锚杆支护智能化无损检测技术研究与应用
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为验证应用锚杆支护无损检测技术进行锚杆锚固参数无损检测的可行性和检测结果的准确率，项目工程应用选择在潞安环能股份公司王庄煤矿实施。通过与现场技术人员协商，选择在已受采动影响、巷帮顶煤体酥软的5204风巷进行锚杆锚固参数无损检测。检测中，不仅对刚施工的顶锚杆、帮锚杆、锚索进行动测，而且对已施工3个月以上的顶锚杆、帮锚杆、锚索进行测动，检测锚杆、锚索的锚固参数变化情况。
1 巷道工程概况
1.1 工程地质条件
本项目现场检测巷道为5204风巷，沿煤层底板施工，巷道设计总长度约1526米，巷道地表相对位置在常村疗养院南侧。5204风巷位于52盘区，沿东西方向布置，北侧为5206工作面，南为F114 断层及保护煤柱，东接52皮带、52轨道巷，西临井田边界。受5206工作面回采影响，该巷帮顶煤体酥软。该工作面所掘煤层为沁水煤田3# 煤，赋存于二叠系山西组中下部地层中，属陆相湖泊型沉积，煤层厚度稳定，平均厚度6.75m ，普氏硬度1―3，煤层倾角一般为2―5度，容重1.35t/m3 ，含加矸0―2层。3# 煤层直接顶为粉砂岩，厚度在1.69―3.29米，平均厚度2.36米，普氏硬度3―8，其上覆老顶为中砂岩及细砂岩，厚度在1.29―12.32米，平均厚度5.04米，普氏硬度3―8。
1.2 巷道支护设计
5204风巷采用全锚支护方式，支护断面4.0*3.0米矩形断面。
1、顶板支护
每排采用ø20L2400mm的高强度螺纹钢锚杆5根，间距900mm，排距800mm，树脂药卷锚杆，每根锚杆采用双速2360、Z2360各一支，锚固长度1400mm，铺设金属网和ø14mm圆钢焊制的长3700mm钢筋梯子梁。
锚索加强支护为每隔2.4m布置两根15.24mm的小孔径预应力锚索，锚索孔深度为8.0m，锚索长度为8.3m,每根锚索采用的树脂药卷为双速2360一支，Z2360二支，锚固长度2.1m，每根锚索采用一块400mm长的18#槽槽钢，一块规格为100*100*8mm的钢板，锁具一套。
2、两帮支护
内帮支护采用ø20L2000mm 高强度螺纹钢锚杆4根，间距为梁头往下300mm、800mm、800mm、800mm、300mm，排距800mm，树脂药卷加长锚固，每根锚杆采用CK2335、Z2360各一支，锚固长度1000mm；外帮支护采用ø20L2000mm 高强度螺纹钢锚杆5根，间距为梁头往下200mm、650mm、650mm、650mm、650mm、200mm，排距800mm，树脂药卷加长锚固，每根锚杆采用CK2335、Z2360各一支，锚固长度1000mm；两帮均铺设金属网和ø14mm圆钢焊制的长2800mm钢筋梯子梁。
3、质量要求
（1）顶螺纹钢锚杆锚固力不小于100KN。
（2）帮螺纹钢锚杆锚固力不小于70KN。
（3）锚杆间排距误差±50mm。锚索间距误差±50mm。
（4）锚杆外露长度：螺母以外大于20mm，且小于50mm。
（5）钻孔深度与锚杆有效长度（钻孔内锚杆长度）误差不大于30mm。
（6）锚杆安装扭矩不小于150N・m。
（7）锚杆角度：顶角锚杆角度不小于20度，上帮锚杆角度不小于20度，其余锚杆角度不超过设计的±3度。
（8）巷道超高300mm，两帮各补打一根帮锚杆；巷道超宽300mm，顶板补打一根顶锚杆（与改位置的顶锚杆在同一排），补打锚杆的位置与帮的距离、锚杆角度和原设计相同，并用钢筋梯子梁与同一排的其它锚杆相连。
表1 巷道支护参数表
杆体
锚垫
紧固装置
锚固力
锚固剂
网片
钢筋梯子梁
网丝
材质
规格
材质
规格
材质
规格
型号
支/孔
材质
规格
材质
规格
顶板支护
螺纹钢锚杆
ø20L2400mm
钢板
100*100*10
A3圆钢
HYB型快速安装器
100KN
双速2360
1
小格型金属网
1000*4000
ø14圆钢
70*
3700
16#Ǧ˿
Z2360
1
两帮支护
高强度螺纹钢锚杆
ø20L2000mm
M22
70KN
CK2335
1
1000*3000
70*
2800
Z2360
1
2 检测方法
为了实现对锚杆锚固系统的锚固长度、锚固位置、预应力以及锚固力进行 无损动力测试，建立如图2所示的检测系统。其主要工作原理是用力锤或超磁激振器敲击锚杆、锚索外露端正面，使锚杆、锚索产生一微小的纵向振动，由安装在传感器连接装置上的加速传感器采集锚杆、锚索微振动加速度，加速度传感器采集到的加速度信号过导线传输到KM-1型锚杆无损检测仪上，锚杆无损检测仪将该加速度信号转换成数字信号并存储，最后通过分析软件分析计算锚固长度、锚固位置、预应力以及锚固力。
①预应力计算
首先打开分析软件，调出所测锚杆波形，选择波形中两条相似波形中的任一条波形，读取波形中入射波波峰值与反相反射波波峰值；计算反相反射波波峰值与入射波波峰值的比值。最后由式（1）计算预应力。
