煤礦工作面沿空留巷錨桿無損檢測技術研究

李 瓚

(新疆國泰新華五彩灣礦業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

隨著社會對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經(jīng)濟發(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)境也越來越復雜[2]。很多煤礦工作面采用沿空留巷技術，利用錨桿對巷道進行支護是確保其穩(wěn)定和安全的重要措施和手段[3]。這對錨桿本身的質(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，會威脅沿空留巷的穩(wěn)定性，進而威脅煤礦的安全性[4]。對錨桿進行檢測，以驗證其錨固質(zhì)量和效果，是確保沿空留巷安全的重要手段。本文利用無損檢測技術對工作面沿空留巷的錨桿進行檢測，取得了很好的效果，對于保障煤礦安全具有重要的實踐意義。

1 工作面及沿空留巷支護概述

1.1 煤礦工作面

以某煤礦工作面沿空留巷為例進行分析和研究。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形通風結(jié)構(gòu)形式，設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，曾受到一次采動影響。

1.2 沿空留巷支護

圖1為工作面沿空留巷的支護原理示意圖。巷道的兩幫分別設置有5根錨桿，頂部位置設置有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。錨桿直徑和長度分別為22 mm和2.4 m。另外，頂板設置有2根錨索，其直徑和長度分別為22 mm和5.2 m。靠近工作面的巷旁用C30混凝土進行充填，平均寬度為1.5 m。理論上講，采用上述支護方案對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，但因采動過程的影響，錨桿支護效果難以保障，需要利用無損檢測技術對錨桿進行測試。

圖1 工作面沿空留巷支護原理示意(mm)

2 無損檢測技術基本原理

2.1 錨桿錨固體系簡化

實際的錨桿為圓柱體，為了方便可以將其簡化成為平面模型。錨桿的外露端設置有預緊力，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]。可以將外露部分簡化成為彈性支撐體，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，所以可以將整個錨桿錨固體系簡化為彈簧-固定端模型，如圖2所示為錨桿錨固系統(tǒng)簡化模型。

圖2 錨桿錨固系統(tǒng)簡化模型

2.2 錨桿軸力檢測原理

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

錨桿無損檢測流程可概述如下：首先需要結(jié)合實際情況選擇合適的激振裝置和傳感器檢測裝置，然后利用傳感器對激振以及錨桿響應振動信號進行采集，再基于專業(yè)設備對采集得到的信號進行分析，通過數(shù)據(jù)擬合確定錨桿錨固體系的固有頻率，同時明確錨桿振動頻率與其軸向力大小之間的關聯(lián)關系，在此基礎上分析判斷錨桿軸向受力大小。圖3為基于無損檢測技術的錨桿軸力測量系統(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載荷；傳感器是檢測裝置，作用是對錨桿對外界激勵的響應情況進行檢測，檢測結(jié)果傳輸?shù)紺MD錨桿動力無損檢測儀中進行分析和處理，得到錨桿軸向力大小。

圖3 錨桿軸力測量系統(tǒng)原理示意

3 錨桿無損檢測技術應用情況

3.1 錨桿測試區(qū)域選擇

考慮到工作面沿空留巷易受采動影響發(fā)生變形進而影響巷道的穩(wěn)定性，所以需要利用先進的無損檢測技術對錨桿的支護效果進行分析，在此基礎上提出對應的優(yōu)化改進方案，以保障沿空留巷的可靠性。根據(jù)以往實踐經(jīng)驗，煤礦中幫部位置的不穩(wěn)定因素最高，本文主要對兩個幫部位置的錨桿支護情況進行檢測。沿著巷道前進方向在巷道幫部位置分別設置14個測點，相鄰兩個測點的間隔為1.6 m，在每個測點隨機選擇1根錨桿，利用無損檢測技術對其錨固力的大小進行檢測，記錄下工作面向前推進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，對應的錨桿軸力越大。該結(jié)果與現(xiàn)實情況基本吻合，因為與工作面之間的距離越遠，說明受到煤礦開采擾動的影響越顯著，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系曲線

對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的錨固力大小相當。意味著工作面在向前推進過程中，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，導致該部位錨桿整體受力相對較小。

3.3 測試結(jié)果討論

通過利用無損檢測技術對工作面沿空留巷幫部位置錨桿軸力進行的檢測分析，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。對于柔模部位，由于利用C30混凝土進行了澆筑，厚度為1.5 m，整體上具有非常高的穩(wěn)定性。利用錨桿對其進行支護時存在支護冗余浪費的問題，在工程實踐中可以考慮適當減少柔模的錨桿數(shù)量，以降低沿空留巷錨桿支護的成本。

4 結(jié) 語

以煤礦工作面沿空留巷中使用的錨桿支護為研究對象，基于無損檢測技術對錨桿軸向力進行了檢測，結(jié)論主要有：

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

2) 承受不同軸向力的錨桿，對固定外界激勵載荷的響應會存在差異，無損檢測技術就是根據(jù)以上原理對錨桿軸向力進行檢測的；

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