一种端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定系统及方法.pdf

本发明公开了一种端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定系统及方法，涉及锚杆轴力检测仪器标定领域。本发明包括由固定端和可移动端构成的拉伸试验机架，在拉伸试验机架上放置由端锚锚杆和预制构件构成的锚杆结构系统，端锚锚杆锚固段部分置于可移动端内的预制构件中，端锚锚杆自由段部分穿过固定端内的预制构件，端锚锚杆自由段的端部从外至内套装有螺母和托盘；螺母外侧的端锚锚杆外露段连接套管；套管上设有轴力检测传感器，轴力检测传感器连接锚杆轴力无损检测仪；在端锚锚杆的自由段上粘贴高精度应变传感器，高精度应变传感器连接应变采集与转换仪，应变采集与转换仪连接计算机。实现对端锚锚杆自由段实时轴力无损检测结果进行标定，测试数据准确。

1.  一种端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定系统，其特征在于：包括由固定端（9）和可移动端（10）构成的拉伸试验机架，在拉伸试验机架上放置由端锚锚杆（8）和预制构件（1）组成的锚杆结构系统，端锚锚杆（8）锚固段部分置于可移动端（10）内的预制构件（1）中，端锚锚杆（8）自由段部分穿过固定端（9）内的预制构件（1），端锚锚杆（8）自由段的端部从外至内套装有螺母（6）和托盘（7）；螺母外侧的端锚锚杆外露段连接套管（4），外露段长度不大于50mm；套管（4）上设有轴力检测传感器（3），轴力检测传感器（3）通过数据传输线连接锚杆轴力无损检测仪（2）；在端锚锚杆（8）的自由段上粘贴高精度应变传感器（19），高精度应变传感器（19）通过数据线连接应变采集与转换仪（20），所述的应变采集与转换仪（20）连接计算机（11）。

2.  根据权利要求1所述的端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定系统，其特征在于：所述的固定端（9）由上、下两个横梁以及连接两个横梁的竖梁构成，所述的预制构件（1）放置在两个横梁和竖梁构成的一端开口的框架上；所述的可移动端（10）采用一个封闭框架，封闭框架上放置预制构件（1）；每个横梁上安装一油缸（17），油缸（17）的活塞连接封闭框架；还包括一控制模块，所述的控制模块包括控制器（16）和液压泵站（13）；所述的液压泵站（13）连接一电液伺服阀（12），所述的电液伺服阀（12）分别分别通过管路（14）连接两个油缸（17）；所述的控制器设置有功能按钮（15）。

3.  根据权利要求2所述的端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定系统，其特征在于：所述的功能按钮（15）包括前进按钮、后退按钮、停止按钮、手动指示灯、进限位指示灯、退限位指示灯。

4.  根据权利要求2或3所述的端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定系统，其特征在于：所述的功能按钮（15）与计算机串联。

5.  根据权利要求2所述的端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定系统，其特征在于：在可移动端（10）的预制构件（1）中心位置处预留锚杆锚固孔，在固定端（9）的预制构件（1）中心位置处预留对穿孔，端锚锚杆（8）自由段穿过对穿孔套装螺母（6）和托盘（7），采用矿用树脂药卷将端锚锚杆（8）锚固段锚固在预制构件（1）锚固孔里。

6.  一种端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一系统；具体步骤如下：
a.打开控制器（16）、应变采集与转换仪（20）、液压泵站（13）启动开关，打开计算机（11），运行拉力试验机架，使得可移动端（10）离开固定端（9），拉力目标值控制在10kN上，使得托盘顶紧带有对穿孔的预制构件部分；
b.将套管拧紧在锚杆外露端，与螺母紧密相贴；
c.将轴力检测传感器（3）置于套管外端，并将其数据传输线连接到锚杆轴力无损检测仪（2）上；
d.将锚杆无损检测仪（2）打开，使其进入工作状态，并用激振小锤敲击套管，检查锚杆无损检测仪是否能够采集与分析所采集到的信号；
e.检查应变采集与转换仪是否工作正常，拉应力或荷载读数是否显示正常；
f.逐步增加拉力试验机架目标值，每次拉力值增加幅值为10kN，直到达到端锚锚杆屈服荷载的90%左右；每次增加拉力值，都需要进行锚杆轴力无损检测测试，将所测的锚杆轴力值N₁与高精度压力表（18）显示的荷载值N₂，以及高精度应变传感器（19）所转换得到的荷载值N₃进行比较，得到N₂=af(N₁)与N₃=bf(N₁)关系曲线，并进行曲线拟合和回归分析，得到拟合曲线方程，从而完成端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定工作；a，b为拟合参数；
g.逐步减小拉力试验机目标值，每次拉力值减小幅值为10kN，直到拉力回到10kN，每次减小拉力值，都需要进行锚杆轴力无损检测测试，将所测的锚杆轴力值与高精度压力表（18）显示的荷载值，以及高精度应变传感器（19）所转换得到的荷载值进行比较，得到N₂=af(N₁)与N₃=bf(N₁)关系曲线，并进行曲线拟合和回归分析，得到拟合曲线方程，从而完成端锚锚杆锚杆自由段实时轴力无损检测标定工作；a，b为拟合参数。

