预应力锚固智能化装备与方法

本发明涉及地下工程，特别是涉及一种预应力锚固智能化装备与方法。

背景技术：

1、隧道预应力锚杆/锚索支护施工程序一般包括定位、钻孔、清孔、锚杆/锚索和锚固剂安放、搅拌锚固剂、注浆、杆体张拉锁定和外锚头固定。目前，预应力锚杆/锚索施工过程中主要面临两个问题。

2、首先，由于预应力锚杆/锚索安装工艺极为复杂、涉及施工工具多，需要频繁更换工具；那么，目前主要依靠人工来进行施工和更换施工工具，直接造成工人施工强度增大、施工效率低、成本高、施工效果和质量无法保证等问题。

3、其次，现场施工无法准确找到围岩稳定区域进行锚固，并且无法针对每个钻孔进行药卷用量设计。那么，目前主要根据施工前期地质勘察结果对钻孔位置、深度和药卷用量进行设计，直接造成预应力锚杆/锚索锚固效果不佳、药卷用量过多，造成成本浪费等问题。

4、再者，专利202320106799.7提供一种用于预应力锚杆施工的机械化装置，但其只能用于紧固锚杆和预应力施加，不能实现从钻孔到锚杆施加预应力一体化施工工序，且不能实现随钻探测围岩情况，根据围岩情况实时优化钻孔深度、锚固药卷用量设计。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种预应力锚固智能化装备与方法，实现从钻孔到锚杆/锚索施加预应力一体化施工，实现随钻探测围岩情况，实现对钻孔过程中的钻孔深度和锚固药卷用量的设计。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供预应力锚固智能化装备，包括：钻机车体，和设于钻机车体上的钻机、传感器、定预应力机械臂和处理器；

4、所述钻机用于对围岩进行钻孔，并在钻孔完成后向锚孔中装入锚固剂和锚杆/锚索，以及通过锚固剂对锚杆/锚索进行锚固；

5、所述传感器用于获取钻孔过程中的钻进扭矩；

6、所述定预应力机械臂用于根据设定预应力值，对锚固后的锚杆/锚索施加预应力；

7、所述处理器接收钻进扭矩，被配置为根据钻进扭矩识别围岩破碎状态，并以此优化钻孔深度和锚固药卷用量，从而控制钻机的钻孔过程，以及在锚固完成后发送设定预应力值至定预应力机械臂。

8、作为可选择的实施方式，所述围岩破碎状态包括围岩破碎范围、破碎程度和结构特征。

9、作为可选择的实施方式，所述处理器还被配置为根据钻进扭矩生成钻进扭矩随钻进深度的变化曲线，根据钻进扭矩的变化曲线相对于稳定阶段钻进扭矩值的上下波动程度判断围岩破碎程度，并对围岩破碎程度进行分级，以优化钻孔深度和锚固药卷用量，根据钻进扭矩的变化曲线的波动范围确定围岩破碎范围，根据钻进扭矩的变化曲线中是否出现零或趋于零的值，来识别结构特征。

10、作为可选择的实施方式，优化钻孔深度和锚固药卷用量的过程包括：当钻进扭矩的变化曲线相对于稳定阶段钻进扭矩值的上下波动程度小于设定阈值时，停止钻孔且减少锚固药卷用量；当钻进扭矩的变化曲线相对于稳定阶段钻进扭矩值的上下波动程度大于设定阈值时，增加锚固药卷用量和钻孔深度，直至钻进扭矩增大并趋于稳定。

11、作为可选择的实施方式，所述定预应力机械臂包括定预应力锚固张拉装置和定预应力电动扭矩装置；所述处理器发送设定预应力值至定预应力锚固张拉装置或定预应力电动扭矩装置，由定预应力锚固张拉装置或定预应力电动扭矩装置对锚固后的锚杆/锚索施加预应力。

12、作为可选择的实施方式，所述定预应力锚固张拉装置采用张拉法为锚杆/锚索施加设定预应力值。

13、作为可选择的实施方式，所述定预应力锚固张拉装置包括智能液压张拉机、压力传感器和用于夹持固定锚杆/锚索的固定结构，压力传感器与处理器连接，智能液压张拉机接收设定预应力值后，对锚固后的锚杆/锚索进行张拉，直到达到设定的预应力值。

14、作为可选择的实施方式，所述定预应力电动扭矩装置采用螺纹扭矩法为锚杆/锚索施加设定预应力值。

15、作为可选择的实施方式，所述定预应力电动扭矩装置包括电动机和与处理器连接的扭矩传感器，通过电动机对锚杆/锚索螺母施加扭矩，实现对锚杆/锚索施加预应力，直到达到设定的预应力值。

16、第二方面，本发明提供一种预应力锚固智能化装备的工作方法，采用第一方面所述的预应力锚固智能化装备，包括：

17、采用钻机对围岩钻孔，采用传感器获取钻孔过程中的钻进扭矩，由处理器根据钻进过程中钻进扭矩反馈识别围岩破碎状态，优化钻孔深度和锚固药卷用量，从而反馈控制钻机的钻孔过程；

