錨桿無損檢測技術在開元礦的應用

康曉波

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司，山西 晉中 045400）

引言

現階段我國煤礦以地下開采為主，需開掘大量巷道，包括煤巷、巖巷、半煤巖巷，巷道掘進過程中常常會運用錨桿支護，另外一些井巷維護、補強工程也需要使用錨桿支護[1]。錨桿支護原理是使用螺紋鋼或其他材料加工而成的桿體打進巷道周邊煤巖體提前打好的鉆孔內，運用其端頭、桿體的獨特結構與尾端托板，或采用黏結性材料把鉆孔周邊圍巖有效黏結而取得支護效果，這樣淺部圍巖就通過錨桿與深部圍巖相連接，進一步實現巷道支護的目標[2]。

錨桿支護由于要通過在煤巖體中打鉆施工，屬于一種半隱蔽工程。現階段煤礦支護質量檢測主要是利用扭矩扳手、錨桿拉力計、機械礦壓表等進行效果檢測，以上方法均為破壞性試驗法，其中扭矩扳手測力只能通過測試錨桿安裝時的扭矩來估算預應力，錨桿拉力計通過測量錨桿拉力和位移的關系來測定錨桿錨固力[3]。但錨桿拉力計附帶小油泵，使用時需人工打壓并觀察油泵壓力表，且對錨桿產生強大的拉力，會對已完成的支護巷道產生強烈擾動，從而降低錨桿對圍巖的加固作用，尤其對于陷落柱、斷層附近等地質條件差及應力集中的區域[4]，上述檢測方法會進一步導致局部安全隱患。

1 錨桿支護質量無損檢測技術

1.1 錨桿錨固端長度檢測

以開元礦3號煤及9號煤高低抽巷錨桿支護為例，錨桿錨固劑采用典型的樹脂錨固劑，通過在錨桿外端的托盤和螺母對圍巖施加預應力。對于螺紋鋼錨桿、煤、巖等彈性介質，應力波存在不同的傳播速度，應力波在傳播過程中將與各介質接觸界面發生復雜的相互作用并導致波的類型發生變化。研究結果表明，彈性波會在波阻抗發生變化處產生反射和透射，且反射波的相位會發生變化，因此從原理上講，只要利用合理的算法確定彈性波在錨桿傳播過程中反射點的時間信息，然后根據彈性波的傳播速度即可確定錨桿錨固段和自由段長度。由于施工過程中，錨固質量不可避免地會存在一定的缺陷，而在這些缺陷處也會出現彈性波的反射和透射，因而會直接影響錨固長度的識別結果，因此需要對測得信號的有效性及特征點進行有效判別。

1.2 錨桿錨固力檢查

錨桿對圍巖的錨固力主要是借助托盤與圍巖的接觸力，通過托盤和螺母對錨桿施加作用力。相關理論和數值分析結果表明，托盤與圍巖的接觸條件對錨桿的振動特性有很大的影響。對于錨桿桿體的橫向振動，托盤與圍巖的接觸面主要限制其轉動，錨桿軸向受力與橫向固有頻率有關系，錨桿固有頻率隨軸向受力的改變而變化，且其間的關系可以很好地用指數函數描述。開元礦現使用無損檢測儀及其工作界面如圖1所示。

圖1 CMSW6（A）礦用錨桿錨索無損檢測儀顯示和硬鍵盤圖

2 試驗巷道生產地質條件

開元礦位于壽陽縣城西北約14 km，井田位于沁水煤田壽陽區氧化帶邊界，地表屬黃土丘陵地貌，煤層整體呈北高南低單斜走勢，平均傾角為6°，現主要開采3號和9號煤，其中9號煤需開挖大量巖巷來“已巖保煤”治理瓦斯。

9號煤層頂板情況如下：老頂為細粒砂巖，厚度為8.51 m；直接頂為灰色砂質泥巖，厚度為9.02 m，以砂質泥巖為主。

9號工作面普遍采用一進一回加高低抽巷的“U+L”型布置方式，以9307工作面為例，低位抽采巷為巖巷，布置在9號煤頂板上方6 m層位，巷道為拱形斷面，采用錨索、錨桿、W型鋼帶及金屬網聯合支護。頂、幫錨桿均為Φ20 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配合樹脂藥卷打注安設。同時，為確保巷道支護強度，頂部采用Φ17.8 mm×6 200 mm錨索進行補強支護，具體支護布置形式如下：頂錨桿每排布置五根錨桿，間距1.2 m，排距1.0 m；兩幫各打一根幫錨桿，間距為距頂錨桿0.6 m，排距1.0 m。頂、幫錨桿配可調心拱形托板，高強調心球墊和1010尼龍墊片，托板規格150 mm×150 mm×10 mm。頂部掛三片金屬網，沿巷中間對稱布置；兩排錨桿中間打注安設兩根錨索，間距2.0 m，排距1.0 m，沿巷中間對稱布置在兩排頂錨桿中間。9307低位抽采巷支護斷面示意圖如圖2所示。

圖2 9307低位抽采巷支護斷面圖（單位：mm）

3 現場測試情況

現場對9307低位抽采巷D8號測點以東5～6 m共計10根錨固狀態良好的錨桿進行檢測，施工過程中，預先將其中MCZ-300機械式礦壓表安裝在錨桿端部，并使用TG280-760 N·m扭力矩扳手驗證其扭矩達標。經過現場檢測表明，所檢測的錨桿長度誤差在5%左右，最大達到7.5%，在規定的10%誤差范圍內，可以認為該套無損檢測系統檢測錨桿長度較可靠；對于錨固力檢測，通過無損檢測和機械礦壓表檢測對比分析可得到，錨桿錨固力誤差一般不超過5%，只有一根錨桿錨固力誤差達到5.6%，不排除機械礦壓表讀數偏差，總體錨固力檢測準確率很高。由于頂幫錨桿均采用MSCKbΦ23 mm×600 mm樹脂藥卷打注，所以錨固段檢測值均為600 mm左右，長度較可靠。因此，可以認為無損檢測結果可靠，可直接進行現場檢測，且測試參數包括錨桿長度、錨固力、錨固長度，可將其作為評價支護效果及支護驗收的依據。同時，采用無損檢測技術對錨桿進行支護檢測驗收，可以減少檢測人員和縮短檢測時間，還可以減少檢測過程中對錨桿、錨索支護的擾動，尤其是巷道圍巖地質條件較差的情況下，更好地確保了巷道安全。9307低位抽采巷錨桿無損檢測試驗記錄，見表1。

表1 9307低位抽采巷錨桿無損檢測試驗記錄

4 結論

1）錨桿無損檢測技術主要利用彈性波的反射和透射，結合合理的算法來確定錨桿錨固段長度和錨固力等支護檢驗參數，與傳統的錨桿拉拔等質量檢測技術相比，具有快捷、安全等優點。

2）通過現場測試表明，無損檢測結果與實際參數、機械檢測等的結果誤差范圍小，檢測結果可靠，測試參數包括錨桿長度、錨固力、錨固長度，可將其作為評價支護效果及支護驗收的依據。