玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量聲波檢測技術(shù)

劉 濤 葉義成 王文杰 張 杰 何志義 蘇順祥

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.湖北省頁巖釩資源高效清潔利用工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430081；3.武鋼礦業(yè)公司大冶鐵礦，湖北 黃石 435006)

玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量聲波檢測技術(shù)

劉 濤1,2葉義成1,2王文杰1張 杰1,2何志義3蘇順祥3

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.湖北省頁巖釩資源高效清潔利用工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430081；3.武鋼礦業(yè)公司大冶鐵礦，湖北 黃石 435006)

針對(duì)大冶鐵礦玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量檢測手段單一、檢測參數(shù)有限的現(xiàn)狀，應(yīng)用聲波檢測技術(shù)，對(duì)大冶鐵礦井下巷道玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行抽樣檢測。在隨機(jī)抽取的35根錨桿中，玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量合格率為85.7%，與支護(hù)巷道的實(shí)際情況相符，說明應(yīng)用聲波檢測技術(shù)對(duì)玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行檢測是可行的。檢測結(jié)果分析表明,影響大冶鐵礦玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量的主要因素是玻璃鋼錨桿的錨固長度以及玻璃鋼錨桿與圍巖之間的錨固劑密實(shí)度。為此從鉆孔深度、錨固劑填塞數(shù)量、錨桿桿體插入深度、錨固劑浸泡時(shí)間等方面，提出了相應(yīng)的錨固質(zhì)量控制對(duì)策。玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量聲波檢測技術(shù)可為大冶鐵礦玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量的控制提供指導(dǎo)，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦山安全高效開采具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

玻璃鋼錨桿 錨固質(zhì)量 聲波檢測技術(shù) 錨固長度 錨固劑密實(shí)度

隨著錨桿支護(hù)理論和支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，錨桿支護(hù)目前已成為礦山井下巷道支護(hù)的主要形式[1-3]。其中，玻璃鋼錨桿以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、成本低、抗腐蝕、可切割等優(yōu)點(diǎn)而被逐漸地推廣使用[4-6]。

但在實(shí)際應(yīng)用的過程中，由于井下地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和施工條件的多變性，玻璃鋼錨桿的錨固質(zhì)量往往難以保證，嚴(yán)重影響到玻璃鋼錨桿的支護(hù)效果和玻璃鋼錨桿的推廣使用。因此，對(duì)玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量檢測的研究顯得尤為必要。

傳統(tǒng)的錨桿錨固質(zhì)量檢測大多采用拉拔試驗(yàn)的方法，這種檢測方法是破壞性的，檢測參數(shù)單一，且操作復(fù)雜、費(fèi)用高，現(xiàn)逐漸被無損檢測方法所替代[7-9]。地下工程常用的無損檢測方法主要有聲波法、回彈法以及地質(zhì)雷達(dá)法[10]，而聲波法是目前國內(nèi)普遍采用的錨桿錨固質(zhì)量無損檢測方法。本研究根據(jù)聲波檢測的原理，采用JL-MG(B)錨桿質(zhì)量無損檢測儀對(duì)大冶鐵礦井下巷道玻璃鋼錨桿的錨固長度、玻璃鋼錨桿與圍巖之間的錨固劑密實(shí)度以及錨桿缺陷位置等參數(shù)進(jìn)行檢測分析，繼而評(píng)價(jià)玻璃鋼錨桿的錨固質(zhì)量，找出影響大冶鐵礦玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量的主要因素，針對(duì)這些主要因素提出相應(yīng)的控制對(duì)策。

1 聲波檢測技術(shù)原理及方法

在玻璃鋼錨桿支護(hù)體系中，玻璃鋼錨桿與圍巖通過水泥卷錨固劑膠結(jié)在一起，由于玻璃鋼錨桿的桿體與圍巖的彈性波波阻抗存在著較大的差異，因此，可以將玻璃鋼錨桿看作彈性桿件，用一維彈性波反射原理及彈性波在復(fù)雜邊界條件下的傳播、散射、反射和衰減特性，來檢測分析玻璃鋼錨桿的錨固質(zhì)量。

本研究采用JL-MG(B)錨桿質(zhì)量無損檢測儀對(duì)大冶鐵礦井下巷道玻璃鋼錨桿的錨固質(zhì)量進(jìn)行檢測分析，該儀器由波形采集儀、發(fā)射震源、檢波器以及數(shù)據(jù)模型分析軟件組成。發(fā)射震源產(chǎn)生的彈性波，沿著玻璃鋼錨桿傳播并向錨桿周圍輻射能量，檢波器檢測到反射回波，并由檢測儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，通過數(shù)據(jù)模型分析軟件對(duì)檢測波形進(jìn)行分析，建立玻璃鋼錨桿錨固模型，從而確定玻璃鋼錨桿的錨固長度、玻璃鋼錨桿與圍巖之間的錨固劑密實(shí)度以及錨桿缺陷位置等參數(shù)，評(píng)價(jià)玻璃鋼錨桿的錨固質(zhì)量。玻璃鋼錨桿的錨固質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation criterion of FRP bolt's anchoring quality

