文範網錨杆支護智能化無損檢測技術研究與應用
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1 巷道工程概況
1.1 工程地質條件
本項目現場檢測巷道為5204風巷，沿煤層底板施工，巷道設計總長度約1526米，巷道地表相對位置在常村療養院南側。5204風巷位於52盤區，沿東西方向佈置，北側為5206工作面，南為F114 斷層及保護煤柱，東接52皮帶、52軌道巷，西臨井田邊界。受5206工作面回採影響，該巷幫頂煤體酥軟。該工作面所掘煤層為沁水煤田3# 煤，賦存於二疊系山西組中下部地層中，屬陸相湖泊型沉積，煤層厚度穩定，平均厚度6.75m ，普氏硬度1—3，煤層傾角一般為2—5度，容重1.35t/m3 ，含加矸0—2層。3# 煤層直接頂為粉砂巖，厚度在1.69—3.29米，平均厚度2.36米，普氏硬度3—8，其上覆老頂為中砂巖及細砂巖，厚度在1.29—12.32米，平均厚度5.04米，普氏硬度3—8。
1.2 巷道支護設計
5204風巷採用全錨支護方式，支護斷面4.0*3.0米矩形斷面。
1、頂板支護
每排採用ø20L2400mm的高強度螺紋鋼錨杆5根，間距900mm，排距800mm，樹脂藥卷錨杆，每根錨杆採用雙速2360、Z2360各一支，錨固長度1400mm，鋪設金屬網和ø14mm圓鋼焊制的長3700mm鋼筋梯子樑。
錨索加強支護為每隔2.4m佈置兩根15.24mm的小孔徑預應力錨索，錨索孔深度為8.0m，錨索長度為8.3m,每根錨索採用的樹脂藥卷為雙速2360一支，Z2360二支，錨固長度2.1m，每根錨索採用一塊400mm長的18#槽槽鋼，一塊規格為100*100*8mm的鋼板，鎖具一套。
2、兩幫支護
內幫支護採用ø20L2000mm 高強度螺紋鋼錨杆4根，間距為樑頭往下300mm、800mm、800mm、800mm、300mm，排距800mm，樹脂藥卷加長錨固，每根錨杆採用CK2335、Z2360各一支，錨固長度1000mm；外幫支護採用ø20L2000mm 高強度螺紋鋼錨杆5根，間距為樑頭往下200mm、650mm、650mm、650mm、650mm、200mm，排距800mm，樹脂藥卷加長錨固，每根錨杆採用CK2335、Z2360各一支，錨固長度1000mm；兩幫均鋪設金屬網和ø14mm圓鋼焊制的長2800mm鋼筋梯子樑。
3、質量要求
（1）頂螺紋鋼錨杆錨固力不小於100KN。
（2）幫螺紋鋼錨杆錨固力不小於70KN。
（3）錨杆間排距誤差±50mm。錨索間距誤差±50mm。
（4）錨杆外露長度：螺母以外大於20mm，且小於50mm。
（5）鑽孔深度與錨杆有效長度（鑽孔內錨杆長度）誤差不大於30mm。
（6）錨杆安裝扭矩不小於150N·m。
（7）錨杆角度：頂角錨杆角度不小於20度，上幫錨杆角度不小於20度，其餘錨杆角度不超過設計的±3度。
（8）巷道超高300mm，兩幫各補打一根幫錨杆；巷道超寬300mm，頂板補打一根頂錨杆（與改位置的頂錨杆在同一排），補打錨杆的位置與幫的距離、錨杆角度和原設計相同，並用鋼筋梯子樑與同一排的其它錨杆相連。
表1 巷道支護參數表
杆體
錨墊
緊固裝置
錨固力
錨固劑
網片
鋼筋梯子樑
網絲
材質
規格
材質
規格
材質
規格
型號
支/孔
材質
規格
材質
規格
頂板支護
螺紋鋼錨杆
ø20L2400mm
鋼板
100*100*10
A3圓鋼
HYB型快速安裝器
100KN
雙速2360
1
小格型金屬網
1000*4000
ø14圓鋼
70*
3700
16#鉛絲
Z2360
1
兩幫支護
高強度螺紋鋼錨杆
ø20L2000mm
M22
70KN
CK2335
1
1000*3000
70*
2800
Z2360
1
2 檢測方法
為了實現對錨杆錨固系統的錨固長度、錨固位置、預應力以及錨固力進行 無損動力測試，建立如圖2所示的檢測系統。其主要工作原理是用力錘或超磁激振器敲擊錨杆、錨索外露端正面，使錨杆、錨索產生一微小的縱向振動，由安裝在傳感器連接裝置上的加速傳感器採集錨杆、錨索微振動加速度，加速度傳感器採集到的加速度信號過導線傳輸到KM-1型錨杆無損檢測儀上，錨杆無損檢測儀將該加速度信號轉換成數字信號並存儲，最後通過分析軟件分析計算錨固長度、錨固位置、預應力以及錨固力。
①預應力計算
首先打開分析軟件，調出所測錨杆波形，選擇波形中兩條相似波形中的任一條波形，讀取波形中入射波波峯值與反相反射波波峯值；計算反相反射波波峯值與入射波波峯值的比值。最後由式（1）計算預應力。
N=-74.27η+61.27 （1）
②錨固極限力的計算
打開分析軟件，調出任一錨杆波形，選擇波形中兩條相似波形中的任一條波形，讀取波形中入射波與反相反射波之間的傳播時間以及反相反射波與同相反射波之間的傳播時間。先由入射波與反相反射波時間差的1/2乘以5175（錨杆杆體縱波波速）求得未錨固段長度，將錨杆長度減去未錨固段長度就得錨固段長度；然後由2倍錨固段長度除以錨固開始反相反射波與錨固結束同相反射波之間傳播時間求得錨固段縱波波速；最後由式（2）計算錨杆（或錨索）的錨固極限力。
