魏豆云

（山西潞安检测检验中心有限责任公司， 山西 长治 046200）

引言

煤矿资源是我国能源结构体系中非常重要的构成部分，为我国社会经济发展作出了非常重要的贡献[1]。但近两年来，我国很多省份出现了非常严重的煤矿安全事故，造成了多名矿井工作人员的伤亡，引起了社会各界对于煤矿安全问题的高度关注[2]。对煤矿巷道进行支护是确保煤矿生产安全的基础和前提，锚杆锚索支护是所有支护形式中效果较显著、施工过程最简单的形式，在巷道支护中得到了非常广泛的应用[3]。考虑到锚杆的锚固效果，如有效锚固长度和锚固力大小等，对巷道安全有重要影响，在完成锚杆施工后有必要对其锚固效果进行检测[4]。传统的锚杆检测方法会对锚杆施工质量造成不必要的损伤，进而影响正常使用[5]。针对该问题，设计研究了一种无损检测技术，其可以在不破坏锚杆正常使用状态的情况下，对锚固效果进行检测[6]。本文主要分析了无损检测技术的基本原理及其在煤矿巷道锚杆检测中的实践应用情况。

1 矿井工作面及其巷道基本情况概述

煤矿工作面每层厚度在4.6～9.5 m，平均厚度为7.1 m 左右。工作面的直接顶和基本顶分别为泥岩与砂岩属性，平均厚度分别为11.9 m 和8.1 m，直接底为粉砂岩属性，平均厚度为2.4 m。图1 所示为工作面沿空留巷通风巷道的锚杆锚索支护情况。

图1 巷道支护断面示意图（单位：mm）

由图1 可知，巷道为矩形截面形状，宽度和高度分别为4.8 m、4 m。顶板设置有6 根锚杆，相邻锚杆之间的间距为0.9 m；设置有两根锚索，长度和直径分别为5.2 m、22 mm，两根锚索之间的距离为2.7 m。两帮位置分别设置5 根锚杆，相邻锚杆之间的间距为0.8 m，其中帮部位置最底下的锚杆和最上面的锚杆分别与水平方向呈30°朝下和朝上设置，两帮位置没有设置锚索。工作面的巷旁全部填充C30 混凝土，填充宽度为1.5 m。不管是顶部位置还是两帮位置，使用的锚杆参数全部相同。锚杆的直径和长度分别为22 mm、1.8 m，使用的托盘规格尺寸为0.15 m×0.15 m。通过前期的地质勘查发现，围岩的强度平均值为10.2 MPa。

2 锚杆无损检测基本原理

对锚杆支护效果进行检测是确保煤矿安全生产的重要措施和保障，传统的锚杆检测会对锚杆本身造成一定程度的损伤。基于此，发展出了锚杆无损检测原理。本文所述的锚杆无损检测主要是利用锚杆不同部位振动特征的差异对其锚固效果进行分析。可以将煤矿巷道锚杆的支护情况简化成为如图2 所示的简图，图2 中阴影部分表示锚杆与围岩实际的有效锚固段，剩下的称为自由段。

图2 煤矿巷道锚杆锚固系统的结构简图

自由段处于悬空状态，锚固段与围岩紧密接触，所以两段的波阻存在一定程度的差异。当使用激振器在锚杆端部位置作用使之产生振动波，进而在锚杆中传播时，如果振动波传播到自由段和锚固段交界部位时，由于两段的波阻不同，所以在该部位会产生反射波。利用传感器对反射波进行检测，并结合振动波的传动时间，即可测量得到自由段和锚固段的长度。

另一方面，锚杆的绷紧状态会影响振动波传播时的频率。锚杆力越大，则锚杆绷紧状态越大。相反，锚杆力越小，则锚杆越处于较松散的状态。通过对振动波在锚杆中传播时的振动频率进行检测，可以明确锚杆的绷紧状态，进而分析得到锚固力的大小。图3 所示为煤矿巷道锚杆力大小的无损检测流程图。

