一種利用錘擊聲學法對錨桿軸力監(jiān)測的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用錘擊聲學法對錨桿軸力監(jiān)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(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]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(shù)的主要發(fā)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(fā)生，已經(jīng)造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。在錨桿支護巷道的服務(wù)年限內(nèi)，及時準確的對錨桿支護質(zhì)量進行檢測，對錨桿支護工程的正常維護和礦井安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。
[0003]現(xiàn)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?zhí)岢鲭娮钁兪綔y力錨桿，在支護過程中，由于錨桿的使用數(shù)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(nèi)電線的使用數(shù)量，對巷道的安全管理帶來一定難度，因此第一類監(jiān)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(jiān)測裝置，但檢測裝置結(jié)構(gòu)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(guī)模使用。
[0004]目前，國內(nèi)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(jiān)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(jié)構(gòu)簡單、易于監(jiān)測、可靠性高、適合大規(guī)模使用的錨桿監(jiān)測裝置對礦井的安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種利用錘擊聲學法對錨桿軸力監(jiān)測的裝置及方法，該監(jiān)測裝置利用結(jié)構(gòu)模態(tài)在相同主振型下的固有頻率與應力之間的線性關(guān)系，使監(jiān)測裝置在受到錘擊力做自由振動時，發(fā)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(jù)不同頻率的聲音來判斷錨桿軸向力的大小。該監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、適合大規(guī)模使用，實現(xiàn)了對錨桿軸向力的實時監(jiān)測。
[0006]本發(fā)明提供了一種利用錘擊聲學法對錨桿軸力監(jiān)測的裝置，包括上蓋和下部托盤，上蓋為空心圓柱結(jié)構(gòu)，中間的通孔供錨桿穿過，在圓柱底部設(shè)有凹槽；下部托盤包括中空圓形托盤，圓形托盤上端部設(shè)有環(huán)形板，圓形托盤的中間通孔供錨桿穿過，環(huán)形板上方與上蓋的下端相接觸，上蓋扣在環(huán)形板上，上蓋和下部托盤之間形成空腔。
[0007]錨桿用于插入巖體中起支護作用，本發(fā)明裝置的各部件上設(shè)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(diào)心墊之間，裝置上蓋與調(diào)心墊接觸，調(diào)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(huán)形板為一個整體，下部托盤下方為螺母。
[0008]上述裝置的各部件上設(shè)有穿入錨桿用的通孔，通孔直徑d=dQ+2，其中d。為錨桿直徑。
[0009]作為一種優(yōu)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(huán)形板沿錨桿的軸向距離為h=7mm，托盤與環(huán)形板接觸處內(nèi)部所成夾角α為40°，外部以半徑R為17mm的圓弧進行過渡，環(huán)形板超出上蓋外緣的寬度L為30mm，L的長度需要環(huán)形板與上蓋的裝配進行保證，環(huán)形板板厚為Imm;上蓋凹槽內(nèi)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。
[0010]本發(fā)明提供了一種利用錘擊聲學法對錨桿軸力監(jiān)測的方法，分析步驟如下:
(I)首先根據(jù)本裝置測定不同載荷下的場點聲壓曲線:
根據(jù)錨桿的承受力選定四個不同載荷，分別對監(jiān)測裝置進行聲場分析:
①初錨力F。:錨桿安裝時，螺母對錨桿會有一個初始預緊力F。，此時環(huán)形板產(chǎn)生彎曲變形，環(huán)形板自由振動時，此時聽到聲音的頻率為fD;
