锚杆拉拔力无损动力检测装置和方法

摘要

本发明公开了一种锚杆拉拔力无损动力检测装置和方法，它包括锚杆，锚杆经锚固体固定在围岩上的锚杆孔内，锚杆外露端设有托板，托板经锁紧螺母固定在围岩上，锚杆的外露端设有连接套，速度传感器设置在连接套内，速度传感器经信号传输线连接信号采集分析仪；所述连接套的端部设有滑杆固接套，滑杆固接套连接滑杆，滑杆的尾部设有撞击座，滑杆上套装穿心锤。经瞬态定值激振中的穿心锤与滑杆的尾部的撞击座弹性撞击，由速度传感器进行信号采集，并将信号输入信号采集分析仪换算成锚杆拉拔力。本发明克服了现有技术不能在井下直观读取拉拔力数据的缺陷。本发明适用于矿山和隧道的锚杆拉拔力检测、数据计算和数据显示。

权利要求

1.一种锚杆拉拔力无损动力检测方法，其特征在于它的检测步骤包括：

1）、该锚杆拉拔力无损动力检测方法所使用的检测装置，包括锚杆（3），锚杆（3）经锚固体（2）固定在围岩（1）上的锚杆孔（4）内，锚杆（3）外露端设有托板（5），托板（5）经锁紧螺母（6）固定在围岩（1）上，锚杆（3）的外露端设有连接套（9），速度传感器（7）设置在连接套（9）内，速度传感器（7）经信号传输线（8）连接信号采集分析仪（14）；所述连接套（9）的端部设有滑杆固接套（10），滑杆固接套（10）连接滑杆（11），滑杆（11）的尾部设有撞击座（13），滑杆（11）上套装穿心锤（12）；

2）、瞬态定值激振：穿心锤（12）以对撞击座（13）的滑距H沿滑杆（11）向下自由滑落，与滑杆（11）尾部的撞击座（13）发生弹性碰撞，从而在锚杆（3）端部产生纵向拉应力波，引发预应力锚杆（3）纵向振动；碰撞系数根据穿心锤（12）碰撞后回弹高度来计算，回弹高度根据振动波形中两个激振应力波的时间差计算；

3）、信号采集：速度传感器（7）装配在螺纹连接套（9）上，速度传感器（7）采集穿心锤（12）与撞击座（13）发生弹性碰撞的振动速度信号，并将该信号经信号传输线（8）发送至采集分析仪（14）；

4）、拉拔力计算：采集分析仪（14）设有拉拔力计算模块，拉拔力计算模块对振动速度信号进行快速傅立叶变换得到信号功率谱，并利用极值定理确定预应力锚杆（3）振动前的

1～3阶频率，与该预应力锚杆（3）的振动理论基频相比较，得到实测的预应力锚杆（3）振动基频作为计算频率值f0；然后综合由该锚杆（3）振动速度信号直接提取的振动初速度和碰撞系数，由信号采集仪（14）中的拉拔力计算模块计算该预应力锚杆（3）拉拔力；拉应力波形的首波波峰峰值为Ad，由v0=α×Ad确定预应力锚杆（3）纵向激振后的振动初速度，其2

中α 为速度传感器（7）的灵敏度系数，由公式h=gt /8计算回弹高度，其中，t为波形上首波与回弹波的时间差，g为重力加速度；并由公式ε=h/H计算回弹系数；在综合确定f0、v0、ε 后，点击采集分析仪（14）上的“拉拔力计算”按键，由采集分析仪（14）自动计算并显示锚杆（3）拉拔力检测值。

说明书

锚杆拉拔力无损动力检测装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种矿井和隧道的锚杆拉拔力无损动力检测装置和方法。

背景技术

[0002] 锚杆被广泛应用于矿山、隧道围岩加固和支护中，以煤矿为例，我国煤矿巷道锚杆用量至少在5000万根以上，如何准确、全面地计算锚杆拉拔力是否满足设计要求，目前仍然是一个难题。事实上，对于现在的深部煤矿巷道，由于围岩高应力、围岩性质差异和地质构造的影响，同一巷道的锚杆拉拔力都存在极大的差异，少部分锚杆拉拔力达不到要求都将引起垮巷、冒顶等事故的发生。因此，在巷道施工和服务期间分别对在役锚杆进行拉拔力无损检测，及时掌握在役锚杆拉拔力变化情况，对于煤矿安全意义明显。

