煤矿锚杆支护质量无损检测理论与技术

吴宇中国矿业大学二○一五年十一月2汇报提纲一、锚杆支护质量检测技术发展现状二、锚杆动力无损检测的原理与方法三、锚杆动力无损检测技术试验标定四、锚杆动力无损检测的仪器与软件五、锚杆动力无损检测技术现场测试3一、锚杆支护质量检测技术发展现状1.项目的研究意义2.国内外研究现状3.研究难点与突破41.项目的研究意义煤矿巷道锚杆支护的历史煤矿巷道锚杆支护的理论地面“土钉”支护技术的历史已很难追溯国际上于1910S开发煤矿巷道锚杆支护技术由于目前尚无科学意义上的煤矿巷道锚杆支护质量检测方法和技术，因而现没有科学意义上的“锚杆支护理论”。国际上，煤矿巷道锚杆支护技术的使用范围受到严格限制。地面边坡锚杆支护（土钉）煤矿巷道锚杆支护（局部粘结）煤灰岩页岩砂岩5我国于1950S开始引进技术，现在每年新掘进的巷道总长度约8000km，其中采用锚杆支护的约占80%，每年使用锚杆超过8000万根。由于煤矿巷道的特殊性，加上缺乏有效的检测手段，造成锚杆支护质量难以控制。2011年，我国因巷道支护失效造成顶板垮落死亡665人(全年共死亡1732人)。每年锚杆支护巷道返修长度上百万米，经济损失上百亿元。由于锚杆支护强度过剩（过高），浪费造成的经济损失更大。1.项目的研究意义61.项目的研究意义煤矿巷道灾害控制研究中的基础理论性问题巷道围岩变形与破坏机理巷道围岩稳定性控制理论锚杆支护理论（井下占80%）架棚支护理论（井下占10%）锚杆+架棚联合支护理论（井下占10%）近年来国家相关基础科学研究立项情况国家973计划项目2项国家自然科学基金项目32项（近三年）煤炭联合基金项目中占20%急需建立由相关科学测试仪器设备支持的基础研究平台71.项目的研究意义单根锚杆质量检测的主要指标为2项粘结段长b：锚固力（质量）自由段轴力：P-随时间变化baPP灰岩初始阶段中期阶段回采阶段煤灰岩页岩砂岩煤灰岩页岩砂岩煤灰岩页岩砂岩煤矿巷道锚杆支护质量检测仪器是支护设计理论研究不可缺少的重要手段，而对中国又具有特别重要的现实意义。81.项目的研究意义煤矿巷道锚杆支护理论研究的核心锚固端的位置（杆长）与粘结力锚杆的锚固支护强度（极限受力）锚杆支护的时变特性（实时受力）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室提供巷道灾害控制基础研究平台开发相应的科学研究仪器和设备促进巷道围岩灾害控制理论发展深部岩土力学与地下工程实验室92.国内外研究现状现有煤矿锚杆支护质量检测技术锚杆拉拔仪测力锚杆抗拉拔试验测力锚杆……都属破坏性测试或定杆有损检测，没有触及到锚杆支护质量的本质。煤矿巷道锚杆支护质量检测方法美国、澳大利亚、德国、加拿大、英国等一直在研究探索有效方法。近年来，我国已成为世界的研究热点国家。103.研究难点与突破煤矿巷道锚杆支护理论和检测方法严重滞后于技术锚-梁-网联合支护面大量广（我国每年用量超过8000万根）煤矿巷道锚杆支护的环境十分复杂煤矿巷道锚杆支护质量检测的特殊困难性——只能从锚杆局部外露端测定内部工况和杆体受力检测方法(严重缺乏)支护理论(多种假说)支护技术(广泛使用)需要在原理、方法、仪器等方面作出系统创新与突破11二、锚杆动力无损检测的原理与方法1.锚杆锚固结构系统纵向振动特性2.锚杆轴向长度动力无损检测方法3.锚杆轴向受力动力无损检测原理4.锚杆轴向受力动力无损检测方法121.锚杆锚固结构系统的纵向振动特性222222201()gpuuXurxcxE锚杆纵向弹性波动方程锚杆外端应力边界条件22gpuuTErxx非全长粘结锚杆纵向振动力学模型非全长粘结锚杆纵向振动数学模型锚杆PL11Lk0x锚杆周围岩体树脂锚固段132.锚杆轴向长度动力无损检测方法锚杆长度无损检测示意（动画）14锚杆锚固系统横向振动力学模型锚杆锚固系统简化模型锚杆横向振动力学分析模型lKθA.围岩B.锚固段C.托盘与围岩ABCABC（一端固支，一端弹性铰接梁结构模型）3.锚杆轴向受力的动力无损检测原理152121212221212112(1cos)sin()(sincos)0KlchlKlshlEJlchllshl22121(1)iiiEJPlfAEJ(,)()sin()yxtYxbt方程的通解0022()()0;0()()()0;xxxlxlxldYxYxdxdYxdYxYxEJKdxdx边界条件超越方程固有频率fi与轴力P之间的关系4224220yyyEJPAxxt振动微分方程3.锚杆轴向受力的动力无损检测原理16P/kN102030405060708090100f1/Hz38.138.538.839.039.239.339.439.439.539.5f2/Hz105.2106.2107.0107.6108.0108.3108.6108.7108.8108.9f3/Hz206.7208.5210.0211.0211.8212.4212.9213.1213.4213.5f4/Hz342.2345.0347.3348.9350.2351.2351.8352.3352.7352.9f5/Hz512.2515.9519.0521.4523.3524.6525.6526.3526.8527.2f6/Hz716.4721.2725.2728.5730.9732.8734.1735.1735.8736.3f7/Hz955.2961.0965.9970.0973.3975.7977.4978.8979.7980.3锚杆轴向受力与固有频率的关系3.锚杆轴向受力的动力无损检测原理17托盘与围岩对固有频率的影响托盘与围岩对固有频率影响的关系曲线ABCD围岩越硬，固有频率就越大。但锚杆轴力越大，影响就越小。3.锚杆轴向受力的动力无损检测原理184.锚杆轴向受力动力无损检测方法锚杆轴力无损检测示意（动画）19三、锚杆动力无损检测技术试验标定1.