應變式測力錨桿設計及在煤礦巷道中的應用

　　摘 要：錨桿支護在礦山錨固工程中占有著重要的地位，為了解錨桿在施工過程中的受力狀態，需對錨桿的應力進行監測。本文詳細介紹了應變測力錨桿的結構設計，礦用數字錨桿監測儀設計原理及其應用，并將該測力系統應用于某煤礦，用其所測試的數據對錨桿的工作狀態以及圍巖安全狀況進行分析，結果實時，可靠。該系統為煤礦實現信息化作業提供了一種可靠的手段，也為錨桿的優化設計和應用提供了科學依據。
　　關鍵詞：測力錨桿 應變測試 系統設計
　　中圖分類號：TD353文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2011)04(a)-0000-00
　　
　　1 引言
　　巖土錨固技術是近代巖土工程領域中的一個重要分支，由于它的安全、經濟和有效，已愈來愈廣泛的應用于各個工程領域。其中，錨桿以它的主動支護、有效強化圍巖強度、保持圍巖穩定、施工簡單、成本低、安全可靠、改善作業環境等優點，躍然成為世界各國巷道支護的首選支護手段，在礦山、交通、水電等領域發揮著重要作用[1]。
　　為了深入了解錨桿支護的受力狀態及應變特點，通常需要對錨桿支護工程進行試驗研究和應變參數的現場測試，對全長錨固式支護錨桿在工作時期桿體不同深度處的受力狀態進行監測，以便弄清錨桿在工作時的受力特性，而應變測力錨桿使這些問題迎刃而解[3]。
　　2 應變式測力錨桿設計原理
　　實際工程當中，為了更好的了解錨桿的受力狀態，通常我們會將一部分錨桿作為實驗錨桿（應變式測力錨桿）來進行現場監測。由于測力錨桿不僅能作為測力裝置對錨桿受力狀態進行監測，而且還要作為支護材料對巷道進行支護，因此，應變式測力錨桿的結構應盡可能與實際使用的錨桿相同。但為了對這些錨桿進行現場實時監測，必須對這些錨桿進行特殊處理。為此在原錨桿桿體兩側各對稱開一矩形斷面溝槽[2]，如圖1所示。
　　
　　
　　該測力錨桿采用粘貼在錨桿矩形斷面溝槽上的電阻應變片做傳感器來測定錨桿的受力狀態。當錨桿所在區間圍巖變形時，由于粘結力或摩擦力使錨桿變形。因錨桿的彈性模量大于圍巖的彈性模量，錨桿束縛圍巖變形，使錨桿產生軸向力。當錨桿端部的螺母拉緊后又產生附加軸向力，錨桿受力表面產生微小變形（伸長或縮短），貼在其上的應變片線柵亦隨之發生變形。應變片的粘貼如圖2所示。
　　由于金屬線材的應變效應，線柵的電阻發生變化（增大或縮小），電阻變化率的大小與應變片粘貼在錨桿位置處的應變的大小成正比關系，再利用應變儀測出各應變片不同時間的應變值。其關系式為：
　　 (1)
　　式中：為應變片的靈敏系數。
　　因此，只要測出的變化率就可得出貼片處的應變值。根據彈性力學應力與應變的關系或標定的曲線可得出應力值，按應變值理論計算出貼片處所承受的軸向力即：
　　 (2)
　　式中：為應變值；為鋼彈性模量；為測力錨桿的截面積。
　　3 應變測力錨桿的標定
　　錨桿在投入使用前，應在實驗室對其進行標定。由于不同材質、不同尺寸甚至不同加工工藝制作的錨桿桿體，其變形特征也不相同，所以必須對測力錨桿進行實驗室標定。將現場用的錨桿用上述方法在螺紋鋼上開槽，槽的寬度、深度與現場測力錨桿的相同，然后在槽內對稱粘貼2片工作應變片，最后用導線將應變片腳線引出來[6]。
　　將溫度補償應變片貼在溫度補償上，然后將工作應變片和溫度補償片按半橋的方式結成電橋，接橋線路如圖3所示（R2溫度補償應變片，R1測試應變片）。
　　
　　
　　在壓力實驗機上分別對錨桿進行拉伸標定，利用礦用數字錨桿監測儀記錄錨桿在不同拉力下的應變值。圖4為本文對其中的一根錨桿進行的標定曲線。從圖4我們可以看出，當拉力達到170kN時，錨桿產生塑性變形，此時對應的應力就是該錨桿的屈服應力，同時我們還可以根據此標定曲線得出錨桿的彈性模量，最終可以得出錨桿的許用軸向拉應力。
　　測力錨桿的安裝方法與一般錨桿的安裝方法基