基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置

1.本实用新型涉及矿业工程及地下工程领域，具体的说，涉及一种基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置。


背景技术：

2.锚杆支护在煤矿巷道支护中应用非常广泛。通过锚杆与煤岩体之间的剪切作用传递结构物的拉力，进而提高支护巷道围岩的力学特性和承载能力，从而达到支护巷道的作用。目前，锚杆支护不仅用于矿山，也用于工程技术中，对边坡、隧道、坝体进行主体加固。
3.软岩巷道中煤层及顶底板岩层胶结差，表现出煤岩体强度低、松散破碎、易风化、易崩、遇水膨胀等特性，致使矿井巷道支护困难，大部分巷道在服务期内不得不多次翻修，严重影响回采工作的正常推进，不仅支护费用高，而且带来很大的安全威胁。
4.目前提高锚杆锚固性能的途径主要有增加锚固长度和锚固孔孔底扩孔锚固两种方法。增加锚固长度在一定程度上提高了锚固力，但该方法并没有改变锚杆孔围岩性质，没有从根本上提高锚固系统的锚固效果，所以使得锚固力提高效果不明显; 而锚固孔孔底扩孔在理论上可以显著提高锚杆的锚固力，但是锚固孔孔底扩孔大小影响锚固剂在孔内的搅拌效果，进而影响锚固系统的锚固效果。
5.扩底补填锚固是一种新型的提高锚杆锚固性能的方式，扩底补填是对锚杆孔底部扩孔成既定形状，在保留原有锚杆孔的条件下对扩孔部分进行补填高 强度材料以达到改善锚固段钻孔围岩物理力学性质，从而达到增加锚固剂与钻孔围岩之间的粘结能力的目的。
6.目前的扩底补填锚固装备主要包括矿用锚杆孔螺纹驱动式扩孔钻杆和围岩加固注浆设备，即先使用扩孔钻杆进行扩孔，后使用注浆设备注浆，注浆前需将扩孔钻杆抽出，操作工序较为复杂，在松软围岩中极易出现塌孔现象。
7.随着锚杆锚固支护系统的广泛使用，对锚杆锚固系统健康状态的监测越来越重要。传统的监测方法主要是拉拔试验和取芯法，两种方法都具有一定的破坏性，且速度慢、效率低，仅能进行少量抽样监测来判断整体情况，容易出现漏检情况的发生。
8.基于磁致伸缩原理的超声导波技术作为一种新的超声导波无损监测方法，与传统的超声监测技术相比，电磁超声监测具有精度高、不需要耦合剂、非接触、适用于高温监测及容易激发各种超声波形等优点。与传统的锚杆监测方法相比，电磁超声监测具有快速、便捷、长距离等监测特点，是无损监测领域的新研究方向，目前在矿山上的应用较少。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的是提供一种基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置，本实用新型集钻、扩、注于一体设备，节约成本，大大简化了操作工序，护孔效果好，利用电磁超声技术对矿井巷道支护情况高精度全方位实时监测，监测数据能够储存并拷贝，有利于科研人员采集现场监测数据，进一步研究分析支护情况。
10.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
11.基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置，包括钻扩注一体设备、锚固组件和电磁超声监测设备；
12.钻扩注一体设备在矿井巷道的巷顶钻设一定深度的锚固孔并扩孔后与高压泵站连接，高压泵站将高压浆液通过钻扩注一体设备注入到锚固孔周围围岩的充填区域；
13.锚固组件锚固在锚固孔内，锚固组件上缠绕设置有电磁激励线圈和感应接收线圈；
