一種礦用錨杆軸向力監測裝置及監測方法

2023-11-08 14:34:42

一種礦用錨杆軸向力監測裝置及監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種礦用錨杆軸向力監測裝置及監測方法，屬於採礦工程領域。該裝置包括彈性結構和顯示裝置，所述彈性結構為彈簧，彈簧套在錨杆上，彈簧上端連接調心墊，下端連接螺母；所述顯示裝置包括遮光筒和反光筒，反光筒與彈簧上端固結，遮光筒與彈簧下端固結，反光筒由具有周期性的白色反光與黑色不反光的條紋組成，遮光筒由具有周期性的白色透明與黑色不透明的條紋組成，反光筒與遮光筒裝配後條紋具有m的相位差。通過顯示裝置將彈性結構受壓時產生的毫米級變形量轉化為不同的圖案，通過觀察顯示裝置的不同圖案來判斷錨杆的軸向力；考慮到巷道礦井下漆黑的特殊工況，用頭燈照射反光條紋就顯得格外明顯。
【專利說明】一種礦用錨杆軸向力監測裝置及監測方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種礦用錨杆軸向力監測裝置及監測方法，屬於採礦工程領域。

【背景技術】
[0002]巖土錨固技術是指採用錨杆或者錨索對巖土體進行加固的技術。能夠及時、準確的對大量錨杆錨固力進行監測對於錨固工程的安全具有十分重要的意義。傳統的礦用錨杆軸向力監測裝置分兩類，一種使用電源，如應變片式，利用錨杆的應變來檢測錨杆的應力，但由於需要電源，安全管理複雜。另一類不需要電源，有液壓式、壓感紙式，液壓式是由液壓壓力盒和壓力表組成，通過觀察壓力表的值來判斷錨杆所受的載荷，但其結構複雜，製造維護成本高，體積大，不宜大規模使用；壓感紙式是通過觀察筒子上壓感紙顏色的長度來判斷軸向力，但是周向分布的壓感紙顏色長度不一，很難辨別。
[0003]因此，需要一種低成本、高可靠性、無需電源、適合大規模安裝使用的監測裝置，通過大規模安裝該裝置，可以實現人人均能檢測巷道安全，大大提高巷道安全性能。
[0004]中國專利CN203452813U公開了一種通過觀察高強彈簧的位移來判斷軸向力的方案，但是由於位移太小，直接通過肉眼觀察變形量來判斷錨杆的軸向力非常困難。


