錨桿無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在開(kāi)元礦的應(yīng)用

康曉波

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

引言

現(xiàn)階段我國(guó)煤礦以地下開(kāi)采為主，需開(kāi)掘大量巷道，包括煤巷、巖巷、半煤巖巷，巷道掘進(jìn)過(guò)程中常常會(huì)運(yùn)用錨桿支護(hù)，另外一些井巷維護(hù)、補(bǔ)強(qiáng)工程也需要使用錨桿支護(hù)[1]。錨桿支護(hù)原理是使用螺紋鋼或其他材料加工而成的桿體打進(jìn)巷道周邊煤巖體提前打好的鉆孔內(nèi)，運(yùn)用其端頭、桿體的獨(dú)特結(jié)構(gòu)與尾端托板，或采用黏結(jié)性材料把鉆孔周邊圍巖有效黏結(jié)而取得支護(hù)效果，這樣淺部圍巖就通過(guò)錨桿與深部圍巖相連接，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)的目標(biāo)[2]。

錨桿支護(hù)由于要通過(guò)在煤巖體中打鉆施工，屬于一種半隱蔽工程。現(xiàn)階段煤礦支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)主要是利用扭矩扳手、錨桿拉力計(jì)、機(jī)械礦壓表等進(jìn)行效果檢測(cè)，以上方法均為破壞性試驗(yàn)法，其中扭矩扳手測(cè)力只能通過(guò)測(cè)試錨桿安裝時(shí)的扭矩來(lái)估算預(yù)應(yīng)力，錨桿拉力計(jì)通過(guò)測(cè)量錨桿拉力和位移的關(guān)系來(lái)測(cè)定錨桿錨固力[3]。但錨桿拉力計(jì)附帶小油泵，使用時(shí)需人工打壓并觀察油泵壓力表，且對(duì)錨桿產(chǎn)生強(qiáng)大的拉力，會(huì)對(duì)已完成的支護(hù)巷道產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，從而降低錨桿對(duì)圍巖的加固作用，尤其對(duì)于陷落柱、斷層附近等地質(zhì)條件差及應(yīng)力集中的區(qū)域[4]，上述檢測(cè)方法會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致局部安全隱患。

1 錨桿支護(hù)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1.1 錨桿錨固端長(zhǎng)度檢測(cè)

以開(kāi)元礦3號(hào)煤及9號(hào)煤高低抽巷錨桿支護(hù)為例，錨桿錨固劑采用典型的樹(shù)脂錨固劑，通過(guò)在錨桿外端的托盤(pán)和螺母對(duì)圍巖施加預(yù)應(yīng)力。對(duì)于螺紋鋼錨桿、煤、巖等彈性介質(zhì)，應(yīng)力波存在不同的傳播速度，應(yīng)力波在傳播過(guò)程中將與各介質(zhì)接觸界面發(fā)生復(fù)雜的相互作用并導(dǎo)致波的類(lèi)型發(fā)生變化。研究結(jié)果表明，彈性波會(huì)在波阻抗發(fā)生變化處產(chǎn)生反射和透射，且反射波的相位會(huì)發(fā)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(guò)程中反射點(diǎn)的時(shí)間信息，然后根據(jù)彈性波的傳播速度即可確定錨桿錨固段和自由段長(zhǎng)度。由于施工過(guò)程中，錨固質(zhì)量不可避免地會(huì)存在一定的缺陷，而在這些缺陷處也會(huì)出現(xiàn)彈性波的反射和透射，因而會(huì)直接影響錨固長(zhǎng)度的識(shí)別結(jié)果，因此需要對(duì)測(cè)得信號(hào)的有效性及特征點(diǎn)進(jìn)行有效判別。

1.2 錨桿錨固力檢查

錨桿對(duì)圍巖的錨固力主要是借助托盤(pán)與圍巖的接觸力，通過(guò)托盤(pán)和螺母對(duì)錨桿施加作用力。相關(guān)理論和數(shù)值分析結(jié)果表明，托盤(pán)與圍巖的接觸條件對(duì)錨桿的振動(dòng)特性有很大的影響。對(duì)于錨桿桿體的橫向振動(dòng)，托盤(pán)與圍巖的接觸面主要限制其轉(zhuǎn)動(dòng)，錨桿軸向受力與橫向固有頻率有關(guān)系，錨桿固有頻率隨軸向受力的改變而變化，且其間的關(guān)系可以很好地用指數(shù)函數(shù)描述。開(kāi)元礦現(xiàn)使用無(wú)損檢測(cè)儀及其工作界面如圖1所示。