14.电磁超声监测设备分别与电磁激励线圈和感应接收线圈通过信号导线连接，电磁超声监测设备施加交流信号给电磁激励线圈，电磁激励线圈感应出交变磁场，感应接收线圈在交变磁场作用下产生感应电压并传至电磁超声监测设备。
15.钻扩注一体设备包括空心钻头和护孔套管，空心钻头为前细后粗的圆锥结构，空心钻头的后端与护孔套管的前端一体固定连接，空心钻头的最大直径略大于护孔套管的外径，空心钻头的外圆周上和护孔套管的中部前侧外圆周上均均匀设置有若干个内外通透且外大内小的漏斗状注浆口，空心钻头的外圆周上设有三道刀槽，三道刀槽圆周阵列设置，刀槽沿空心钻头的母线方向设置，每道刀槽中均设置有一块扩孔刀片，扩孔刀片的后端通过一根销轴铰接在空心钻头与护孔套管连接处的刀槽内，销轴与护孔套管的中心线垂直，销轴的直径大于护孔套管的厚度且销轴靠近护孔套管中心线的一侧位于护孔套管和空心钻头内，护孔套管固设在锚固孔中，护孔套管的后端与锚固孔的孔口齐平。
16.锚固组件包括锚杆、垫片和螺母，锚杆的直径与护孔套管的内径相同，锚杆的长度大于护孔套管的长度，电磁激励线圈缠绕固定在锚杆的前端部外圆周上，感应接收线圈缠绕固定在锚杆的后端部外圆周上，锚杆的外圆周设有外螺纹，锚杆锚固在护孔套管中，锚杆的前端伸入到护孔套管内并与护孔套管的前端齐平，锚杆的后端伸出护孔套管的后端，垫片套在锚杆的后侧部并与矿井巷道的巷顶紧压接触，螺母螺纹连接在锚杆的后侧部并与垫片紧压接触。
17.电磁超声监测设备的前侧下部设置有施加交流信号传输按钮和安全值设置按钮，电磁超声监测设备的前侧上部设置有显示器，电磁超声监测设备的顶部设置有报警器和usb数据接口，安全值设置按钮与报警器信号连接。
18.基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置的监测方法，具体包括以下步骤：
19.（1）、使用钻扩注一体设备在矿井巷道的巷顶钻设一定深度的锚固孔；
20.（2）、使用钻扩注一体设备对锚固孔的孔底扩孔；
21.（3）、向围岩的充填区域注浆；
22.（4）、将锚杆锚固在锚固孔内；
23.（5）、通过电磁超声监测设备进行锚固效果监测。
24.步骤（1）具体为：利用空心钻头在矿井巷道的巷顶钻进至指定深度，从而钻设锚固孔，使护孔套管固设在锚固孔中，对锚固孔进行护孔，护孔套管的后端与锚固孔的孔口齐平。
25.步骤（2）具体为：使用一根前端呈锥形的顶杆推入护孔套管内，将顶杆的前端插入到空心钻头中并挤压三根销轴，使三块扩孔刀片同时弹出至指定角度，之后空心钻头继续
转动，从而三块扩孔刀片对锚固孔的孔底进行扩孔，使锚固孔形成为内大外小的倒锥形孔，扩孔结束后，空心钻头停止转动，将顶杆抽出，则三根销轴不再受到挤压，则三块扩孔刀片分别对应收回至三个刀槽内。
26.步骤（3）具体为：将护孔套管的后端与高压泵站连接，高压泵站将高压浆液泵入护孔套管中，高压浆液通过空心钻头和护孔套管上的各个漏斗状注浆口均匀注入到锚固孔周围围岩的充填区域。
27.步骤（4）具体为：注浆结束后，护孔套管与高压泵站拆分，将封孔器安装到护孔套管的外圆周中部，对锚固孔与护孔套管之间的缝隙进行封堵，防止浆液外流影响锚固效果，将锚杆直接打入到护孔套管中，使锚杆的前端与护孔套管的前端齐平，锚杆的后端伸出护孔套管的后端，将垫片套在锚杆的后侧部并与矿井巷道的巷顶紧压接触，螺母螺纹连接在锚杆的后侧部并与垫片紧压接触，使锚杆锚固牢靠。
