煤矿锚杆支护无损检测技术与应用

第27卷第2期2010年06月

采矿与安全工程学报

Journal o f M ining &Safet y Engineering V ol.27No.2

June 2010

收稿日期:2009 10 11

基金项目:国家自然科学基金项目(50874104);江苏省自然科学基金项目(BK2006040);江苏省高校科研成果产业化推进项目(JH 07

023)

作者简介:徐金海(1963 ),男,江苏省靖江市人,教授,博士生导师,博士,从事采矿工程与矿山工程力学交叉学科方面的研究.E mail:jhxu118@ T el:0516 ********

文章编号:1673 3363(2010)02 0166 05

煤矿锚杆支护无损检测技术与应用

徐金海,周保精,吴 锐

(中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221008)

摘要:为了寻求能快速、实时、无损检测煤矿井下巷道锚固质量的方法,研究了应力波在井下锚杆系统中的传播和反射原理,研制成功本安型锚杆无损检测仪.以外力给锚杆外露端施加一瞬态

激振力,所产生的应力波在锚杆杆体中传播,遇锚固位置或里端面反射,由锚杆外露端头的传感器接收反射信号,通过对所接收的反射信号进行时域、频域的处理分析,获得锚杆的锚固长度、工作荷载、极限承载能力等参数.锚杆检测仪经过大量的实验室和井下现场测试,结果表明:检测仪检测数据与锚杆实际参数相差在7%以内.

关键词:锚杆支护;应力波;无损检测;稳定性评价中图分类号:TD 82 文献标识码:A

Non Destructive T est for Bolting Support in

Coal Mines and Its Application

XU Jin hai,ZH OU Bao jing ,WU Rui

(State Key L abo rato ry fo r coa l r eso ur ces and safe ex ploit ation,China U niver sity

o f M ining and T echnolog y,Xuzhou,Jiang su 221008,China)

Abstract:In order to find the fast,real time,non destructive testing m ethod for anchoring quality in coal m ine roadw ay,the tr ansm issio n and reflectio n principle of the stress w ave in un der ground bo lt sy stem is studied,then the intrinsically Safe non destr uctive testing device suc cessfully invented.If a transient ex citation is exerted on the top of bolt,the stress w av e pro duced can tr ansmit w ithin the bo dy of bolt.If com ing acro ss the anchor ag e position and inside reflection,the reflectio n signals will be r eceived by the sensor o n the top of the bolt.Thro ug h analyzing and calculating the tim e dom ain and frequency dom ain for the reflection signals re ceiv ed,the ancho r r od leng th,the w o rk lo ad,and the m ax imum load bearing capacity as w ell as o ther parameters can be g ained.The detecting device has been tested by a lot of data from labor ator y and under ground,show ing that the difference betw een the testing result and the ac tual param eter is below 7%.

Key words:bolting ;the str ess wave;no n destructive testing;stability ev aluatio n 由于锚杆支护方式具有施工成本低、速度快、工人劳动强度减轻等优点,因而成为井巷与岩土工程的主要支护加固方式.但由于煤矿井巷工程的围岩条件复杂性以及工程的隐蔽性,施工质量控制比较困难,因锚杆支护失效造成的巷道冒顶事故时有

发生.

目前煤矿锚杆支护巷道的监测仪器装备,可分成两大类:一类是顶板离层变形检测,采用顶板离层仪、多点位移计、位移收敛计等.此类仪器事故预警不及时、准确率低,仪器安装困难,对施工质量起

第2期徐金海等:煤矿锚杆支护无损检测技术与应用

不到监测作用;另一类是锚杆受力检测,采用测力锚杆、测力液压枕、拉拔计等,此类仪器只能预先安设,不能实行全面的、随机的检测,且拉拔检测是破坏性的.用扭矩拔手检测初锚力,尽管便捷,但人为因素影响大,准确率低.

因此,寻求能快速、实时、无损检测锚固质量的方法,直接检测锚杆(索)长度、锚固位置、锚固长度、锚固力及锚杆(索)工作荷载,对施工质量实现监控,从而正确评估工程的可靠性,是保障施工质量、保证巷道安全的前提.

1 锚杆无损检测技术研究现状

锚杆无损检测方法分为应力波法和电磁波法.电磁法是对锚杆加载交变电流,得到岩面磁感应强度分布规律,检测出空锚段比例和空锚段的位置.此法仅有一些初步理论研究成果[1],还远未进入实用阶段;应力波法是对锚杆施加瞬态振力,得到应力波在锚杆杆体中传播规律,检测出锚杆长度、荷载等参数.

