一种冲击地压矿井锚杆锚固质量无损监测分析方法

技术领域

本发明属于矿井锚杆监测技术领域，尤其是涉及一种冲击地压矿井锚杆锚固质量无损监测分析方法。

背景技术

近年来煤矿的开采深度不断增加，开采作业逐渐进入更加复杂的地质区域，动力灾害产生的可能性越来越大，而冲击地压是目前我国矿山开采的主要动力灾害，冲击地压常导致顶板事故，破坏井巷，并造成人员伤亡，毁坏设备，污染作业环境，影响生产；也可能导致强烈瓦斯涌出，有时还因大量粉尘引起爆炸，进而造成更大的破坏。

为了防止冲击地压的发生，常用锚杆对井巷进行支护，锚杆是当前煤矿巷道支护的最基本的组成部分，作用是将巷道的围岩加固在一起，提高围岩自身牢固程度。但如果锚固系统稳定性预测一旦失误，往往给工程带来不可估量的损失，因此锚杆锚固质量及锚固性能的监测与评价工作至关重要。现有的锚杆锚固质量的无损检测通常采用敲击—回波法，该方法通过对回波信号的处理和分析，确定锚杆长度和灌浆的整体质量。但现有技术在冲击地压矿井的动态监测方面功能不全面，缺乏有针对性的监测方案，对现场情况的监测不灵活，监测程序繁琐；且技术自动化程度不高，测量效率低，需要根据实测的时程曲线对锚杆锚固质量进行人工分析判读，监测分析效率较低，不能实现监测数据自动批量分析，无法实现高效率高精度的智能化做业；另外，监测结构影响因素过多，测量结果准确性不高；且针对不同类型、不同级别的冲击地压矿井没有较为清晰的对应的预警方案，预防效果不理想，造成技术应用范围受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种冲击地压矿井锚杆锚固质量无损监测分析方法，利用超声波传感器发出的超声波对待测锚杆进行质量检测，检测效率高，数据分析及时；通过超声波传感器发出的超声波的旅行时间，得出待测锚杆在锚孔中的实际锚固长度，再和设计要求下待测锚杆在锚孔内的设定锚固长度进行比较，利用锚固长度先确定待测锚杆在锚孔内的锚固长度是否符合规范要求；通过对超声波传感器反射回来的超声波进行谱分析，得到反射信号的频谱图，通过将频谱图中的相关数据和实验室测得的各个等级对应的饱满度的平均值进行比较，利用实验室测得的各个等级对应的饱满度的平均值对待测锚杆的锚固质量进行判别和分类。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种冲击地压矿井锚杆锚固质量无损监测分析方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、确定待测锚杆的参数：根据设计要求，确定待测锚杆在锚孔内的设定锚固长度L、待测锚杆的波速平均值V；

步骤二、获取待测锚杆锚固区域的信号：将超声波传感器的发射器移至待测锚杆的外露端，使超声波传感器的发射器的中轴线和所述待测锚杆的中轴线重合；启动所述超声波传感器的发射器发射超声波，向所述待测锚杆进行探测，超声波传感器的接收器在待测锚杆的外露端接收反射回来的超声波，并将反射的超声波信号传输至计算机终端，同时记录超声波发射时间t

步骤三、获取待测锚杆的实际锚固长度：根据步骤二中记录的超声波发射时间t

步骤四、判断待测锚杆的实际锚固长度是否不小于设定锚固长度的95％：将步骤三中得到的待测锚杆的实际锚固长度L

步骤五、对反射信号降噪处理：对反射信号进行滤波处理；其中，设定的滤波带宽为1kHz；

步骤六、对反射信号进行谱分析：利用短时傅里叶变换将步骤五中滤波后的反射信号转换为频域信号，得到反射信号的频谱图，确定频谱图中主频的振幅值F；

步骤七、判断待测锚杆主频的振幅值是否不小于设定的一级饱满度振幅平均值：将步骤六中得到的频谱图中主频的振幅值F与设定的一级饱满度振幅平均值f

步骤八、判断待测锚杆的主频的振幅值是否不小于设定的二级饱满度振幅平均值：将步骤六中得到的频谱图中主频的振幅值F与设定的二级饱满度振幅平均值f

步骤九、判断待测锚杆的主频的振幅值是否不小于设定的三级饱满度振幅平均值：将步骤六中得到的频谱图中主频的振幅值F与设定的三级饱满度振幅平均值f

步骤十、预警：根据步骤四和步骤九可知，当所述待测锚杆的实际锚固长度L

上述的一种冲击地压矿井锚杆锚固质量无损监测分析方法，其特征在于：步骤三中，超声波旅行时间t的计算公式为t＝t

上述的一种冲击地压矿井锚杆锚固质量无损监测分析方法，其特征在于：步骤七、步骤八、步骤九和步骤十中，所述报警器和所述显示屏均由所述计算机终端控制；所述超声波传感器的信号输出端和所述计算机终端的信号输入端连接。

