Czujniki do monitoringu siły naciągu kotwi górniczych przy obciążeniu statycznym i dynamicznym

W artykule przedstawiono konstrukcję mechaniczną i elektryczną prototypowych czujników siły naciągu kotwi górniczych oraz matematyczne zależności niezbędne do ich projektowania. Czujniki przeznaczone są do stosowania w układach pomiarowych wykorzystywanych do monitoringu naciągu kotwi przy obciążeniu statycznym i dynamicznym, w budownictwie górniczym i tunelowym. Czynnościom metrologicznym w postaci wzorcowania i sprawdzania poddano wybrane z typoszeregu czujniki przeznaczone szczególnie do monitoringu kotwi górniczych o nośności 500 kN, 750 kN i 1000 kN, w trudnych warunkach geologiczno-górniczych i klimatycznych, oraz w warunkach zagrożenia wstrząsami górotworu i tąpaniami. Ze względu na to, że czujniki te przewidziane są do stosowania w trudnych warunkach klimatycznych i przy zmiennych obciążeniach, zdecydowano się na rozbudowany sposób ich sprawdzania metrologicznego przy obciążeniu statycznym i udarowym. Wyniki wzorcowania czujników naciągów kotwi przy obciążeniu statycznym przedstawiono w postaci zależności siły w funkcji sygnału elektrycznego y=f(x). Sprawdzenie czujników przy obciążeniu dynamicznym o charakterze udarowym, symulującym tąpnięcie, przeprowadzono za pomocą bijaka o masie 20 000 kg z prędkością udaru w zakresie od 0,6 do 0,8 m/s. Wyniki sprawdzenia czujników naciągów kotwi ze wskazaniami wzorca pomiarowego, przy obciążeniu udarowym, przedstawiono w postaci porównania przebiegów wskazań siły w funkcji czasu. Do testów użyto kotwie samowiertne typu R32S, produkcji GONAR-Systems International Sp. z o.o., o nominalnym statycznym obciążeniu zrywającym żerdzie Fr=360 kN, które stosowane są głównie w geoinżynierii, budownictwie podziemnym i tunelowym. Otrzymane parametry mechaniczne i elektryczne typoszeregu czujników siły naciągu kotwi potwierdzają, że czujniki posiadają dobre własności sprężyste, małe gabaryty i wysoką czułość napięciową. Klasa dokładności czujników siły przy obciążeniu statycznym i udarowym wynosi 1%, co jest wystarczające do prawidłowego odwzorowania monitorowanych sił występujących w kotwiach. Czujniki zostały wykonane z materiałów odpornych na korozję, a ich konstrukcja zapewnia również wysoką odporność na obciążenia udarowe, które potwierdzone zostały podczas badań w kafarowym stanowisku badawczym.

This paper presents mechanics and electrical construction of prototype sensors for mining rock bolt tension force, and mathematical relations that are necessary to design these elements. The sensors are intended for application in measuring systems used to monitor the tension of rock bolts while statically and dynamically loaded, in mining and tunnel construction. Metrological operations in the form of calibration and verification were selected from a series of types of sensors designed specifically for monitoring the rock bolts with a capacity of 500 kN, 750 kN and 1,000 kN, in difficult geological, mining and climatic conditions, and in hazardous conditions of tremors and rock burst. Due to the fact that these sensors are designed for use in harsh climatic conditions and at varying loads, it was decided to expand the means of metrological verification for static load and impact. The results of calibration of sensors for anchors’ tension at static load are shown as a function of force versus the electrical signal y = f(x). The tests on sensors at dynamic impact, simulating a tremor, were carried out with an impact hammer of a weight of 20,000 kg at a rate of the impact between 0.6 to 0.8 m/s. The results of the tests on rock bolt tension including an indicated measurement pattern, and at impact load, are shown in the form of comparison of waveform display of force versus time. The tests used self-drilling anchors, type R32 s, manufactured by GONAR-Systems International Sp. z.o.o., with a nominal ultimate load of Fr = 360 kN. They are mainly used in geo-engineering, underground construction and tunnelling. Resulting mechanical and electrical parameters of series of types of sensors for rock bolts’ tension confirm that the sensors have good elastic properties, small size and high voltage sensitivity. Accuracy class of force sensors at static and impact load is 1%, which is sufficient for proper mapping of monitored forces of the rock bolts. The sensors are made of corrosion-resistant materials and their design provides high impact resistance which has been confirmed during test carried out in a pile-driving station.