7.  根据权利要求6所述的端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定方法，其特征在于，所述步骤f、g中的曲线拟合采用最小二乘法，由曲线拟合得到拟合参数a,b和函数关系式f(N₁)。

一种端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定系统及方法
技术领域
本发明涉及锚杆轴力检测仪器标定领域，具体是一种端锚锚杆自由段实时
轴力无损检测标定系统及方法。
背景技术
锚杆支护技术自上世纪五十年代引入到我国煤矿巷道支护以来，一直被大力推广使用。由于煤矿巷道的复杂地质条件和锚杆支护形式的特殊性，锚杆支护质量一直缺乏有效的检测手段，造成锚杆支护质量难以控制。这直接导致了锚杆支护失效造成的顶板事故频出，巷道返修率居高不下；另一方面，因锚杆支护强度过剩而造成的经济损失更大。
单根端锚锚杆支护质量指标有两方面：一是锚杆特征长度，包含锚杆全长和锚固段长度；另一方面是锚杆在支护状态下的自由段实时轴向受力，这决定了锚杆工作状态是否良好与安全。因此，锚杆实时轴向受力检测对锚杆支护质量及其巷道支护安全评价具有重要指导作用。
在锚杆轴力检测方面，前人做了大量研究工作，常规检测手段主要是通过在锚杆杆体上敷设测试传感器（电阻应变片、光纤光栅应变计等），通过仪器采集传感器数据进行锚杆轴力检测。由于煤矿锚杆工作的特殊地质环境，为了保护传感器不被破坏，在锚杆杆体上进行刻槽而埋设传感器，如测力锚杆等。上述锚杆轴力检测方法改变了锚杆支护系统的结构或支护状态，测试结果与实际受力状态存在较大差异，不能大面积地、随机地对锚杆支护质量实施检测，从而不易较好地进行锚杆支护安全隐患排查。
在锚杆轴力无损检测方面，2011年吴宇等提出了一种煤矿非全长粘结锚杆横向振动固有频率的无损检测方法。2013年薛道成等通过室内试验研究了锚杆锚固结构横向振动频率与锚杆轴力之间的对应关系，并研发了煤矿锚杆轴力无损检测技术，同时，通过现场工业性试验证明了该技术的可行性；但上述室内试验是通过拉力试验机对整个锚杆锚固系统进行拉伸来获得锚杆轴向受力值，并未针对性地对锚杆自由段的实时轴向受力进行直接测量。锚杆轴力无损检测作为一种测试技术，需要对其检测结果的准确性进行标定工作，特别在煤矿这种特殊工作环境下，锚杆轴力无损检测结果的准确与否对煤矿矿压安全监测尤为重要。
发明内容
为了克服上述技术中的不足，本发明的目的是提供一种端锚锚杆自由段实时
轴力无损检测标定系统及方法，实现对端锚锚杆自由段实时轴力无损检测结果进行标定工作，测试数据准确。
本发明是以如下技术方案实现的：一种端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定系统，包括由固定端和可移动端构成的拉伸试验机架，在拉伸试验机架上放置由端锚锚杆和预制构件组成的锚杆结构系统，端锚锚杆锚固段部分置于可移动端内的预制构件中，端锚锚杆自由段部分穿过固定端内的预制构件，端锚锚杆自由段的端部从外至内套装有螺母和托盘；螺母外侧的端锚锚杆外露段连接套管，外露段长度不大于50mm；套管上设有轴力检测传感器，轴力检测传感器通过数据传输线连接锚杆轴力无损检测仪；在端锚锚杆的自由段上粘贴高精度应变传感器，高精度应变传感器通过数据线连接应变采集与转换仪，所述的应变采集与转换仪连接计算机。
一种端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定方法，采用上述标定系统；具体步骤如下：
