錨桿支護(hù)智能化無損檢測技術(shù)研究與應(yīng)用為驗(yàn)證應(yīng)用錨桿支護(hù)無損檢測技術(shù)進(jìn)行錨桿錨固參數(shù)無損檢測的可行性和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確率，工程工程應(yīng)用選擇在潞安環(huán)能股份公司王莊煤礦實(shí)施。通過與現(xiàn)場技術(shù)人員協(xié)商，選擇在已受采動(dòng)影響、巷幫頂煤體酥軟的5204風(fēng)巷進(jìn)行錨桿錨固參數(shù)無損檢測。檢測中，不僅對(duì)剛施工的頂錨桿、幫錨桿、錨索進(jìn)行動(dòng)測，而且對(duì)已施工3個(gè)月以上的頂錨桿、幫錨桿、錨索進(jìn)行測動(dòng)，檢測錨桿、錨索的錨固參數(shù)變化情況。1巷道工程概況1.1工程地質(zhì)條件本工程現(xiàn)場檢測巷道為5204風(fēng)巷，沿煤層底板施工，巷道設(shè)計(jì)總長度約1526米，巷道地表相對(duì)位置在常村療養(yǎng)院南側(cè)。5204風(fēng)巷位于52盤區(qū)，沿東西方向布置，北側(cè)為5206工作面，南為F114斷層及保護(hù)煤柱，東接52皮帶、52軌道巷，西臨井田邊界。受5206工作面回采影響，該巷幫頂煤體酥軟。該工作面所掘煤層為沁水煤田3#煤，賦存于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(wěn)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(xì)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(hù)設(shè)計(jì)5204風(fēng)巷采用全錨支護(hù)方式，支護(hù)斷面4.0*3.0米矩形斷面。1、頂板支護(hù)2、兩幫支護(hù)內(nèi)幫支護(hù)采用?20L2000mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿4根，間距為梁頭往下300mm、800mm、800mm、800mm、300mm，排距800mm，樹脂藥卷加長錨固，每根錨桿采用CK2335、Z2360各一支，錨固長度1000mm；外幫支護(hù)采用?20L2000mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿5根，間距為梁頭往下200mm、650mm、650mm、650mm、650mm、200mm，排距800mm，樹脂藥卷加長錨固，每根錨桿采用CK2335、Z2360各一支，錨固長度1000mm；兩幫均鋪設(shè)金屬網(wǎng)和?14mm圓鋼焊制的長2800mm鋼筋梯子梁。3、質(zhì)量要求（1）頂螺紋鋼錨桿錨固力不小于100KN。（2）幫螺紋鋼錨桿錨固力不小于70KN。（3）錨桿間排距誤差±50mm。錨索間距誤差±50mm。（4）錨桿外露長度：螺母以外大于20mm，且小于50mm。（5）鉆孔深度與錨桿有效長度（鉆孔內(nèi)錨桿長度）誤差不大于30mm。（6）錨桿安裝扭矩不小于150N·m。（7）錨桿角度：頂角錨桿角度不小于20度，上幫錨桿角度不小于20度，其余錨桿角度不超過設(shè)計(jì)的±3度。（8）巷道超高300mm，兩幫各補(bǔ)打一根幫錨桿；巷道超寬300mm，頂板補(bǔ)打一根頂錨桿（與改位置的頂錨桿在同一排），補(bǔ)打錨桿的位置與幫的距離、錨桿角度和原設(shè)計(jì)相同，并用鋼筋梯子梁與同一排的其它錨桿相連。表1巷道支護(hù)參數(shù)表?xiàng)U體錨墊緊固裝置錨固力錨固劑網(wǎng)片鋼筋梯子梁網(wǎng)絲材質(zhì)規(guī)格材質(zhì)規(guī)格材質(zhì)規(guī)格型號(hào)支/孔材質(zhì)規(guī)格材質(zhì)規(guī)格頂板支護(hù)螺紋鋼錨桿鋼板100*100*10A3圓鋼HYB型快速安裝器100KN雙速23601小格型金屬網(wǎng)?14圓鋼70*370016#鉛絲Z23601兩幫支護(hù)高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿?20L2000mmM2270KNCK233511000*300070*2800Z236012檢測方法為了實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿錨固系統(tǒng)的錨固長度、錨固位置、預(yù)應(yīng)力以及錨固力進(jìn)行無損動(dòng)力測試，建立如圖2所示的檢測系統(tǒng)。其主要工作原理是用力錘或超磁激振器敲擊錨桿、錨索外露端正面，使錨桿、錨索產(chǎn)生一微小的縱向振動(dòng)，由安裝在傳感器連接裝置上的加速傳感器采集錨桿、錨索微振動(dòng)加速度，加速度傳感器采集到的加速度信號(hào)過導(dǎo)線傳輸?shù)終M-1型錨桿無損檢測儀上，錨桿無損檢測儀將該加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)，最后通過分析軟件分析計(jì)算錨固長度、錨固位置、預(yù)應(yīng)力以及錨固力。