(shù)據(jù)往往具有延時(shí)性，無(wú)法及時(shí)的監(jiān)測(cè)錨桿軸力受力狀態(tài)，本發(fā)明所采用的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)較好的解決了這一問(wèn)題，不僅對(duì)錨固狀態(tài)的改變實(shí)時(shí)分析，還改善了因技術(shù)原因所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)收集和處理不及時(shí)的問(wèn)題，使得相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取更及時(shí)和高效。

24、(4)本發(fā)明中所利用的托錨力與錨桿軸力的力學(xué)關(guān)系式較為簡(jiǎn)潔，所需參數(shù)均為錨桿錨固過(guò)程中的基本參數(shù)，基本上不需要額外復(fù)雜的技術(shù)手段去測(cè)定，這使得方法中參數(shù)獲取的工作流程大大簡(jiǎn)化，工作量大幅下降，進(jìn)一步的提升了工作效率。

25、綜上所述，本發(fā)明方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)，該方法操作簡(jiǎn)便，可推廣應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，依次包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：步驟一中，圍巖的相關(guān)參數(shù)是指圍巖的剪切剛度；錨桿在錨固過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)包括鉆孔直徑、錨桿直徑、錨桿總長(zhǎng)、錨桿自由段長(zhǎng)度、錨桿桿體和鉆孔之間的間隙寬；錨固劑的相關(guān)參數(shù)包括錨固劑的剪切剛度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，步驟二中，所述的全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)包括圖像采集模塊、可升降旋轉(zhuǎn)支架、高分辨率相機(jī)、激光測(cè)距裝置以及照明裝置，所述的圖像采集模塊位于可升降旋轉(zhuǎn)支架上，通過(guò)可升降旋轉(zhuǎn)支架來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿托盤的變化的全方位監(jiān)測(cè)；所述的激光測(cè)距裝置用于測(cè)量并確定托盤所在的空間位置；所述的照明裝置用于向系統(tǒng)提供光源。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，在目標(biāo)錨桿所在巷道內(nèi)選取合適的位置布置全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，將高分辨率相機(jī)對(duì)準(zhǔn)錨桿的托盤，利用圖像采集模塊進(jìn)行圖像采集，將所采集到的圖像導(dǎo)入全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法，通過(guò)追蹤錨桿托盤表面的散斑圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)變形過(guò)程中錨桿托盤的表面位移及應(yīng)變的動(dòng)態(tài)測(cè)量，并將所獲取的數(shù)據(jù)結(jié)合錨桿托盤的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系推算出錨桿托盤在發(fā)生變形過(guò)程中的托錨力。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：步驟三中，w＝w1w2/(w1+w2)，其中，w1為錨固劑的剪切剛度，w2為圍巖的剪切剛度。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種端部錨固錨桿軸力的非接觸監(jiān)測(cè)方法，涉及錨桿軸力測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。該監(jiān)測(cè)方法包括：首先分別獲取圍巖的相關(guān)參數(shù)、錨桿在錨固過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)以及錨固劑的相關(guān)參數(shù)；然后采用全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)來(lái)獲取錨固體系中錨桿托盤的應(yīng)變數(shù)據(jù)，將應(yīng)變數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺珗?chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊中，借助于錨桿托盤的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系獲得托錨力；最后，在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建錨桿托盤所產(chǎn)生的托錨力F<subgt;t</subgt;與錨桿軸力F的力學(xué)關(guān)系的計(jì)算解析式；將步驟一和步驟二中獲取得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值輸入到計(jì)算解析式中，計(jì)算得到端部錨固錨桿軸力。通過(guò)本發(fā)明方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿托錨力的非接觸測(cè)量，進(jìn)一步保護(hù)錨固體系的完整性。

技術(shù)研發(fā)人員：齊俊銘,侯俊華,李冬冬,安明,李振環(huán),任學(xué)存,周猛猛,徐光,玄長(zhǎng)遠(yuǎn),徐福耀,陳淼,王皓,張廣超
受保護(hù)的技術(shù)使用者：兗礦能源集團(tuán)股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6