28.步骤（5）具体为：按下施加交流信号传输按钮，电磁超声监测设备施加交流信号给电磁激励线圈，电磁激励线圈感应出交变磁场，交变磁场作用在锚杆上，锚杆中产生应力波，应力波经过反射、折射后以导波的形式向后传出，导波导致空间磁场变化，感应接收线圈在交变磁场作用下产生感应电压，以电信号的形式传至电磁超声监测设备，电磁超声监测设备接收到电信号后进行处理并通过显示器显示处理后的图像，同时处理后的图像及数据储存在电磁超声监测设备的储存器中，工作人员根据需要将u盘插在usb数据接口上，将数据拷贝至u盘上，再将u盘插到电脑上对数据进行进一步分析，工作人员通过安全值设置按钮人为设置或修改安全值，当接收到的监测数据超过安全值时，则触发报警器自动报警。
29.本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体地说，本实用新型将钻、扩注基于同一个设备，空心钻头钻进时，护孔套管随空心钻头一起钻进，在钻进过程中，三块扩孔刀片收纳在三个刀槽中，空心钻头钻进至指定深度后，通过空心钻头上的钢丝绳同时控制三块扩孔刀片展开，对锚固孔孔底进行扩孔，之后，护孔套管便固定支护在锚固孔中，将护孔套管的后端与高压泵站连接，高压泵站将高压浆液泵入护孔套管，高压浆液便会通过通过空心钻头和护孔套管上的各个漏斗状注浆口均匀注入到锚固孔周围围岩的充填区域，注浆结束，将锚杆直接打入护孔套管中进行锚固，通过电磁超声监测设备对矿井巷道支护情况高精度全方位实时监测，有效避免漏检，而且通过报警器能及时判定矿井巷道的支护情况，并采取相应措施，而且监测数据能够储存并拷贝，以便科研人员采集现场监测数据，进一步研究分析支护情况，节约成本，大大简化了操作工序，护孔效果好。
30.本实用新型集钻、扩、注于一体设备，节约成本，大大简化了操作工序，护孔效果好，利用电磁超声技术对矿井巷道支护情况高精度全方位实时监测，监测数据能够储存并拷贝，有利于科研人员采集现场监测数据，进一步研究分析支护情况。
附图说明
31.图1是本实用新型的工作示意图。
32.图2是本实用新型的钻扩注一体设备和锚杆的装配结构示意图。
33.图3是本实用新型的钻扩注一体设备和锚杆的装配透视图。
34.图4是本实用新型的扩孔刀片未弹出时空心钻头和护孔套管的结构示意图。
35.图5是本实用新型的扩孔刀片弹出时空心钻头和护孔套管的结构示意图。
具体实施方式
36.以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例。
37.如图1-图5所示，基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置，包括钻扩注一体设备、锚固组件和电磁超声监测设备1；
38.钻扩注一体设备在矿井巷道的巷顶钻设一定深度的锚固孔并扩孔后与高压泵站（图未示）连接，高压泵站将高压浆液通过钻扩注一体设备注入到锚固孔周围围岩2的充填区域；
39.锚固组件锚固在锚固孔内，锚固组件上缠绕设置有电磁激励线圈3和感应接收线圈4；
40.电磁超声监测设备1分别与电磁激励线圈3和感应接收线圈4通过信号导线5连接，电磁超声监测设备1施加交流信号给电磁激励线圈3，电磁激励线圈3感应出交变磁场，感应接收线圈4在交变磁场作用下产生感应电压并传至电磁超声监测设备1。
41.钻扩注一体设备包括空心钻头6和护孔套管7，空心钻头6为前细后粗的圆锥结构，空心钻头6的后端与护孔套管7的前端一体固定连接，空心钻头6的最大直径略大于护孔套管7的外径，空心钻头6的外圆周上和护孔套管7的中部前侧外圆周上均均匀设置有若干个内外通透且外大内小的漏斗状注浆口8，空心钻头6的外圆周上设有三道刀槽9，三道刀槽9圆周阵列设置，刀槽9沿空心钻头6的母线方向设置，每道刀槽9中均设置有一块扩孔刀片10，扩孔刀片10的后端通过一根销轴19铰接在空心钻头6与护孔套管7连接处的刀槽9内，销轴19与护孔套管7的中心线垂直，销轴19的直径大于护孔套管7的厚度且销轴19靠近护孔套管7中心线的一侧位于护孔套管7和空心钻头6内，护孔套管7固设在锚固孔中，护孔套管7的后端与锚固孔的孔口齐平。
