礦井巷道錨桿無損檢測技術(shù)及其實踐應(yīng)用研究

魏豆云

（山西潞安檢測檢驗中心有限責(zé)任公司， 山西 長治 046200）

引言

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

圖1 巷道支護斷面示意圖（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)，圍巖的強度平均值為10.2 MPa。

2 錨桿無損檢測基本原理

對錨桿支護效果進行檢測是確保煤礦安全生產(chǎn)的重要措施和保障，傳統(tǒng)的錨桿檢測會對錨桿本身造成一定程度的損傷?；诖?，發(fā)展出了錨桿無損檢測原理。本文所述的錨桿無損檢測主要是利用錨桿不同部位振動特征的差異對其錨固效果進行分析。可以將煤礦巷道錨桿的支護情況簡化成為如圖2 所示的簡圖，圖2 中陰影部分表示錨桿與圍巖實際的有效錨固段，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。當使用激振器在錨桿端部位置作用使之產(chǎn)生振動波，進而在錨桿中傳播時，如果振動波傳播到自由段和錨固段交界部位時，由于兩段的波阻不同，所以在該部位會產(chǎn)生反射波。利用傳感器對反射波進行檢測，并結(jié)合振動波的傳動時間，即可測量得到自由段和錨固段的長度。

另一方面，錨桿的繃緊狀態(tài)會影響振動波傳播時的頻率。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)。通過對振動波在錨桿中傳播時的振動頻率進行檢測，可以明確錨桿的繃緊狀態(tài)，進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流程圖。

圖3 煤礦巷道錨桿力無損檢測流程圖

3 錨桿受力無損檢測實踐應(yīng)用研究

3.1 測試區(qū)域

為了更好地反應(yīng)錨桿力的大小，在巷道掘進一段時間后再利用無損檢測原理對沿空留巷中的錨桿錨固效果進行檢測分析。為了防止煤礦掘進過程中產(chǎn)生的振動效應(yīng)對錨桿無損檢測過程和結(jié)果造成不良影響，將檢測區(qū)域設(shè)置在進風(fēng)巷道。根據(jù)實踐經(jīng)驗，工作面會對周圍50 m 產(chǎn)生影響，具體檢測時應(yīng)該將檢測位置設(shè)置在50 m 以外。具體而言，共設(shè)置了三個檢測斷面，分別稱為M1、M2、M3，在每個檢測斷面的左幫、頂板、右?guī)透鬟x擇一根錨桿進行檢測，分別用L、D、R 表示，共計檢測了九根錨桿的錨固效果情況。其中，三個檢測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斷面的分布圖。

圖4 巷道錨桿錨固效果檢測斷面的分布圖

3.2 錨固效果檢測結(jié)果

3.2.1 錨固力檢測結(jié)果分析

對選擇的三個檢測斷面中的錨桿錨固力進行持續(xù)檢測，分析工作面往前推進過程中，上述錨桿錨固力的變化情況，檢測結(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，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較遠，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，基本上不會受到工作面推進的影響，所以從該角度看，認為巷道支護效果較好，可以保障巷道的安全。

圖5 工作面往前推進對錨桿錨固力大小的影響情況

3.2.2 有效錨固長度檢測結(jié)果分析

利用同樣的方法，對三個檢測斷面中的9 根錨桿的有效錨固長度進行了現(xiàn)場檢測分析，如表1 所示為錨桿有效錨固長度的檢測結(jié)果。其中表1 中還列出了錨桿的實際測量數(shù)據(jù)，以便對無損檢測技術(shù)的檢測精度進行對比驗證。

表1 錨桿有效錨固長度檢測結(jié)果統(tǒng)計情況

由表1 中數(shù)據(jù)可知，所有錨桿的實際長度均為1.8 m，基于無損檢測技術(shù)測量得到的錨桿全長在1.77～1.85 m，測量誤差最大值為2.78%。由此可以看出，無損檢測技術(shù)對錨桿的全長檢測精度相對較高，完全能夠滿足實際使用需要。進一步對錨桿錨固段的檢測長度和實際測量長度進行對比分析發(fā)現(xiàn)，M2-L 錨桿的檢測誤差最大，為7.94%；其次為M1-D，為5.17%。其他錨桿錨固力的檢測誤差全部控制在5%以內(nèi)。總體而言，基于無損檢測技術(shù)對錨桿錨固段長度進行檢測，誤差沒有超過10%，基本達到了預(yù)期效果，可以在工程實踐中進行應(yīng)用。另一方面，通過檢測發(fā)現(xiàn)，M1-L 錨桿的有效錨固長度相對較短，可能會影響錨桿錨索的支護效果，在實踐過程中需要特別關(guān)注該部位的支護情況。

4 結(jié)論

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