一种多功能监测预警锚杆的制作方法

本发明涉及锚杆锚固领域，特别涉及一种多功能监测预警锚杆。

背景技术：

目前，采用经济有效的锚杆支护来抑制煤矿巷道变形，已经成为一种常用的有效方案。但在煤矿开采过程中，锚杆所处的应力环境复杂，除原岩应力与支护应力，还受应力波、采动支承应力等开采应力影响，易导致巷道变形或破坏；另外，锚杆支护本身属于隐蔽性工程，锚杆体打入在围岩体内部，施工人员无法直观了解锚杆的应力变化及围岩应力状态。传统的锚杆检测主要是针对单个锚杆，由专业技术人员在井下工作场合使用应变式传感器、压电式传感器、弹性波等精密仪器检测，具有风险大、耗时长、工作量大、即时性弱等缺陷，无法及时对整个锚杆支护系统进行测量、评价，在面对巷道垮落突发性灾害时，亦无法及时提醒人员撤离。因此，研究和开发能够随机、实时、大面积检测的锚杆，对巷道围岩稳定性的监测非常重要。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、实时性强的多功能监测预警锚杆。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种多功能监测预警锚杆，包括杆体、应变片、预警螺帽和电源，电源为整个预警锚杆提供工作电源，所述杆体内设有液压囊，杆体一端轴向开插孔，插孔的底部与液压囊相接触且接触处嵌有应变片，所述杆体的开孔端螺纹连接预警螺帽，预警螺帽内设有光电断路电路和压力变送器，所述插孔内设有用于连接应变片与预警螺帽内的压力变送器的铜片，所述铜片上固定有用于遮挡预警螺帽内光电断路电路的挡板。

上述多功能监测预警锚杆，所述预警螺帽上正对插孔的位置处凸设两个引脚，两个引脚伸入插孔内，两个引脚中间设有用于供铜片插入的铜槽，铜槽通过导线与压力变送器的输入端相连，压力变送器的输出端通过预警螺帽上的导线孔与设置在安全区的压力数字显示器电连接。

上述多功能监测预警锚杆，所述预警螺帽的两个引脚上相对设有两个导通孔，光电断路电路中用于发射和接收光的光电元件分别位于两个导通孔中，所述挡板位于两个导通孔中间。

上述多功能监测预警锚杆，所述液压囊为内部充满液压油的圆柱状橡胶囊。

上述多功能监测预警锚杆，所述应变片直径大于插孔直径，应变片的应变主体结构为圆形且直径小于插孔直径。

上述多功能监测预警锚杆，所述挡板采用遮光材料制成。

上述多功能监测预警锚杆，所述电源位于地面上，电源上设有工作指示灯。

本发明的有益效果在于：

1、本发明在常用的杆体内部设置有液压囊与应变片，使得隐藏在围岩体内杆体的受力信息，通过液压囊挤压应变片传递应力信号，并且在传统锚杆的基础上增加了预警螺帽，预警螺帽内部设置有光电断路电路与压力变送器，当液压囊受力挤压应力片时，应力片部分区域形变，使铜片沿插孔方向移动至某一位置时，引起挡板移动，光电断路电路导通，发出声音警报；另一方面，压力变送器可将应变片压力信号沿导线传递至数百米之外的压力数字显示器，用于进入工作区域前的安全监测，具有结构简单、实时性强、监测精确的优点。

2、本发明将监测点的预警螺帽内置光电断路电路与压力数字显示器外接地表电源，并设置对应的工作指示灯，当锚杆支护失效导致巷道垮落时，连接锚杆的导线被拉断，导致外接电路断路（断电），地上电源指示灯暗，以此确定受灾害区域，从而指导灾后救灾工作。

附图说明

图1为本发明的整体示意图。

图2为图1中杆体的主视图。

图3为图1中杆体的立体图。

图4为图1中应变片的结构示意图。

图5为图4的俯视图。

图6为图1中应变片的区域划分示意图。

图7为本发明的应变片的安装位置示意图。

图8为图1中预警螺帽的主视图。

图9为图1中预警螺帽的立体图。

图10为图1中预警螺帽内光电断路电路的电路图。

图11为本发明光电断路电路的工作原理图。

图12为图1中压力变送器的电路连接图。

图13为图1中压力变送器的工作示意图。

图14为本发明进行区域定位的电路图。

图15为本发明进行区域定位的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种多功能监测预警锚杆，包括杆体8、应变片6、预警螺帽9和电源13。如图2、图3所示，所述杆体8内设有液压囊7，液压囊7为内部充满液压油的圆柱状橡胶囊，杆体8一端轴向开插孔18，插孔18的底部与液压囊7相接触且接触处嵌有应变片6。所述杆体8的开孔端螺纹连接预警螺帽9，预警螺帽9内设有光电断路电路1和压力变送器2，所述插孔18内设有用于连接应变片6与预警螺帽9内的压力变送器2的铜片19，所述铜片19上固定有用于遮挡预警螺帽9内光电断路电路1的挡板20。

