礦井巷道錨桿無損檢測(cè)技術(shù)及其實(shí)踐應(yīng)用研究

魏豆云

（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

煤礦資源是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)體系中非常重要的構(gòu)成部分，為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了非常重要的貢獻(xiàn)[1]。但近兩年來，我國(guó)很多省份出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的煤礦安全事故，造成了多名礦井工作人員的傷亡，引起了社會(huì)各界對(duì)于煤礦安全問題的高度關(guān)注[2]。對(duì)煤礦巷道進(jìn)行支護(hù)是確保煤礦生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)和前提，錨桿錨索支護(hù)是所有支護(hù)形式中效果較顯著、施工過程最簡(jiǎn)單的形式，在巷道支護(hù)中得到了非常廣泛的應(yīng)用[3]?？紤]到錨桿的錨固效果，如有效錨固長(zhǎng)度和錨固力大小等，對(duì)巷道安全有重要影響，在完成錨桿施工后有必要對(duì)其錨固效果進(jìn)行檢測(cè)[4]。傳統(tǒng)的錨桿檢測(cè)方法會(huì)對(duì)錨桿施工質(zhì)量造成不必要的損傷，進(jìn)而影響正常使用[5]。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)研究了一種無損檢測(cè)技術(shù)，其可以在不破壞錨桿正常使用狀態(tài)的情況下，對(duì)錨固效果進(jìn)行檢測(cè)[6]。本文主要分析了無損檢測(cè)技術(shù)的基本原理及其在煤礦巷道錨桿檢測(cè)中的實(shí)踐應(yīng)用情況。

1 礦井工作面及其巷道基本情況概述

煤礦工作面每層厚度在4.6～9.5 m，平均厚度為7.1 m 左右。工作面的直接頂和基本頂分別為泥巖與砂巖屬性，平均厚度分別為11.9 m 和8.1 m，直接底為粉砂巖屬性，平均厚度為2.4 m。圖1 所示為工作面沿空留巷通風(fēng)巷道的錨桿錨索支護(hù)情況。

圖1 巷道支護(hù)斷面示意圖（單位：mm）

由圖1 可知，巷道為矩形截面形狀，寬度和高度分別為4.8 m、4 m。頂板設(shè)置有6 根錨桿，相鄰錨桿之間的間距為0.9 m；設(shè)置有兩根錨索，長(zhǎng)度和直徑分別為5.2 m、22 mm，兩根錨索之間的距離為2.7 m。兩幫位置分別設(shè)置5 根錨桿，相鄰錨桿之間的間距為0.8 m，其中幫部位置最底下的錨桿和最上面的錨桿分別與水平方向呈30°朝下和朝上設(shè)置，兩幫位置沒有設(shè)置錨索。工作面的巷旁全部填充C30 混凝土，填充寬度為1.5 m。不管是頂部位置還是兩幫位置，使用的錨桿參數(shù)全部相同。錨桿的直徑和長(zhǎng)度分別為22 mm、1.8 m，使用的托盤規(guī)格尺寸為0.15 m×0.15 m。通過前期的地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)，圍巖的強(qiáng)度平均值為10.2 MPa。

2 錨桿無損檢測(cè)基本原理

對(duì)錨桿支護(hù)效果進(jìn)行檢測(cè)是確保煤礦安全生產(chǎn)的重要措施和保障，傳統(tǒng)的錨桿檢測(cè)會(huì)對(duì)錨桿本身造成一定程度的損傷?；诖耍l(fā)展出了錨桿無損檢測(cè)原理。本文所述的錨桿無損檢測(cè)主要是利用錨桿不同部位振動(dòng)特征的差異對(duì)其錨固效果進(jìn)行分析?？梢詫⒚旱V巷道錨桿的支護(hù)情況簡(jiǎn)化成為如圖2 所示的簡(jiǎn)圖，圖2 中陰影部分表示錨桿與圍巖實(shí)際的有效錨固段，剩下的稱為自由段。

圖2 煤礦巷道錨桿錨固系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

自由段處于懸空狀態(tài)，錨固段與圍巖緊密接觸，所以兩段的波阻存在一定程度的差異。當(dāng)使用激振器在錨桿端部位置作用使之產(chǎn)生振動(dòng)波，進(jìn)而在錨桿中傳播時(shí)，如果振動(dòng)波傳播到自由段和錨固段交界部位時(shí)，由于兩段的波阻不同，所以在該部位會(huì)產(chǎn)生反射波。利用傳感器對(duì)反射波進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合振動(dòng)波的傳動(dòng)時(shí)間，即可測(cè)量得到自由段和錨固段的長(zhǎng)度。

另一方面，錨桿的繃緊狀態(tài)會(huì)影響振動(dòng)波傳播時(shí)的頻率。錨桿力越大，則錨桿繃緊狀態(tài)越大。相反，錨桿力越小，則錨桿越處于較松散的狀態(tài)。通過對(duì)振動(dòng)波在錨桿中傳播時(shí)的振動(dòng)頻率進(jìn)行檢測(cè)，可以明確錨桿的繃緊狀態(tài)，進(jìn)而分析得到錨固力的大小。圖3 所示為煤礦巷道錨桿力大小的無損檢測(cè)流程圖。