a.打开控制器、应变采集与转换仪、液压泵站启动开关，打开计算机，运行拉力试验机架，运行拉力试验机架，使得可移动端离开固定端，拉力目标值控制在10kN上，使得托盘顶紧带有对穿孔的预制构件部分；
b.将套管拧紧在锚杆外露端，与螺母紧密相贴；
c.将轴力检测传感器置于套管外端，并将其数据传输线连接到锚杆轴力无损检测仪上；
d.将锚杆无损检测仪打开，使其进入工作状态，并用激振小锤敲击套管，检查锚杆无损检测仪是否能够采集与分析所采集到的信号；
e.检查应变采集与转换仪是否工作正常，拉应力或荷载读数是否显示正常；
f.逐步增加拉力试验机架目标值，每次拉力值增加幅值为10kN，直到达到端锚锚杆屈服荷载的90%左右；每次增加拉力值，都需要进锚杆轴力无损检测测试，将所测的锚杆轴力值N₁与高精度压力表显示的荷载值N₂，以及高精度应变传感器所转换得到的荷载值N₃进行比较，得到N₂=af(N₁)与N₃=bf(N₁)关系曲线，并进行曲线拟合和回归分析，得到拟合曲线方程，从而完成端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定工作；a,b为拟合参数；
g.逐步减小拉力试验机目标值，每次拉力值减小幅值为10kN，直到拉力回到10kN，每次减小拉力值，都需要进行锚杆轴力无损检测测试，将所测的锚杆轴力值与高精度压力表显示的荷载值，以及高精度应变传感器所转换得到的荷载值进行比较，得到N₂=af(N₁)与N₃=bf(N₁)关系曲线，并进行曲线拟合和回归分析，得到拟合曲线方程，从而完成端锚锚杆锚杆自由段实时轴力无损检测标定工作；a,b为拟合参数。
本发明的有益效果是：可对整个锚杆锚固系统的拉伸值，锚杆自由段轴向受力值进行测量，进而对在煤矿这种特殊工作环境下的锚杆轴力无损检测结果进行标定工作，对于煤矿矿压安全监测与预警预报尤为重要；同时，可通过比较整个锚杆锚固系统的拉伸值与锚杆自由段轴向受力值来验证整个锚杆锚固系统是否发生破损，找出造成二者应力值不一致的影响因素；控制精度高，测试数据准确，操作简单，通用性好，也可进行其他拉力构件的测试与标定工作，具有较大的应用价值。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定系统有一由固定端9和可移动端10构成的拉伸试验机架，在拉伸试验机架上放置由端锚锚杆8和预制构件1组成的锚杆结构系统，端锚锚杆8锚固段部分置于可移动端10内的预制构件1中，端锚锚杆8自由段部分穿过固定端9内的预制构件1，端锚锚杆8自由段的端部从外至内套装有螺母6和托盘7；螺母外侧的端锚锚杆外露段连接套管4，外露段长度不大于50mm；套管4上设有轴力检测传感器3，轴力检测传感器3通过数据传输线连接锚杆轴力无损检测仪2；在端锚锚杆8的自由段上粘贴高精度应变传感器19，高精度应变传感器19通过数据线连接应变采集与转换仪20，所述的应变采集与转换仪20连接计算机11。高精度压力表18能够实现压力和荷载直接换算，压应力与荷载读数可直接传输到计算机，并实现数据的存储与显示。应变采集与转换仪20可以实现应变数据的读取与采集，同时实现应变与拉伸荷载的直接转换，拉应力与荷载读数可直接传输到计算机，并实现数据的存储与显示。
本实施例中，所述的固定端9由上、下两个横梁以及连接两个横梁的竖梁构成，所述的预制构件1填充在两个横梁和竖梁构成的一端开口的框架内；所述的可移动端10采用一个封闭框架，封闭框架上放置预制构件1；每个横梁上安装一油缸17，油缸17的活塞连接封闭框架；还包括一控制模块，所述的控制模块包括控制器16和液压泵站13；所述的液压泵站13连接一电液伺服阀12，所述的电液伺服阀12分别通过管路14连接两个油缸17；所述的控制器连接有功能按钮15。