【發明內容】

[0005]本發明旨在提供一種礦用錨杆軸向力監測裝置及監測方法，本文提出了一種由顯示裝置與彈性結構組成的錨杆軸向力監測裝置，通過顯示裝置將彈性結構受壓時產生的毫米級變形量轉化為不同的圖案，通過觀察顯示裝置的不同圖案來判斷錨杆的軸向力。
[0006]根據以上分析綜合考慮錨杆軸向力監測裝置，採用反光條紋作為顯示裝置顯示的圖案。
[0007]本發明提供了一種礦用錨杆軸向力監測裝置，包括彈性結構和顯示裝置，其特徵在於:所述彈性結構為彈簧，彈簧套在錨杆上，彈簧上端連接調心墊，下端連接螺母；所述顯示裝置包括遮光筒和反光筒，反光筒與彈簧上端連接，遮光筒與彈簧下端連接，反光筒由具有周期性的白色反光與黑色不反光的條紋組成，一個周期由寬度為e的白色窄條紋、寬度為w的黑色窄條紋、寬度為q的白色寬條紋、寬度為n+m的黑色寬條紋組成；遮光筒由具有周期性的白色透明與黑色不透明的條紋組成，遮光筒上白色條紋和黑色條紋的寬度相等，一個周期由寬度為η的白色條紋和寬度為η的黑色條紋組成；反光筒與遮光筒裝配後條紋具有m的相位差。
[0008]本發明提供了一種採用上述礦用錨杆軸向力監測裝置的監測方法，其特徵在於:該方法是通過彈性結構產生變形使遮光筒和反光筒產生相對位移，從而出現不同的監測圖像來進行監測的。
[0009]所述礦用錨杆軸向力監測方法，具體包括以下步驟:
[0010]當巖體的應力變化時，巖體對彈性結構的作用力發生變化，當此作用力增加時，彈性結構被壓縮，產生變形，使遮光筒與反光筒發生相對位移，形成以下三種狀態:
[0011](I) I階段:當彈性結構所受載荷由O到Fa逐漸增大時，彈性結構逐漸被壓縮，反光筒逐漸向下平移，白色寬條紋的顯示寬度逐漸減小，當載荷達到初錨力Fa時，反光筒向下平移q，寬度為q的白色寬條紋剛好被完全遮住，顯示的圖像為黑色條紋中間有白色窄條紋；
[0012](2) II階段:當彈性結構所受載荷在FjIjFb之間逐漸增大時，顯示的圖像初始保持步驟(I)中的圖像，直至反光筒向下位移增量趨近於W，顯示的反光條紋寬度e逐漸減小，當載荷達到報警載荷Fb時反光筒向下總位移為b，反光筒的寬度為e的白色窄條紋也剛好全被遮住，顯示的圖像為全黑條紋，由於w遠大於e，因此在II階段的前期階段大部分時間裡保持步驟(I)中的圖像；
[0013](3) III階段:當彈性結構所受載荷在Fb到F。之間逐漸增大時，由於反光筒與遮光筒相位差為m，顯示的圖像初始時保持步驟(2)中的圖像，直到位移為n，此時錨杆已破斷，彈性結構所受載荷變為0，彈性結構軸向位移突變為0，顯示的圖像由白色窄條紋、黑色窄條紋、白色寬條紋、黑色寬條紋相間組成。
[0014]本監測裝置主要監測錨杆的三種受力狀態，1、初錨力Fa，提示初錨力已加到位，反光筒位移為q時錨杆軸向力為Fa ;2、報警載荷Fb,提不錨杆處於危險狀態,反光筒位移為b時錨杆軸向力為Fb ;3、錨杆破斷後軸向力為O的載荷，用於指示錨杆破斷後的或錨固失效狀態，此時彈簧形變達到了最大值，反光筒位移為η。錨杆載荷臨近破斷載荷F。時，彈性結構軸向位移為η,錨杆承受的載荷達到破斷載荷F。時錨杆斷裂,此時彈性結構所受載荷變為0，彈性結構軸向位移突變為O。
[0015]其中在每個周期內條紋寬度參數滿足:
[0016]n = q+w+e+m ①
[0017]b = q+w+e ②
[0018]本發明裝置中各參數的設計原則:
[0019]反光筒白色窄條紋的寬度e越大，則II階段和III階段的圖像區別越明顯，初錨力與報警載荷的條紋越容易區分；反光筒白色寬、窄條紋的寬度差q_e的值越大，則I階段與II階段的圖像區別越明顯，初錨力與破斷載荷後的載荷F。越容易區分；反光筒白色寬、窄條紋之間的黑色條紋寬度w越大，則施加初錨力時越方便。
[0020]由式①，當η增大時，q-e、w、e有機會增大，易於區分顯示的三種狀態。因此，錨杆載荷臨近破斷載荷F。時,彈性結構軸向位移η越大越好。
[0021]本發明的有益效果:通過顯示裝置將彈性結構受壓時產生的毫米級變形量轉化為不同的圖案，通過觀察顯示裝置的不同圖案來判斷錨杆的軸向力；考慮到巷道礦井下漆黑的特殊工況，用頭燈照射反光條紋就顯得格外明顯。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為礦用錨杆軸向力監測裝置的安裝示意圖。
[0023]圖2為礦用錨杆軸向力監測裝置的示意圖。
[0024]圖3為反光筒的展開示意圖。
[0025]圖4為遮光筒的展開示意圖。
[0026]圖5為錨杆軸向力與彈性結構變形的關係及對應的圖像。
[0027]圖6為對合彈性結構的示意圖。
[0028]圖中I為反光筒,2為遮光筒,3為彈簧,4為巖體,5為託盤,6為調心墊,7為錨杆，8為螺母；1.1為白色窄條紋，1.2為黑色窄條紋，1.3為白色寬條紋，1.4為黑色寬條紋；2.1為白色透明條紋，2.2為黑色不透明條紋。

【具體實施方式】
[0029]下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限於以下實施例。
[0030]實施例:
[0031]首先結合【專利附圖】

