锚杆无损检测技术在开元矿的应用

康晓波

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 晋中 045400）

引言

现阶段我国煤矿以地下开采为主，需开掘大量巷道，包括煤巷、岩巷、半煤岩巷，巷道掘进过程中常常会运用锚杆支护，另外一些井巷维护、补强工程也需要使用锚杆支护[1]。锚杆支护原理是使用螺纹钢或其他材料加工而成的杆体打进巷道周边煤岩体提前打好的钻孔内，运用其端头、杆体的独特结构与尾端托板，或采用黏结性材料把钻孔周边围岩有效黏结而取得支护效果，这样浅部围岩就通过锚杆与深部围岩相连接，进一步实现巷道支护的目标[2]。

锚杆支护由于要通过在煤岩体中打钻施工，属于一种半隐蔽工程。现阶段煤矿支护质量检测主要是利用扭矩扳手、锚杆拉力计、机械矿压表等进行效果检测，以上方法均为破坏性试验法，其中扭矩扳手测力只能通过测试锚杆安装时的扭矩来估算预应力，锚杆拉力计通过测量锚杆拉力和位移的关系来测定锚杆锚固力[3]。但锚杆拉力计附带小油泵，使用时需人工打压并观察油泵压力表，且对锚杆产生强大的拉力，会对已完成的支护巷道产生强烈扰动，从而降低锚杆对围岩的加固作用，尤其对于陷落柱、断层附近等地质条件差及应力集中的区域[4]，上述检测方法会进一步导致局部安全隐患。

1 锚杆支护质量无损检测技术

1.1 锚杆锚固端长度检测

以开元矿3号煤及9号煤高低抽巷锚杆支护为例，锚杆锚固剂采用典型的树脂锚固剂，通过在锚杆外端的托盘和螺母对围岩施加预应力。对于螺纹钢锚杆、煤、岩等弹性介质，应力波存在不同的传播速度，应力波在传播过程中将与各介质接触界面发生复杂的相互作用并导致波的类型发生变化。研究结果表明，弹性波会在波阻抗发生变化处产生反射和透射，且反射波的相位会发生变化，因此从原理上讲，只要利用合理的算法确定弹性波在锚杆传播过程中反射点的时间信息，然后根据弹性波的传播速度即可确定锚杆锚固段和自由段长度。由于施工过程中，锚固质量不可避免地会存在一定的缺陷，而在这些缺陷处也会出现弹性波的反射和透射，因而会直接影响锚固长度的识别结果，因此需要对测得信号的有效性及特征点进行有效判别。

1.2 锚杆锚固力检查

锚杆对围岩的锚固力主要是借助托盘与围岩的接触力，通过托盘和螺母对锚杆施加作用力。相关理论和数值分析结果表明，托盘与围岩的接触条件对锚杆的振动特性有很大的影响。对于锚杆杆体的横向振动，托盘与围岩的接触面主要限制其转动，锚杆轴向受力与横向固有频率有关系，锚杆固有频率随轴向受力的改变而变化，且其间的关系可以很好地用指数函数描述。开元矿现使用无损检测仪及其工作界面如图1所示。

图1 CMSW6（A）矿用锚杆锚索无损检测仪显示和硬键盘图

2 试验巷道生产地质条件

开元矿位于寿阳县城西北约14 km，井田位于沁水煤田寿阳区氧化带边界，地表属黄土丘陵地貌，煤层整体呈北高南低单斜走势，平均倾角为6°，现主要开采3号和9号煤，其中9号煤需开挖大量岩巷来“已岩保煤”治理瓦斯。

9号煤层顶板情况如下：老顶为细粒砂岩，厚度为8.51 m；直接顶为灰色砂质泥岩，厚度为9.02 m，以砂质泥岩为主。

9号工作面普遍采用一进一回加高低抽巷的“U+L”型布置方式，以9307工作面为例，低位抽采巷为岩巷，布置在9号煤顶板上方6 m层位，巷道为拱形断面，采用锚索、锚杆、W型钢带及金属网联合支护。顶、帮锚杆均为Φ20 mm×2 000 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，配合树脂药卷打注安设。同时，为确保巷道支护强度，顶部采用Φ17.8 mm×6 200 mm锚索进行补强支护，具体支护布置形式如下：顶锚杆每排布置五根锚杆，间距1.2 m，排距1.0 m；两帮各打一根帮锚杆，间距为距顶锚杆0.6 m，排距1.0 m。顶、帮锚杆配可调心拱形托板，高强调心球垫和1010尼龙垫片，托板规格150 mm×150 mm×10 mm。顶部挂三片金属网，沿巷中间对称布置；两排锚杆中间打注安设两根锚索，间距2.0 m，排距1.0 m，沿巷中间对称布置在两排顶锚杆中间。9307低位抽采巷支护断面示意图如图2所示。

图2 9307低位抽采巷支护断面图（单位：mm）

3 现场测试情况

现场对9307低位抽采巷D8号测点以东5～6 m共计10根锚固状态良好的锚杆进行检测，施工过程中，预先将其中MCZ-300机械式矿压表安装在锚杆端部，并使用TG280-760 N·m扭力矩扳手验证其扭矩达标。经过现场检测表明，所检测的锚杆长度误差在5%左右，最大达到7.5%，在规定的10%误差范围内，可以认为该套无损检测系统检测锚杆长度较可靠；对于锚固力检测，通过无损检测和机械矿压表检测对比分析可得到，锚杆锚固力误差一般不超过5%，只有一根锚杆锚固力误差达到5.6%，不排除机械矿压表读数偏差，总体锚固力检测准确率很高。由于顶帮锚杆均采用MSCKbΦ23 mm×600 mm树脂药卷打注，所以锚固段检测值均为600 mm左右，长度较可靠。因此，可以认为无损检测结果可靠，可直接进行现场检测，且测试参数包括锚杆长度、锚固力、锚固长度，可将其作为评价支护效果及支护验收的依据。同时，采用无损检测技术对锚杆进行支护检测验收，可以减少检测人员和缩短检测时间，还可以减少检测过程中对锚杆、锚索支护的扰动，尤其是巷道围岩地质条件较差的情况下，更好地确保了巷道安全。9307低位抽采巷锚杆无损检测试验记录，见表1。

表1 9307低位抽采巷锚杆无损检测试验记录

4 结论

1）锚杆无损检测技术主要利用弹性波的反射和透射，结合合理的算法来确定锚杆锚固段长度和锚固力等支护检验参数，与传统的锚杆拉拔等质量检测技术相比，具有快捷、安全等优点。

2）通过现场测试表明，无损检测结果与实际参数、机械检测等的结果误差范围小，检测结果可靠，测试参数包括锚杆长度、锚固力、锚固长度，可将其作为评价支护效果及支护验收的依据。