圖3 煤礦巷道錨桿力無損檢測(cè)流程圖

3 錨桿受力無損檢測(cè)實(shí)踐應(yīng)用研究

3.1 測(cè)試區(qū)域

為了更好地反應(yīng)錨桿力的大小，在巷道掘進(jìn)一段時(shí)間后再利用無損檢測(cè)原理對(duì)沿空留巷中的錨桿錨固效果進(jìn)行檢測(cè)分析。為了防止煤礦掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)對(duì)錨桿無損檢測(cè)過程和結(jié)果造成不良影響，將檢測(cè)區(qū)域設(shè)置在進(jìn)風(fēng)巷道。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，工作面會(huì)對(duì)周圍50 m 產(chǎn)生影響，具體檢測(cè)時(shí)應(yīng)該將檢測(cè)位置設(shè)置在50 m 以外。具體而言，共設(shè)置了三個(gè)檢測(cè)斷面，分別稱為M1、M2、M3，在每個(gè)檢測(cè)斷面的左幫、頂板、右?guī)透鬟x擇一根錨桿進(jìn)行檢測(cè)，分別用L、D、R 表示，共計(jì)檢測(cè)了九根錨桿的錨固效果情況。其中，三個(gè)檢測(cè)斷面與工作面之間的距離分別為52 m、68 m 和79 m。圖4 所示為巷道錨桿錨固效果檢測(cè)斷面的分布圖。

圖4 巷道錨桿錨固效果檢測(cè)斷面的分布圖

3.2 錨固效果檢測(cè)結(jié)果

3.2.1 錨固力檢測(cè)結(jié)果分析

對(duì)選擇的三個(gè)檢測(cè)斷面中的錨桿錨固力進(jìn)行持續(xù)檢測(cè)，分析工作面往前推進(jìn)過程中，上述錨桿錨固力的變化情況，檢測(cè)結(jié)果如圖5 所示。由圖5 中數(shù)據(jù)可以看出，在本文研究的回采期間范圍內(nèi)，不管是兩幫位置還是頂板位置，錨桿的錨固力均在40～65 kN，且隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，錨桿錨固力并沒有出現(xiàn)明顯的變化，9 根錨桿的錨固力變化幅度均沒有超過10%。對(duì)于位置相同但是在不同截面上的錨桿，由于所選擇的錨桿與工作面之間距離相對(duì)較遠(yuǎn)，所以整體都較穩(wěn)定，錨固力大小相差不大?？傮w而言，該巷道中的錨桿錨固力較穩(wěn)定，基本上不會(huì)受到工作面推進(jìn)的影響，所以從該角度看，認(rèn)為巷道支護(hù)效果較好，可以保障巷道的安全。

圖5 工作面往前推進(jìn)對(duì)錨桿錨固力大小的影響情況

3.2.2 有效錨固長(zhǎng)度檢測(cè)結(jié)果分析

利用同樣的方法，對(duì)三個(gè)檢測(cè)斷面中的9 根錨桿的有效錨固長(zhǎng)度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析，如表1 所示為錨桿有效錨固長(zhǎng)度的檢測(cè)結(jié)果。其中表1 中還列出了錨桿的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，以便對(duì)無損檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)精度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

表1 錨桿有效錨固長(zhǎng)度檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況

由表1 中數(shù)據(jù)可知，所有錨桿的實(shí)際長(zhǎng)度均為1.8 m，基于無損檢測(cè)技術(shù)測(cè)量得到的錨桿全長(zhǎng)在1.77～1.85 m，測(cè)量誤差最大值為2.78%。由此可以看出，無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)錨桿的全長(zhǎng)檢測(cè)精度相對(duì)較高，完全能夠滿足實(shí)際使用需要。進(jìn)一步對(duì)錨桿錨固段的檢測(cè)長(zhǎng)度和實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，M2-L 錨桿的檢測(cè)誤差最大，為7.94%；其次為M1-D，為5.17%。其他錨桿錨固力的檢測(cè)誤差全部控制在5%以內(nèi)?？傮w而言，基于無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)錨桿錨固段長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)，誤差沒有超過10%，基本達(dá)到了預(yù)期效果，可以在工程實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用。另一方面，通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，M1-L 錨桿的有效錨固長(zhǎng)度相對(duì)較短，可能會(huì)影響錨桿錨索的支護(hù)效果，在實(shí)踐過程中需要特別關(guān)注該部位的支護(hù)情況。

4 結(jié)論

煤礦巷道中利用錨桿錨索支護(hù)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)是確保煤礦開采過程安全的重要基礎(chǔ)和前提，對(duì)錨桿的錨固質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)是保障支護(hù)效果的重要措施和手段?；跓o損檢測(cè)技術(shù)可以在不破壞錨桿的情況下對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文基于振動(dòng)波在錨桿不同部位振動(dòng)頻率和傳播速度存在差異的特點(diǎn)，對(duì)錨桿的錨固力大小和有效錨固長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，并對(duì)其檢測(cè)結(jié)果精度進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)效果相對(duì)較好，完全能夠滿足工程實(shí)踐需要。