专利名称：锚杆群支护质量检测方法和检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿锚杆支护质量检测技术领域，具体是一种锚杆群支护质量检测方法和检测装置。主要适用于矿山锚杆、锚索锚固极限力以群为单位的随机无损检测。
背景技术：
锚杆支护技术是把一种受拉杆件埋入岩(煤)地层中，以提高地层自身的强度和自稳能力的一门工程技术。锚固技术已在铁路、公路、矿山及水工隧道中得到广泛应用。对于岩土工程中众多锚杆，其锚固质量如何、锚杆的长度是否与设计长度一致、其砂浆是否饱满，即锚杆是否起到了预期的作用等，这些问题对于岩土加固工程来说显得十分重要。否则因锚杆锚固质量问题引起的围岩大面积失控现象发生，将会对人员生命安全造成重大威胁。锚杆支护的原理主要有加固拱作用、悬吊作用、组合梁(拱)作用、最大水平应力理论、锚杆支护围岩强度强化理论等。所在这些理论均是将相邻的锚杆群与锚杆作用范围内的围岩作为一个整体系统来考虑的。目前，锚杆常用检测方法有拉拔试验法、测力锚杆法、液压枕测量法、应力波反射法和光纤光栅传感法等。上述这些对锚杆锚固质量的检测均是对单根锚杆进行的，虽然能取到检测锚杆锚固质量的作用，但不能反映相邻锚杆群及围岩之间的耦合关系，不能确定锚杆群整体锚固质量，这与锚杆支护理论的整体作用不相适应。并且，对锚杆单根进行检测，工作量较大，操作不方便，既费工时，又不经济。更重要的是一些检测手段对经锚杆加固的岩土体产生较强的扰动，降低了锚杆的加固作用，且仅限于个别抽查。因此，对锚杆锚固质量和运行状况的快速检测问题已被提到工程物理探测领域的重要议事日程，是矿业和岩土工程界的一个急需解决的课题。
发明内容
本发明目的是克服已有技术的上述不足，提供一种锚杆群支护质量检测方法，通过检测反映相邻锚杆群及围岩之间的耦合关系，确定锚杆群整体锚固质量。本发明的技术方案如下一种锚杆群支护质量检测装置，包括带无线接口的手持 PDA和地面计算机数据处理系统，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振动检测传感器，振动检测传感器上连接有无线传感器网络测量节点；各个锚杆上的振动检测传感器通过无线传感器网络与带无线接口的手持PDA传递 fn息ο一种锚杆群支护质量检测方法，利用上述检测装置进行检测，将待检测锚杆区域的锚杆进行分组划分，分组的划分是以多根锚杆围成一面状区域、且包含一中心锚杆为一组；通过给中心锚杆施加激振力，产生的激振波通过围岩耦合至相邻的其它锚杆，在相邻的其它锚杆中引起振动，利用激振波在围岩及相邻锚杆间耦合关系，检测锚杆群整体锚固质量情况；利用在相邻锚杆测量到的振动波判断锚杆支护缺陷，或煤、岩层中断层及小构造。本发明的锚杆群支护质量检测装置及方法所采用的理论为波在杆中传播的动力学特性从锚杆顶部发射的声波经杆体向四周传播，在锚杆与砂浆、砂浆与围岩的界面会发生反射和透射。当锚杆、砂浆和围岩三者之间接触紧密时，由于波阻抗差异不大，大部分能量会透射到围岩体中去，并被周围锚杆所吸收，只有小部分能量反射回来。因此，主激振锚杆传感器所接收到的反射波信号的特征应是波形较简单、能量相对较弱，而周围锚杆传感器所接收到信号的特征应是波形较复杂、能量相对较强；若为主激振锚杆砂浆浇灌不密实， 则主激振锚杆中各种反射波会集中在杆中传播而很难辐射到杆外的介质中去，此时波在杆中的传播现象较之灌浆密实的情况要复杂的多，在记录上表现为反射波能量很强且波形很复杂；若为主激振锚杆周围某一锚杆砂浆浇灌不密实或锚杆之间存在断层及小构造，则耦合变差，相应主激振锚杆产生的透射波很难被该锚杆所吸收，在记录上表现为透射波能量很小或近似为0。实际工作中可依据这些特征来检定锚杆的锚固质量。按照上述原理，多次交换主激振锚杆，反复测试，通过多次监测到的各个锚杆的振动波形，进行软件分析，可得出这个锚杆群耦合体系整体锚固质量的情况，哪根锚杆存在锚固不佳，以及影响锚杆群整体锚固效果的断层及小构造的位置。本发明的有益效果是本发明将相邻锚杆与围岩的共同作用看作一个锚固整体， 来分析锚杆群整体锚固质量。它不仅能检测锚杆群与围岩间的整体锚固质量，对锚杆支护质量的检测更全面；而且能分析出具体哪根锚杆支护不佳，便于采取加固措施；此外，还能分析出位于锚杆间的断层或小构造，提前预告可能的顶板失稳，便利提前采取相应的措施。 同时，本发明适合大规模锚杆锚固质量检查，提高了抽检比例，因而省时、经济。测量时由于采用了无线传感网络，并采用微机械振动加速度传感器，不仅测量装置体积减小，而且省去了布线的繁琐，所有信号的传输均采用无线方式，且操作简单，使用方便，更易于携带，效果好，具有广泛的实用性。
