一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统及测试方法与流程

1.本发明属于锚杆监测技术领域，具体涉及一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统及测试方法。


背景技术：

2.随着隧道和采矿工程的快速发展，锚杆作为一种有效的围岩变形控制措施在地下工程中得到了广泛的应用。但是在高地应力和大变形围岩中，锚杆受到巨大的拉应力，当锚杆所受应力超过其强度后，将发生锚杆被拉断的情况。锚杆断裂后围岩失去约束，可能发生较大的变形甚至坍塌，威胁工程的安全施工和运营。由于锚杆工作时埋入围岩之中，当其受力发生断裂后，从围岩外部难以判断其受力情况，无法做出正确的判断和加固措施，进而错过合适补救时机，造成工程安全事故。
3.目前有一些检测锚杆断裂状态的方法，如有些锚杆断裂后锚杆的端头和垫板脱落甚至飞出，可以直接通过肉眼观察确定。对于一些锚杆内部断裂的情况则无法通过观察判断。对于这种情况，一些学者设计了外部检测仪器，如申请号为 cn201320733527.6的中国专利给出了一种断裂锚杆检测仪，利用巷道支护中两锚杆之间的岩石构成的电容特性，通过测量两锚杆之间的瞬时电流值，并于标准瞬时电流进行比较，来判断锚杆是否断裂。该装置原理复杂，无法实时监测特定锚杆的断裂状态，需要对多根锚杆进行综合测量，结合逻辑分析才可以判断。目前还没有较好的实时监测确定锚杆的断裂状态的系统。


技术实现要素：

4.本发明目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，根据金属导体的电阻与其长度成正比，而与其截面成反比，如果锚杆内部一处或者多处断裂时，其电阻阻值会大幅度增加，甚至达到无穷大的特性。发明了一套通过测定锚杆的电阻阻值，判断围岩中锚杆的断裂状态的现场监测系统，通过测定锚杆的电阻阻值判断锚杆在围岩中的变形状态，为判断围岩锚杆是否断裂提供一定依据。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统，该监测系统包括锚杆、波纹管和塑料定位件，所述塑料定位件套设在锚杆上，且所述锚杆通过塑料定位件与波纹管连接，所述波纹管内贯穿有第一信号线，所述波纹管的远端弯曲形成弯钩且通过连接组件与锚杆的远端连接，则第一信号线的一端与与锚杆的远端面连接，所述锚杆的近端面的中心部位与第二信号线的一端连接，形成锚杆监测装置，该锚杆监测装置被插入钻孔内，并在钻孔内注入浆液，所述第一信号线和第二信号线的另一端分别与万用表的负极和正极相连或者信号采集器相连。
7.优选的，所述塑料定位件包括固定柱，沿着固定柱的水平轴线设置有贯穿固定柱的锚杆定位孔，在固定柱的外壁上沿其圆周方向设置有多个等间距的连接柱，沿着连接柱的水平轴线设置有贯穿连接柱的波纹管定位孔，所述连接柱的外壁通过支撑腿连接有支撑
板，所述支撑板与连接柱的水平轴线平行。
8.优选的，所述固定柱的厚度和连接柱的厚度均为各自直径的0.3倍，相邻两个支撑腿之间的夹角为120
°
，并在支撑腿与支撑板的连接处设置倒斜角加固，所述倒斜角角度为45
°
。
9.优选的，所述波纹管的管身由波峰和波谷交替连续形成，所述管身的两端则均为光滑段。
10.优选的，所述连接组件包括中空的连接部，所述连接部的一端面与锚杆远端面连接，该端面处设置有可穿过第一信号线的穿孔，其另一端面设置有波纹管的光滑段插入内腔的开口，所述连接部的内腔中设置有由内向外的第一内筒、第二内筒和圆环，所述第一内筒和第二内筒的一端均与连接部上靠近锚杆一侧的内端面固定连接，所述连接部的内侧壁上沿其圆周方向设置有与圆环外壁相适应的滑动槽，所述内环可在滑动槽内转动，所述连接部的外壁上沿其圆周方向设置有导向槽，所述导向槽与滑动槽连通，所述导向槽内设置有拨动块，所述拨动块的内端面与圆环的外壁固定连接，所述圆环的内环面沿其圆周方向设置有多个等间距的楔块，所述楔块的内端面为斜面，所述第二内筒上沿其圆周方向设置有多个等间距的通孔，每个通孔内均设置有导向柱，所述导向柱的一端贯穿通孔至第一内筒和第二内筒之间，且其端面设置有弧形卡板，所述导向柱的另一端贯穿通孔至第二套筒与圆环之间，且其端面设置有挡块，所述导向柱的外侧套设有压缩弹簧，所述压缩弹簧一端与挡块内端面连接，其另一端与第二套筒的外端面连接，所述楔块在波纹管的光滑段插入连接部时挤压挡块通过弧形卡板将波纹管的光滑段固定在第一内筒的外壁上。