1.1 应力波法检测理论

基于边坡、隧道、水利工程中的非预应力锚杆,文献[2]将锚杆视作一维弹性杆状体建立数学模型,将锚固介质和围岩的影响,当作在纵向上存在的黏滞摩擦阻力来考虑,通过求解一维波动方程,获得锚杆系统的动力响应.而煤矿大量使用的是预应力(初锚力)锚杆,目前还没有公认的理论计算模型.

关于预应力对锚杆-树脂-围岩系统的波形及频率的影响,D.D.T annant等[3]研究了锚杆在动力载荷(采动应力、冲击应力、爆破)作用下的横向、纵向动力响应及其对锚固力的影响;A na Iv anov ic等[4]研究了锚杆在工作载荷作用下的频率响应,指出不同的工作载荷对频率的影响不成比例,低阶频率影响大,高阶频率影响小;A na Iv anov ic,Conno lly等研究了非锚固段长度与锚固段长度的比值对锚杆振动频率的影响,及预应力对锚杆振动阻尼的影响.王成等[5 6]将锚杆的振动波动方程考虑为线性的,而将锚入岩土中的锚杆一端的边界条件看作为非线性的,然后用摄动法求解线性波动方程;杨湖[7 8]等利用等效模型的思想将围岩对锚杆的作用简化为一个线性弹簧和 个与速度有关的阻尼器,建立起锚杆 围岩系统在瞬态激振下的一维阻尼波动方程并得到解析解.

1.2 无损检测技术

1978年,瑞典的H. F.T hurner[9]提出用测超声波能量损耗的原理来检测锚杆灌注质量,并由Gendy namikab公司据此于1980年推出了Bolt meter Ver sion检测仪.该仪器主要用于水电、隧道、公路施工中的不安装托盘,没有预紧力的锚杆.该仪器主要有两个问题:一是超声波衰减严重,只能对短锚杆及锚固介质单一的锚杆适用;二是要在现场对锚杆端头打磨平整,压电晶体才能将超声波发射耦合进入杆体.上世纪80年代末美国矿业局[10]研制了一种顶板锚杆黏结力测定仪.它也是根据发射和接收超声波的原理来设计的,但超声波衰减过快,无法检测锚杆施工质量.上世纪90年代英国开发了GRANIT R仪器,该仪器通过实验室和现场检验,能检测未锚固长度和托盘承受的压力,具有较高的可靠性,但因体积和重量均较大,携带不方便,没有完成商业化开发.

我国铁道科学院曾在瑞典方法基础上,研制了M 7锚杆检测仪,改用能量相对一致的机械式撞击方式激振,增大了有效检测长度.1992年汪明武[11]等分析了声频应力波在锚固体系中的反射相位特征和能量衰减变化规律,探讨了测定锚固力的无损拉拔试验,并于1996年推出了MT 1型锚杆检测仪,但仪器没有在工程上得到应用.

1.3 支护效果评价体系研究现状

刘海峰、吕绍林[12 13]等提出将声波在锚固系统中的能量特征与相位特征相结合的方法来综合评价锚杆锚固质量,其依据是锚固系统中锚固缺陷存在时,声波在缺陷处不仅有能量变化,而且有相位突变.王富春、许明[14 15]等将岩石声波测试技术应用到锚杆的无损检测中,通过测定锚杆的振动响应来估计和判断锚杆的锚固质量,并将小波分析和神经网络等信号分析技术应用到较复杂检测信号的分析中.天津大学、淮南工业学院利用BP网络分析进行锚固质量评价,分析结果与拉拔试验的评价结果较吻合[16].

2 应力波无损检测原理

2.1 锚杆长度和锚固长度检测机理

当应力波在锚杆中传播时,遇到物性变异界面或端底界面就会发生反射与透射.测量中的激励和传感器位置如图1.图中t0为应力波在锚杆端头至托板间传播时间,t1为应力波在锚杆自由段传播时间,t2为应力波在锚杆锚固段传播时间.当应力波传播到锚固开始位置时,因前方介质的波阻抗变大,将产生反相的反射波传回到锚杆外露端由加速度传感器接收;当应力波传播到锚固结束位置时,

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