图1是锚杆群检测区域支护质量检测方法及装置示意图；图2是单根锚杆测量装置连接示意图；图3是检测过程中中心锚杆及周围锚杆振动波形传播示意图。图中1、锚杆，2、锚固介质，3、煤、岩层，4、传感器连接装置，5、振动监测传感器，6、 无线传感器网络测量节点，7、手持PDA，8、地面计算机数据处理系统，9、检测区域，10、横向振动波行，11、纵向振动波行，A、中心锚杆，A1-A8 中心锚杆周围的其他锚杆。
具体实施例方式如图1和图2所示，锚杆群支护质量检测装置由锚杆群耦合质量检测系统及相关软件组成。检测系统采用无线传感器网络节点6组成无线监测网络，每个无线传感器网络测量节点6处均安装有振动监测传感器5，测量锚杆x、y、z三个方向的振动，振动监测传感器5与无线传感器网络测量节点6有线连接，采用振动监测传感器5采用MEMS微机械振动传感器，型号ADXL335，无线传感器网络节点6采用CCM30。振动监测传感器5通过传感器连接装置4安装在各锚杆1的外露端上，采用带无线接口的手持PDA 7将每次监测数据进行存贮和简单分析；各个节点将对各个锚杆的检测数据通过无线传感器网络发送到带无线接口的手持PDA。手持PDA将每次监测数据进行存贮和简单分析，决定是否要进行更为细致的测量，如发现问题时，为了判断问题所在，交换主激振锚杆进行多次测量。最后手持PDA 将测量数据通信给地面计算机8进行软件分析，得出这个区域整体支护质量报告。采用锚杆群支护质量检测装置测试方法如下将待检测锚杆区域的锚杆进行分组划分，本实施例分组的划分是以9根锚杆围成一面状区域、且包含一中心锚杆A为一组；依次开启安装在检测区域9内每根锚杆(Al A8及A)上无线传感器网络节点电源，等待数秒钟，使每个无线传感器网络节点均和手持PDA 7自组成树形网络，接着通过手持PDA 7对安装在检测区域9内每根锚杆(Al A8及A)上无线传感器网络节点发布同步信息进行网络时间同步，等到网络时间同步完成以后，手持PDA 7再向网络发布“采集开始”命令，一定时间延迟之后，安装在检测区域9内每根锚杆(Al A8及中心锚杆A)上无线传感器网络节点开始采集各自微机械振动监测传感器5产生的振动信号并存储，直至手持PDA再向网络发布“采集结束”命令为止。在此过程中，快速对待检测区域9内中心锚杆A外露端正端面施加1.6 2kg击振力，使中心锚杆A产生纵向振动和横向振动。如图3所示，其横向振动波行10经围岩向周围传播，并引起相邻锚杆Al A8上振动传感器振动，相应振动波形被各自无线传感器网络节点采集和存储。而纵向振动振动波行11被本身节点采集和存储。 采集过程结束后，手持PDA 7向网络发布“信号收集”命令，每根锚杆(Al A8及A)上无线传感器网络节点6将采集到的数据无线传输到手持PDA上进行存储。可利用手持PDA将每次检测数据进行简单分析，或通过手持PDA将测量数据通信给地面计算机进行软件分析， 最终通过计算出的锚杆锚固极限力及整个锚杆群的锚固质量，来判断锚杆群的锚固质量是否达到要求。具体操作步骤如下①首先在待检测区域内每根锚杆外露端头部安装传感器连接装置4，将ADXL335 一端与传感器连接装置紧密连接，另一端连至CCM30传感器节点上。②依次开启安装在检测区域9内每根锚杆上无线传感器网络节点电源，等待数秒钟，使每个无线传感器网络节点均和手持PDA 7自组成树形网络。③通过手持PDA 7对安装在检测区域9内每根锚杆上无线传感器网络节点发布同步信息进行网络时间同步，等到网络时间同步完成以后，手持PDA 7再向网络发布“采集开始”命令。④选取锚杆群中靠近监测区域几何中心位置处的任一锚杆作为中心锚杆A，向中心锚杆外露正端面中心敲击3-5次，激振力控制在1. 6 ^g。安装在每根锚杆上的CCM30 无线传感器网络节点6将各自振动加速度传感器的输出信号采集并存储下来。⑤敲击结束后，手持PDA向网络发布“信号收集”命令，每根锚杆上无线传感器网络节点将采集到的数据无线传输到手持PDA上进行存储。⑥将采集到的数据通过手持PDA进行简单运算，或通过地面计算机进行进行分析。选取每个传感器所测量的波形中比较相似的两条，根据波在杆中传播的动力学特性计算锚固质量，结合评价等级，对锚杆的锚固质量作出分析判断。同时也可根据波在杆中传播的运动学特性(反射回波的垂直双程旅行时)，来计算中心锚杆锚固长度，从而判断出锚固端与围岩之间的支承固结情况，进而评估出锚杆的锚固质量、极限承载力和该分组区域内锚杆群整体锚固质量。