圖1 CMSW6（A）礦用錨桿錨索無(wú)損檢測(cè)儀顯示和硬鍵盤(pán)圖

2 試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件

開(kāi)元礦位于壽陽(yáng)縣城西北約14 km，井田位于沁水煤田壽陽(yáng)區(qū)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(shì)，平均傾角為6°，現(xiàn)主要開(kāi)采3號(hào)和9號(hào)煤，其中9號(hào)煤需開(kāi)挖大量巖巷來(lái)“已巖保煤”治理瓦斯。

9號(hào)煤層頂板情況如下：老頂為細(xì)粒砂巖，厚度為8.51 m；直接頂為灰色砂質(zhì)泥巖，厚度為9.02 m，以砂質(zhì)泥巖為主。

9號(hào)工作面普遍采用一進(jìn)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(hào)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(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。頂、幫錨桿均為Φ20 mm×2 000 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，配合樹(shù)脂藥卷打注安設(shè)。同時(shí)，為確保巷道支護(hù)強(qiáng)度，頂部采用Φ17.8 mm×6 200 mm錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，具體支護(hù)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(diào)心拱形托板，高強(qiáng)調(diào)心球墊和1010尼龍墊片，托板規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm。頂部掛三片金屬網(wǎng)，沿巷中間對(duì)稱(chēng)布置；兩排錨桿中間打注安設(shè)兩根錨索，間距2.0 m，排距1.0 m，沿巷中間對(duì)稱(chēng)布置在兩排頂錨桿中間。9307低位抽采巷支護(hù)斷面示意圖如圖2所示。

圖2 9307低位抽采巷支護(hù)斷面圖（單位：mm）

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)9307低位抽采巷D8號(hào)測(cè)點(diǎn)以東5～6 m共計(jì)10根錨固狀態(tài)良好的錨桿進(jìn)行檢測(cè)，施工過(guò)程中，預(yù)先將其中MCZ-300機(jī)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(yàn)證其扭矩達(dá)標(biāo)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明，所檢測(cè)的錨桿長(zhǎng)度誤差在5%左右，最大達(dá)到7.5%，在規(guī)定的10%誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為該套無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度較可靠；對(duì)于錨固力檢測(cè)，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)和機(jī)械礦壓表檢測(cè)對(duì)比分析可得到，錨桿錨固力誤差一般不超過(guò)5%，只有一根錨桿錨固力誤差達(dá)到5.6%，不排除機(jī)械礦壓表讀數(shù)偏差，總體錨固力檢測(cè)準(zhǔn)確率很高。由于頂幫錨桿均采用MSCKbΦ23 mm×600 mm樹(shù)脂藥卷打注，所以錨固段檢測(cè)值均為600 mm左右，長(zhǎng)度較可靠。因此，可以認(rèn)為無(wú)損檢測(cè)結(jié)果可靠，可直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，且測(cè)試參數(shù)包括錨桿長(zhǎng)度、錨固力、錨固長(zhǎng)度，可將其作為評(píng)價(jià)支護(hù)效果及支護(hù)驗(yàn)收的依據(jù)。同時(shí)，采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)錨桿進(jìn)行支護(hù)檢測(cè)驗(yàn)收，可以減少檢測(cè)人員和縮短檢測(cè)時(shí)間，還可以減少檢測(cè)過(guò)程中對(duì)錨桿、錨索支護(hù)的擾動(dòng)，尤其是巷道圍巖地質(zhì)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(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)記錄，見(jiàn)表1。

表1 9307低位抽采巷錨桿無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)記錄

4 結(jié)論

1）錨桿無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要利用彈性波的反射和透射，結(jié)合合理的算法來(lái)確定錨桿錨固段長(zhǎng)度和錨固力等支護(hù)檢驗(yàn)參數(shù)，與傳統(tǒng)的錨桿拉拔等質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)相比，具有快捷、安全等優(yōu)點(diǎn)。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，無(wú)損檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際參數(shù)、機(jī)械檢測(cè)等的結(jié)果誤差范圍小，檢測(cè)結(jié)果可靠，測(cè)試參數(shù)包括錨桿長(zhǎng)度、錨固力、錨固長(zhǎng)度，可將其作為評(píng)價(jià)支護(hù)效果及支護(hù)驗(yàn)收的依據(jù)。