【附圖說明】本發明的礦用錨杆軸向力監測裝置的結構:
[0032]如圖1、2所示，礦用錨杆軸向力監測裝置包括彈性結構和顯示裝置，所述彈性結構為彈簧3，彈簧3套在錨杆7上，彈簧3上端連接調心墊6，下端連接螺母8 ;所述顯示裝置包括遮光筒2和反光筒1，反光筒I與彈簧3上端連接，遮光筒2與彈簧3下端連接；如圖3所示，反光筒I由具有周期性的條紋組成，一個周期由寬度為e的白色窄條紋1.1、寬度為w的黑色窄條紋1.2、寬度為q的白色寬條紋1.3、寬度為n+m的黑色寬條紋1.4組成；如圖4所示，遮光筒2由具有周期性的白色透明條紋2.1與黑色不透明條紋2.2組成，遮光筒2上白色條紋和黑色條紋的寬度相等，一個周期由寬度為η的白色條紋和寬度為η的黑色條紋組成；反光筒I與遮光筒2裝配後條紋具有m的相位差。
[0033]再結合【專利附圖】

【附圖說明】本發明的礦用錨杆軸向力監測方法:
[0034](I)錨杆的基本參數:
[0035]本監測裝置設計配套的錨杆材質為Q235圓鋼，杆體直徑為20mm，屈服載荷為
7.54t，破斷載荷為12t。根據錨杆安裝規範，錨杆的初錨力(預緊力)為Fa = 5t ;本裝置設計報警載荷Fb = 9.5t，相對於破斷載荷12t，具有2.5t提前量，以保證在錨杆強度有富餘的情況下工作人員能及時發現過載的錨杆。
[0036](2)彈性結構的基本參數:
[0037]彈性結構選用材料為60Si2MnA或50CrVA，其屈服強度為1600MPa。
[0038]由於單片彈性結構0.93mm的位移量太小，對彈性結構進行對合裝配，增大軸向變形量，採用較多的彈性結構進行對合裝配，可以增加條紋寬度，較好地區分顯示的圖像；但較多彈性結構對合裝配，其高度增加，降低了巷道的有效橫截面積。因此，採用對合裝配彈性結構的數目為能夠區分圖像時的最小數目。本實施例採用四片彈性結構對合裝配。結構尺寸如圖6所示，在12t的載荷下對合彈性結構的最大應力為1565Mpa，軸向最大變形量為3.8mmο
[0039](3)顯示裝置的基本參數:
[0040]由於彈性結構的線彈性，對合彈性結構受載初錨力Fa = 5t時，軸向變形量為1.6mm;受載報警載荷Fb = 9.5t時，軸向變形量為3mm;受載F。= 12t時，軸向變形量為3.8mmο
[0041]當彈性結構所受載荷由O到Fa = 5t逐漸增大時，彈性結構逐漸被壓縮，反光筒逐漸向下平移，白色寬條紋的顯示寬度逐漸減小，當載荷達到初錨力Fa時，反光筒向下平移1.6mm,設計期望寬度為q的白色寬條紋剛好被完全遮住，因此，q = 1.6mm ；
[0042]當彈性結構所受載荷由O到F = 9t逐漸增大時，彈性結構逐漸被壓縮，反光筒逐漸向下平移，反光筒向下平移3mm，設計期望總寬度為b = q+w+e的三個條紋剛好被完全遮住，因此，b = 3mm ；
[0043]報警載荷9.5t與錨杆破斷載荷間的2.5t提前量，根據彈性結構的線彈性，相當於變形量0.8mm,因此，m = 0.8mm ;
[0044]考慮人的眼睛分辨力，確定e = 0.3mm ；
[0045]根據公式①可得n = b+m = 3.8mm
[0046]根據公式②可得w = b-q-e = 3-1.6-0.3=1.1mm
[0047]至此，圖3、圖4中各參數的尺寸:
[0048]q = 1.6mm, b = 3mm, η = 3.8mm, m = 0.8mm, w = 1.1mm, e = 0.3mm
[0049]本發明的監測方法及結果如下:
[0050]對巖體施加應力，巖體對彈性結構的作用力發生變化，當此作用力增加時，彈性結構被壓縮，產生變形，使遮光筒與反光筒發生相對位移，形成以下三種狀態:
[0051](I) I階段:當彈性結構所受載荷由O到匕=5t逐漸增大的過程中，彈性結構逐漸被壓縮，反光筒逐漸向下平移，白色寬條紋的顯示寬度逐漸減小，當載荷達到初錨力Fa時，反光筒向下平移q= 1.6_，寬度為q= 1.6_的白色寬條紋剛好被完全遮住，顯示的圖像為黑色條紋中間有白色窄條紋；
