栗 帥

（山西潞安檢測(cè)檢驗(yàn)中心有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046200）

引言

目前，錨桿支護(hù)以其成本低、施工過(guò)程簡(jiǎn)單、支護(hù)效果好等眾多優(yōu)勢(shì)，在煤礦巷道支護(hù)中應(yīng)用非常廣泛[1]。但是錨桿支護(hù)方案在施工過(guò)程中如果操作不當(dāng)則會(huì)嚴(yán)重影響支護(hù)效果，在后續(xù)煤礦開(kāi)采過(guò)程中受采動(dòng)影響，也有可能導(dǎo)致錨桿支護(hù)效果達(dá)不到要求，進(jìn)而威脅煤礦開(kāi)采安全。為確保錨桿支護(hù)的可靠性，煤礦開(kāi)采過(guò)程中需要對(duì)錨桿支護(hù)效果進(jìn)行檢測(cè)，以便掌握錨桿支護(hù)狀態(tài)。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在錨桿檢測(cè)中取得了很好的應(yīng)用效果[2-3]。

1 礦井巷道及支護(hù)工程概述

煤層厚度在3.13～4.06 m 范圍內(nèi)變化，平均厚度為3.62 m。傾角在1°～14°范圍內(nèi)變化，平均傾角為5°。直接頂和偽頂分別為石灰?guī)r和炭質(zhì)泥巖，平均厚度分別為2.41 m 和0.24 m，直接底和老底分別為細(xì)砂巖和粉砂巖，平均厚度分別為1.55 m 和1.12 m。通過(guò)對(duì)巷道圍巖基本屬性的分析判定圍巖屬性屬于中等水平，需要加強(qiáng)巷道支護(hù)。

巷道為矩形斷面，其寬度和高度分別為4.2 m和3.2 m，主要通過(guò)錨桿進(jìn)行支護(hù)。頂板錨桿采用的是無(wú)縱肋螺紋鋼，直徑和長(zhǎng)度分別為20 mm 和1.8 m。同時(shí)配合使用碟形鐵托片。頂板錨桿采用的是矩形布置，每排設(shè)置4 根錨桿，錨桿之間的距離為1 m，相鄰兩排錨桿之間的距離為1.2 m。與兩幫接近的兩根錨桿分別呈75°布置。利用樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固，具體型號(hào)為MSCK2360 和MSK2380。兩幫錨桿型號(hào)規(guī)格尺寸與頂板錨桿完全相同。采用的是三角形分布，同排相鄰錨桿距離為1.2 m，兩排錨桿間的距離為1 m。

2 錨桿無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的基本原理與流程

主要利用基于動(dòng)力學(xué)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)礦井巷道支護(hù)中錨桿的有效錨固長(zhǎng)度及軸向力進(jìn)行檢測(cè)，以下對(duì)其基本原理和流程進(jìn)行分析。

2.1 錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)原理與流程

在錨桿支護(hù)中，錨桿的有效錨固段和無(wú)效錨固段與圍巖之間的接觸狀態(tài)存在差異，當(dāng)向錨桿中施加彈性波時(shí)，由于接觸狀態(tài)的差異，使得彈性波在不同位置的反射和透射率不同，表現(xiàn)出來(lái)就是波阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而影響彈性波的傳播速度?；诖?，可以對(duì)彈性波在錨桿中的傳播速度變化情況進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合科學(xué)的算法就可以計(jì)算得到錨桿的有效錨固長(zhǎng)度。圖1 所示為錨桿長(zhǎng)度的檢測(cè)流程。首先安裝彈性波激發(fā)裝置和傳感器，然后利用激發(fā)裝置發(fā)射彈性波讓其在錨桿中傳播，基于傳感器對(duì)彈性波的反射信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，計(jì)算得到錨桿的全部長(zhǎng)度及有效錨固段長(zhǎng)度。

圖1 巷道支護(hù)中錨桿長(zhǎng)度的檢測(cè)流程

2.2 錨桿軸力檢測(cè)原理與流程

已有的理論研究表明，錨桿工作時(shí)其橫向振動(dòng)固有頻率與軸力之間存在緊密的聯(lián)系，當(dāng)錨桿軸力發(fā)生變化時(shí)，橫向振動(dòng)各階固有頻率會(huì)隨之發(fā)生變化，且固有頻率與軸力之間有明確的函數(shù)關(guān)系?；谝陨显?，可以通過(guò)外界激發(fā)裝置測(cè)量得到錨桿橫向振動(dòng)固有頻率，再反推錨桿軸力大小，具體檢測(cè)流程見(jiàn)下頁(yè)圖2。首先安裝振動(dòng)波激發(fā)裝置和傳感器。利用激發(fā)裝置在錨桿橫向方向發(fā)射振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)傳感器對(duì)錨桿的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。然后基于FFT（即傅里葉變換）對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析得到錨桿的固有頻率。最后反推計(jì)算得到錨桿的軸力大小。必要情況下可以更改激振器以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖2 巷道支護(hù)中錨桿軸力的檢測(cè)流程

