智能岩石锚杆驱动器的制作方法
1.本公开涉及用于加固地层(比如岩层)的岩石锚杆，并且具体涉及用于监测这种锚杆的安装的技术，尤其是监测附接到锚杆的外端部分的螺母或类似物的旋转的技术。
背景技术：
2.地层(诸如岩石地层或岩层)通常使用岩石锚杆来加固。例如，岩石锚杆通常用于加固隧道顶部和稳定岩壁、斜坡和岩脉。根据例如待加固的地层的类型，使用各种类型的岩石锚杆或锚固件。
3.一种普通类型的岩石锚杆是能够液压膨胀的岩石锚杆，该能够液压膨胀的岩石锚杆设置有能够膨胀的主体，该能够膨胀的主体被打入地层中，此后通过引入加压压力介质而膨胀，使得该能够膨胀的主体压靠在钻孔的孔壁上，从而接合地层。从cz 25706u1中已知一种能够液压膨胀的岩石锚杆。
4.另一种类型的岩石锚杆是摩擦锚杆。这种岩石锚杆可以通过驱动设备(诸如钻孔台车)打入到地层中。能够机械膨胀的锚杆包括拉长的能够膨胀的外部主体(有时称为对开管)，以及在该外部主体内从设置有螺母的尾部部分延伸到前部部分的中心杆，该前部部分可操作地连接到膨胀机构，用于在中心杆旋转时使外部主体膨胀。
5.在地层中安装能够机械膨胀的岩石锚杆时，驱动设备被操作以反复冲击锚杆的外部主体，从而迫使外部主体进入地层。当锚杆被打入到地层中足够得远时，锚杆通过螺母的旋转而膨胀，这引起中心杆的旋转，使得膨胀机构引起外部主体的膨胀。螺母可以是盲孔螺母，使得螺母可以首先被拧到中心杆的尾部部分的螺纹上，其中中心杆最终在盲孔螺母中降至最低点，从而防止中心杆和盲孔螺母之间的进一步相对旋转。这允许扭矩施加到螺母并且进一步施加到中心杆，以用于拉紧锚杆的膨胀机构。用于防止中心杆和螺母之间共同旋转的其它装置也是可行的，例如螺纹锁紧流体或剪切销，其中可以使用带有通孔的标准螺母来代替盲孔螺母。
6.一些摩擦锚杆包括外部主体，但没有膨胀机构，其中锚杆通过压配合被迫使进入地层中，以将锚杆锚固在地层中。
7.对于许多类型的岩石锚杆来说，有利的是在将锚杆打入地层之后旋转盲孔螺母，从而增加锚杆与地层的附接强度。
8.不能够膨胀的锚杆(比如树脂锚杆)在插入后也可能需要通过旋转附接到锚杆尾部部分的螺母来旋转。
9.au2010223134b2公开了一种能够机械膨胀的摩擦锚杆。
10.有时，安装岩石锚杆的操作者在将锚杆打入地层之后并不旋转盲孔螺母，而是从盲孔螺母上移除驱动设备。实际上，这意味着锚杆没有正确安装。
11.人工检查和拧紧地层中的多个锚杆是费时且容易出错的，并且岩石锚杆的错误安装是危险的，因为部分地层可能会无意中坍塌。
12.优选地是，每个螺母应该旋转预定的转数，或者旋转到预定的扭矩。将螺母旋转太
少圈可能导致未足够锚杆膨胀而以足够大的力接合地层。另一方面，将螺母旋转太多圈可能导致地层开裂，从而降低地层的强度。
13.有时，携带驱动器套筒的采矿机器设置有扭矩控制设备，该扭矩控制设备被配置用以允许操作者设定预定的目标扭矩，以施加到驱动器套筒，用于旋转岩石锚杆的螺母。然而，在锚杆已经被打入地层中之后，操作者可能仍然忘记启动驱动器套筒的旋转。
14.因此，需要一种改进的装置来促进岩石锚杆的正确安装。
技术实现要素：
15.本发明的目的是能够改进对岩石锚杆安装的控制，以确保驱动器套筒已经被充分旋转，以正确安装每个岩石锚杆。
16.根据本发明的第一方面，该目的通过一种用于安装地面加固锚杆的驱动器套筒来实现。所述驱动器套筒包括用于测量驱动器套筒的旋转的旋转传感器。此外，驱动器套筒包括处理单元，该处理单元被配置用以接收来自旋转传感器的信号，并且被配置用以基于来自旋转传感器的信号导出与驱动器套筒已经旋转的转数相关的旋转数据。
17.当驱动器套筒旋转时，旋转传感器测量驱动器套筒的旋转并且发出信号。该信号由处理单元接收，该处理单元导出与驱动器套筒已经旋转的转数相关的旋转数据。因此，这种驱动器套筒能够基于关于自从锚杆开始安装以来驱动器套筒已经旋转的转数的认知来控制驱动器套筒的操作。通过将旋转传感器集成到驱动器套筒中，旋转数据能够独立于驱动器套筒所附接的机器类型而获得。因此，驱动器套筒能够实现即插即用的方法来测量所安装的锚杆的旋转，并且能够使用任何携带该新型驱动器套筒的现有机器来监测地面加固锚杆的正确安装。