上述的一种冲击地压矿井锚杆锚固质量无损监测分析方法，其特征在于：步骤七、步骤八和步骤九中，设定的一级饱满度振幅平均值f

上述的一种冲击地压矿井锚杆锚固质量无损监测分析方法，其特征在于：所述一级饱满度振幅平均值f

步骤a、对多个所述试验锚杆灌注混凝土，使多个所述试验锚杆的灌注量均达到满灌量的90％；

步骤b、待混凝土凝固后，利用超声波传感器对所述试验锚杆进行检测，利用计算机终端对超声波传感器接收到的反射信号进行降噪和谱分析，得到所述试验锚杆的频谱图，确定单个所述试验锚杆的频谱图中主频的振幅值f

步骤c、利用公式

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明利用超声波传感器发出的超声波对待测锚杆进行质量检测，检测效率高，精确度高，数据分析及时，能有效预防冲击地压灾害带来的损失；且超声波检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，当存在缺陷时，超声波会产生反射、折射、绕射等导致传播路径发生变化，能对缺陷进行定位和定量。

2、本发明通过对反射信号进行降噪处理，利用设定的带宽将接收到的噪音等信号去除掉，可依据信号频率特征从信息中识别并提取所需的有用信息处理，清除原始信息的误差。

3、本发明中对降噪后的反射信号进行谱分析，可比较设定的频谱和超声波透射后接收信号频谱之间的差异，分析频域变化特征。

4、本发明步骤简单，通过超声波传感器发出的超声波的旅行时间，得出待测锚杆在锚孔中的实际锚固长度，再和设计要求下待测锚杆在锚孔内的设定锚固长度进行比较，利用锚固长度先确定待测锚杆在锚孔内的锚固长度是否符合规范要求。

5、本发明通过对超声波传感器反射回来的超声波进行谱分析，得到反射信号的频谱图，通过将频谱图中的相关数据和实验室测得的各个等级对应的饱满度的平均值进行比较，利用实验室测得的各个等级对应的饱满度的平均值对待测锚杆的锚固质量进行判别和分类。

综上所述，本发明利用超声波传感器发出的超声波对待测锚杆进行质量检测，检测效率高，数据分析及时；通过超声波传感器发出的超声波的旅行时间，得出待测锚杆在锚孔中的实际锚固长度，再和设计要求下待测锚杆在锚孔内的设定锚固长度进行比较，利用锚固长度先确定待测锚杆在锚孔内的锚固长度是否符合规范要求；通过对超声波传感器反射回来的超声波进行谱分析，得到反射信号的频谱图，通过将频谱图中的相关数据和实验室测得的各个等级对应的饱满度的平均值进行比较，利用实验室测得的各个等级对应的饱满度的平均值对待测锚杆的锚固质量进行判别和分类。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明获取待测锚杆锚固区域信号的使用状态图。

图2为本发明的电路原理框图。

图3为本发明的流程框图。

附图标记说明:

1—超声波传感器； 2—待测锚杆； 3—计算机终端；

4—报警器； 5—显示屏； 6—围岩。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示的一种冲击地压矿井锚杆锚固质量无损监测分析方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、确定待测锚杆的参数：根据设计要求，确定待测锚杆2在锚孔内的设定锚固长度L、待测锚杆2的波速平均值V；

步骤二、获取待测锚杆锚固区域的信号：将超声波传感器1的发射器移至待测锚杆2的外露端，使超声波传感器1的发射器的中轴线和所述待测锚杆2的中轴线重合；启动所述超声波传感器1的发射器发射超声波，向所述待测锚杆2进行探测，超声波传感器1的接收器在待测锚杆2的外露端接收反射回来的超声波，并将反射的超声波信号传输至计算机终端3，同时记录超声波发射时间t

步骤三、获取待测锚杆的实际锚固长度：根据步骤二中记录的超声波发射时间t

步骤四、判断待测锚杆的实际锚固长度是否不小于设定锚固长度的95％：将步骤三中得到的待测锚杆2的实际锚固长度L

步骤五、对反射信号降噪处理：对反射信号进行滤波处理；其中，设定的滤波带宽为1kHz；

步骤六、对反射信号进行谱分析：利用短时傅里叶变换将步骤五中滤波后的反射信号转换为频域信号，得到反射信号的频谱图，确定频谱图中主频的振幅值F；

步骤七、判断待测锚杆主频的振幅值是否不小于设定的一级饱满度振幅平均值：将步骤六中得到的频谱图中主频的振幅值F与设定的一级饱满度振幅平均值f

步骤八、判断待测锚杆的主频的振幅值是否不小于设定的二级饱满度振幅平均值：将步骤六中得到的频谱图中主频的振幅值F与设定的二级饱满度振幅平均值f

步骤九、判断待测锚杆的主频的振幅值是否不小于设定的三级饱满度振幅平均值：将步骤六中得到的频谱图中主频的振幅值F与设定的三级饱满度振幅平均值f

步骤十、预警：根据步骤四和步骤九可知，当所述待测锚杆2的实际锚固长度L

本发明利用超声波传感器1发出的超声波对待测锚杆2进行质量检测，检测效率高，精确度高，数据分析及时，能有效预防冲击地压灾害带来的损失；且超声波检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，当存在缺陷时，超声波会产生反射、折射、绕射等导致传播路径发生变化，能对缺陷进行定位和定量。