錨固極限力 （2）
式中： 為未端錨固長度； 為錨杆長度； 為錨固體縱波波速； 為動靜對比係數，由動力測試和拉拔試驗確定； 為杆體密度； 為樹脂密度； 為樹脂泊松比； —為杆體樹脂錨固體直徑； —杆體直徑； —錨杆工作載荷。
3 現場檢測數據處理與分析
3.1 錨固位置、錨固長度檢測
為了對潞安王莊礦的錨網梯、錨索聯合支護進行支護質量評價，本項目隨機抽取5204風巷中最近施工的頂錨杆、幫錨杆和錨索進行無損動力檢測，其動力檢測波形如圖3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27所示；同時又對施工3個月以上頂錨杆、幫錨杆和錨索進行了無損動力檢測，其動力檢測波形如圖28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45所示。
（一）最近施工的錨杆、錨索
表2 最近施工的錨杆、錨索長度參數表
編號
48
49
50
51
61
62
63
64
36
37
40
41
42
錨杆（索）長
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
錨固位置
1.06
0.65
1.14
0.94
1.26
1.00
1.03
1.14
1.10
0.82
1.11
0.71
0.71
錨固長度
1.34
1.35
1.26
1.46
1.14
1.40
1.37
1.26
0.90
1.18
0.89
1.29
1.29
編號
43
44
39
52
53
54
55
56
57
58
59
60
錨杆（索）長
2.0
2.0
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
錨固位置
0.79
1.00
5.67
5.31
5.73
5.22
5.70
5.83
6.12
5.92
5.99
5.86
錨固長度
1.21
1.00
2.58
2.33
2.52
2.13
2.55
2.13
2.13
2.33
2.26
2.39
從表2可以看出：頂錨杆除50號、61號、64號錨杆的錨固長度較設計長度短90％以外，其餘錨杆的錨固長度基本上達到要求；幫錨杆除36號、40號錨杆的錨固長度較設計長度短90％以外，其餘錨杆的錨固長度基本達到要求；錨索的錨固長度基本達到要求。錨杆中只有49號錨杆錨固劑未錨固在端部，但有52號、54號、55號、56號錨索錨固劑未錨固在端部。
（二）施工３個月的錨杆、錨索
表3 施工3個月的錨杆、錨索長度參數表
編號
1
3
7
8
11
12
15
16
19
錨杆（索）長
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
錨固位置
0.84
0.90
0.71
0.68
0.72
0.71
1.10
0.81
0.87
錨固長度
1.56
1.27
1.69
1.72
1.50
1.48
1.12
1.59
1.53
編號
75
76
77
78
79
80
69
70
71
錨杆（索）長
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
8.3
8.3
8.3
錨固位置
0.97
0.79
1.10
0.77
0.76
0.84
6.15
6.11
5.95
錨固長度
1.03
1.21
0.90
1.23
1.24
1.16
2.10
2.14
2.30
從表3可以看出：頂錨杆除3號、15號錨杆的錨固長度較設計長度短90％以外，其餘錨杆的錨固長度基本上達到要求；幫錨杆除77號錨杆的錨固長度較設計長度短90％以外，其餘錨杆的錨固長度基本達到要求；錨索的錨固長度基本達到要求。頂錨杆中有3號11號、12號、15號錨杆錨固劑未錨固在端部，幫錨杆、錨索均正常。
3.2錨固力檢測
為檢驗上述錨杆的錨固力是否達到設計錨固力要求，我們在5204風巷隨機施工了兩根錨固長度分別為0.4米、1.0米左右的錨杆，先對這兩根錨杆進行無損動力檢測，測得其實際錨固長度和計算錨固長度，動測波形如圖46、47所示；最後對這兩根錨杆進行拉拔試驗測得其錨固極限力，具體如表4。
表4 動靜對比錨杆長度、錨固極限力參數表
編號
錨杆長度/m
錨固位置/m
實際錨固長度/m
動測錨固長度/m
實際長度與動測長度比值
錨固極限力/ KN
25
2.40
1.43
0.57
0.53
1.08
50.00
28
2.40
0.82
1.18
1.03
1.14
150.00
理論分析可知自由錨固錨杆的波速計算公式為
（3）