[0003] 专利《一种锚杆极限承载力的无损检测方法》（CN1793897A）采用结构动测技术获取信息，采用智能信号分析技术对获取的信息进行处理，然后通过已训练好的神经网络智能识别系统进行预测锚杆极限承载力的检测方法；这种检测方法不能在井下直观读取拉拔力，且未考虑预应力对准确读取拉拔力的影响。专利《锚杆锚固极限力的无损动力检测装置与方法》（CN101082564A），在锚固于煤（岩）层锚杆锚索外露端上安装传感器连接装置，并在传感器连接装置上安装与智能动测仪相连的加速度传感器，通过对锚杆正端面施加击振力，使锚杆产生纵向振动，由加速度传感器采集此微振动加速度信号，传输给智能动测仪，智能动测仪将接收到的加速度信号转换成数字信号并存储，最后将所有采集到的数据输入到计算机进行运算处理，完成锚杆锚固极限力非破损检测；这种检测方法同样不能在井下直观读取拉拔力。目前对锚杆拉拔力检测主要是利用液压千斤顶进行拉拔试验来测定锚杆的拉拔力，这种检测手段是破损检测，被检测过的锚杆一般不能再用于支护顶板或两帮，因而只能在设计中作为设计参考，并不能达到评估某巷道锚杆锚固质量的目的，而且既费工又费时。对锚固质量进行检测时，采取只拉拔到设计锚固极限力的80%，若能达到设计锚固极限力的80%，则认为该根锚杆合格，尽管这样检测后的锚杆仍可复用，但仍对锚杆及其周围岩体产生较强的扰动，降低了锚杆对围岩的加固作用。

发明内容

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种直接用于现役锚杆检测的锚杆拉拔力无损动力检测装置和方法。

[0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案是：它包括锚杆，锚杆经锚固体固定在围岩上的锚杆孔内，锚杆外露端设有托板，托板经锁紧螺母固定在围岩上，锚杆的外露端设有连接套，速度传感器设置在连接套内，速度传感器经信号传输线连接信号采集分析仪；所述连接套的端部设有滑杆固接套，滑杆固接套连接滑杆，滑杆的尾部设有撞击座，滑杆上套装穿心锤。

[0006] 本发明的检测步骤包括：1）、瞬态定值激振，穿心锤以对撞击座滑距H 沿滑杆向下自由滑落，与滑杆尾部的撞击座发生弹性碰撞，从而在锚杆端部产生纵向拉应力波，引发预应力锚杆纵向振动；碰撞系数根据穿心锤碰撞后回弹高度来计算，回弹高度根据振动波形中两个激振应力波的时间差计算；2）、信号采集：速度传感器装配在螺纹连接套上，速度传感器采集穿心锤与撞击座发生弹性碰撞的振动速度信号，并将该信号经信号传输线发送至采集分析仪；3）、拉拔力计算：采集分析仪设有拉拔力计算模块，拉拔力计算模块对振动速度信号进行快速傅立叶变换得到信号功率谱，并利用极值定理确定预应力锚杆振动前的1～3阶频率，与该预应力锚杆的振动理论基频相比较，得到实测的预应力锚杆振动基频作为计算频率值f0；然后综合由该锚杆振动速度信号直接提取的振动初速度和碰撞系数，由信号采集仪中的拉拔力计算模块计算该预应力锚杆拉拔力；拉应力波形的首波波峰峰值为Ad，由v0=α×Ad确定预应力锚杆纵向激振后的振动初速度，其中α 为速度传感器的灵敏度
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系数，t 为波形上首波与回弹波的时间差，由公式h=gt /8计算回弹高度，并由公式ε=h/H计算回弹系数；在综合确定f0、v0、ε后，点击采集分析仪上的“拉拔力计算”按键，由采集分析仪自动计算并显示锚杆拉拔力检测值。

[0007] 本发明相比现有技术所产生的有益效果：

[0008] 本发明采取反向激振的方法，产生拉应力波来消除压应力波在托板与围岩壁接触面的反射波干扰；选择符合预应力锚杆锚固系统固有频率的速度传感器来直接采集系统振动速度信号，以直接提取系统振动初速度；为消除碰撞时能量损耗对拉拔力计算的影响，通过穿心锤回弹高度计算回弹系数来确定碰撞的能量损耗；最后由系统振动初速度、穿心锤质量和碰撞系数计算预应力锚杆锚固系统参振质量，根据系统振动基频由固化在信号采集仪中的拉拔力计算模块计算检测锚杆的拉拔力。本发明在拉拔力的检测过程中，对现役的锚杆无损坏，无拆卸，且检测方便、快捷，检测精度高；信号采集仪能够直接计算和显示拉拔力的计算数据。本发明克服了现有技术不能在井下直观读取拉拔力数据的缺陷。

[0009] 本发明适用于矿山和隧道的锚杆拉拔力检测、数据计算和显示。

[0010] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

[0011] 图1是本发明的结构图。

[0012] 图中：1、围岩，2、锚固体，3、锚杆，4、锚杆孔，5、托板，6、锁紧螺母，7、速度传感器，8、信号传输线，9、连接套，10、滑杆固接套，11、滑杆，12、穿心锤，13、撞击座。