18.旋转数据可以包括描述预定时间段内的平均旋转速度的数据、描述驱动器套筒在一个或多个特定时间点已经旋转的转数的数据、或者描述驱动器套筒是否已经旋转的数据。
19.旋转数据的典型示例是驱动器套筒已经旋转的转数、平均旋转速度或加速度数据。平均速度和加速度数据两者都可以用来导出驱动器套筒已经旋转的转数。
20.传感器可以包括陀螺仪和/或加速度计和/或倾角计。
21.此外，驱动器套筒可以进一步包括无线发射器或收发器，其被配置用以发射包括旋转数据的信号。
22.通过发射包括旋转数据的信号，能够远程接收旋转数据，使得远程实体能够用于实时监测地面加固锚杆的旋转，而无需与旋转的驱动器套筒进行任何有线或直接的物理接触。
23.根据本发明的第二方面，该目的还通过一种监测地面加固锚杆的安装的方法来实现，其中该方法包括从一个或多个驱动器套筒接收旋转数据，并且根据可替代方案a)将旋转数据记录到数据载体，或者根据可替代方案b)从旋转数据导出描述驱动器套筒已经旋转的转数的旋转值，如果旋转值超过下限阈值，则发出第一信号，该下限阈值限定驱动器套筒为了正确安装而应该旋转的最小转数，并且/或者，如果旋转值超过下限阈值，则在数据载体上创建或更新数据记录，所述数据记录包括当前旋转的锚杆的标识符和指示锚杆已经旋转了所需的转数的数据。
24.根据该方法，旋转数据从一个或多个驱动器套筒获得，并且用于确定是否发出信号，该信号指示地面加固锚杆已经进行了足够的旋转从而使其被认为安装正确。具体地是，该方法包括确定描述驱动器套筒已经旋转的转数的旋转值。这可以简单到使用旋转数据已经明确给出的转数，但是可能需要基于平均旋转速度和/或加速度数据计算转数。一旦确定了驱动器套筒已经旋转的转数，就将转数与阈值进行比较。
25.此外，如果驱动器套筒已经进行了足够的旋转，则可以创建或更新数据记录，使得个人或系统可以容易地查阅数据载体上的数据记录，以查看锚杆是否被正确安装。因此，一旦驱动器套筒从插入地下的加固锚杆中移除，驱动器套筒就可以用于安装另一个锚杆，其中数据载体的数据记录用于保持跟踪哪些锚杆已经被正确安装。
26.该方法还可以包括：如果旋转值超过上限阈值，则发出第二信号，该上限阈值限定了驱动器套筒为了正确安装而可以旋转的最大转数，并且/或者，如果旋转值超过上限阈值，则在数据载体上创建或更新数据记录，所述数据记录包括当前旋转的锚杆的标识符和指示锚杆已经过度旋转的数据。
27.此外，该方法可以进一步包括记录每个锚杆的安装持续时间，并且如果旋转值超过下限阈值，则在数据载体上创建或更新数据记录，所述数据记录包括当前旋转的锚杆的安装持续时间和当前旋转的锚杆的标识符。
28.因此，驱动器套筒的电子设备也可以用于通过分别记录开始和停止锚杆的安装的时间来保持跟踪每个地面加固锚杆的安装持续时间。可以为每个锚杆测量任何一个或多个合适的持续时间，例如从开始将锚杆打入地面中和/或从开始旋转驱动器套筒。此外，持续时间的结束可以是检测到锚杆已经旋转了高于阈值的转数的时间，并且/或者，持续时间的结束可以是锚杆已经插入地面的孔中但在驱动器套筒开始旋转之前的时间。例如，持续时间可以用于基准测试和统计目的，以提高安装效率和质量。
29.此外，该方法可以包括接收来自扭矩传感器的扭矩数据，该扭矩传感器被配置用以测量施加到驱动器套筒的扭矩，并且基于扭矩数据和旋转数据来导出旋转阻力数据。
30.通过这样导出旋转阻力数据，可以验证旋转阻力是否在驱动器套筒进一步旋转时突然降低，这通常表明在安装过程中出现了问题，例如加固锚杆周围形成了裂纹。此外，旋转阻力数据实现了基于阻力与当前地面类型的追踪。
31.扭矩传感器可以与携带驱动器套筒的机器(诸如，钻孔台车)集成在一起。
