礦井巷道支護中錨桿的無損檢測技術及其應用

栗 帥

（山西潞安檢測檢驗中心有限責任公司，山西 長治 046200）

引言

目前，錨桿支護以其成本低、施工過程簡單、支護效果好等眾多優勢，在煤礦巷道支護中應用非常廣泛[1]。但是錨桿支護方案在施工過程中如果操作不當則會嚴重影響支護效果，在后續煤礦開采過程中受采動影響，也有可能導致錨桿支護效果達不到要求，進而威脅煤礦開采安全。為確保錨桿支護的可靠性，煤礦開采過程中需要對錨桿支護效果進行檢測，以便掌握錨桿支護狀態。近年來發展起來的無損檢測技術在錨桿檢測中取得了很好的應用效果[2-3]。

1 礦井巷道及支護工程概述

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

巷道為矩形斷面，其寬度和高度分別為4.2 m和3.2 m，主要通過錨桿進行支護。頂板錨桿采用的是無縱肋螺紋鋼，直徑和長度分別為20 mm 和1.8 m。同時配合使用碟形鐵托片。頂板錨桿采用的是矩形布置，每排設置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。利用樹脂藥卷進行錨固，具體型號為MSCK2360 和MSK2380。兩幫錨桿型號規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 錨桿無損檢測技術的基本原理與流程

主要利用基于動力學的無損檢測技術對礦井巷道支護中錨桿的有效錨固長度及軸向力進行檢測，以下對其基本原理和流程進行分析。

2.1 錨桿長度檢測原理與流程

在錨桿支護中，錨桿的有效錨固段和無效錨固段與圍巖之間的接觸狀態存在差異，當向錨桿中施加彈性波時，由于接觸狀態的差異，使得彈性波在不同位置的反射和透射率不同，表現出來就是波阻抗發生變化，進而影響彈性波的傳播速度。基于此，可以對彈性波在錨桿中的傳播速度變化情況進行檢測，并結合科學的算法就可以計算得到錨桿的有效錨固長度。圖1 所示為錨桿長度的檢測流程。首先安裝彈性波激發裝置和傳感器，然后利用激發裝置發射彈性波讓其在錨桿中傳播，基于傳感器對彈性波的反射信號進行識別，再對信號進行分析處理，計算得到錨桿的全部長度及有效錨固段長度。

圖1 巷道支護中錨桿長度的檢測流程

2.2 錨桿軸力檢測原理與流程

已有的理論研究表明，錨桿工作時其橫向振動固有頻率與軸力之間存在緊密的聯系，當錨桿軸力發生變化時，橫向振動各階固有頻率會隨之發生變化，且固有頻率與軸力之間有明確的函數關系。基于以上原理，可以通過外界激發裝置測量得到錨桿橫向振動固有頻率，再反推錨桿軸力大小，具體檢測流程見下頁圖2。首先安裝振動波激發裝置和傳感器。利用激發裝置在錨桿橫向方向發射振動信號，通過傳感器對錨桿的振動信號進行檢測。然后基于FFT（即傅里葉變換）對振動信號進行分析得到錨桿的固有頻率。最后反推計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確的結果。

圖2 巷道支護中錨桿軸力的檢測流程

3 錨桿無損檢測技術的實踐應用

3.1 檢測結果統計

基于以上原理對煤礦巷道支護中錨桿的錨固效果進行檢測，選擇了巷道頂板中的9 根錨桿作為檢測對象。對9 根錨桿的全部長度、錨固段長度和自由段長度進行檢測與計算，并將其與實際測量結果進行對比分析，以檢驗無損檢測技術在錨桿長度檢測中的實踐應用效果，表1 為錨桿長度無損檢測結果及其誤差統計。

為研究工作面推進過程對錨桿軸力的影響規律，同樣選擇了不同位置的9 根錨桿作為檢測對象，每間隔一天對錨桿軸力進行檢測，連續檢測8 d，工作面的推進速度為3.5 m/d。表2 為錨桿軸力無損檢測結果及其變化情況。

表2 錨桿軸力無損檢測結果及其變化情況 t

3.2 檢測結果分析與討論

由表1 中數據可以看出，基于無損檢測技術測量得到的錨桿錨固段長度主要集中在兩個范圍內，分別為1.1 m 和1.3 m 左右，這與實際情況比較吻合。出現不同錨固段長度的原因在于，不同錨桿使用的錨固劑類型存在差異。使用MSCK2360型錨固劑時需要通過直徑為30 mm的鉆頭進行打孔，對應的錨固段長度為1.3 m 左右；使用MSK2380型錨固劑時，需要利用直徑為32 mm的鉆頭打孔，對應的錨固段長度為1.1 m 左右。將無損檢測結果與實際測量結果進行對比分析，發現錨桿全長測量誤差范圍最大值為3.33%，錨固段長度測量誤差最大值為5.19%。可見，基于動力學的無損檢測技術可以將錨桿長度測量結果誤差控制在相對較低的水平，完全能夠滿足實踐應用。另外，從檢測結果中可以看出，6號錨桿的錨固段長度只有0.69 m，屬于不正常情況，存在一定的安全隱患，需要進行處理。

表1 錨桿長度無損檢測結果及其誤差統計

由表2 中數據可以看出，隨著工作面的不斷往前推進，錨桿的軸力整體上呈現出逐漸增大的趨勢。主要是因為隨著工作面的推進，錨桿與工作面的距離越來越遠，此時巷道的塌陷趨勢更加明顯，錨桿需要承受更大的作用力。巷道支護中使用的錨桿，其設計軸力大小為10 t。除5 號錨桿在第1、2、4 天的軸力超過10 t 以外，其他錨桿的軸力均有效控制在了10 t 范圍內。說明其他錨桿都是安全的，第5 號錨桿需要引起關注。

4 結論

利用基于動力學的無損檢測技術對煤礦巷道支護中錨桿的錨固段長度和軸力大小進行檢測，測量結果精度較高。無損檢測技術可以有效發現錨桿支護中存在的問題，以便采取措施對其進行處理。無損檢測技術在煤礦巷道支護中的實踐應用，可以顯著提升錨桿支護的效果，為煤礦開采安全奠定良好的基礎。