图3 煤矿巷道锚杆力无损检测流程图

3 锚杆受力无损检测实践应用研究

3.1 测试区域

为了更好地反应锚杆力的大小，在巷道掘进一段时间后再利用无损检测原理对沿空留巷中的锚杆锚固效果进行检测分析。为了防止煤矿掘进过程中产生的振动效应对锚杆无损检测过程和结果造成不良影响，将检测区域设置在进风巷道。根据实践经验，工作面会对周围50 m 产生影响，具体检测时应该将检测位置设置在50 m 以外。具体而言，共设置了三个检测断面，分别称为M1、M2、M3，在每个检测断面的左帮、顶板、右帮各选择一根锚杆进行检测，分别用L、D、R 表示，共计检测了九根锚杆的锚固效果情况。其中，三个检测断面与工作面之间的距离分别为52 m、68 m 和79 m。图4 所示为巷道锚杆锚固效果检测断面的分布图。

图4 巷道锚杆锚固效果检测断面的分布图

3.2 锚固效果检测结果

3.2.1 锚固力检测结果分析

对选择的三个检测断面中的锚杆锚固力进行持续检测，分析工作面往前推进过程中，上述锚杆锚固力的变化情况，检测结果如图5 所示。由图5 中数据可以看出，在本文研究的回采期间范围内，不管是两帮位置还是顶板位置，锚杆的锚固力均在40～65 kN，且随着工作面的不断向前推进，锚杆锚固力并没有出现明显的变化，9 根锚杆的锚固力变化幅度均没有超过10%。对于位置相同但是在不同截面上的锚杆，由于所选择的锚杆与工作面之间距离相对较远，所以整体都较稳定，锚固力大小相差不大。总体而言，该巷道中的锚杆锚固力较稳定，基本上不会受到工作面推进的影响，所以从该角度看，认为巷道支护效果较好，可以保障巷道的安全。

图5 工作面往前推进对锚杆锚固力大小的影响情况

3.2.2 有效锚固长度检测结果分析

利用同样的方法，对三个检测断面中的9 根锚杆的有效锚固长度进行了现场检测分析，如表1 所示为锚杆有效锚固长度的检测结果。其中表1 中还列出了锚杆的实际测量数据，以便对无损检测技术的检测精度进行对比验证。

表1 锚杆有效锚固长度检测结果统计情况

由表1 中数据可知，所有锚杆的实际长度均为1.8 m，基于无损检测技术测量得到的锚杆全长在1.77～1.85 m，测量误差最大值为2.78%。由此可以看出，无损检测技术对锚杆的全长检测精度相对较高，完全能够满足实际使用需要。进一步对锚杆锚固段的检测长度和实际测量长度进行对比分析发现，M2-L 锚杆的检测误差最大，为7.94%；其次为M1-D，为5.17%。其他锚杆锚固力的检测误差全部控制在5%以内。总体而言，基于无损检测技术对锚杆锚固段长度进行检测，误差没有超过10%，基本达到了预期效果，可以在工程实践中进行应用。另一方面，通过检测发现，M1-L 锚杆的有效锚固长度相对较短，可能会影响锚杆锚索的支护效果，在实践过程中需要特别关注该部位的支护情况。

4 结论

煤矿巷道中利用锚杆锚索支护技术对其进行保护是确保煤矿开采过程安全的重要基础和前提，对锚杆的锚固质量进行检测是保障支护效果的重要措施和手段。基于无损检测技术可以在不破坏锚杆的情况下对结果进行检测，具有明显的优势。本文基于振动波在锚杆不同部位振动频率和传播速度存在差异的特点，对锚杆的锚固力大小和有效锚固长度进行检测。将该项技术应用到煤矿工程实践中，并对其检测结果精度进行检验，发现效果相对较好，完全能够满足工程实践需要。