11.优选的，每个弧形卡板的内端面设置有弧形卡块，所述波纹管的光滑段上设置有与弧形卡块相配合的卡槽。
12.优选的，所述导向槽的两个对称内侧壁上各设置有一橡胶垫片，两个相互对称的橡胶垫片位于导向槽内的一端，所述拨动块在楔块挤压挡块时被限制在两个相互对称的橡胶垫片之间。
13.优选的，所述信号采集器还通过信号传输单元与信号处理中心连接。
14.一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统的测试方法，包括以下步骤：
15.步骤1：在围岩的合适位置打设钻孔，对钻孔进行清孔，检测钻孔的直径、深度、成孔质量；
16.步骤2：在锚杆上间隔一段距离安装一个塑料定位件，安装时将塑料定位件的锚杆定位孔沿着锚杆延伸方向套在锚杆上，然后调整各个塑料定位件的间距；
17.步骤3：第一信号线贯穿在波纹管内部，然后将波纹管依次穿过塑料定位件上的波纹管定位孔，并重新调整塑料定位件的间距；
18.步骤4：将连接部通过强力胶水固定在锚杆的远端面上，并将波纹管远端弯曲，所述远端的光滑段沿着连接部上的开口插入连接部内部，所述第一信号线一端则从连接部上的穿孔穿出与锚杆远端面连接，第二信号线一端与锚杆的近端连接，调整波纹管，使其与锚杆平行，至此形成锚杆监测装置；
19.步骤5：将安装好的锚杆监测装置缓慢插入钻孔中，注入浆液，波纹管将第一信号线与浆液隔离，确保浆液凝固后，锚杆及波纹管可以随围岩的变形而变形，但是波纹管内的第一信号线处于非受力状态，围岩变形时不会将第一信号线拉断；
20.步骤6：等到浆液凝固后，将第一信号线和第二信号线的另一端分别连接万用表的负极和正极，检测线路是否联通，判断元件是否安装成活；检测线路正常后，测定线路的初始电阻值；
21.步骤7：一组锚杆监测装置安装完成后，重复步骤1
‑
7可进行下一组锚杆的安装和测试；
22.步骤8：将多组锚杆的信号线连接到信号采集器，实现信号的自动实时监测，信号传输单元将信号采集器采集的信号处理中心，信号处理中心对数据进行储存，加工和分析，得出结论。
23.优选的，锚杆断裂状态监测过程如下：
24.步骤801：首先检测信号监测系统连接是否畅通，运行是否正常，并同步观测测试数据的变化，确定数据采集系统工作正常，一切正常后对系统初始化准备测试；
25.步骤802：锚杆状态的判断方法，随着锚杆进入工作状态，锚杆随着围岩的变形会被拉伸，锚杆的电阻阻值会增大，如果锚杆受力超过其强度后，内部一处或者多处断裂，锚杆的阻值会大幅度增加，甚至达到无穷大，通过测定锚杆的电阻阻值可以判断锚杆是否被拉断；
26.步骤803：锚杆状态的判断与报警，信号处理中心对数据进行实时储存，处理和分析，当监测到的锚杆电阻的变化率超过警戒阈值，表明锚杆正在被急剧拉伸变形，发生破坏，信号处理中心发出预警信号；当锚杆的电阻达到断裂电阻阈值时，判断锚杆一处或者多处被拉断，由信号处理中心发出锚杆破坏报警信号。
27.本发明的有益效果：本发明将锚杆作为线路的一部分，直接测量线路的电阻，通过线路的电阻阻值和其通断判断岩石锚杆的变形状态及其是否被拉断，操作简单方便，测试结果明确易懂，便于在现场实施。
28.本发明输出的信号为电信号，信号易于传递和接收；可以建立数据收集系统自动监测和收集信号，实现监测的自动化。