本发明通过对反射信号进行降噪处理，利用设定的带宽将接收到的噪音等信号去除掉，可依据信号频率特征从信息中识别并提取所需的有用信息处理，清除原始信息的误差。

本发明中对降噪后的反射信号进行谱分析，可比较设定的频谱和超声波透射后接收信号频谱之间的差异，分析频域变化特征。

本发明步骤简单，通过超声波传感器1发出的超声波的旅行时间，得出待测锚杆2在锚孔中的实际锚固长度，再和设计要求下待测锚杆2在锚孔内的设定锚固长度进行比较，利用锚固长度先确定待测锚杆2在锚孔内的锚固长度是否符合规范要求。

本发明通过对超声波传感器1反射回来的超声波进行谱分析，得到反射信号的频谱图，通过将频谱图中的相关数据和实验室测得的各个等级对应的饱满度的平均值进行比较，利用实验室测得的各个等级对应的饱满度的平均值对待测锚杆2的锚固质量进行判别和分类。

需要说明的是，对待测锚杆2的锚固质量进行判断时，通常通过待测锚杆2的锚固段长度和待测锚杆2内混凝土灌注的饱满度，来判断待测锚杆2的锚固质量是否出现问题；其中饱和度指的是锚杆中充填黏结物的密实程度。在《锚杆锚固质量无损检测技术规程》JGJ/T 182-2009中要求，在对锚杆的锚固质量进行判断时，若锚杆的锚固质量达标则要求锚杆的实际锚固长度不小于锚杆的设计锚固长度的95％；且锚杆的饱满度不小于锚杆的设计饱满度的75％，即可判定为锚固质量合格，同时根据锚杆的饱满度的不同，划分不同的锚固质量等级。

步骤一中，所述超声波传感器1的接收器接收到的反射信号通过短距离无线微波传输系统发送至计算机终端3，其中，短距离无线微波传输系统的传输距离不小于500米。所述超声波传感器1的发射器设定的发射频率44kHz，幅度20dB。在选取超声波传感器1的发射频率时，可使选择的超声波传感器1的发射频率与采样频率成比例，可减小反射信号中的误差。

步骤三中，利用超声波传感器1测得的反射信号来获得待测锚杆2的实际锚固长度L

步骤五中，通过MatLab软件编写的程序对反射信号进行滤波处理，利用设定的带宽将接收到的噪音等信号去除掉，可依据信号频率特征从信息中识别并提取所需的有用信息处理，清除原始信息的误差。滤波处理是按照频率滤波，通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。步骤六中，主频的振幅值为主频幅值中的最大值。

特别的，为了保证对待测锚杆2锚固质量分析的准确性，在完成对主频信号的分析和比较后，还可对反射信号的首波信号进行分析和比较，对首波信号进行分析和比较的方法和对主频信号的分析和比较的方法相同，将首波信号的振幅值和实验室测得的首波信号的各个等级的平均值进行比较。通过叠加对首波信号的分析和比较，使待测锚杆2锚固质量的分析更准确。

本实施例中，步骤三中，超声波旅行时间t的计算公式为t＝t

实际使用时，超声波旅行时间为超声波传感器1发出信号到接收信号之间的时长，所述待测锚杆2安装在围岩6内的锚孔内，不能直接对待测锚杆2的锚固长度进行测量，利用超声波的传播速度和传播时间可间接得到待测锚杆2的锚固长度。

如图2所示，本实施例中，步骤七、步骤八、步骤九和步骤十中，所述报警器4和所述显示屏5均由所述计算机终端3控制；所述超声波传感器1的信号输出端和所述计算机终端3的信号输入端连接。

本实施例中，步骤七、步骤八和步骤九中，设定的一级饱满度振幅平均值f

本实施例中，所述一级饱满度振幅平均值f

步骤a、对多个所述试验锚杆灌注混凝土，使多个所述试验锚杆的灌注量均达到满灌量的90％；

步骤b、待混凝土凝固后，利用超声波传感器对所述试验锚杆进行检测，利用计算机终端对超声波传感器接收到的反射信号进行降噪和谱分析，得到所述试验锚杆的频谱图，确定单个所述试验锚杆的频谱图中主频的振幅值f

步骤c、利用公式

实际使用时，步骤b中的超声波传感器和步骤二中的超声波传感器1的发射器的型号相同；步骤b中的降噪处理和步骤五中的降噪处理均采用MATLAB软件中同一程序进行滤波；步骤b中的谱分析和步骤六中的谱分析均采用短时傅里叶变换将时域信号转换为频域信号。通过对多个所述试验锚杆进行灌注取值，再利用多个所述试验锚杆的主频振幅值求取平均值作为同类锚杆主频振幅值的衡量值，能更好衡量待测锚杆2的锚固质量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。