锚杆轴力监测方法研究

锚杆轴力监测方法研究
摘要：矿产资源是宝贵的自然资源，对国民经济、人民幸福生活意义重大。

在矿山开采过程中，巷道围岩受到扰动，应力状态发生改变，极易发生采空区失稳、片帮冒落等灾害，引起矿山安全问题。

因此，对于矿山围岩巷道进行加固支护和应力应变状态监测极其重要。

巷道围岩的加固常采用锚杆支护，通过对锚杆轴力监测，可掌握锚杆支护效果和矿山应力应变情况。

关键词：轴力监测；锚杆；应力应变
引言
矿产资源是我国宝贵的自然资源，为我国经济发展提供了巨大的财富，同时也满足了人们生产生活的需求。

采矿过程中，地下围岩受开采扰动的影响，原岩应力发生变化，诱发大规模冒落、离层和岩壁片帮，严重时还可导致岩爆灾害的产生。

在2022年，全国共发生安全生产事故367起，死亡518人，这对从业人员和财产造成了重大损失。

随着采矿行业的不断发展，矿山的安全问题越来越重要，因此，采用锚杆支护提高巷道围岩稳定性，并实现对岩体应力状态监测至关重要。

1 锚杆支护
1.1锚杆的种类
根据锚杆与被支护体的锚固长度，可以将锚杆分为两种类型：集中锚固锚杆和全长锚固锚杆。

当锚杆杆体只有一部分和围岩相接触时，为集中锚固类锚杆；当锚杆杆体与围岩接触长度超过90%时，可以认为该锚杆为全长锚固类锚杆。

根据锚杆与围岩体的锚固方式，可以将锚杆分为两种类型：机械式锚固锚杆和黏结式锚固锚杆。

两种锚固方式所依靠的锚固作用力不同。

机械式锚固锚杆的锚与锚固围岩直接接触，两者之间的摩擦力使得锚杆能够锚固围岩。

黏结式锚杆
是使用黏结剂将锚杆杆体与围岩钻孔孔壁固定在一起，依靠黏结剂对两者的固定
作用进行锚固，黏结剂包括树脂、水泥砂浆等。

根据锚杆杆体的材料，又可以将锚杆分为两种类型：金属锚杆和非金属锚杆。

两种锚杆基底材料不同，其中金属锚杆还包括圆钢锚杆、螺纹钢锚杆等，非金属
锚杆包括玻璃钢锚杆、木锚杆和竹锚杆等。

1.2锚杆支护技术的发展
锚杆在加固工程中广泛应用，至今已有100多年的历史。

早在1890年的英国，就有将钢筋应用到煤矿岩层的加固中的实例。

我国自1960起，也开始将锚
杆应用于矿山巷道的围岩加固中。

随着锚杆及加固工程的不断发展，越来越多的
工程中开始使用锚杆进行支护。

在锚杆支护技术发展初始阶段，主要使用金属支架进行支护，但该方法支护
成本高，维护困难。

于是随着锚杆支护中的发展，机械式锚杆和黏结式锚杆逐渐
发展与广泛应用，常采用喷射水泥浆、混凝土的方法进行支护，但当矿山巷道围
岩复杂时，该方法的支护效果较差。

在60年代，又有学者研究出树脂锚杆，并
将其用于矿山巷道的围岩支护中，试验结果显示树脂锚杆的支护效果突出，适用
于矿山巷道支护。

70年代，管缝式锚杆、胀管式锚杆被研发出来用与矿山巷道支护，并基于此产生了新的支护设计方法。

由于锚杆支护适用范围广、支护效果好，锚杆支护在矿山支护中的占比越来越大，锚杆种类也越来越多，支护理论也得到
了发展。

2锚杆轴力监测方法
锚杆是矿山巷道支护的基本组成部分，它能加固巷道围岩，使得围岩自身支
护自身，有效地维护矿山巷道围岩顶板和围岩的稳定性，避免采空区的失稳、片
帮冒落等矿山生产安全事故的发生。