应变片6直径大于插孔18直径，应变片6包括圆形主体结构26，且圆形主体结构26直径小于插孔18直径，铜片19长度小于插孔18深度。本实施例以dl412系列内部电理结构图为例，做简要介绍。如图5所示，dl412系列电理结构图22中rs代表硅压阻效应电阻，r代表无压阻电阻，八个引脚编号①—⑧，当压阻效应电阻rs受压变化时，电路整体电阻变化，引发电流变化形成压力信号；圆形主体结构26外壳使用隔离膜片、不锈钢材料保护电路稳定运行。dl412系列电理结构图22与外壳共同组成了应变片6的圆形主体结构26；铜片19一端与引脚①—⑧分别接连，另一端作为应变片6的外接端口。如图6所示，圆形主体结构26的电阻区域定义为应变片感压区24；铜片19所在区域定义为应变片位移区25。如图4所示，铜片19部分区域固定有挡板20。如图7所示，应变片6镶嵌在杆体8内，由于圆形主体结构26直径大于插孔18直径，应变片感压区24受杆体8与液压囊7挤压，用以感应此时液压囊7的挤压力；应变片位移区25一侧为液压囊7，一侧为插孔18，在受液压囊7挤压力作用后，应变片位移区25可向插孔18开口方向发生形变至某一阀值时，从而引发所在区域的铜片19位移，带动挡板20移离遮挡区。在本发明中的主要作用为：应变片感压区24接收液压囊7的挤压，转换为压力信号，由铜片19向外传递信号，应变片位移区25受力发生位移变化，引发铜片19上的挡板20移动，离开遮挡区域，从而导通光电断路电路1，触发声音警报。

如图8、图9所示，所述预警螺帽9上正对插孔18的位置处凸设两个引脚，两个引脚伸入插孔18内，两个引脚上相对设有两个导通孔23，光电断路电路1中用于发射和接收光的光电元件分别位于两个导通孔23中，所述挡板20位于两个导通孔23中间，挡板20采用遮光材料制成；两个引脚中间设有用于供铜片19插入的铜槽5，铜槽5通过细导线4与压力变送器2的输入端相连，压力变送器2的输出端用导线3通过预警螺帽9上的导线孔21与设置在安全区的压力数字显示器10电连接。

由于光电断路器种类众多，本发明对光电断路电路1作简要说明，并保留原电路图图例，实际工作中不做种类限制。如图10、图11所示，图中代表继电器，代表发声器，代表光电二级管，代表光电三级管，光电二级管与光电三级管共同组成msa59010光电传感器，代表二极管，代表bg9013型三极管，代表电阻，代表连接电路，代表开关，（其工作原理为：当挡板20遮挡时，光电三级管的光电流仅有暗电流，bg9013型三极管截止；当挡板20移离遮挡区时，光电三级管的发光电流使光电二极管产生接近电源的电压，bg9013型三极管导通，继电器吸合，发声器得电发声警报）。使用时，闭合开关，光电三极管与光电二极管之间经由导通孔23被挡板20挡住，不会触发警报，当杆体8所在围岩15应力场变化时，杆体8受力变化引发内部液压囊7对应变片6挤压，应变片位移区25受力沿插孔18发生形变，导致挡板20移离遮挡区（遮挡区范围为：挡板20能有效遮挡光电三极管与光电二极管连通的区域。），导通电路触发警报。光电断路电路1在本发明中的作用是：当围岩体15应力场发生变化时，应变片位移区25受力沿插孔18发生形变，当形变到某一阀值（该阀值由煤矿工程背景决定，取最大锚固力或其他应力值）时，铜片19上的挡板20移动，从而导通电路，触发光电断路电路1警报，及时发出预警。

如图12、图13所示，与液压囊7接触的应变片6，由铜片19连接圆形主体结构26与预警螺帽9，再经细导线4传递信号至压力变送器2（压力变送器种类众多，本发明以两线变送器为例作简要说明，实际工作时不做种类限制）。通过压力变送器2，能将杆体8的压力信号传递至几百米外的安全区，再由安全区的压力数字显示器10得到实际的应力值。应变片6在本发明中的主要作用为：用于长距离监测，帮助工作者在安全距离内获取杆体8所在区域的应力状况。

如图14、图15所示，电源13设置在地表，为整个预警锚杆提供工作电源，电源13经由粗导线11给压力数字显示器10与预警螺帽9内部光电断路电路1供电，预警螺帽9内部使用细导线4节省空间。同时，按需要将监测点预警螺帽9内置的光电断路电路1接电源13，设置工作指示灯12，用以判断该区域是否正常供电（工作）。当监测点发生巷道垮落灾害时，锚杆被破坏、掉落，从而引发导线被拉断形成断路，地上工作指示灯12熄灭。电源13在本发明中的主要作用为：经由工作指示灯12可确定监测点电路是否正常运行，以此确定该监测点是否已经发生灾害。

本发明的工作原理如下：如图1所示，使用时，按传统步骤安装锚杆，打入杆体8，注入锚固剂14，依次设置托盘16与锁紧螺母17，设置预应力，完成锚杆支护工作。闭合预警螺母内光电断路电路1开关（开关安装位置不限制），由于光电三极管与继电器之间无隔板，当电路连接外电源13时，电路导通引发声音警报，此时将预警螺帽9中间两引脚对准插孔18沿杆体8螺纹纹路旋转推入，直至铜片19上的挡板20遮挡光电断路电路1两端，警报声解除；另一方面，检查压力数字显示器10，当铜片19与铜槽5连接后，形成回路，压力数字显示器10显示此时应变片6所受应力值，地表工作指示灯12正常亮起，表示安装完成。

本发明为一种多功能监测预警锚杆，具有前期监测、及时预警和灾后救援三种功能。使用时，保持电源13开机，工人在进入巷道工作区域前，在压力数字显示器10所在区域，了解工作区锚杆应力环境，如有异常，及时处置；工人在巷道作业时，若围岩15应力场变化，杆体8内部液压囊7沿插孔18开口方向挤压应变片6至应变阀值，导致挡板20移动至非遮挡区，光电断路电路1导通引发声音警报，作业人员立即撤离；若遇到撤离不及时，人员被困，该监测点预警螺帽9内置电路断路，地上工作指示灯12暗淡，地上人员由此可确定受灾害区域，从而指导灾后的救援工作。