煤礦工作面沿空留巷錨桿無損檢測(cè)技術(shù)研究

李 瓚

(新疆國泰新華五彩灣礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

隨著社會(huì)對(duì)煤礦資源需求量的不斷提升，我國每年都要開采大量的煤炭資源以供社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本需要[1]。隨著開采量的不斷增加，埋藏較淺的容易開采的煤炭資源幾乎開采完畢，未來煤礦朝著縱深方向發(fā)展，礦井越來越深，煤礦開采環(huán)境也越來越復(fù)雜[2]。很多煤礦工作面采用沿空留巷技術(shù)，利用錨桿對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)是確保其穩(wěn)定和安全的重要措施和手段[3]。這對(duì)錨桿本身的質(zhì)量及其施工質(zhì)量均提出了非常高的要求，一旦錨桿出現(xiàn)質(zhì)量問題，會(huì)威脅沿空留巷的穩(wěn)定性，進(jìn)而威脅煤礦的安全性[4]。對(duì)錨桿進(jìn)行檢測(cè)，以驗(yàn)證其錨固質(zhì)量和效果，是確保沿空留巷安全的重要手段。本文利用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)工作面沿空留巷的錨桿進(jìn)行檢測(cè)，取得了很好的效果，對(duì)于保障煤礦安全具有重要的實(shí)踐意義。

1 工作面及沿空留巷支護(hù)概述

1.1 煤礦工作面

以某煤礦工作面沿空留巷為例進(jìn)行分析和研究。工作面的直接頂和基本頂?shù)膸r性分別為泥巖和砂巖，厚度依次為11.8 m和8.2 m，直接底以粉砂巖為主，平均厚度為2.4 m，工作面煤層平均厚度為7 m。采用Y形通風(fēng)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)置的沿空留巷截面為矩形，高度和寬度分別為4 m和4.8 m，曾受到一次采動(dòng)影響。

1.2 沿空留巷支護(hù)

圖1為工作面沿空留巷的支護(hù)原理示意圖。巷道的兩幫分別設(shè)置有5根錨桿，頂部位置設(shè)置有6根錨桿，錨桿的排距全部為0.9 m，幫部和頂板錨桿間距依次為0.8 m和0.9 m。錨桿直徑和長(zhǎng)度分別為22 mm和2.4 m。另外，頂板設(shè)置有2根錨索，其直徑和長(zhǎng)度分別為22 mm和5.2 m?？拷ぷ髅娴南锱杂肅30混凝土進(jìn)行充填，平均寬度為1.5 m。理論上講，采用上述支護(hù)方案對(duì)沿空留巷可以起到很好的效果，可保障沿空留巷的穩(wěn)定性和安全性，但因采動(dòng)過程的影響，錨桿支護(hù)效果難以保障，需要利用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)錨桿進(jìn)行測(cè)試。

圖1 工作面沿空留巷支護(hù)原理示意(mm)

2 無損檢測(cè)技術(shù)基本原理

2.1 錨桿錨固體系簡(jiǎn)化

實(shí)際的錨桿為圓柱體，為了方便可以將其簡(jiǎn)化成為平面模型。錨桿的外露端設(shè)置有預(yù)緊力，伸入圍巖內(nèi)部的包括兩部分，分別為錨固段和自由段，真正起作用的為前者[5]?？梢詫⑼饴恫糠趾?jiǎn)化成為彈性支撐體，錨桿錨固段與巷道圍巖緊緊聯(lián)系在一起，兩者可以視為剛性連接，所以可以將整個(gè)錨桿錨固體系簡(jiǎn)化為彈簧-固定端模型，如圖2所示為錨桿錨固系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型。

圖2 錨桿錨固系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

2.2 錨桿軸力檢測(cè)原理

沿空留巷錨桿服役過程中，都會(huì)承受不同程度的軸向力。當(dāng)錨桿承受的軸向力大小存在差異時(shí)，所處的狀態(tài)也會(huì)不同[6]。如果外界向錨桿施加一個(gè)激勵(lì)載荷，由于錨桿所處狀態(tài)不同，所以對(duì)外部激勵(lì)載荷的傳播過程會(huì)存在差異。在保持外部激勵(lì)載荷不變的情況下，通過測(cè)量錨桿對(duì)載荷的響應(yīng)情況即可分析判斷錨桿的軸力大小。

錨桿無損檢測(cè)流程可概述如下：首先需要結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的激振裝置和傳感器檢測(cè)裝置，然后利用傳感器對(duì)激振以及錨桿響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，再基于專業(yè)設(shè)備對(duì)采集得到的信號(hào)進(jìn)行分析，通過數(shù)據(jù)擬合確定錨桿錨固體系的固有頻率，同時(shí)明確錨桿振動(dòng)頻率與其軸向力大小之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上分析判斷錨桿軸向受力大小。圖3為基于無損檢測(cè)技術(shù)的錨桿軸力測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖。圖中，小錘就是激振裝置，作用是施加外界激勵(lì)載荷；傳感器是檢測(cè)裝置，作用是對(duì)錨桿對(duì)外界激勵(lì)的響應(yīng)情況進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)紺MD錨桿動(dòng)力無損檢測(cè)儀中進(jìn)行分析和處理，得到錨桿軸向力大小。