18、在钻孔完成后采用钻机向锚孔中装入锚固剂和锚杆/锚索，并通过搅拌锚固剂对锚杆/锚索进行锚固；

19、设定预应力值，并发送至定预应力机械臂，利用定预应力机械臂对锚固后的锚杆/锚索施加预应力。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

21、本发明提供一种预应力锚固智能化装备与方法，根据钻进过程中钻进扭矩反馈识别围岩破碎范围、破碎程度和结构特征，通过对围岩的围岩破碎范围、破碎程度和结构特征的识别，优化锚固深度和药卷使用数量，随后利用钻机向锚孔中装入锚固剂和锚杆/锚索，搅拌锚固剂，达到固定锚杆/锚索的效果；通过给定预应力锚固张拉装置设定预应力值，或者给定预应力电动扭矩装置设定预应力值，利用定预应力锚固张拉装置对锚固后的锚杆/锚索进行张拉施加预应力，或利用定预应力电动扭矩装置预紧螺母对锚杆/锚索施加预应力，实现从钻孔到锚杆/锚索施加预应力一体化施工，实现随钻探测围岩情况，实现对钻孔过程中的钻孔深度和锚固药卷用量的设计，解决预应力锚杆/锚索锚固效果不佳、药卷用量过多、成本浪费等问题。

22、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.预应力锚固智能化装备，其特征在于，包括：钻机车体，和设于钻机车体上的钻机、传感器、定预应力机械臂和处理器；

2.如权利要求1所述的预应力锚固智能化装备，其特征在于，所述围岩破碎状态包括围岩破碎范围、破碎程度和结构特征。

3.如权利要求2所述的预应力锚固智能化装备，其特征在于，所述处理器还被配置为根据钻进扭矩生成钻进扭矩随钻进深度的变化曲线，根据钻进扭矩的变化曲线相对于稳定阶段钻进扭矩值的上下波动程度判断围岩破碎程度，并对围岩破碎程度进行分级，以优化钻孔深度和锚固药卷用量，根据钻进扭矩的变化曲线的波动范围确定围岩破碎范围，根据钻进扭矩的变化曲线中是否出现零或趋于零的值，来识别结构特征。

4.如权利要求3所述的预应力锚固智能化装备，其特征在于，优化钻孔深度和锚固药卷用量的过程包括：

5.如权利要求1所述的预应力锚固智能化装备，其特征在于，所述定预应力机械臂包括定预应力锚固张拉装置和定预应力电动扭矩装置；所述处理器发送设定预应力值至定预应力锚固张拉装置或定预应力电动扭矩装置，由定预应力锚固张拉装置或定预应力电动扭矩装置对锚固后的锚杆/锚索施加预应力。

6.如权利要求5所述的预应力锚固智能化装备，其特征在于，所述定预应力锚固张拉装置采用张拉法为锚杆/锚索施加设定预应力值。

7.如权利要求6所述的预应力锚固智能化装备，其特征在于，所述定预应力锚固张拉装置包括智能液压张拉机、压力传感器和用于夹持固定锚杆/锚索的固定结构，压力传感器与处理器连接，智能液压张拉机接收设定预应力值后，对锚固后的锚杆/锚索进行张拉，直到达到设定的预应力值。

8.如权利要求5所述的预应力锚固智能化装备，其特征在于，所述定预应力电动扭矩装置采用螺纹扭矩法为锚杆/锚索施加设定预应力值。

9.如权利要求8所述的预应力锚固智能化装备，其特征在于，所述定预应力电动扭矩装置包括电动机和与处理器连接的扭矩传感器，通过电动机对锚杆/锚索螺母施加扭矩，实现对锚杆/锚索施加预应力，直到达到设定的预应力值。

10.预应力锚固智能化装备的工作方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的预应力锚固智能化装备，包括：

技术总结本发明公开一种预应力锚固智能化装备与方法，涉及地下工程技术领域，包括：钻机车体，和设于钻机车体上的钻机、传感器、定预应力机械臂和处理器；所述钻机用于对围岩进行钻孔，并在钻孔完成后向锚孔中装入锚固剂和锚杆/锚索，以及通过锚固剂对锚杆/锚索进行锚固；所述传感器用于获取钻孔过程中的钻进扭矩；所述定预应力机械臂用于根据设定预应力值，对锚固后的锚杆/锚索施加预应力；所述处理器接收钻进扭矩，被配置为根据钻进扭矩识别围岩破碎状态，并以此优化钻孔深度和锚固药卷用量，从而控制钻机的钻孔过程，以及在锚固完成后发送设定预应力值至定预应力机械臂。实现从钻孔到锚杆/锚索施加预应力一体化施工。技术研发人员：江贝,高红科,卞振国,吴文瑞受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）技术研发日：技术公布日：2024/6/23