29.本发明设计的连接组件采用绝缘材料与锚杆的远端利用强力胶水粘合，将波纹管远端处的光滑段插入连接部内部，并通过第一内筒将波纹管与第一信号线分开，第一信号线与锚杆远端面连接，并通过楔块挤压挡块，从而由导向柱带动弧形卡板挤压波纹管外壁，致波纹管内壁与第一内筒外壁紧密接触，并通过弧形卡块卡入波纹管上的卡槽，实现波纹管的固定，通过拨动拨动块即可实现波纹管的固定，且通过连接部注浆浆液与第一信号线隔绝，保证波纹管的远端与锚杆的远端链接的密封性。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1所示为本实施例的一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统的结构示意图；
32.图2所示为本实施例的一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统中塑料定位件结构示意图；
33.图3所示为本实施例的一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统中波纹管结构示意图。
34.图4所示为本实施例的一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统中锚杆远端通过连接部与波纹管链接的局部图；
35.图5所示为本实施例的一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统中连接部的内部示意图。
36.图6所示为本实施例的一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统中连接部的侧剖图；
37.图7所示为本实施例的一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统中连接部固定波纹管的侧剖图。
38.图8所示为本实施例的一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统中锚杆未拉断前锚杆监测装置剖面示意图；
39.图9所示为本实施例的一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统中锚杆拉断后锚杆监测装置剖面示意图；
40.图10所示为本实施例的一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统中信号管理系统示意图。
41.其中，1、围岩；2、钻孔；3、锚杆；4、注浆；5、塑料定位件；501、支撑腿；502、支撑板；503、锚杆定位孔；504、波纹管定位孔；6、波纹管；601、波峰；602、波谷；603、弯钩；7、第一信号线；8、第二信号线；9、万用表；10、断裂；11、连接部；1101、开口；1102、穿孔；12、第一内筒；13、第二内筒；14、圆环；15、弧形卡板；16、导向柱；17、弧形卡块；18、压缩弹簧；19、挡块；20、导向槽；21、楔块；22、拨动块；23、橡胶垫片；24、信号采集器； 25、信号传输单元；26、信号处理中心。
具体实施方式
42.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
43.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.本发明根据导电金属杆件的电阻与其长度、截面积以及断裂情况之间的关系制成。在锚杆未发生断裂时，其电阻阻值符合如下公式：
[0045][0046]
式中：r是材料的电阻
[0047]
ρ是金属的固有属性，可以认为是定值；
[0048]
l是金属杆件的长度；
[0049]
s是金属杆件的截面积。
[0050]
当锚杆内部一处或者多处应受力过大被拉断后，锚杆的阻值会大幅度增加，甚至监测线路发生断路，电阻阻值趋向于无穷大。
[0051]
根据上式，金属导体的电阻与其长度成正比，而与其截面成反比。在本发明中，锚杆长度和直径确定后，初始状态时，锚杆及线路拥有确定的初始电阻阻值、随着锚杆进入工作状态，锚杆随着围岩的变形会被拉伸，截面积减小，锚杆的电阻阻值会增大，如果锚杆内部一处或者多处应受力过大被拉断后，锚杆的阻值会大幅度增加，甚至达到无穷大。可以通过测定锚杆的电阻阻值，判断围岩中锚杆的断裂状态。