圖3 錨桿軸力測(cè)量系統(tǒng)原理示意

3 錨桿無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用情況

3.1 錨桿測(cè)試區(qū)域選擇

考慮到工作面沿空留巷易受采動(dòng)影響發(fā)生變形進(jìn)而影響巷道的穩(wěn)定性，所以需要利用先進(jìn)的無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)錨桿的支護(hù)效果進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出對(duì)應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)方案，以保障沿空留巷的可靠性。根據(jù)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，煤礦中幫部位置的不穩(wěn)定因素最高，本文主要對(duì)兩個(gè)幫部位置的錨桿支護(hù)情況進(jìn)行檢測(cè)。沿著巷道前進(jìn)方向在巷道幫部位置分別設(shè)置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的間隔為1.6 m，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)隨機(jī)選擇1根錨桿，利用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)其錨固力的大小進(jìn)行檢測(cè)，記錄下工作面向前推進(jìn)中各錨桿錨固力的演變情況。為顯示區(qū)別，圖1中左側(cè)未使用混凝土澆筑，稱為煤幫，右側(cè)利用C30混凝土澆筑了墻體，稱為柔模。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

圖4為沿空留巷幫部錨桿軸力與工作面距離之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，不管是煤幫還是柔模部位的錨桿，與工作面之間的距離越遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)的錨桿軸力越大。該結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況基本吻合，因?yàn)榕c工作面之間的距離越遠(yuǎn)，說明受到煤礦開采擾動(dòng)的影響越顯著，沿空留巷的穩(wěn)定性越低。

圖4 沿空留巷幫部錨桿軸力與工作面距離關(guān)系曲線

對(duì)比煤幫錨桿軸力和柔模錨桿軸力可以發(fā)現(xiàn)，前者錨桿軸力比后者明顯要大。煤幫錨桿中，軸力大于60 kN的錨桿數(shù)量比例在85%左右，軸力大于80 kN的錨桿數(shù)量比例大約占到50%，錨桿軸力超過100 kN的數(shù)量大約占據(jù)25%.而柔模錨桿中，接近85%的錨桿軸力不超過50 kN，基本上與錨桿安裝時(shí)的錨固力大小相當(dāng)。意味著工作面在向前推進(jìn)過程中，柔模部位的錨桿并沒有發(fā)揮太大的作用。柔模部位澆筑了C30混凝土，整體穩(wěn)定性非常高，沒有發(fā)生明顯的變形，導(dǎo)致該部位錨桿整體受力相對(duì)較小。

3.3 測(cè)試結(jié)果討論

通過利用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)工作面沿空留巷幫部位置錨桿軸力進(jìn)行的檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)煤幫錨桿軸力是柔模錨桿軸力的兩倍左右，意味著煤幫部位的穩(wěn)定性比柔模部位穩(wěn)定性要低，需要采取更加有效的措施來控制煤幫部位的變形情況，提升其穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)于柔模部位，由于利用C30混凝土進(jìn)行了澆筑，厚度為1.5 m，整體上具有非常高的穩(wěn)定性。利用錨桿對(duì)其進(jìn)行支護(hù)時(shí)存在支護(hù)冗余浪費(fèi)的問題，在工程實(shí)踐中可以考慮適當(dāng)減少柔模的錨桿數(shù)量，以降低沿空留巷錨桿支護(hù)的成本。

4 結(jié) 語

以煤礦工作面沿空留巷中使用的錨桿支護(hù)為研究對(duì)象，基于無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)錨桿軸向力進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)論主要有：

1) 工作面沿空留巷主要基于錨桿錨索支護(hù)方案對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，以提升巷道的穩(wěn)定性；

2) 承受不同軸向力的錨桿，對(duì)固定外界激勵(lì)載荷的響應(yīng)會(huì)存在差異，無損檢測(cè)技術(shù)就是根據(jù)以上原理對(duì)錨桿軸向力進(jìn)行檢測(cè)的；

3) 通過對(duì)沿空留巷煤幫和柔模中的錨桿軸向力進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)煤幫錨桿軸向力比柔模錨桿軸向力大兩倍左右，說明工作面推進(jìn)過程容易對(duì)煤幫產(chǎn)生干擾和影響，降低其穩(wěn)定性，需要加強(qiáng)煤幫的錨桿支護(hù)，柔模錨桿支護(hù)存在冗余，可以適當(dāng)減少錨桿支護(hù)以降低成本。