专利名称：锚杆锚固极限力的随机无损动力检测装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种无损动力检测装置与方法，尤其适用于矿山、隧道、边坡预应力锚杆、锚索锚固极限力的随机无损检测。
背景技术：
锚杆支护被广泛地应用于地下巷道以及边坡围岩的加固与支护中，尤其在煤矿井下大量使用了锚杆支护，目前我国国有煤矿年巷道总进尺在1000万米以上，用于支护的锚杆用量高达4000万根以上，在这4000万根锚杆中有多少根锚杆的锚固极限力达到设计要求，谁也无法回答。事实上，由于施工工艺、人员素质和围岩性质的差异，同一巷道中的锚杆的锚固极限力也可能相差很大，可能其中一部分锚杆的锚固极限力达不到设计要求，从而带来潜在的安全隐患，影响矿井的正常安全生产。另外，随着施工工艺的改进，以及设计人员对锚杆支护认识的提高，锚固极限力无损检测技术的成功应用，我们可以改进目前的设计方法，实现施工过程中的动态设计，从而减少锚杆用量，节约成本。因此非常有必要对锚杆的锚固极限力在施工中进行随机无损检测。
目前对锚杆的锚固极限力检测是利用液压千斤顶进行拉拔试验来测定锚杆的锚固极限力，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围岩产生较强的扰动，降低了锚杆对围岩的加固作用。
发明内容
本发明的目的是根据已有技术存在的问题，提供一种方便、快捷、有效的锚杆锚固极限力随机无损动力检测装置与方法。
为实现上述目的，本发明采用的锚杆锚固极限力的随机无损动力检测装置，包括计算机数据处理系统，还包括设在锚固于煤(岩)层内的锚杆外露端上的传感器连接装置，传感器连接装置上设有加速度传感器，加速度传感器上连接有一信号采集智能动测仪。
所述传感器连接装置为一条形钢块，条形钢块正面设有一个可穿套在锚杆上的孔，侧面设有一个与正面孔径成直角并相通的螺钉孔，螺钉孔内设有紧固螺钉。
锚杆锚固极限力的随机无损动力检测装置的检测方法将传感器连接装置安装于锚固于煤(岩)层内的锚杆外露端上，同时在传感器连接装置上设置加速度传感器，并通过加速度传感器连接信号采集智能动测仪；对锚固于煤(岩)层内的锚杆外露端正端面施加击振力，使锚杆产生振动；通过设在传感器连接装置上的加速度传感器采集锚杆振动加速度，加速度传感器采集的加速度信号传输给智能动测仪，由智能动测仪将接收到的加速度模拟信号转换成加速度数字信号并存储；将所采集到的数据输入计算机进行运算处理，分析出锚杆的锚固长度及其在锚固段的传播速度，计算出锚杆的锚固极限力；将所计算出的锚杆的锚固极限力与锚杆设计载荷值相比较，最终确定所测锚杆的锚固极限力是否达到要求。
所述对锚杆外露端正端面施加的击振力为0.8～1.2kg。
本发明的锚杆锚固极限力的随机无损动力检测装置与方法，适用于矿山锚杆、锚索锚固极限力的随机无损监测，也适用于隧道、边坡锚杆锚索锚固极限力的随机无损监测。在锚固于煤(岩)层内的锚杆锚索外露端上安装传感器连接装置和与信号采集智能动测仪相连的加速度传感器，通过对锚杆正端面施加与锚杆同方向的敲击力，使锚杆产生纵向振动，通过加速度传感器，将信号传给智能动测仪，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，最后通过计算机数据处理，完成锚杆的锚固极限力非破损检测，可对任意一根锚杆的锚固极限力进行无损动力检测，只要对锚杆锚索外露正端面敲击，就可根据受力锚杆锚索的应力波反射信号测定它们的锚固极限力，无需在锚杆锚索施工时安装任何附加装置，其操作简单，使用方便、快捷，易于携带，效果好，具有广泛的实用性。
附图是本发明锚杆锚固极限力的随机无损动力检测装置结构示意图。
图中1-锚杆，2-树脂，3-煤(岩)层，4-托盘，5-加速度传感器，6-紧固螺母，7-传感器连接装置，8-智能动测仪。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述附图中所示的锚杆锚固极限力的随机无损动力检测装置，主要由加速度传感器5、传感器连接装置7、智能动测仪8和计算机数据处理系统构成，传感器连接装置7固定在锚固于煤(岩)层3内的锚杆1外露端，加速度传感器5通过磁性座紧贴于传感器连接装置7外露面上，信号采集智能动测仪8通过传输线与加速度传感器5相连接。加速度传感器5采用兰德科技有限责任公司生产的Bz105型加速度传感器；智能动测仪8采用长盛工程检测技术开发有限公司生产的JL-MG型智能动测仪，传感器连接装置7为一方形钢块，钢块正面设有一个可穿套在锚杆上的孔，侧面设有一个与正面孔径成直角并相通的螺钉孔，螺钉孔内设有紧固传感器连接装置7于锚杆上的紧固螺钉。
