摘要：锚杆支护在矿山锚固工程中占有着重要的地位，为了解锚杆在施工过程中的受力状态，需对锚杆的应力进行监测。本文详细介绍了应变测力锚杆的结构设计，矿用数字锚杆监测仪设计原理及其应用，并将该测力系统应用于某煤矿，用其所测试的数据对锚杆的工作状态以及围岩安全状况进行分析，结果实时，可靠。该系统为煤矿实现信息化作业提供了一种可靠的手段，也为锚杆的优化设计和应用提供了科学依据。
1引言
岩土锚固技术是近代岩土工程领域中的一个重要分支，由于它的安全、经济和有效，已愈来愈广泛的应用于各个工程领域。其中，锚杆以它的主动支护、有效强化围岩强度、保持围岩稳定、施工简单、成本低、安全可靠、改善作业环境等优点，跃然成为世界各国巷道支护的首选支护手段，在矿山、交通、水电等领域发挥着重要作用[1]。
为了深入了解锚杆支护的受力状态及应变特点，通常需要对锚杆支护工程进行试验研究和应变参数的现场测试，对全长锚固式支护锚杆在工作时期杆体不同深度处的受力状态进行监测，以便弄清锚杆在工作时的受力特性，而应变测力锚杆使这些问题迎刃而解[3]。
2应变式测力锚杆设计原理
实际工程当中，为了更好的了解锚杆的受力状态，通常我们会将一部分锚杆作为实验锚杆（应变式测力锚杆）来进行现场监测。由于测力锚杆不仅能作为测力装置对锚杆受力状态进行监测，而且还要作为支护材料对巷道进行支护，因此，应变式测力锚杆的结构应尽可能与实际使用的锚杆相同。但为了对这些锚杆进行现场实时监测，必须对这些锚杆进行特殊处理。为此在原锚杆杆体两侧各对称开一矩形断面沟槽[2]。
该测力锚杆采用粘贴在锚杆矩形断面沟槽上的电阻应变片做传感器来测定锚杆的受力状态。当锚杆所在区间围岩变形时，由于粘结力或摩擦力使锚杆变形。因锚杆的弹性模量大于围岩的弹性模量，锚杆束缚围岩变形，使锚杆产生轴向力。当锚杆端部的螺母拉紧后又产生附加轴向力，锚杆受力表面产生微小变形（伸长或缩短），贴在其上的应变片线栅亦随之发生变形。
由于金属线材的应变效应，线栅的电阻发生变化（增大或缩小），电阻变化率的大小与应变片粘贴在锚杆位置处的应变的大小成正比关系，再利用应变仪测出各应变片不同时间的应变值。其关系式为：
(1)
式中：为应变片的灵敏系数。
因此，只要测出的变化率就可得出贴片处的应变值。根据弹性力学应力与应变的关系或标定的曲线可得出应力值，按应变值理论计算出贴片处所承受的轴向力即：
(2)
式中：为应变值；为钢弹性模量；为测力锚杆的截面积。
3应变测力锚杆的标定
锚杆在投入使用前，应在实验室对其进行标定。由于不同材质、不同尺寸甚至不同加工工艺制作的锚杆杆体，其变形特征也不相同，所以必须对测力锚杆进行实验室标定。将现场用的锚杆用上述方法在螺纹钢上开槽，槽的宽度、深度与现场测力锚杆的相同，然后在槽内对称粘贴2片工作应变片，最后用导线将应变片脚线引出来[6]。
将温度补偿应变片贴在温度补偿上，然后将工作应变片和温度补偿片按半桥的方式结成电桥。
在压力实验机上分别对锚杆进行拉伸标定，利用矿用数字锚杆监测仪记录锚杆在不同拉力下的应变值。图4为本文对其中的一根锚杆进行的标定曲线。从图4我们可以看出，当拉力达到170kN时，锚杆产生塑性变形，此时对应的应力就是该锚杆的屈服应力，同时我们还可以根据此标定曲线得出锚杆的弹性模量，最终可以得出锚杆的许用轴向拉应力。
测力锚杆的安装方法与一般锚杆的安装方法基本相同，但要注意使测力锚杆的沟槽方向与巷道轴向垂直。安装好后，开始用电阻应变仪对测力锚杆进行定期观测，将每次观测的数据输入计算机，根据测力锚杆的力学参数设计的专用软件对输入数据进行处理，便可得到不同观测时刻测力锚杆全长范围内的正应力曲线、轴向拉力曲线、弯矩曲线、剪应力曲线及测力锚杆的伸长量等。
4工程实例
本论文所设计的应变测力锚杆被应用到陕西某矿101工作面运输顺槽，并取得了良好效果。锚杆杆体轴力主要分布在近锚固端的1/2处。开始时锚杆深部受力很小，随着时间的增加，锚杆逐渐发挥作用，杆体轴力向锚杆的深部传递，在亭南煤矿，通常一周时间锚杆就能发挥控制围岩变形的作用。
5结束语
大量的工程实践表明，在施工过程中对某些施工断面安装测力锚杆进行受力情况监测具有重要的意义，它不仅可以对锚杆的工作状态及围岩的安全状况进行分析，而且为优化锚杆设计参数、改善施工质量提供了可靠的科学依据。
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