32.在安装地面加固锚杆时携带驱动器套筒的机器通常设置有扭矩调节装置，该扭矩调节装置允许机器施加到驱动器套筒上的扭矩根据经验适当设定。因此，扭矩数据能够直接或间接地从携带驱动器套筒的机器获得，并且通过调整安装地面加固锚杆的方法以使之也包括导出每个安装的锚杆的旋转阻力数据的步骤，可以更好地理解每个锚杆的安装并且采取措施来校正任何偏差。例如，如果旋转阻力在长时间增加之后突然减小，这可能是由于锚杆已经使地面开裂，使得锚杆不再如预期的那样正确地加固地面。然后，可以考虑采取任何适当的措施，例如更换地面加固锚杆或在附近增加额外的锚杆。
33.该方法可以进一步包括连续地将当前旋转阻力与下限阻力阈值进行比较，并且a)如果该比较表明旋转阻力下降到下限阻力阈值以下，则发出第三信号，并且/或者b)如果该比较表明旋转阻力下降到下限阻力阈值以下，则在数据载体上创建或更新数据记录，所述数据记录包括当前旋转的锚杆的标识符和指示扭矩已经降低到下限阻力阈值以下的数据。
34.通过连续监测旋转阻力是否下降得超过预期，可以采取适当的措施，诸如更换地面加固锚杆或在附近增加额外的锚杆。下限阻力阈值用于确定所关注的偏差。下限阻力阈值可以是动态计算的阈值，或者下限阻力阈值可以是预定的阈值。
35.可以通过基于旋转阻力数据来连续记录旋转阻力的最大值而连续计算下限阻力阈值，并且然后将下限阻力阈值计算为旋转阻力数据的所述最大值的预定分数。由于旋转阻力的轻微上下变化是正常的，所以仅仅寻扭矩的瞬间降低是不够的，因为这可能会引发一种错误的印象，即已经达到了最大扭矩并且已经开始过度旋转。而是，应该使用下限阻力阈值，该下限阻力阈值可以动态地计算为所述最大值的预定分数，而不是基于预定的下限阈值。
36.所发射的第一信号、第二信号和/或第三信号可以使用诸如扬声器的音频通信设备或者使用诸如光源或显示单元的视觉通信设备来呈现。
37.通过使用音频通信设备或视觉通信设备呈现第一信号，控制加固锚杆安装的操作者容易理解该信号，使得操作者知道锚杆何时被正确安装。
38.根据本发明的第三方面，该目的还通过一种用于监测地面加固锚杆的安装的监测系统来实现。该监测系统包括如上所述的驱动器套筒和被配置用以执行如上所述的方法的计算机程序产品。
39.监测系统可以进一步包括用于运行计算机程序产品的移动计算设备，诸如智能电话或移动终端。
附图说明
40.图1示出了根据第一实施例的驱动器套筒的简化侧视图，其中虚线表示分别用于接纳锚杆和附接到采矿机器的中心凹部。
具体实施方式
41.下文将参照附图描述根据第一实施例的驱动器套筒及其与采矿机器的一起使用。驱动器套筒1用于在地层中安装地面加固锚杆。驱动器套筒包括用于测量驱动器套筒1的旋转的旋转传感器2。驱动器套筒1还包括处理单元3，处理单元3被配置用以接收来自旋转传感器2的信号，并且被配置用以基于来自旋转传感器2的信号来导出与驱动器套筒1已经旋转的转数相关的旋转数据。旋转传感器是电子旋转传感器。
42.旋转数据包括描述预定时间段内的平均旋转速度的数据、描述驱动器套筒1在一个或多个特定时间点已经旋转的转数的数据、或者描述驱动器套筒1是否已经旋转的数据。
43.旋转数据的典型示例是驱动器套筒已经旋转的转数、平均旋转速度或加速度数据。如果需要的话，则平均速度和加速度数据两者都可以用于导出驱动器套筒已经旋转的转数。在驱动器套筒上设置这种旋转传感器使得能够直接替换许多现有类型的驱动器套筒，从而通过研究通过传感器提供的旋转数据来提供对锚杆安装的监测。旋转数据可以实时分析，或者作为安装后的程序进行分析，以保证安全和及时的锚杆安装。
44.旋转传感器2包括陀螺仪和/或加速度计和/或倾角计。该陀螺仪、加速度计和/或倾角计被配置用以考虑旋转传感器相对于驱动器套筒的旋转轴线的位置/定向来确定旋转数据。
45.驱动器套筒1进一步包括无线发射器或收发器4，该无线发射器或收发器被配置用以发射包括旋转数据的信号。然而，可替代地或附加地是，驱动器套筒可以包括数据载体(诸如计算机存储器)，该数据载体被配置用以代替/除了发射具有旋转数据的信号之外还保存旋转数据。