N=-74.27η+61.27 （1）
②锚固极限力的计算
打开分析软件，调出任一锚杆波形，选择波形中两条相似波形中的任一条波形，读取波形中入射波与反相反射波之间的传播时间以及反相反射波与同相反射波之间的传播时间。先由入射波与反相反射波时间差的1/2乘以5175（锚杆杆体纵波波速）求得未锚固段长度，将锚杆长度减去未锚固段长度就得锚固段长度；然后由2倍锚固段长度除以锚固开始反相反射波与锚固结束同相反射波之间传播时间求得锚固段纵波波速；最后由式（2）计算锚杆（或锚索）的锚固极限力。
锚固极限力 （2）
式中： 为未端锚固长度； 为锚杆长度； 为锚固体纵波波速； 为动静对比系数，由动力测试和拉拔试验确定； 为杆体密度； 为树脂密度； 为树脂泊松比； ―为杆体树脂锚固体直径； ―杆体直径； ―锚杆工作载荷。
3 现场检测数据处理与分析
3.1 锚固位置、锚固长度检测
为了对潞安王庄矿的锚网梯、锚索联合支护进行支护质量评价，本项目随机抽取5204风巷中最近施工的顶锚杆、帮锚杆和锚索进行无损动力检测，其动力检测波形如图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；同时又对施工3个月以上顶锚杆、帮锚杆和锚索进行了无损动力检测，其动力检测波形如图28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45所示。
（一）最近施工的锚杆、锚索
表2 最近施工的锚杆、锚索长度参数表
编号
48
49
50
51
61
62
63
64
36
37
40
41
42
锚杆（索）长
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
锚固位置
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
锚固长度
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
编号
43
44
39
52
53
54
55
56
57
58
59
60
锚杆（索）长
2.0
2.0
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
8.3
锚固位置
0.79
1.00
5.67
5.31
5.73
5.22
5.70
5.83
6.12
5.92
5.99
5.86
锚固长度
1.21
1.00
2.58
2.33
2.52
2.13
2.55
2.13
2.13
2.33
2.26
2.39
从表2可以看出：顶锚杆除50号、61号、64号锚杆的锚固长度较设计长度短90％以外，其余锚杆的锚固长度基本上达到要求；帮锚杆除36号、40号锚杆的锚固长度较设计长度短90％以外，其余锚杆的锚固长度基本达到要求；锚索的锚固长度基本达到要求。锚杆中只有49号锚杆锚固剂未锚固在端部，但有52号、54号、55号、56号锚索锚固剂未锚固在端部。
（二）施工３个月的锚杆、锚索
表3 施工3个月的锚杆、锚索长度参数表
编号
1
3
7
8
11
12
15
16
19
锚杆（索）长
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
锚固位置
0.84
0.90
0.71
0.68
0.72
0.71
1.10
0.81
0.87
锚固长度
1.56
1.27
1.69
1.72
1.50
1.48
1.12
1.59
1.53
编号
75
76
77
78
79
80
69
70
71
锚杆（索）长
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
8.3
8.3
8.3
锚固位置
0.97
0.79
1.10
0.77
0.76
0.84
6.15
6.11
5.95
锚固长度
1.03
1.21
0.90
1.23
1.24
1.16
2.10
2.14
2.30
从表3可以看出：顶锚杆除3号、15号锚杆的锚固长度较设计长度短90％以外，其余锚杆的锚固长度基本上达到要求；帮锚杆除77号锚杆的锚固长度较设计长度短90％以外，其余锚杆的锚固长度基本达到要求；锚索的锚固长度基本达到要求。顶锚杆中有3号11号、12号、15号锚杆锚固剂未锚固在端部，帮锚杆、锚索均正常。
3.2锚固力检测
为检验上述锚杆的锚固力是否达到设计锚固力要求，我们在5204风巷随机施工了两根锚固长度分别为0.4米、1.0米左右的锚杆，先对这两根锚杆进行无损动力检测，测得其实际锚固长度和计算锚固长度，动测波形如图46、47所示；最后对这两根锚杆进行拉拔试验测得其锚固极限力，具体如表4。
表4 动静对比锚杆长度、锚固极限力参数表
编号
锚杆长度/m
锚固位置/m
实际锚固长度/m
动测锚固长度/m