权利要求
1.一种锚杆群支护质量检测装置，其特征在于包括带无线接口的手持PDA (7)和地面计算机数据处理系统(8)，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G)，传感器连接装置(4)上设有振动检测传感器(5)，振动检测传感器( 上连接有无线传感器网络测量节点(6)；各个锚杆上的振动检测传感器通过无线传感器网络与带无线接口的手持PDA (7)传递信息。
2.根据权利要求1所述的锚杆群支护质量检测方法，其特征在于所述的安装在锚杆外露端的振动检测传感器( 为微机械振动加速度传感器。
3.一种锚杆群支护质量检测方法，其特征在于利用权利要求1所述的检测装置，检测方法是将待检测锚杆区域的锚杆进行分组划分，分组的划分是以多根锚杆围成一面状区域、且包含一中心锚杆为一组；通过给中心锚杆施加激振力，产生的激振波通过围岩耦合至相邻的其它锚杆，在相邻的其它锚杆中引起振动，利用激振波在围岩及相邻锚杆间耦合关系，检测锚杆群整体锚固质量情况；利用在相邻锚杆测量到的振动波判断锚杆支护缺陷，或煤、岩层中断层及小构造。
4.根据权利要求3所述的锚杆群支护质量检测方法，其特征在于所述的待检测锚杆区域的锚杆分组的划分以5 9根锚杆为一组进行分组划分围成一面状区域。
5.根据权利要求3所述的锚杆群支护质量检测方法，其特征在于所述的对锚杆外露端正端面施加的击振力为1. 6 ^g。
6.根据权利要求3所述的锚杆群支护质量检测方法，其特征在于所述的通过给中心锚杆施加激振力、利用产生的激振波检测锚杆群支护质量的具体步骤是a.从已划分待检测区域内任一分组开始，对该分组中的每根锚固于煤、岩层内的锚杆外露端安装振动检测传感器(5)，并将传感器输出端经连线连接至一个无线传感器网络测量节点(6)；使用手持PDA (7)进行数据采集和处理；b.对分组的面状区域检测依次开启该分组内每根锚杆上的无线传感器网络测量节点电源，使每个无线传感器网络节点均和手持PDA(7)自组成树形网络，接着通过手持 PDA(7)对安装在该分组内每根锚杆上无线传感器网络测量节点发布同步信息进行网络时间同步，待网络时间同步完成后，手持PDA(7)再向网络发布“采集开始”命令，延迟设定时间之后，安装在该分组区域(9)内每根锚杆上的无线传感器网络测量节点开始采集各自振动检测传感器产生的振动信号并存储，直至手持PDA再向网络发布“采集结束”命令为止； 所述的采集各自振动检测传感器产生的振动信号并存储过程是快速对该分组区域(9)内中心锚杆(A)外露端正端面施加击振力，使中心锚杆(A)产生纵向振动和横向振动；其横向振动波(10)经围岩向周围传播，并引起各相邻锚杆上振动检测传感器振动，产生的相应振动波形被各自无线传感器网络测量节点采集和存储；而纵向振动信号被本身节点采集和存储；采集过程结束后，手持PDA向网络发布“信号收集”命令，该分组区域内每根锚杆上无线传感器网络测量节点将采集到的数据无线传输到手持PDA(7)上进行存储，手持PDA(7)对采集到的数据进行简单的分析，得出锚杆群耦合体系整体锚固质量情况；d.重复上述步骤a和步骤b，对待检测锚杆区域内每一分组进行检测；至此，即能获得待检测锚杆区域中每根锚杆的锚固情况以及单一分组内锚杆群的耦合情况。
全文摘要
本发明公开了一种锚杆群支护质量检测方法和检测装置；属煤矿锚杆支护质量检测技术领域。将待检测锚杆区域的锚杆进行分组划分，分组的划分是以多根锚杆围成一面状区域、且包含一中心锚杆为一组；通过给中心锚杆施加激振力，产生的激振波通过围岩耦合至相邻的其它锚杆，在相邻的其它锚杆中引起振动，利用激振波在围岩及相邻锚杆间耦合关系，检测锚杆群整体锚固质量情况；利用在相邻锚杆测量到的振动波判断锚杆支护缺陷，或煤、岩层中断层及小构造。有益效果是适合大规模锚杆锚固质量检查，提高了抽检比例，省时、经济。
文档编号G01N29/04GK102419346SQ20111023406
公开日2012年4月18日 申请日期2011年8月10日 优先权日2011年8月10日
发明者张申, 王亚军, 王刚, 程婷婷, 赵小虎, 黄凯 申请人:中国矿业大学