锚杆支护智能 化无损检测技术研究与应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 锚杆支护智能化无损检测技术研究 与应用 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， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 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 13，煤层 倾角一般为 25 度，容重 1.35t/m3 ， 含加矸 02 层。3# 煤层直接顶为粉砂 岩，厚度在 1.693.29 米，平均厚度 2.36 米，普氏硬度 38，其上覆老顶为 中砂岩及细砂岩，厚度在 1.2912.32 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 每排采用 20L2400mm 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 14mm 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 20L2000mm 高强度 螺纹钢锚杆 4 根，间距为梁头往下 300mm、800mm、800mm、800mm、30 0mm，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 20L2000mm 高强度螺纹钢锚杆 5 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 根，间距为梁头往下 200mm、650mm、650mm、650mm、65 0mm、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 14mm 圆钢焊制的长 2800mm 钢筋梯子梁。 3、质量要求 顶螺纹钢锚杆锚固力不小于 100KN。 帮螺纹钢锚杆锚固力不小于 70KN。 锚杆间排距误差50mm。锚索间距误 差50mm。 锚杆外露长度：螺母以外大于 20mm，且小于 50mm。 钻孔深度与锚杆有效长度误差不大于 30mm。 锚杆安装扭矩不小于 150Nm。 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。 巷道超高 300mm，两帮各补打一根 帮锚杆；巷道超宽 300mm，顶板补打 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 一根顶锚杆，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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 锚固力 锚固剂 网片 钢筋梯子梁 网丝 材质 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 规格 材质 规格 材质 规格 型号 支/孔 材质 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 规格 材质 规格 顶板支护 螺纹钢锚杆 20L2400mm -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 1000*4000 14 圆钢 70* 3700 16#铅丝 Z2360 1 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 两帮支护 高强度螺纹钢锚杆 20L2000mm M22 70KN CK2335 1 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 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。 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。最后由式计 算预应力。 N=-74.27+61.27 锚固极限力的计算 打开分析软件，调出任一锚杆波形， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 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 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；最后由式计算锚杆的锚固 极限力。 锚固极限力 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 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、1 3、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。 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 编号 48 49 50 51 61 62 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 63 64 36 37 40 41 42 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 锚杆长 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 19 2.4 2.4 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 20 锚固位置 1.06 0.65 1.14 0.94 1.26 1.00 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 21 1.03 1.14 1.10 0.82 1.11 0.71 0.71 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 22 锚固长度 1.34 1.35 1.26 1.46 1.14 1.40 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 23 1.37 1.26 0.90 1.18 0.89 1.29 1.29 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 24 编号 43 44 39 52 53 54 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 25 55 56 57 58 59 60 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 26 锚杆长 2.0 2.0 8.3 8.3 8.3 8.3 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 27 8.3 8.3 8.3 8.3 8.3 8.3 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 28 锚固位置 0.79 1.00 5.67 5.31 5.73 5.22 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 29 5.70 5.83 6.12 5.92 5.99 5.86 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 30 锚固长度 1.21 1.00 2.58 2.33 2.52 2.13 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 31 2.55 2.13 2.13 2.33 2.26 2.39 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 32 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。 施工个月的锚杆、锚索 表 3 施工 3 个月的锚杆、锚索长度参 数表 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 33 编号 1 3 7 8 11 12 15 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 34 16 19 锚杆长 2.4 2.4 2.4 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 35 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 锚固位置 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 36 0.84 0.90 0.71 0.68 0.72 0.71 1.10 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 37 0.81 0.87 锚固长度 1.56 1.27 1.69 1.72 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 38 1.50 1.48 1.12 1.59 1.53 编号 75 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 39 76 77 78 79 80 69 70 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 40 71 锚杆长 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 41 2.0 8.3 8.3 8.3 锚固位置 0.97 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 42 0.79 1.10 0.77 0.76 0.84 6.15 6.11 5.95 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 43 锚固长度 1.03 1.21 0.90 1.23 1.24 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 44 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， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 45 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 46 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 47 2.40 1.43 0.57 0.53 1.08 50.00 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 48 28 2.40 0.82 1.18 1.03 1.14 150.00 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 49 理论分析可知自由锚固锚杆的波速计 算公式为 由式计算锚杆直径 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 93179KN，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 84164 KN，锚固极限力低于 100 KN 的只有 44 号、77 号锚杆；锚索的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 50 锚固极限力在 175359 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