[发明专利]一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测方法及系统

说明书

本发明公开了一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测方法及系统，监测系统包括计算机、数字示波器、超声波测试仪、超声波收发一体传感器；所述超声波收发一体传感器与超声波测试仪电连接，所述计算机与数字示波器并联，所述超声波测试仪与计算机、数字示波器通过USB数据传输线或井下无线传输网通信连接。监测方法是利用上述监测系统完成间接监测围岩应力状态。本发明（1）监测成本低；（2）不影响安全生产，不会对锚杆产生破坏，不影响锚杆的力学性能；（3）适用范围广，无需考虑围岩介质的影响；（4）操作简单，操作工人只需涂抹凡士林，耦合超声波收发元件与锚杆，没有高难度操作；（5）监测精度高。

技术领域

本发明涉及矿山煤岩体应力监测领域，特别是涉及一种利用超声波回波监测围岩应力状态的监测方法及系统，利用超声波监测系统发射一定频率的超声波信号，该信号在安装于煤岩体介质中的锚杆体内传播，超声波回波信号的声学参数的变化量可反映安装在煤岩体介质中锚杆的变形量及其受力引起的缺陷情况，对比分析锚杆安装前、安装初期以及安装后期的声学参数变化情况，计算整个锚杆的变形量、应变量及其应力状态，间接反映锚杆所在区域围岩所受的平均应力状态。

背景技术

煤矿巷道、隧道开挖及其它地下工程在施工过程中都会采用大量锚杆进行支护，将锚杆安装在煤岩体中，利用粘结剂对锚杆进行固定，用于提高煤岩体介质的强度，预防煤岩体失稳破坏发生事故。但该技术只能起到预防作用，降低煤岩体动力灾害发生的可能性，而地下工程中煤岩体的应力状态监测可为预警煤岩体发生动力灾害发生提供理论依据和技术支撑。因此，本发明提出一种利用超声波回波信号的声学参数监测围岩应力状态的监测系统和方法，该监测系统和方法科学合理、简单易行，对于评价巷道围岩的稳定性和安全性具有重要的指导意义。

锚杆支护是将锚杆安装到煤岩体介质中，只有一端露在空气中，对锚杆进行无损检测和应力监测只能通过裸露在空气中的这一端进行。目前，国内外监测锚杆受力的方法有锚杆测力计和测力锚杆，锚杆测力计种类繁多，有液压式锚杆测力计、钢弦式锚杆测力计、电阻应变式锚杆测力计。

液压式锚杆测力计通过测量液压枕油压确定锚杆尾部承受的载荷；钢弦式锚杆测力计是将液压枕油压转换成钢弦的振动频率，然后通过测量钢弦的振动频率确定锚杆的载荷；电阻应变式锚杆测力计是将电阻应变片作为敏感元件，与锚杆测力计刚性体粘贴在一起，通过测量应变片的电阻变化测出刚性体的应变值，然后换算出锚杆的载荷。这三种方法虽然都能有效检测锚杆受力情况，但只能测量锚杆尾部的载荷，适用于端部锚固的锚杆，对于加长锚固和全长锚固锚杆，沿杆体长度方向受力有很大差别，仅仅测量锚杆尾部受力状况并不能反映锚杆整体所受应力状态。

测力锚杆采用电阻应变片作为敏感元件，与测力锚杆的杆体粘贴在一起，同步变形，通过测量应变片的电阻变化即可测出杆体的应变值，这种方法克服了锚杆测力计只能检测锚杆尾部载荷的问题，能有效检测锚杆整体应力状态，但其制作工艺复杂，需要在杆体全长对称开两个槽，并且需要在杆体上贴大量应变片，贴应变片的工艺又很复杂，还需要给应变片涂防潮层，而且应变片还容易损坏，复杂的工艺决定了这种方法不能大面积应用。

传统的锚杆锚固检测技术主要是拉拔法和取芯法。拉拔法用液压千斤顶拉拔锚杆，得出锚杆的极限载荷，再通过锚杆的载荷位移曲线来判断锚杆的锚固质量。这种方法虽然结果精确，但其具有破坏性，检测过的锚杆失去支护作用，且其工作量大，操作不方便，测得的载荷也只是整体的拉拔力，不能对锚杆各段的受力进行评价。

取芯法沿锚杆平行方向将锚杆、锚固介质和部分岩石一同取出，然后通过目测的方法进行评价。这种方法虽然能提供有用的信息，但同样具有破坏性，不仅锚杆失去支护能力，也破坏了巷道支护，并且这种方法只能抽检，只能反映出部分锚杆的状态，不能代表整体支护情况。

超声波对锚杆的无损检测一般是用于检测锚杆是否断裂，锚杆长度是否与设计的相一致，或者检测锚杆的锚固质量，利用超声波监测锚杆应变状态间接反映围岩应力状态的方法仍处于空白状态。

发明内容