②報警載荷F1:報警載荷F1，相對于破斷載荷F2提前了F2-F1 (說明此時的錨桿已經(jīng)處于危險狀態(tài)，工作人員應該采取相應的安全措施，防止事故的發(fā)生或減少事故發(fā)生時的經(jīng)濟損失和人員傷亡)，當錨桿的軸向力增加到匕時，環(huán)形板發(fā)生進一步的彎曲變形，其內(nèi)應力增加，環(huán)形板的固有頻率隨應力的增加而發(fā)生變化，環(huán)形板自由振動時，此時聽到的聲音的頻率為f1;
③破斷載荷F2:錨桿所能承受的最大載荷為F2，即錨桿軸力達到F2時，錨桿會發(fā)生斷裂；監(jiān)測裝置在F2載荷下的最大應力σ _應該小于材料的屈服強度為σ s;當錨桿的軸向力增加到匕時，環(huán)形板發(fā)生進一步的彎曲變形，其內(nèi)應力增加，環(huán)形板的固有頻率隨應力的增加而發(fā)生變化，環(huán)形板自由振動時，此時聽到的聲音的頻率為f2;
④失效載荷F3:錨桿破斷或錨固失效后，監(jiān)測裝置受力為F3=O,此時環(huán)形板不發(fā)生彎曲，內(nèi)部應力狀態(tài)為零；環(huán)形板自由振動時，此時聽到的聲音的頻率為f3;
本發(fā)明提供的監(jiān)測方法在對錨桿軸力進行監(jiān)測時，首先將所述的監(jiān)測裝置安裝到錨固結(jié)構(gòu)中，當巖體的應力發(fā)生變化時，巖體對監(jiān)測裝置的作用力發(fā)生改變，當作用力增加時，環(huán)形板的彎曲變形增大，內(nèi)部應力增大，環(huán)形板的固有頻率發(fā)生變化；通過對環(huán)形板施加錘擊力得到該受力狀態(tài)下的聲音頻率，通過四種不同載荷區(qū)間的頻率值，即通過聲壓-頻率曲線圖，來判斷錨桿承受的力是否屬于安全值范圍。
[0011]所述監(jiān)測方法中，應處于與監(jiān)測裝置軸線呈75度角范圍內(nèi)進行聲音頻率的測定。
[0012]本發(fā)明中，對環(huán)形板施加錘擊力時，環(huán)形板的自由振動是結(jié)構(gòu)模態(tài)主振型的疊加，通過改變主振型對應的固有頻率來改變環(huán)形板自由振動的頻率，
本發(fā)明的有益效果:
I)較好的解決了監(jiān)測錨桿軸向力的問題，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于判斷軸向力的大小，適合大規(guī)模使用。
[0013]2)激勵采用錘擊法，并且錘擊力度取值范圍較廣，可根據(jù)錘擊環(huán)形板時發(fā)出聲音的頻率來判斷軸力的大小，監(jiān)測方法簡單，適合人工操作；
3)錨桿破斷時，環(huán)形板的彎曲變形在彈性范圍內(nèi)，監(jiān)測裝置可以重復使用，減少材料消耗，降低了成本。
【附圖說明】
[0014]圖1是監(jiān)測裝置的安裝示意圖；
圖2是監(jiān)測裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是四個不同載荷下場點聲壓曲線；
圖4是監(jiān)測裝置所受載荷與環(huán)形板固有頻率的關(guān)系曲線；
圖5是監(jiān)測裝置上蓋部件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是監(jiān)測裝置下部托盤部件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是不同錘擊力下同一位置場點聲壓曲線；
圖8是四個不同錘擊點的位置；
圖9是四個不同錘擊點下同一位置場點的聲壓曲線；
圖10是工作人員所處四個不同檢測位置；
圖11是工作人員所處四個不同檢測位置場點的聲壓曲線；
圖中，1、巖石 2、托盤 3、調(diào)心墊 4、上蓋 5、環(huán)形板 6、中空圓形托盤7、螺母8、銷桿。
【具體實施方式】
[0015]下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。
[0016]實施例:
錨桿用于插入巖體中起支護作用，圖1示出了本發(fā)明監(jiān)測裝置的安裝示意圖，本發(fā)明裝置的各部件上設(shè)有穿入錨桿用的預留孔，一般安裝在錨桿8的下端部，該裝置位于螺母7和調(diào)心墊3之間，裝置上蓋4與調(diào)心墊3接觸，調(diào)心墊3上方為礦用托盤2，托盤2與巖體I直接接觸；中空圓形托盤6與環(huán)形板5為一個整體，下部托盤下方為螺母7。
[0017]監(jiān)測裝置的具體結(jié)構(gòu)見圖2所示:裝置包括上蓋4和下部托盤，上蓋4為空心圓柱結(jié)構(gòu)，中間的通孔供錨桿8穿過，在圓柱底部設(shè)有凹槽；下部托盤包括中空圓形托盤6，中空圓形托盤6上端部設(shè)有5環(huán)形板，圓形托盤的中間通孔供錨桿8穿過，環(huán)形板5上方與圓柱的下端相接觸，上蓋4扣在環(huán)形板5上，上蓋4和下部托盤之間形成空腔。
[0018]圖5、圖6為監(jiān)測裝置的分解結(jié)構(gòu)圖，示出了各部件的尺寸，上述裝置的各部件上設(shè)有穿入銷桿用的通孔，本實施例選取的銷桿直徑為(1。=20_，通孔直徑(1=(1。+2=22_。
[0019]所述中空圓形托盤6的底部厚度為20mm，為中空圓柱形，圓柱的上端部與環(huán)形板沿錨桿的軸向距離為h=7