①預(yù)應(yīng)力計(jì)算首先翻開分析軟件，調(diào)出所測錨桿波形，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峰值與反相反射波波峰值；計(jì)算反相反射波波峰值與入射波波峰值的比值。最后由式（1）計(jì)算預(yù)應(yīng)力。N=-74.27η+61.27（1）②錨固極限力的計(jì)算翻開分析軟件，調(diào)出任一錨桿波形，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(shí)間以及反相反射波與同相反射波之間的傳播時(shí)間。先由入射波與反相反射波時(shí)間差的1/2乘以5175（錨桿桿體縱波波速）求得未錨固段長度，將錨桿長度減去未錨固段長度就得錨固段長度；然后由2倍錨固段長度除以錨固開始反相反射波與錨固結(jié)束同相反射波之間傳播時(shí)間求得錨固段縱波波速；最后由式（2）計(jì)算錨桿（或錨索）的錨固極限力。錨固極限力（2）式中：為未端錨固長度；為錨桿長度；為錨固體縱波波速；為動(dòng)靜比照系數(shù)，由動(dòng)力測試和拉拔試驗(yàn)確定；為桿體密度；為樹脂密度；為樹脂泊松比；—為桿體樹脂錨固體直徑；—桿體直徑；—錨桿工作載荷。3現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)處理與分析3.1錨固位置、錨固長度檢測為了對(duì)潞安王莊礦的錨網(wǎng)梯、錨索聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行支護(hù)質(zhì)量評(píng)價(jià)，本工程隨機(jī)抽取5204風(fēng)巷中最近施工的頂錨桿、幫錨桿和錨索進(jìn)行無損動(dòng)力檢測，其動(dòng)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(shí)又對(duì)施工3個(gè)月以上頂錨桿、幫錨桿和錨索進(jìn)行了無損動(dòng)力檢測，其動(dòng)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）最近施工的錨桿、錨索表2最近施工的錨桿、錨索長度參數(shù)表編號(hào)48495051616263643637404142錨桿（索）長2.42.42.42.42.42.42.42.42.02.02.02.02.0錨固位置1.060.651.140.941.261.001.031.141.100.821.110.710.71錨固長度1.341.351.261.461.141.401.371.260.901.180.891.291.29編號(hào)434439525354555657585960錨桿（索）長2.02.08.38.38.38.38.38.38.38.38.38.3錨固位置0.791.005.675.315.735.225.705.836.125.925.995.86錨固長度1.211.002.582.332.522.132.552.132.132.332.262.39從表2可以看出：頂錨桿除50號(hào)、61號(hào)、64號(hào)錨桿的錨固長度較設(shè)計(jì)長度短90％以外，其余錨桿的錨固長度基本上到達(dá)要求；幫錨桿除36號(hào)、40號(hào)錨桿的錨固長度較設(shè)計(jì)長度短90％以外，其余錨桿的錨固長度基本到達(dá)要求；錨索的錨固長度基本到達(dá)要求。錨桿中只有49號(hào)錨桿錨固劑未錨固在端部，但有52號(hào)、54號(hào)、55號(hào)、56號(hào)錨索錨固劑未錨固在端部。（二）施工３個(gè)月的錨桿、錨索表3施工3個(gè)月的錨桿、錨索長度參數(shù)表編號(hào)13781112151619錨桿（索）長2.42.42.42.42.42.42.42.42.4錨固位置0.840.900.710.680.720.711.100.810.87錨固長度1.561.271.691.721.501.481.121.591.53編號(hào)757677787980697071錨桿（索）長2.02.02.02.02.02.08.38.38.3錨固位置0.970.791.100.770.760.846.156.115.95錨固長度1.031.210.901.231.241.162.102.142.30從表3可以看出：頂錨桿除3號(hào)、15號(hào)錨桿的錨固長度較設(shè)計(jì)長度短90％以外，其余錨桿的錨固長度基本上到達(dá)要求；幫錨桿除77號(hào)錨桿的錨固長度較設(shè)計(jì)長度短90％以外，其余錨桿的錨固長度基本到達(dá)要求；錨索的錨固長度基本到達(dá)要求。