[0052]
参见图1
‑
10，本实施例具体提供了一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统，该监测系统包括锚杆3、波纹管6和塑料定位件5，所述塑料定位件5套设在锚杆3上，且所述锚杆3通过塑料定位件5与波纹管6连接，所述波纹管6内贯穿有第一信号线7，所述波纹管6的远端弯曲形成弯钩603且通过连接组件与锚杆 3的远端连接，则第一信号线7的一端与与锚杆3的远端面连接，所述锚杆3的近端面的中心部位与第二信号线8的一端连接，形成锚杆监测装置，该锚杆监测装置被插入钻孔2内，并在钻孔2内注入浆液4，所述第一信号线7和第二信号线8的另一端分别与万用表9的负极和正极相连或者信号采集器24相连。
[0053]
在本实施例中塑料定位件5如图2所示，所述塑料定位件5包括固定柱，沿着固定柱的水平轴线设置有贯穿固定柱的锚杆定位孔503，在固定柱的外壁上沿其圆周方向设置有多个等间距的连接柱，沿着连接柱的水平轴线设置有贯穿连接柱的波纹管定位孔504，所述连接柱的外壁通过支撑腿501连接有支撑板502，所述支撑板502与连接柱的水平轴线平行。其中，所述固定柱的厚度和连接柱的厚度均为各自直径的0.3倍，相邻两个支撑腿501之间的夹角为120
°
，并在支撑腿501与支撑板502的连接处设置倒斜角加固，所述倒斜角角度为45
°
。
[0054]
在本实施例中，所述锚杆定位孔503位于塑料定位件5中心，其直径略大于锚杆3直径。所述3个波纹管定位孔504的直径略大于波纹管6的直径。
[0055]
如图3所示，本实施例中波纹管6其管身由波峰601和波谷602交替连续形成，管身可以伸缩和弯曲。所述管身的两端则均为光滑段。注浆后管身可以随围岩变形而伸缩，保护管内的第一信号线，防止第一信号线7被拉断。
[0056]
如图4
‑
7所示，本实施例中，连接组件全部采用绝缘材质，可选用塑料，其包括中空的连接部11，所述连接部11的一端面通过强力胶与锚杆3远端面连接，该端面处设置有可穿过第一信号线7的穿孔1102，其另一端面设置有波纹管6 的光滑段插入内腔的开口1101，所述连接部11的内腔中设置有由内向外的第一内筒12、第二内筒13和圆环14，所述第一内筒12和第二内筒13的一端均与连接部11上靠近锚杆一侧的内端面固定连接，所述连接部11的内侧壁上沿其圆周方向设置有与圆环14外壁相适应的滑动槽(图中未显示)，所述内环14可在滑动槽内转动(本实施例对滑动槽和圆环外壁的形状进行了改进，将其设计成t型结构，避免内环脱离滑动槽)，所述连接部11的外壁上沿其圆周方向设置有导向槽20，所述导向槽20与滑动槽连通，所述导向槽20内设置有拨动块22，所述拨动块22的内端面与圆环14的外壁固定连接，所述圆环14的内环面沿其圆周方向设置有4个等间距的楔块21，所述楔块的内端面为斜面，所述第二内筒13 上沿其圆周方向设置有4个等间距的通孔，每个通孔内均设
置有导向柱16，所述导向柱16的一端贯穿通孔至第一内筒12和第二内筒13之间，且其端面设置有弧形卡板15，所述导向柱16的另一端贯穿通孔至第二套筒13与圆环14之间，且其端面设置有挡块19，所述导向柱16的外侧套设有压缩弹簧18，所述压缩弹簧18一端与挡块19内端面连接，其另一端与第二套筒13的外端面连接，所述楔块21在波纹管6的光滑段插入连接部11时挤压挡块19通过弧形卡板15将波纹管6的光滑段固定在第一内筒12的外壁上。
[0057]
在本实施例中，每个弧形卡板15的内端面设置有弧形卡块17，所述波纹管 6的光滑段上设置有与弧形卡块17相配合的卡槽，在弧形卡板17将波纹管6的光滑段贴合在第一内筒12的外壁上时，通过弧形卡块17卡入波纹管6上的卡槽，实现波纹管6的固定，通过拨动拨动块22(本实施例中在拨动块的端面设置有齿牙槽，便于拨动拨动块)即可实现波纹管的固定，通过连接部11将注浆浆液4 与第一信号线7隔绝，保证波纹管6的远端与锚杆的远端链接的密封性。
[0058]
