[发明专利]一种矿用锚杆轴向力监测装置及监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种矿用锚杆轴向力监测装置及监测方法，属于采矿工程领域。

背景技术

岩土锚固技术是指采用锚杆或者锚索对岩土体进行加固的技术。能够及时、准确的对大量锚杆锚固力进行监测对于锚固工程的安全具有十分重要的意义。传统的矿用锚杆轴向力监测装置分两类，一种使用电源，如应变片式，利用锚杆的应变来检测锚杆的应力，但由于需要电源，安全管理复杂。另一类不需要电源，有液压式、压感纸式,液压式是由液压压力盒和压力表组成，通过观察压力表的值来判断锚杆所受的载荷，但其结构复杂，制造维护成本高，体积大，不宜大规模使用；压感纸式是通过观察筒子上压感纸颜色的长度来判断轴向力，但是周向分布的压感纸颜色长度不一，很难辨别。

因此，需要一种低成本、高可靠性、无需电源、适合大规模安装使用的监测装置，通过大规模安装该装置，可以实现人人均能检测巷道安全，大大提高巷道安全性能。

中国专利CN203452813U公开了一种通过观察高强弹簧的位移来判断轴向力的方案，但是由于位移太小，直接通过肉眼观察变形量来判断锚杆的轴向力非常困难。

发明内容

本发明旨在提供一种矿用锚杆轴向力监测装置及监测方法，本文提出了一种由显示装置与弹性结构组成的锚杆轴向力监测装置，通过显示装置将弹性结构受压时产生的毫米级变形量转化为不同的图案，通过观察显示装置的不同图案来判断锚杆的轴向力。

根据以上分析综合考虑锚杆轴向力监测装置，采用反光条纹作为显示装置显示的图案。

本发明提供了一种矿用锚杆轴向力监测装置，包括弹性结构和显示装置，其特征在于：所述弹性结构为弹簧，弹簧套在锚杆上，弹簧上端连接调心垫，下端连接螺母；所述显示装置包括遮光筒和反光筒，反光筒与弹簧上端连接，遮光筒与弹簧下端连接，反光筒由具有周期性的白色反光与黑色不反光的条纹组成，一个周期由宽度为e的白色窄条纹、宽度为w的黑色窄条纹、宽度为q的白色宽条纹、宽度为n+m的黑色宽条纹组成；遮光筒由具有周期性的白色透明与黑色不透明的条纹组成，遮光筒上白色条纹和黑色条纹的宽度相等，一个周期由宽度为n的白色条纹和宽度为n的黑色条纹组成；反光筒与遮光筒装配后条纹具有m的相位差。

本发明提供了一种采用上述矿用锚杆轴向力监测装置的监测方法，其特征在于：该方法是通过弹性结构产生变形使遮光筒和反光筒产生相对位移，从而出现不同的监测图像来进行监测的。

所述矿用锚杆轴向力监测方法，具体包括以下步骤：

当岩体的应力变化时，岩体对弹性结构的作用力发生变化，当此作用力增加时，弹性结构被压缩，产生变形，使遮光筒与反光筒发生相对位移，形成以下三种状态：

(1)I阶段：当弹性结构所受载荷由0到F_a逐渐增大时，弹性结构逐渐被压缩，反光筒逐渐向下平移，白色宽条纹的显示宽度逐渐减小，当载荷达到初锚力F_a时，反光筒向下平移q,宽度为q的白色宽条纹刚好被完全遮住，显示的图像为黑色条纹中间有白色窄条纹；

(2)Ⅱ阶段：当弹性结构所受载荷在F_a到F_b之间逐渐增大时，显示的图像初始保持步骤(1)中的图像，直至反光筒向下位移增量趋近于w,显示的反光条纹宽度e逐渐减小，当载荷达到报警载荷F_b时反光筒向下总位移为b，反光筒的宽度为e的白色窄条纹也刚好全被遮住，显示的图像为全黑条纹，由于w远大于e，因此在Ⅱ阶段的前期阶段大部分时间里保持步骤(1)中的图像；

(3)Ⅲ阶段：当弹性结构所受载荷在F_b到F_c之间逐渐增大时，由于反光筒与遮光筒相位差为m，显示的图像初始时保持步骤(2)中的图像，直到位移为n，此时锚杆已破断，弹性结构所受载荷变为0，弹性结构轴向位移突变为0，显示的图像由白色窄条纹、黑色窄条纹、白色宽条纹、黑色宽条纹相间组成。

本监测装置主要监测锚杆的三种受力状态，1、初锚力F_a，提示初锚力已加到位，反光筒位移为q时锚杆轴向力为F_a；2、报警载荷F_b，提示锚杆处于危险状态，反光筒位移为b时锚杆轴向力为F_b；3、锚杆破断后轴向力为0的载荷，用于指示锚杆破断后的或锚固失效状态，此时弹簧形变达到了最大值，反光筒位移为n。锚杆载荷临近破断载荷F_c时，弹性结构轴向位移为n,锚杆承受的载荷达到破断载荷F_c时锚杆断裂，此时弹性结构所受载荷变为0，弹性结构轴向位移突变为0。