[0052]即起始狀態顯示為圖5中I圖像,達到Fa時顯示的是圖5中II圖像；
[0053](2) II階段:當彈性結構所受載荷在Fa = 5t到Fb = 9.5t之間逐漸增大的過程中，顯示的圖像初始保持步驟(I)中的圖像，直至反光筒向下位移增量趨近於w = 1.1mm,顯示的反光條紋寬度e = 0.3_逐漸減小，當載荷達到報警載荷Fb時反光筒向下總位移為b = 3_，反光筒的寬度為0.3mm的白色窄條紋也剛好全被遮住，顯示的圖像為全黑條紋，由於w遠大於e，因此在II階段的大部分時間保持步驟⑴中的圖像；前期圖像顯示的時間比為 1.1/(1.1+0.3) = 78.6% ；
[0054]即起始狀態Fa = 5t顯示為圖5中II圖像,達到Fb = 9.5t時顯示的是圖5中III圖像；
[0055](3) III階段:當彈性結構所受載荷在Fb = 9.5t到F。= 12t之間逐漸增大時，由於反光筒與遮光筒相位差為m = 0.8mm，顯示的圖像初始時保持步驟(2)中的圖像，直到位移為n，此時錨杆已破斷，彈性結構所受載荷變為0，彈性結構軸向位移突變為0，顯示的圖像為白色窄條紋、黑色窄條紋、白色寬條紋、黑色寬條紋相間組成；
[0056]即起始狀態Fb = 9.5t顯示為圖5中III圖像,達到F。= 12t時顯示的是圖5中I圖像。
【權利要求】
1.一種礦用錨杆軸向力監測裝置，包括彈性結構和顯示裝置，其特徵在於:所述彈性結構為彈簧，彈簧套在錨杆上，彈簧上端連接調心墊，下端連接螺母；所述顯示裝置包括遮光筒和反光筒，反光筒與彈簧上端連接，遮光筒與彈簧下端連接，反光筒由具有周期性的白色反光與黑色不反光的條紋組成，一個周期循環由寬度為e的白色窄條紋、寬度為W的黑色窄條紋、寬度為q的白色寬條紋、寬度為n+m的黑色寬條紋組成；遮光筒由具有周期性的白色透明與黑色不透明的條紋組成，遮光筒上白色條紋和黑色條紋的寬度相等，一個周期循環由寬度為η的白色條紋和寬度為η的黑色條紋組成；反光筒與遮光筒裝配後條紋具有m的相位差。
2.一種礦用錨杆軸向力監測方法，採用權利要求1所述的礦用錨杆軸向力監測裝置，其特徵在於:該方法是通過彈性結構產生變形使遮光筒和反光筒產生相對位移，從而出現不同的監測圖像來進行監測的。
3.根據權利要求2所述的礦用錨杆軸向力監測方法，其特徵在於:具體包括以下步驟: 當巖體的應力變化時，巖體對彈性結構的作用力發生變化，當此作用力增加時，彈性結構被壓縮，產生變形，使遮光筒與反光筒發生相對位移，形成以下三種狀態: (1)I階段:當彈性結構所受載荷由O到Fa逐漸增大時，彈性結構逐漸被壓縮，反光筒逐漸向下平移，白色寬條紋的顯示寬度逐漸減小，當載荷達到初錨力Fa時，反光筒向下平移q，寬度為q的白色寬條紋剛好被完全遮住，顯示的圖像為黑色條紋中間有白色窄條紋； (2)II階段:當彈性結構所受載荷在Fa到Fb之間逐漸增大時，顯示的圖像初始保持步驟(I)中的圖像，直至反光筒向下位移增量趨近於W，顯示的反光條紋寬度e逐漸減小，當載荷達到報警載荷Fb時反光筒向下總位移為b，反光筒的寬度為e的白色窄條紋也剛好全被遮住，顯示的圖像為全黑條紋，由於w遠大於e，因此在II階段的前期階段保持步驟(I)中的圖像； (3)III階段:當彈性結構所受載荷在Fb到F。之間逐漸增大時，由於反光筒與遮光筒相位差為m，顯示的圖像初始時保持步驟(2)中的圖像，直到位移為n，此時錨杆已破斷，彈性結構所受載荷變為O，彈性結構軸向位移突變為O，顯示的圖像由白色窄條紋、黑色窄條紋、白色寬條紋、黑色寬條紋相間組成。
【文檔編號】G01L1/24GK104198097SQ201410468086
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】趙利平, 梁義維, 周清亮 申請人:太原理工大學