煤矿工作面沿空留巷锚杆无损检测技术研究

李 瓒

(新疆国泰新华五彩湾矿业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

随着社会对煤矿资源需求量的不断提升，我国每年都要开采大量的煤炭资源以供社会经济发展的基本需要[1]。随着开采量的不断增加，埋藏较浅的容易开采的煤炭资源几乎开采完毕，未来煤矿朝着纵深方向发展，矿井越来越深，煤矿开采环境也越来越复杂[2]。很多煤矿工作面采用沿空留巷技术，利用锚杆对巷道进行支护是确保其稳定和安全的重要措施和手段[3]。这对锚杆本身的质量及其施工质量均提出了非常高的要求，一旦锚杆出现质量问题，会威胁沿空留巷的稳定性，进而威胁煤矿的安全性[4]。对锚杆进行检测，以验证其锚固质量和效果，是确保沿空留巷安全的重要手段。本文利用无损检测技术对工作面沿空留巷的锚杆进行检测，取得了很好的效果，对于保障煤矿安全具有重要的实践意义。

1 工作面及沿空留巷支护概述

1.1 煤矿工作面

以某煤矿工作面沿空留巷为例进行分析和研究。工作面的直接顶和基本顶的岩性分别为泥岩和砂岩，厚度依次为11.8 m和8.2 m，直接底以粉砂岩为主，平均厚度为2.4 m，工作面煤层平均厚度为7 m。采用Y形通风结构形式，设置的沿空留巷截面为矩形，高度和宽度分别为4 m和4.8 m，曾受到一次采动影响。

1.2 沿空留巷支护

图1为工作面沿空留巷的支护原理示意图。巷道的两帮分别设置有5根锚杆，顶部位置设置有6根锚杆，锚杆的排距全部为0.9 m，帮部和顶板锚杆间距依次为0.8 m和0.9 m。锚杆直径和长度分别为22 mm和2.4 m。另外，顶板设置有2根锚索，其直径和长度分别为22 mm和5.2 m。靠近工作面的巷旁用C30混凝土进行充填，平均宽度为1.5 m。理论上讲，采用上述支护方案对沿空留巷可以起到很好的效果，可保障沿空留巷的稳定性和安全性，但因采动过程的影响，锚杆支护效果难以保障，需要利用无损检测技术对锚杆进行测试。

图1 工作面沿空留巷支护原理示意(mm)

2 无损检测技术基本原理

2.1 锚杆锚固体系简化

实际的锚杆为圆柱体，为了方便可以将其简化成为平面模型。锚杆的外露端设置有预紧力，伸入围岩内部的包括两部分，分别为锚固段和自由段，真正起作用的为前者[5]。可以将外露部分简化成为弹性支撑体，锚杆锚固段与巷道围岩紧紧联系在一起，两者可以视为刚性连接，所以可以将整个锚杆锚固体系简化为弹簧-固定端模型，如图2所示为锚杆锚固系统简化模型。

图2 锚杆锚固系统简化模型

2.2 锚杆轴力检测原理

沿空留巷锚杆服役过程中，都会承受不同程度的轴向力。当锚杆承受的轴向力大小存在差异时，所处的状态也会不同[6]。如果外界向锚杆施加一个激励载荷，由于锚杆所处状态不同，所以对外部激励载荷的传播过程会存在差异。在保持外部激励载荷不变的情况下，通过测量锚杆对载荷的响应情况即可分析判断锚杆的轴力大小。

锚杆无损检测流程可概述如下：首先需要结合实际情况选择合适的激振装置和传感器检测装置，然后利用传感器对激振以及锚杆响应振动信号进行采集，再基于专业设备对采集得到的信号进行分析，通过数据拟合确定锚杆锚固体系的固有频率，同时明确锚杆振动频率与其轴向力大小之间的关联关系，在此基础上分析判断锚杆轴向受力大小。图3为基于无损检测技术的锚杆轴力测量系统原理示意图。图中，小锤就是激振装置，作用是施加外界激励载荷；传感器是检测装置，作用是对锚杆对外界激励的响应情况进行检测，检测结果传输到CMD锚杆动力无损检测仪中进行分析和处理，得到锚杆轴向力大小。