为了保证拨动块22拨动至最底部时不存在沿导向槽20移动的情况，在导向槽20的两个对称内侧壁上各设置有一橡胶垫片23，两个相互对称的橡胶垫片23 位于导向槽20内的一端，所述拨动块22在楔块21挤压挡块19时被限制在两个相互对称的橡胶垫23片之间。
[0059]
如图10所示，在本实施例中，多组锚杆3监测组合体的第一信号线7和第二信号线8与信号采集器24相连，信号采集器24用来接收和采集信号，其另一端与信号传输单元25相连，所述信号传输单元25再将信号通过无线网络传输到信号处理中心26，信号处理中心26对数据进行储存，加工和分析，得出结论。
[0060]
本实施例还提供了一种围岩中锚杆断裂状态现场监测系统的测试方法，包括以下步骤：
[0061]
步骤1：在围岩1的合适位置打设钻孔2，对钻孔2进行清孔，检测钻孔2 的直径、深度、成孔质量；
[0062]
步骤2：在锚杆3上间隔一段距离安装一个塑料定位件5，安装时将塑料定位件5的锚杆定位孔503沿着锚杆3延伸方向套在锚杆3上，然后调整各个塑料定位件5的间距；
[0063]
步骤3：第一信号线7贯穿在波纹管6内部，然后将波纹管6依次穿过塑料定位件5上的波纹管定位孔504，并重新调整塑料定位件5的间距；
[0064]
步骤4：将连接部11通过强力胶水固定在锚杆3的远端面上，并将波纹管6 远端弯曲，所述远端的光滑段沿着连接部11上的开口1101插入连接部11内部，所述第一信号线7一端则从连接部上的穿孔1102穿出与锚杆3远端面连接，第二信号线8一端与锚杆3的近端连接，调整波纹管6，使其与锚杆3平行，至此形成锚杆监测装置；
[0065]
步骤5：将安装好的锚杆监测装置缓慢插入钻孔2中，注入浆液4，波纹管6 将第一信号线7与浆液4隔离，确保浆液4凝固后，锚杆3及波纹管6可以随围岩1的变形而变形，但是波纹管6内的第一信号线7处于非受力状态，围岩1变形时不会将第一信号线7拉断；
[0066]
步骤6：等到浆液4凝固后，将第一信号线7和第二信号线8的另一端分别连接万用表9的负极和正极，检测线路是否联通，判断元件是否安装成活；检测线路正常后，测定线路的初始电阻值；
[0067]
步骤7：一组锚杆监测装置安装完成后，重复步骤1
‑
7可进行下一组锚杆3 的安装和测试；
[0068]
步骤8：将多组锚杆3的信号线连接到信号采集器24，实现信号的自动实时监测，信
号传输单元25将信号采集器采集的信号处理中心26，信号处理中心26 对数据进行储存，加工和分析，得出结论。
[0069]
锚杆断裂状态监测过程如下：
[0070]
步骤801：系统调试与完善，首先监测信号管理系统连接是否畅通，运行是否正常，并同步观测测试数据的变化，确定数据采集系统工作正常，一切正常后对系统初始化准备测试；
[0071]
步骤802：锚杆状态的判断方法，随着锚杆3进入工作状态，锚杆3随着围岩1的变形会被拉伸，锚杆3的电阻阻值会增大，如果锚杆3受力超过其强度后，内部一处或者多处断裂10，锚杆3的阻值会大幅度增加，甚至达到无穷大，通过测定锚杆3的电阻阻值可以判断锚杆3是否被拉断；
[0072]
步骤803：锚杆3状态的判断与报警，信号处理中心26对数据进行实时储存，处理和分析，当监测到的锚杆3电阻的变化率超过警戒阈值，表明锚杆3正在被急剧拉伸变形，发生破坏，信号处理中心26发出预警信号；当锚杆的电阻达到断裂电阻阈值时，判断锚杆3一处或者多处被拉断，由信号处理中心26发出锚杆破坏报警信号。
[0073]
本装置在现有各类金属岩石锚杆的基础上进行了改进，改进结构简单，也比较容易制作，可以方便的应用在各种锚杆上。其工作原理明确，操作简单方便，可以对特定的锚杆进行监测，测试结果明确易懂。输出的信号为电信号，易于传递和接收。可以建立数据收集系统自动监测和收集信号，实现监测的自动化。可为实时监测锚杆的断裂状态，对可能发生破坏的锚杆给出预警，对已经发生破坏的锚杆给出报告。为围岩的稳定提供保障。
[0074]
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。