锚杆特征长度标定试验2.锚杆轴向受力标定试验3.模拟现场专用巷道试验201.锚杆特征长度标定试验锚杆编号直径/mm自由段长/mm锚固段长/mm全长/mm1#22165055022002#22123077020003#18620158022004#1815506502200试验安装锚杆参数锚杆长度无损检测结果锚杆编号固端反射时间/μs底端反射时间/μs自由段长度/mm自由段误差锚固长度/mm全长/mm全长误差1#64688716801.76%55422341.52%2#48282112531.85%78020331.62%3#2359216111.47%157821890.51%4#58885415291.37%63821671.51%21锚杆项目工程：SYT项目：MG1自由段长(m):1.70锚固段长(m):0.53全长(m):2.23正常锚杆项目工程：1024-L项目：MG2自由段长(m):1.25锚固段长(m):0.78全长(m):2.03正常锚杆项目工程：1024-L项目：MG3自由段长(m):0.60锚固段长(m):1.58全长(m):2.18正常锚杆项目工程：1024-L项目：MG4自由段长(m):1.51锚固段长(m):0.65全长(m):2.16正常1#锚杆2#锚杆3#锚杆4#锚杆锚杆长度无损检测信号1.锚杆特征长度标定试验222.锚杆轴向受力标定试验编号直径/mm全长/mm自由段长/mm锚固段长/mm1#18200015504502#18220018453553#22200014705304#2222001730470最大试验力：500kN有效试验力范围：5~500kN试验力精度：±1%位移测量范围：0-600mm位移分辨率：0.0025mm最小长度试验：510mm活塞行程：0-600mm锚杆轴向受力无损检测专用标定试验系统锚杆轴力实验试件基本参数锚杆轴力测试原理23模拟硬岩条件下不同轴力对应的锚杆固有频率900950100010501100115002468101#2#3#4#轴力/t频率/Hz7007508008509009501000105002468101#2#3#4#轴力/t频率/Hz模拟中硬岩条件下不同轴力对应的锚杆固有频率700750800850900950100002468101#2#3#4#轴力/t频率/Hz模拟软岩条件下不同轴力对应的锚杆固有频率锚杆锚固体系的固有频率随轴力增加呈对数增加的规律。不同性质的围岩变化规律一样。围岩越硬，固有频率就越大。2.锚杆轴向受力标定试验243.模拟现场专用巷道试验模拟现场锚杆安装基本参数模拟现场的锚杆支护状况编号直径×长度/mm孔深/mm药卷长度/m孔径/mm外露段长/mm计算自由段长度/m计算锚固段长/m118×200020001.0321011.120.88220×200518900.732811.090.92320×240023200.7321101.650.75420×200019501.2321410.661.34520×199019150.73282.51.080.91620×239823280.7321410.921.48……………………4320×201219500.532851.630.384420×199819500.732851.470.534520×239523150.7321101.401.004620×240022801.4321010.881.524720×240022901.432850.931.474820×240222501.432831.201.204920×240522701.432771.201.215020×201219500.532781.420.5925模拟现场锚杆长度测试结果帮锚杆检测顶锚杆检测编号自由段反射时间全长反射时间/μs自由段长/m自由段误差锚固段长/m全长/m全长“误差”14198531.092.68%1.012.094.38%24044001.053.67%0.921.971.75%36279361.631.21%0.712.342.50%42468160.643.03%1.311.952.50%54047911.052.78%0.891.942.51%……………………435487871.583.07%0.551.971.86%446087251.432.72%0.271.857.41%455509901.381.43%1.012.441.96%463279750.853.41%1.492.342.50%4735410190.921.08%1.532.452.08%484469591.163.33%1.182.342.58%4942310141.101.67%1.362.462.29%505387821.401.41%0.561.962.58%3.模拟现场专用巷道试验26扭矩/(N.m)1001401802202601#锚杆1.912.613.414.14.986#锚杆1.281.742.272.733.327#锚杆1.812.342.993.944.3512#锚杆1.622.062.683.263.7618#锚杆1.441.962.563.073.74模拟现场锚杆轴力测试结果利用测力扳手对螺母进行逐级加载，测试结果如下：3.模拟现场专用巷道试验27四、锚杆动力无损检测的仪器与软件1.锚杆动力无损检测仪硬件系统2.锚杆动力无损检测仪软件系统3.锚杆动力无损检测长度分析方法4.锚杆动力无损检测轴力分析方法5.锚杆动力无损检测相关知识产权28锚杆无损检测仪正面锚杆无损检测仪背面杆长激振头传感器轴力检测小锤轴力检测套管锚杆动力无损检测仪硬件系统1.锚杆动力无损检测仪硬件系统29锚杆动力无损检测仪内置软件2.锚杆动力无损检测仪软件系统302.锚杆动力无损检测仪