由式（3）計算錨杆直徑20mm、孔徑28mm的自由錨固體的波速為4853.2m/s；錨索直徑15.24mm、孔徑28mm的自由錨固體的波速為1524.3 m/s。由表1的實際長度與動測長度比值可得25、28號錨杆實際錨固體波速為5241.5 m/s、5532.6 m/s，將25錨杆錨固體波速和實際錨固極限力代入式（2）可得 為2.2*10-7 ，最後將該 值和28號錨杆實際錨固體波速代入式（2）可求得28號錨杆的錨固極限力為162.0KN，誤差8%在10%以內。則按照此 值和式（2）計算上述檢測錨杆的錨固力為表5。從表5中可以看出：頂錨杆的錨固力極限在93—179KN，錨固極限力低於123 KN的只有15號錨杆；幫錨杆的錨固極限力在84—164 KN，錨固極限力低於100 KN的只有44號、77號錨杆；錨索的錨固極限力在175—359 KN，錨固極限力低於120 KN的只有39號/57號錨索。
3.3軸向工作載荷評價
軸向工作載荷主要根據入射波波峯值與反相反射波波峯值的比值來進行評價，在前面第四章的實驗室試驗中發現，直徑20mm的錨杆的軸向工作載荷載60KN以上時，其反射波比值均在0.2左右，從前面波形分析知：新近施工的錨杆中48、50、51、62、63、36、41、42的軸向工作載荷可能小於60KN；施工3個月的錨杆中頂錨杆只有12號的軸向工作載荷可能在60KN以下，而77、78、79、80等錨杆的軸向工作載荷可能小於60KN。按式（1）計算軸向工作載荷如表6，顯然幫錨杆的軸向工作載荷（或預應力）偏低的比例較大，應在施工中採取措施提高幫錨杆的預應力。
表5 錨杆、錨索錨固力計算表
編號
48
49
50
51
61
62
63
64
36
37
40
41
42
實際錨固長度/m
1.34
1.35
1.46
1.14
1.14
1.4
1.37
1.26
0.9
1.18
0.89
1.29
1.29
動測錨固長度/m
1.07
1.06
1.09
1.22
0.9
1.13
1.15
1.03
0.71
0.95
0.71
1.03
1.04
錨固極限力/ KN
171
178
133
169
149
174
157
153
118
148
113
164
161
編號
43
44
39
52
53
54
55
56
57
58
59
60
實際錨固長度/m
1.21
1
2.58
2.33
2.52
2.13
2.55
2.13
2.13
2.33
2.26
2.39
動測錨固長度/m
0.97
0.97
2.23
1.58
1.89
1.58
1.67
1.55
1.87
1.7
1.67
1.81
錨固極限力/ KN
153
84
220
331
336
250
359
261
175
285
268
270
編號
1
3
7
8
11
12
15
16
19
75
76
77
78
實際錨固長度/m
1.56
1.27
1.69
1.72
1.5
1.48
1.12
1.59
1.53
1.03
1.21
0.9
1.23
動測錨固長度/m
1.37
1.1
1.53
1.51
1.42
1.34
1.09
1.32
1.34
0.89
1.03
0.8
1.01
錨固極限力/ KN
162
136
164
179
132
144
93
187
160
111
135
92
148
編號
79
80
69
70
71
實際錨固長度/m
1.24
1.16
2.1
2.14
2.3
動測錨固長度/m
1.00
0.98
1.55
1.53
1.75
錨固極限力/ KN
155
131
250
273
264
表6 小於60KN錨杆工作載荷計算表
編號
48
49
50
51
62
63
36
位置
頂
頂
頂
頂
頂
頂
幫
比值
0.37
0.6
0.71
0.5
0.38
0.38
0.7
軸力/KN
51
38
32
43
50
50
31
編號
41
42
12
77
78
79
80
位置
幫
幫
頂
幫
幫
幫
幫
比值
0.86
1.12
0.7
1.01
1.03
0.77
0.64
軸力/KN
23
14
31
16
15.5
28
36
4 結論
通過對5204風巷中的頂錨杆、幫錨杆及錨索進行錨固位置、錨固長度、錨固力、軸向工作載荷進行檢測，5204風巷中施工的錨杆大部分達到設計要求，但仍有少部分錨杆未達到設計要求，如部分頂錨杆的錨固長度未達要求，較個別的錨杆的錨固力相對其它錨杆較低，施工的個別錨杆出現錨固在端部的現象；一個較為普遍的現象是：錨杆在施工中施加的預應力大多數較低，尤其以幫錨杆最為突出；施工後的頂錨杆的工作載荷普遍大於60KN，而幫錨杆的工作載荷一般較低。以上事實表明，將錨杆支護智能化無損檢測技術應用於煤礦錨杆支護檢測與效果評價是可行的，值得全面推廣應用。
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