所述的功能按钮15包括前进按钮、后退按钮、停止按钮、手动指示灯、进限位指示灯、退限位指示灯，其功能是控制油缸活塞17的运动与停止以及进退最大限位的工作状态指示。所述的功能按钮15与计算机串联，可通过控制器的功能按钮15与计算机分别对电液伺服阀12进行手动和软件控制，实现了在紧急情况下的安全制动双重保护。计算机11与电液伺服阀12控制精度高，测试数据准确，操作简单，通用性好，也可进行其他拉力构件的测试与标定工作，具有较大的应用价值。
在可移动端10的预制构件1中心位置处预留锚杆锚固孔，在固定端9的预制构件1中心位置处预留对穿孔，端锚锚杆8自由段穿过对穿孔套装螺母6和托盘7，采用矿用树脂药卷将端锚锚杆8锚固段锚固在预制构件1锚固孔里。
一种端锚锚杆自由段实时轴力无损检测标定方法，采用图1中的标定系统，具体步骤如下：
（1）制作与安装
a.模拟井下巷道围岩的相似材料预制构件1制作，在预制构件中心位置处预留锚杆锚固孔和对穿孔，采用矿用树脂药卷将端锚锚杆8锚固段锚固在预制构件锚固孔里。
b.将相似材料预制构件放置于拉力试验机架上，其中锚杆锚固段部分置于机架可移动端，锚杆自由段部分穿过机架固定端9、高精度压力传感器18及含对穿孔的预制构件另一部分。
c.将高精度应变传感器19粘贴于锚杆自由段上，并将应变传感器引线连接到应变采集与转换仪20上。
d.将托盘7装上，拧上锚杆螺母6，使得螺母往外的锚杆外露段长度不大于50mm。
（2）标定
a.打开控制器16、应变采集与转换仪20、液压泵站13启动开关，打开计算机11，运行拉力试验机架，使得可移动端10离开固定端9，拉力目标值控制在10kN上，使得锚杆托盘顶紧带有对穿孔的预制构件部分。
b.将套管拧紧在锚杆外露端，与螺母紧密相贴。
c.将轴力检测传感器3置于套管外端，并将其数据传输线连接到锚杆轴力无损检测仪2上。
d.将锚杆无损检测仪2打开，使其进入工作状态，并用激振小锤5敲击套管4，检查锚杆无损检测仪是否能够采集与分析所采集到的信号。
e.检查应变采集与转换仪是否工作正常，拉应力或荷载读数是否显示正常。
f.逐步增加拉力试验机目标值，每次拉力值增加幅值为10kN，直到达到锚杆屈服荷载的90%左右。每次增加拉力值，都需要进行锚杆轴力无损检测测试，将所测的锚杆轴力值N₁与高精度压力表18显示的荷载值N₂，以及高精度应变传感器19所转换得到的荷载值N₃进行比较，得到N₂=af(N₁)与N₃=bf(N₁)关系曲线，并进行曲线拟合和回归分析，得到拟合曲线方程，从而完成锚杆自由段实时轴力无损检测标定工作。
g.逐步减小拉力试验机目标值，每次拉力值减小幅值为10kN，直到拉力回到10kN。每次减小拉力值，都需要进行锚杆轴力无损检测测试，将所测的锚杆轴力值与高精度压力表18显示的荷载值，以及高精度应变传感器19所转换得到的荷载值进行比较，得到N₂=af(N₁)与N₃=bf(N₁)关系曲线，并进行曲线拟合和回归分析，得到拟合曲线方程，从而完成锚杆自由段实时轴力无损检测标定工作。
（3）关闭标定系统
减小拉力试验机拉力值，直至拉力完全消除，依次关闭锚杆无损检测仪2、应变采集与转换仪20、控制器16、液压泵站13、计算机11。
步骤（2）中的f、g步骤中的曲线拟合采用最小二乘法，由曲线拟合得到拟合参数a,b和函数关系式f(N₁)。