46.通过发射包括旋转数据的信号，能够远程接收旋转数据，使得远程实体能够用于实时监测地面加固锚杆的旋转，而无需与旋转的驱动器套筒进行任何有线或直接的物理接触。
47.本发明的第二方面涉及一种监测地面加固锚杆的安装的方法。该方法包括：从一个或多个根据权利要求1-4中任一项所述的驱动器套筒1接收旋转数据，并且将旋转数据记录到数据载体上。该数据载体可以集成在驱动器套筒中，或者该驱动器套筒可以远离该数据载体设置，诸如在单独的存储设备中。存储设备的示例是云存储设备、手持终端或采矿机器机载的计算机系统。
48.附加地是或可替代地是，该方法可以包括从旋转数据中导出旋转值的步骤，该旋转值描述了驱动器套筒1已经旋转的转数。
49.附加地是，该方法可以包括：如果旋转值超过下限阈值，则发出第一信号，该下限阈值限定驱动器套筒1为了正确安装而应该旋转的最小转数。此外，该方法可以包括：如果该旋转值超过该下限阈值，则在数据载体上创建或更新数据记录，所述数据记录包括当前旋转的锚杆的标识符和指示锚该杆已经旋转了所需的转数的数据。
50.该方法可以进一步包括：如果旋转值超过上限阈值，则发出第二信号，该上限阈值限定了驱动器套筒1为了正确安装而可以旋转的最大转数。可替代地是或附加地是，该方法可以包括：如果该旋转值超过该上限阈值，则在数据载体上创建或更新数据记录，所述数据记录包括当前旋转的锚杆的标识符和指示该锚杆已经过度旋转的数据。
51.单个数据载体可以用于所有提到的数据存储需求，或者代替地是可以提供多个数据载体。
52.该方法还包括如下可选步骤：记录每个锚杆的安装持续时间，并且如果旋转值超过下限阈值，则在数据载体上创建或更新数据记录，所述数据记录包括当前旋转的锚杆的安装持续时间和当前旋转的锚杆的标识符。
53.每个锚杆的安装时间从旋转被认为已经开始时开始测量，直到锚杆的安装被认为已经完成为止。
54.此外，该方法包括如下可选步骤：接收来自扭矩传感器的扭矩数据，该扭矩传感器被配置用以测量施加到驱动器套筒1的扭矩，以及基于该扭矩数据和旋转数据4导出旋转阻力数据。
55.这里，所使用的扭矩传感器是与携带驱动器套筒的机器(即采矿机器)集成在一起的永久传感器。然而，可替代地是，该扭矩传感器可以设置在其它地方，诸如与驱动器套筒集成在一起或安装在采矿机器和驱动器套筒之间。
56.该方法进一步包括连续地将当前旋转阻力与下限阻力阈值进行比较。一旦比较表明旋转阻力下降到下限阻力阈值以下，就发出第三信号。可替代地是或附加地是，如果比较表明旋转阻力下降到下限阻力阈值以下，则创建或更新数据载体上的数据记录。数据记录包括当前旋转的锚杆的标识符和指示该扭矩已经降低到下限阻力阈值以下的数据。
57.下限阻力阈值被连续计算为旋转阻力数据的最大值的预定分数。然而，可以使用任何其它合适的统计计算来导出合适的下限阻力阈值。
58.代替使用来自扭矩传感器的信息来确定锚杆是否太容易旋转，可以使用旋转数据来得出相同的结论。在这种情况下，该方法还包括连续监测当前旋转速度并且将其与预定的上限旋转速度阈值进行比较，并且如果该比较表明该旋转速度超过该上限旋转速度阈值，则发出第三信号。可替代地是或附加地是，如果比较表明该旋转速度超过该上限旋转速度阈值，则在数据载体上创建或更新数据记录，所述数据记录包括当前旋转的锚杆的标识符和指示该旋转速度已经超过上限旋转速度阈值的数据。
59.使用扬声器形式的音频通信设备并且使用显示单元形式的视觉通信设备来呈现所发射的第一信号、第二信号和/或第三信号。在其它实施例中，可以省略发射信号的听觉和/或视觉呈现。
60.在一个方面，该技术以用于监测地面加固锚杆的安装的监测系统的形式提供，其中该监测系统包括如上所述的驱动器套筒1和被配置用以执行上述方法的计算机程序产品。
61.该系统可以进一步包括用于运行计算机程序产品的移动计算设备，诸如智能电话或移动终端。