实际长度与动测长度比值
锚固极限力/ 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
理论分析可知自由锚固锚杆的波速计算公式为
（3）
由式（3）计算锚杆直径20mm、孔径28mm的自由锚固体的波速为4853.2m/s；锚索直径15.24mm、孔径28mm的自由锚固体的波速为1524.3 m/s。由表1的实际长度与动测长度比值可得25、28号锚杆实际锚固体波速为5241.5 m/s、5532.6 m/s，将25锚杆锚固体波速和实际锚固极限力代入式（2）可得 为2.2*10-7 ，最后将该 值和28号锚杆实际锚固体波速代入式（2）可求得28号锚杆的锚固极限力为162.0KN，误差8%在10%以内。则按照此 值和式（2）计算上述检测锚杆的锚固力为表5。从表5中可以看出：顶锚杆的锚固力极限在93―179KN，锚固极限力低于123 KN的只有15号锚杆；帮锚杆的锚固极限力在84―164 KN，锚固极限力低于100 KN的只有44号、77号锚杆；锚索的锚固极限力在175―359 KN，锚固极限力低于120 KN的只有39号/57号锚索。
3.3轴向工作载荷评价
轴向工作载荷主要根据入射波波峰值与反相反射波波峰值的比值来进行评价，在前面第四章的实验室试验中发现，直径20mm的锚杆的轴向工作载荷载60KN以上时，其反射波比值均在0.2左右，从前面波形分析知：新近施工的锚杆中48、50、51、62、63、36、41、42的轴向工作载荷可能小于60KN；施工3个月的锚杆中顶锚杆只有12号的轴向工作载荷可能在60KN以下，而77、78、79、80等锚杆的轴向工作载荷可能小于60KN。按式（1）计算轴向工作载荷如表6，显然帮锚杆的轴向工作载荷（或预应力）偏低的比例较大，应在施工中采取措施提高帮锚杆的预应力。
表5 锚杆、锚索锚固力计算表
编号
48
49
50
51
61
62
63
64
36
37
40
41
42
实际锚固长度/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
动测锚固长度/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
锚固极限力/ KN
171
178
133
169
149
174
157
153
118
148
113
164
161
编号
43
44
39
52
53
54
55
56
57
58
59
60
实际锚固长度/m
1.21
1
2.58
2.33
2.52
2.13
2.55
2.13
2.13
2.33
2.26
2.39
动测锚固长度/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
锚固极限力/ KN
153
84
220
331
336
250
359
261
175
285
268
270
编号
1
3
7
8
11
12
15
16
19
75
76
77
78
实际锚固长度/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
动测锚固长度/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
锚固极限力/ KN
162
136
164
179
132
144
93
187
160
111
135
92
148
编号
79
80
69
70
71
实际锚固长度/m
1.24
1.16
2.1
2.14
2.3
动测锚固长度/m
1.00
0.98
1.55
1.53
1.75
锚固极限力/ KN
155
131
250
273
264
表6 小于60KN锚杆工作载荷计算表
编号
48
49
50
51
62
63
36
位置
顶
顶
顶
顶
顶
顶
帮
比值
0.37
0.6
0.71
0.5
0.38
0.38
0.7
轴力/KN
51
38
32
43
50
50
31
编号
41
42
12
77
78
79
80
位置
帮
帮
顶
帮
帮
帮
帮
比值
0.86
1.12
0.7
1.01
1.03
0.77
0.64
轴力/KN
23
14
31
16
15.5
28
36
4 结论
通过对5204风巷中的顶锚杆、帮锚杆及锚索进行锚固位置、锚固长度、锚固力、轴向工作载荷进行检测，5204风巷中施工的锚杆大部分达到设计要求，但仍有少部分锚杆未达到设计要求，如部分顶锚杆的锚固长度未达要求，较个别的锚杆的锚固力相对其它锚杆较低，施工的个别锚杆出现锚固在端部的现象；一个较为普遍的现象是：锚杆在施工中施加的预应力大多数较低，尤其以帮锚杆最为突出；施工后的顶锚杆的工作载荷普遍大于60KN，而帮锚杆的工作载荷一般较低。以上事实表明，将锚杆支护智能化无损检测技术应用于煤矿锚杆支护检测与效果评价是可行的，值得全面推广应用。