42.锚固组件包括锚杆11、垫片12和螺母13，锚杆11的直径与护孔套管7的内径相同，锚杆11的长度大于护孔套管7的长度，电磁激励线圈3缠绕固定在锚杆11的前端部外圆周上，感应接收线圈4缠绕固定在锚杆11的后端部外圆周上，锚杆11的外圆周设有外螺纹，锚杆11锚固在护孔套管7中，锚杆11的前端伸入到护孔套管7内并与护孔套管7的前端齐平，锚杆11的后端伸出护孔套管7的后端，垫片12套在锚杆11的后侧部并与矿井巷道的巷顶紧压接触，螺母13螺纹连接在锚杆11的后侧部并与垫片12紧压接触。
43.电磁超声监测设备1的前侧下部设置有施加交流信号传输按钮14和安全值设置按钮15，电磁超声监测设备1的前侧上部设置有显示器16，电磁超声监测设备1的顶部设置有报警器17和usb数据接口18，安全值设置按钮15与报警器17信号连接。
44.基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置的监测方法，具体包括以下步骤：
45.（1）、使用钻扩注一体设备在矿井巷道的巷顶钻设一定深度的锚固孔；
46.（2）、使用钻扩注一体设备对锚固孔的孔底扩孔；
47.（3）、向围岩2的充填区域注浆；
48.（4）、将锚杆11锚固在锚固孔内；
49.（5）、通过电磁超声监测设备1进行锚固效果监测。
50.步骤（1）具体为：利用空心钻头6在矿井巷道的巷顶钻进至指定深度，从而钻设锚固孔，使护孔套管7固设在锚固孔中，对锚固孔进行护孔，护孔套管7的后端与锚固孔的孔口
齐平。
51.步骤（2）具体为：使用一根前端呈锥形的顶杆20推入护孔套管7内，将顶杆20的前端插入到空心钻头6中并挤压三根销轴19，使三块扩孔刀片10同时弹出至指定角度，之后空心钻头6继续转动，从而三块扩孔刀片10对锚固孔的孔底进行扩孔，使锚固孔形成为内大外小的倒锥形孔，扩孔结束后，空心钻头6停止转动，将顶杆20抽出，则三根销轴19不再受到挤压，则三块扩孔刀片10分别对应收回至三个刀槽9内。
52.步骤（3）具体为：将护孔套管7的后端与高压泵站连接，高压泵站将高压浆液泵入护孔套管7中，高压浆液通过空心钻头6和护孔套管7上的各个漏斗状注浆口8均匀注入到锚固孔周围围岩2的充填区域。
53.步骤（4）具体为：注浆结束后，护孔套管7与高压泵站拆分，将封孔器21安装到护孔套管7的外圆周中部，对锚固孔与护孔套管7之间的缝隙进行封堵，防止浆液外流影响锚固效果，将锚杆11直接打入到护孔套管7中，使锚杆11的前端与护孔套管7的前端齐平，锚杆11的后端伸出护孔套管7的后端，将垫片12套在锚杆11的后侧部并与矿井巷道的巷顶紧压接触，螺母13螺纹连接在锚杆11的后侧部并与垫片12紧压接触，使锚杆11锚固牢靠。
54.步骤（5）具体为：按下施加交流信号传输按钮14，电磁超声监测设备1施加交流信号给电磁激励线圈3，电磁激励线圈3感应出交变磁场，交变磁场作用在锚杆11上，锚杆11中产生应力波，应力波经过反射、折射后以导波的形式向后传出，导波导致空间磁场变化，感应接收线圈4在交变磁场作用下产生感应电压，以电信号的形式传至电磁超声监测设备1，电磁超声监测设备1接收到电信号后进行处理并通过显示器16显示处理后的图像，同时处理后的图像及数据储存在电磁超声监测设备1的储存器中，工作人员根据需要将u盘插在usb数据接口18上，将数据拷贝至u盘上，再将u盘插到电脑上对数据进行进一步分析，工作人员通过安全值设置按钮15人为设置或修改安全值，当接收到的监测数据超过安全值时，则触发报警器17自动报警。