采用锚杆锚固极限力的随机无损动力检测装置的方法是首先在煤层3内的树脂2锚固的锚杆1外露端上安装传感器连接装置7，并在传感器连接装置7上安装加速度传感器5，加速度传感器5上连接信号采集智能动测仪8；敲击锚杆1外露正端面，使锚杆1产生微小的纵向振动，通过安装在传感器连接装置7上的加速度传感器5采集锚杆1微振动加速度，由加速度传感器5将采集到的加速度信号通过传输线传输给智能动测仪8，智能动测仪8将接收到的加速度模拟信号转换成加速度数字信号并存储，最后将所有采集到的数据输入计算机进行运算处理，分析出锚杆的锚固长度及其在锚固段的传播速度，计算出锚杆的锚固极限力，将所计算出的锚杆1的锚固极限力与锚杆锚固极限力设计值相比较，最终确定所测锚杆的锚固极限力是否达到要求。具体实施步骤如下a.首先在锚杆1外露端头部安装传感器连接装置7，将Bz105型加速度传感器5一端与传感器连接装置7正面连接，一端与JL-MG型智能动测仪8连接，附图所示；b.开启智能动测仪8，进入参数设置栏，输入所测锚杆的长度和直径大小，设定高通滤波为10Hz，低通滤波为6000Hz，波速为4500m/s～5500m/s，采样间隔为3μs；c.向锚杆1外露正端面对心敲击3～5次，敲击力控制在0.8～1.2kg，由Bz105型加速度传感器5将每次敲击的加速度波及回波采集传输给智能动测仪8，由智能动测仪8将该加速度信号转换成数字信号并存储；d.将所采集到的所有数据由仪器输入计算机，选择所测波形中两条相似波形中的任一条波形，读取波形中入射波与反相反射波之间的时间差值，即可计算出锚杆未锚固段长度l，然后读取波形中反相反射波与同相反射波之间的时间Δt差值；e.用公式(1)C1=2L-1Δt]]>计算锚固体纵波波速；f.用公式(2)Nu=βπ(L-1)·[ρ1C12d2+ρ2C12(D2-d2)-E1d2](1+υ)·ln(D/d)·(D2-d2)]]>即可计算出锚杆的锚固极限力，将所计算出的锚固极限力与锚杆设计载荷值相比较，最终确定所测锚杆是否处于安全范围内，若所测锚杆的锚固极限力大于或等于1.25倍设计值则为安全，则不需加设锚杆锚固；若所测锚杆的锚固极限力小于1.25倍设计值则为不安全，则需要增设锚杆，以保证锚杆支护工程的安全使用。
上述公式中l为未锚固段长度；L为锚杆长度；Δt为反相反射波与同相反射波之间的时间差值；C1为锚固体纵波波速；β为动静对比系数，由动力测试和拉拔试验确定；ρ1为杆体密度；ρ2为树脂密度；υ为树脂泊松比；D-杆体树脂锚固体直径；d-杆体直径；Nu-锚杆工作载荷。
权利要求
1.锚杆锚固极限力的随机无损动力检测装置，包括计算机数据处理系统，其特征在于还包括设在锚固于煤(岩)层(3)内的锚杆(1)外露端上的传感器连接装置(7)，传感器连接装置(7)上设有加速度传感器(5)，加速度传感器(5)上连接有一信号采集智能动测仪(8)。
2.根据权利要求1所述的锚杆锚固极限力的随机无损动力检测装置，其特征在于所述传感器连接装置(7)为一条形钢块，条形钢块正面设有一个可穿套在锚杆上的孔，侧面设有一个与正面孔径成直角并相通的螺钉孔，螺钉孔内设有紧固螺钉。
3.锚杆锚固极限力的随机无损动力检测的方法，其特征在于将传感器连接装置(7)安装于锚固于煤(岩)层(3)内的锚杆(1)外露端上，同时在传感器连接装置(7)上设置加速度传感器(5)，并通过加速度传感器(5)连接信号采集智能动测仪(8)；对锚固于煤(岩)层(3)内的锚杆(1)外露端正端面施加击振力，使锚杆产生振动；通过设在传感器连接装置(7)上的加速度传感器(5)采集锚杆振动加速度，加速度传感器(5)采集的加速度信号传输给智能动测仪(8)，由智能动测仪(8)将接收到的加速度模拟信号转换成加速度数字信号并存储；将所采集到的数据输入计算机进行运算处理，分析出锚杆(1)的锚固长度及其在锚固段的传播速度，计算出锚杆(1)的锚固极限力；将所计算出的锚杆(1)的锚固极限力与锚杆设计载荷值相比较，若大于或等于1.25倍设计值，则认为被测锚杆的锚固极限力达到设计要求；若小于1.25倍设计值，则需增补锚杆。
4.根据权种要求3所述的锚杆锚固极限力的随机无损动力检测方法，其特征在于所述对锚杆(1)外露端正端面施加的击振力为0.8～1.2kg。
全文摘要
一种锚杆锚固极限力的随机无损动力检测装置与方法，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计算机进行运算处理，完成锚杆锚固极限力非破损检测，可对任意一根锚杆锚固极限力进行无损动力检测，适用于矿山、隧道、边坡预应力锚杆、锚索锚固极限力的随机无损检测。其结构简单，操作使用方便、快捷，易于携带，效果好，具有广泛的实用性。
文档编号G01N19/00GK1963459SQ20061009750
公开日2007年5月16日 申请日期2006年10月31日 优先权日2006年10月31日
发明者缪协兴, 李青峰, 茅献彪, 徐金海, 李洪武 申请人:中国矿业大学