因此，如何对锚杆轴力进行监测，从而实现
对锚杆支护状态和矿山巷道应变的监测十分重要。

2.1电阻应变片监测
电阻应变片为电子器件，它通过电阻值的变化来反应应变的大小。

应变片的
基材为电绝缘材料，其表面粘贴有带敏感栅的金属箔片，敏感栅引线与应变片引
线相连，从而能够与外界电路接通。

将应变片粘贴于锚杆表面，并将应变片接入测量电路中，当锚杆发生变形时，由于粘合剂的作用，应变片也会随之发生变形，引起电阻值改变。

因此，测量电
路中电流的变化情况，即可得到锚杆变形情况。

应变片方便快捷，且当应变片具有不同的组合结构时，还可测量不同的物理量，如当应变片沿锚杆轴向粘贴时，可获得锚杆轴向力的变化；当应变片采用横
竖型布设时，可同时获得锚杆轴向力和弯曲角度数据。

2.2钢弦式测力锚杆
钢弦式测力锚杆由振弦式感应部件、热敏电阻、电缆等部件组成，测量时，
连接频率仪，可以测量振弦式感应部件的频率变化情况，经过应变与频率的函数
关系换算，即可得到锚杆应力的大小。

但该方法的布设成本较高，因此应用较少。

2.3 复合FBG智能锚杆
上述两类传感器均为电类传感器，抗电磁干扰能力和长期稳定性较差。

近年来，光纤通讯技术迅速发展，光纤类传感器逐渐应用到各个领域，包括土木、医
学等。

光纤传感器为光学元件，能够克服电类传感器的缺点，具有抗电磁干扰能
力强、长期稳定性好的优点。

因此，将光纤传感器与锚杆进行结合，也可实现对
锚杆轴力的测量。

光纤布拉格光栅传感器（FBG）对应变敏感，且原理简单，在锚杆轴力监测
中被广泛应用。

布拉格光栅在传播光信号时，能够反射特定波长的入射光。

当光
栅的受到的应力发生变化时，反射波的中心波长也会发生漂移，且波长漂移量与
应力的变化量呈线性关系。

基于该传感特性，可通过对光栅反射波长的监测来实
现对锚杆轴力的监测。

光纤光栅传感器与锚杆复合的常用方法有两种：粘贴法和埋入法，对于不同
的锚杆基材，选择合适的复合方法。

粘贴法主要适用于金属锚杆，将金属锚杆表
面开凹槽，用环氧树脂类胶将光纤固定在凹槽中；埋入法主要适用于玻璃纤维锚杆，在生产制作锚杆时，光纤与玻璃纤维可一同拉制成型。

对于复合FBG智能锚杆的研究是近些年来的热点之一，各大高校和科研院所
都对其进行了各种试验和应用观察。

西安科技大学的学者将FBG粘贴在锚杆表面，对锚杆的应力应变进行监测，并将结果与应变片测量结果对比，发现FBG传感精
度高，性能优越，可用于锚杆支护系统；武汉理工大学对表面粘贴式光纤光栅锚
杆的受力传感机理进行了深入研究，且将智能锚杆应用于高陡边坡、矿山等实际
工程中；哈尔滨工业大学研制了复合FBG玻璃纤维锚杆，兼具加固和监测功能，
并通过拉拔试验和力学性能试验验证了该智能锚杆对于应变监测的有效性，能够
为矿山巷道围岩监测和稳定性评价提供技术支持。

但FBG对温度和应变同时敏感，为了得到准确的应变数据，需要消除温度对
光栅波长的影响。

研究证明，光栅波长对于温度的变化也是线性敏感的，通过标
定光栅对于温度的灵敏度系数，可得到温度变化引起的光栅波长的漂移量。

根据
光纤光栅传感原理，即可通过计算消除温度对波长的影响，从而提高应变准确性。

结语
综上所述，为保证矿山安全生产、保护人民利益，对于矿山巷道围岩的支护
加固和实时监测是十分重要的。

锚杆支护为最常见的支护手段，因此研究对锚杆
监测的手段，可实现长期实时、高精度的应力应变监测，可掌握矿山的应力应变
情况，为后续事故高发的矿区建立稳定性评价系统提供坚实基础。

参考文献
[1]王熙熙. 光纤传感技术在铁路边坡锚固监测中的研究[D].武汉理工大
学,2012.
[2]章嘉康. 复杂受力条件下锚杆变形的光纤光栅监测实验研究[D].太原
理工大学,2019.
[3]康红普,王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京:煤炭工业出版社,2007:112-121.
[4]梁春祥.电阻式测力锚杆实时监测技术研究[J].能源与节
能,2016(11):17-18.DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2016.11.008.。