具体实施方式

[0013] 参见图1，一种锚杆拉拔力无损动力检测装置和方法，它包括锚杆3，锚杆3经锚固体2固定在围岩1上的锚杆孔4内，锚杆3外露端设有托板5，托板5经锁紧螺母6固定在围岩1上，锚杆3的外露端设有连接套9，速度传感器7设置在连接套9内，速度传感器7经信号传输线8连接信号采集分析仪14；连接套9的端部设有滑杆固接套10，滑杆固接套10连接滑杆11，滑杆11的尾部设有撞击座13，滑杆11上套装穿心锤12。

[0014] 本发明的检测步骤包括：

[0015] 1）、瞬态定值激振：穿心锤12以对撞击座13的滑距H沿滑杆11向下自由滑落，与滑杆11尾部的撞击座13发生弹性碰撞，从而在锚杆3端部产生纵向拉应力波，引发预应力锚杆3纵向振动；碰撞系数根据穿心锤12碰撞后回弹高度来计算，回弹高度根据振动波形中两个激振应力波的时间差计算。

[0016] 以煤矿预应力锚杆3为实施例，围岩1为煤矿巷道顶板接触面，锚杆3的预应力普遍约为30～50kN，锚杆3经锚固体2固定后，使托板5与接触面产生一定的压应力，进行锚杆3动力检测时，通常方法是沿锚杆3纵向方向在锚杆3端部施加一瞬态压应力波，压应力波在传播到托板5与煤壁接触面位置时必将引起波的反射与透射，成为干扰波，使检测精度受到影响。

[0017] 本发明是在锚杆3端部沿纵向施加一定幅值的拉应力波，由于托板5与煤矿巷道顶板接触面不能传递拉应力波，激振的拉应力波几孚全部传入锚固端，激起锚固体2纵向振动，托板5与接触面的干扰波则基本不明显。为实现煤矿巷道顶板锚杆3的拉应力波，穿心锤12以滑距H沿滑杆11由上往下自由滑落，与滑杆11尾部半圆球撞击座13发生弹性碰撞，从而在锚杆3的端部产生一纵向拉应力波，触发预应力锚杆3纵向振动。碰撞系数根据穿心锤12碰撞后回弹高度来计算，而回弹高度可根据振动波形中两个激振应力波的时间差计算。

[0018] 2）、信号采集：速度传感器7装配在螺纹连接套9上，速度传感器7采集穿心锤12与撞击座13发生弹性碰撞的振动速度信号，并将该信号经信号传输线8发送至采集分析仪14。

[0019] 目前现有的锚杆3检测中主要采用加速度传感器，但采用加速度传感器，需对采集信号进行数字积分，会使一些干扰波在积分过程中被放大，故本检测信号采集传感器直接采用速度传感器7，速度传感器7带宽在500Hz～2000Hz。速度传感器7装配在滑杆11激振装置的螺纹连接套9上。

[0020] 速度传感器7与信号采集仪14由信号传输线8连接，激振前先将速度传感器7固接，并与信号采集仪14连接好，将信号采集仪14调试到信号采集界面，发出信号采集指令，使信号采集仪14处于待接收状态，然后将穿心锤12沿滑杆11提起一定高度，释放穿心锤12完成一次激振，信号采集仪14采集到此次激振信号后存储，重复激振3～4次后，当信号一致性较好时计算锚杆3的拉拔力，否则重新采集。

[0021] 3）、拉拔力计算，当单根锚杆3速度信号采集结束后，选择其中一个信号进行时域分析，得到锚杆3自由端长度，同时根据已知的锚杆3长度计算锚固长度，理论计算该锚杆3的前1～3阶频率，以及锚固端视为固支时的预应力锚杆3振动固有基频，理论确定预应力锚杆3的振动基频。采集分析仪14设有拉拔力计算模块，拉拔力计算模块对振动速度信号进行快速傅立叶变换得到信号功率谱，并利用极值定理确定预应力锚杆3振动前的1～3阶频率，与该预应力锚杆3的振动理论基频相比较，得到实测的预应力锚杆3振动基频作为计算频率值f0；然后综合由该锚杆3振动速度信号直接提取的振动初速度和碰撞系数，由信号采集仪14中的拉拔力计算模块计算该预应力锚杆3的拉拔力；拉应力波形的首波波峰峰值为Ad，由v0=α×Ad确定预应力锚杆纵向激振后的振动初速度，其中α为速度传感器7
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的灵敏度系数，t为波形上首波与回弹波的时间差。由公式h=gt /8计算回弹高度，并由公式ε=h/H 计算回弹系数。在综合确定f0、v0、ε 后，点击采集分析仪14上的“拉拔力计算”按键，由采集分析仪14自动计算并显示锚杆3拉拔力检测值。