3 錨桿無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

基于以上原理對(duì)煤礦巷道支護(hù)中錨桿的錨固效果進(jìn)行檢測(cè)，選擇了巷道頂板中的9 根錨桿作為檢測(cè)對(duì)象。對(duì)9 根錨桿的全部長(zhǎng)度、錨固段長(zhǎng)度和自由段長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)與計(jì)算，并將其與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以檢驗(yàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)中的實(shí)踐應(yīng)用效果，表1 為錨桿長(zhǎng)度無(wú)損檢測(cè)結(jié)果及其誤差統(tǒng)計(jì)。

為研究工作面推進(jìn)過(guò)程對(duì)錨桿軸力的影響規(guī)律，同樣選擇了不同位置的9 根錨桿作為檢測(cè)對(duì)象，每間隔一天對(duì)錨桿軸力進(jìn)行檢測(cè)，連續(xù)檢測(cè)8 d，工作面的推進(jìn)速度為3.5 m/d。表2 為錨桿軸力無(wú)損檢測(cè)結(jié)果及其變化情況。

表2 錨桿軸力無(wú)損檢測(cè)結(jié)果及其變化情況 t

3.2 檢測(cè)結(jié)果分析與討論

由表1 中數(shù)據(jù)可以看出，基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)測(cè)量得到的錨桿錨固段長(zhǎng)度主要集中在兩個(gè)范圍內(nèi)，分別為1.1 m 和1.3 m 左右，這與實(shí)際情況比較吻合。出現(xiàn)不同錨固段長(zhǎng)度的原因在于，不同錨桿使用的錨固劑類(lèi)型存在差異。使用MSCK2360型錨固劑時(shí)需要通過(guò)直徑為30 mm的鉆頭進(jìn)行打孔，對(duì)應(yīng)的錨固段長(zhǎng)度為1.3 m 左右；使用MSK2380型錨固劑時(shí)，需要利用直徑為32 mm的鉆頭打孔，對(duì)應(yīng)的錨固段長(zhǎng)度為1.1 m 左右。將無(wú)損檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)錨桿全長(zhǎng)測(cè)量誤差范圍最大值為3.33%，錨固段長(zhǎng)度測(cè)量誤差最大值為5.19%?？梢?jiàn)，基于動(dòng)力學(xué)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以將錨桿長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果誤差控制在相對(duì)較低的水平，完全能夠滿(mǎn)足實(shí)踐應(yīng)用。另外，從檢測(cè)結(jié)果中可以看出，6號(hào)錨桿的錨固段長(zhǎng)度只有0.69 m，屬于不正常情況，存在一定的安全隱患，需要進(jìn)行處理。

表1 錨桿長(zhǎng)度無(wú)損檢測(cè)結(jié)果及其誤差統(tǒng)計(jì)

由表2 中數(shù)據(jù)可以看出，隨著工作面的不斷往前推進(jìn)，錨桿的軸力整體上呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。主要是因?yàn)殡S著工作面的推進(jìn)，錨桿與工作面的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，此時(shí)巷道的塌陷趨勢(shì)更加明顯，錨桿需要承受更大的作用力。巷道支護(hù)中使用的錨桿，其設(shè)計(jì)軸力大小為10 t。除5 號(hào)錨桿在第1、2、4 天的軸力超過(guò)10 t 以外，其他錨桿的軸力均有效控制在了10 t 范圍內(nèi)。說(shuō)明其他錨桿都是安全的，第5 號(hào)錨桿需要引起關(guān)注。

4 結(jié)論

利用基于動(dòng)力學(xué)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)煤礦巷道支護(hù)中錨桿的錨固段長(zhǎng)度和軸力大小進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果精度較高。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以有效發(fā)現(xiàn)錨桿支護(hù)中存在的問(wèn)題，以便采取措施對(duì)其進(jìn)行處理。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在煤礦巷道支護(hù)中的實(shí)踐應(yīng)用，可以顯著提升錨桿支護(hù)的效果，為煤礦開(kāi)采安全奠定良好的基礎(chǔ)。