图3 锚杆轴力测量系统原理示意

3 锚杆无损检测技术应用情况

3.1 锚杆测试区域选择

考虑到工作面沿空留巷易受采动影响发生变形进而影响巷道的稳定性，所以需要利用先进的无损检测技术对锚杆的支护效果进行分析，在此基础上提出对应的优化改进方案，以保障沿空留巷的可靠性。根据以往实践经验，煤矿中帮部位置的不稳定因素最高，本文主要对两个帮部位置的锚杆支护情况进行检测。沿着巷道前进方向在巷道帮部位置分别设置14个测点，相邻两个测点的间隔为1.6 m，在每个测点随机选择1根锚杆，利用无损检测技术对其锚固力的大小进行检测，记录下工作面向前推进中各锚杆锚固力的演变情况。为显示区别，图1中左侧未使用混凝土浇筑，称为煤帮，右侧利用C30混凝土浇筑了墙体，称为柔模。

3.2 测试结果分析

图4为沿空留巷帮部锚杆轴力与工作面距离之间的关系曲线。从图中可以看出，不管是煤帮还是柔模部位的锚杆，与工作面之间的距离越远，对应的锚杆轴力越大。该结果与现实情况基本吻合，因为与工作面之间的距离越远，说明受到煤矿开采扰动的影响越显著，沿空留巷的稳定性越低。

图4 沿空留巷帮部锚杆轴力与工作面距离关系曲线

对比煤帮锚杆轴力和柔模锚杆轴力可以发现，前者锚杆轴力比后者明显要大。煤帮锚杆中，轴力大于60 kN的锚杆数量比例在85%左右，轴力大于80 kN的锚杆数量比例大约占到50%，锚杆轴力超过100 kN的数量大约占据25%.而柔模锚杆中，接近85%的锚杆轴力不超过50 kN，基本上与锚杆安装时的锚固力大小相当。意味着工作面在向前推进过程中，柔模部位的锚杆并没有发挥太大的作用。柔模部位浇筑了C30混凝土，整体稳定性非常高，没有发生明显的变形，导致该部位锚杆整体受力相对较小。

3.3 测试结果讨论

通过利用无损检测技术对工作面沿空留巷帮部位置锚杆轴力进行的检测分析，发现煤帮锚杆轴力是柔模锚杆轴力的两倍左右，意味着煤帮部位的稳定性比柔模部位稳定性要低，需要采取更加有效的措施来控制煤帮部位的变形情况，提升其稳定性和可靠性。对于柔模部位，由于利用C30混凝土进行了浇筑，厚度为1.5 m，整体上具有非常高的稳定性。利用锚杆对其进行支护时存在支护冗余浪费的问题，在工程实践中可以考虑适当减少柔模的锚杆数量，以降低沿空留巷锚杆支护的成本。

4 结 语

以煤矿工作面沿空留巷中使用的锚杆支护为研究对象，基于无损检测技术对锚杆轴向力进行了检测，结论主要有：

1) 工作面沿空留巷主要基于锚杆锚索支护方案对其进行保护，以提升巷道的稳定性；

2) 承受不同轴向力的锚杆，对固定外界激励载荷的响应会存在差异，无损检测技术就是根据以上原理对锚杆轴向力进行检测的；

3) 通过对沿空留巷煤帮和柔模中的锚杆轴向力进行检测，发现煤帮锚杆轴向力比柔模锚杆轴向力大两倍左右，说明工作面推进过程容易对煤帮产生干扰和影响，降低其稳定性，需要加强煤帮的锚杆支护，柔模锚杆支护存在冗余，可以适当减少锚杆支护以降低成本。