頂錨桿中有3號(hào)11號(hào)、12號(hào)、15號(hào)錨桿錨固劑未錨固在端部，幫錨桿、錨索均正常。3.2錨固力檢測為檢驗(yàn)上述錨桿的錨固力是否到達(dá)設(shè)計(jì)錨固力要求，我們在5204風(fēng)巷隨機(jī)施工了兩根錨固長度分別為0.4米、1.0米左右的錨桿，先對(duì)這兩根錨桿進(jìn)行無損動(dòng)力檢測，測得其實(shí)際錨固長度和計(jì)算錨固長度，動(dòng)測波形如圖46、47所示；最后對(duì)這兩根錨桿進(jìn)行拉拔試驗(yàn)測得其錨固極限力，具體如表4。表4動(dòng)靜比照錨桿長度、錨固極限力參數(shù)表編號(hào)錨桿長度/m錨固位置/m實(shí)際錨固長度/m動(dòng)測錨固長度/m實(shí)際長度與動(dòng)測長度比值錨固極限力/KN252.401.430.570.531.0850.00282.400.821.181.031.14150.00理論分析可知自由錨固錨桿的波速計(jì)算公式為（3）由式（3）計(jì)算錨桿直徑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1524.3m/s。由表1的實(shí)際長度與動(dòng)測長度比值可得25、28號(hào)錨桿實(shí)際錨固體波速為5241.5m/s、5532.6m/s，將25錨桿錨固體波速和實(shí)際錨固極限力代入式（2）可得為2.2*10-7，最后將該值和28號(hào)錨桿實(shí)際錨固體波速代入式（2）可求得28號(hào)錨桿的錨固極限力為162.0KN，誤差8%在10%以內(nèi)。那么按照此值和式（2）計(jì)算上述檢測錨桿的錨固力為表5。從表5中可以看出：頂錨桿的錨固力極限在93—179KN，錨固極限力低于123KN的只有15號(hào)錨桿；幫錨桿的錨固極限力在84—164KN，錨固極限力低于100KN的只有44號(hào)、77號(hào)錨桿；錨索的錨固極限力在175—359KN，錨固極限力低于120KN的只有39號(hào)/57號(hào)錨索。3.3軸向工作載荷評(píng)價(jià)軸向工作載荷主要根據(jù)入射波波峰值與反相反射波波峰值的比值來進(jìn)行評(píng)價(jià)，在前面第四章的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，直徑20mm的錨桿的軸向工作載荷載60KN以上時(shí)，其反射波比值均在0.2左右，從前面波形分析知：新近施工的錨桿中48、50、51、62、63、36、41、42的軸向工作載荷可能小于60KN；施工3個(gè)月的錨桿中頂錨桿只有12號(hào)的軸向工作載荷可能在60KN以下，而77、78、79、80等錨桿的軸向工作載荷可能小于60KN。按式（1）計(jì)算軸向工作載荷如表6，顯然幫錨桿的軸向工作載荷（或預(yù)應(yīng)力）偏低的比例較大，應(yīng)在施工中采取措施提高幫錨桿的預(yù)應(yīng)力。表5錨桿、錨索錨固力計(jì)算表編號(hào)48495051616263643637404142實(shí)際錨固長度/m1.341.351.461.141.141.41.371.260.91.180.891.291.29動(dòng)測錨固長度/m1.071.061.091.220.91.131.151.030.710.950.711.031.04錨固極限力/KN171178133169149174157153118148113164161編號(hào)434439525354555657585960實(shí)際錨固長度/m1.2112.582.332.522.132.552.132.132.332.262.39動(dòng)測錨固長度/m0.970.972.231.581.891.581.671.551.871.71.671.81錨固極限力/KN15384220331336250359261175285268270編號(hào)1378111215161975767778實(shí)際錨固長度/m1.561.271.691.721.51.481.121.591.531.031.210.91.23動(dòng)測錨固長度/m1.371.11.531.511.421.341.091.321.340.891.030.81.01錨固極限力/KN1621361641791321449318716011113592148編號(hào)7980697071實(shí)際錨固長度/m1.241.162.12.142.3動(dòng)測錨固長度/m1.000.981.551.531.75錨固極限力/KN155131250273264表6小于60KN錨桿工作載荷計(jì)算表編號(hào)48495051626336位置頂頂頂頂頂頂幫比值0.370.60.710.50.380.380.7軸力/KN51383243505031編號(hào)41421277787980位置幫幫頂幫幫幫幫比值0.861.120.71.011.030.770.64軸力/