55.以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

技术特征：
1.基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置，其特征在于：包括钻扩注一体设备、锚固组件和电磁超声监测设备；钻扩注一体设备在矿井巷道的巷顶钻设一定深度的锚固孔并扩孔后与高压泵站连接，高压泵站将高压浆液通过钻扩注一体设备注入到锚固孔周围围岩的充填区域；锚固组件锚固在锚固孔内，锚固组件上缠绕设置有电磁激励线圈和感应接收线圈；电磁超声监测设备分别与电磁激励线圈和感应接收线圈通过信号导线连接，电磁超声监测设备施加交流信号给电磁激励线圈，电磁激励线圈感应出交变磁场，感应接收线圈在交变磁场作用下产生感应电压并传至电磁超声监测设备。2.根据权利要求1所述的基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置，其特征在于：钻扩注一体设备包括空心钻头和护孔套管，空心钻头为前细后粗的圆锥结构，空心钻头的后端与护孔套管的前端一体固定连接，空心钻头的最大直径大于护孔套管的外径，空心钻头的外圆周上和护孔套管的中部前侧外圆周上均均匀设置有若干个内外通透且外大内小的漏斗状注浆口，空心钻头的外圆周上设有三道刀槽，三道刀槽圆周阵列设置，刀槽沿空心钻头的母线方向设置，每道刀槽中均设置有一块扩孔刀片，扩孔刀片的后端通过一根销轴铰接在空心钻头与护孔套管连接处的刀槽内，销轴与护孔套管的中心线垂直，销轴的直径大于护孔套管的厚度且销轴靠近护孔套管中心线的一侧位于护孔套管和空心钻头内，护孔套管固设在锚固孔中，护孔套管的后端与锚固孔的孔口齐平。3.根据权利要求2所述的基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置，其特征在于：锚固组件包括锚杆、垫片和螺母，锚杆的直径与护孔套管的内径相同，锚杆的长度大于护孔套管的长度，电磁激励线圈缠绕固定在锚杆的前端部外圆周上，感应接收线圈缠绕固定在锚杆的后端部外圆周上，锚杆的外圆周设有外螺纹，锚杆锚固在护孔套管中，锚杆的前端伸入到护孔套管内并与护孔套管的前端齐平，锚杆的后端伸出护孔套管的后端，垫片套在锚杆的后侧部并与矿井巷道的巷顶紧压接触，螺母螺纹连接在锚杆的后侧部并与垫片紧压接触。4.根据权利要求1所述的基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置，其特征在于：电磁超声监测设备的前侧下部设置有施加交流信号传输按钮和安全值设置按钮，电磁超声监测设备的前侧上部设置有显示器，电磁超声监测设备的顶部设置有报警器和usb数据接口，安全值设置按钮与报警器信号连接。

技术总结
基于电磁超声技术的扩底补填一体化锚固监测装置，包括钻扩注一体设备、锚固组件和电磁超声监测设备；钻扩注一体设备在矿井巷道的巷顶钻设一定深度的锚固孔后与高压泵站连接，高压泵站将高压浆液通过钻扩注一体设备注入到围岩的充填区域；锚固组件锚固在锚固孔内，锚固组件上缠绕设置有电磁激励线圈和感应接收线圈；电磁超声监测设备分别与电磁激励线圈和感应接收线圈通过信号导线连接。本实用新型集钻、扩、注于一体设备，节约成本，大大简化了操作工序，护孔效果好，利用电磁超声技术对矿井巷道支护情况高精度全方位实时监测，监测数据能够储存并拷贝，有利于科研人员采集现场监测数据，进一步研究分析支护情况。进一步研究分析支护情况。进一步研究分析支护情况。


技术研发人员：王卓颖 马章印 郎晓东 邱洋洋 孙建辉
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2022/5/25