2 玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量檢測及分析

2.1 支護(hù)巷道概況

大冶鐵礦尖林山采區(qū)-90 m水平2#平巷11#～14#進(jìn)路采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，錨桿選用的是直徑為18 mm，長度為1.8 m的玻璃鋼錨桿，錨桿密度為1.91 t/m3，采用配套的塑料螺母和托盤掛網(wǎng)，形成錨網(wǎng)支護(hù)體系。錨桿排間距為0.8 m，孔底距為0.8 m，利用水泥卷錨固劑進(jìn)行全長錨固?；炷羾娚鋸?qiáng)度為C20，噴射厚度為100 mm。金屬網(wǎng)采用5號(hào)鐵絲編制而成，網(wǎng)格尺寸為300 mm×300 mm。巷道采用掘支一體化施工工藝，即在掘進(jìn)出渣后立即進(jìn)行噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，巷道支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)斷面Fig.1 Supporting section of roadway

2.2 玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量檢測

玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量檢測采取的是隨機(jī)抽樣的方式，在支護(hù)巷道中隨機(jī)抽取35根錨桿(原則上不少于該段巷道錨桿總數(shù)的5%)，采用JL-MG(B)錨桿質(zhì)量無損檢測儀對(duì)大冶鐵礦井下巷道玻璃鋼錨桿的錨固質(zhì)量進(jìn)行檢測分析，檢測分析結(jié)果如表2所示。

2.3 檢測結(jié)果分析

圖2為1根全長玻璃鋼錨桿檢測波形及其對(duì)應(yīng)的錨桿錨固模型，錨桿周圍未見明顯缺陷，錨桿檢測長度為1.79 m，檢測長度與錨桿長度之比為99.4%(大于95%)，錨桿錨固長度為1.64 m，錨固劑密實(shí)度為94%，錨固質(zhì)量優(yōu)，質(zhì)量類別為Ⅰ類。

圖3為1根全長玻璃鋼錨桿檢測波形及其對(duì)應(yīng)的錨桿錨固模型，錨桿周圍有輕微缺陷，錨桿檢測長度為1.78 m，檢測長度與錨桿長度之比為98.9%(大于95%)，錨桿錨固長度為1.63 m，錨固劑密實(shí)度為88%，錨桿質(zhì)量良好，質(zhì)量類別為Ⅱ類。

圖4為1根全長玻璃鋼錨桿檢測波形及其對(duì)應(yīng)的錨桿錨固模型，錨桿周圍有輕微缺陷，錨桿檢測長度為1.76 m，檢測長度與錨桿長度之比為97.8%(大于95%)，錨桿錨固長度為1.61 m，錨固劑密實(shí)度為79%，錨固質(zhì)量中等，質(zhì)量類別為Ⅲ類。

圖5為1根全長玻璃鋼錨桿檢測波形及其對(duì)應(yīng)的錨桿錨固模型，錨桿周圍有多處輕微缺陷，錨桿檢測長度為1.78m，檢測長度與錨桿長度之比為98.9%(大于95%)，錨桿錨固長度為1.63 m，錨固劑密實(shí)度為50%，錨固質(zhì)量差，質(zhì)量類別為Ⅳ類。

分析35根玻璃鋼錨桿的錨固質(zhì)量，其中Ⅰ類錨桿4根，Ⅱ類錨桿17根，Ⅲ類錨桿9根，Ⅳ類錨桿5根，合格錨桿(Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類)30根，不合格錨桿(Ⅳ類)5根，合格率為85.7%(大于80%)，故玻璃鋼錨桿整體錨固質(zhì)量良好，與支護(hù)巷道的實(shí)際情況相符，說明應(yīng)用聲波檢測技術(shù)對(duì)玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行檢測是可行的。

表2 錨固質(zhì)量檢測分析結(jié)果Table 2 Analysis results of anchoring quality test

注：玻璃鋼錨桿長度為1.80 m，外露端長度為0.15 m。

圖2 Ⅰ類錨固質(zhì)量檢測波形和錨固模型Fig.2 Testing waveforms and anchoring model of class Ⅰ anchoring quality

圖3 Ⅱ類錨固質(zhì)量檢測波形和錨固模型Fig.3 Testing waveforms and anchoring model of class Ⅱ anchoring quality

圖4 Ⅲ類錨固質(zhì)量檢測波形和錨固模型Fig.4 Testing waveforms and anchoring model of class Ⅲ anchoring quality

圖5 Ⅳ類錨固質(zhì)量檢測波形和錨固模型Fig.5 Testing waveforms and anchoring model of class Ⅳ anchoring quality

3 玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量影響因素分析

檢測結(jié)果分析表明，影響大冶鐵礦玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量的主要因素如下。

(1)玻璃鋼錨桿的錨固長度。玻璃鋼錨桿的錨固長度直接關(guān)系到玻璃鋼錨桿能否發(fā)揮出最大的錨固力。玻璃鋼錨桿的檢測長度等于錨桿外露端長度與錨桿錨固長度之和，而錨桿外露端長度是一定的，故錨桿的檢測長度與錨桿錨固長度線性相關(guān)。在抽樣檢測的5根不合格錨桿中，由于玻璃鋼錨桿的錨固長度不足而導(dǎo)致錨桿檢測長度小于設(shè)計(jì)長度95%的錨桿就有2根，占到了不合格錨桿總數(shù)的40%。

(2)玻璃鋼錨桿與圍巖之間的錨固劑密實(shí)度。玻璃鋼錨桿與圍巖之間的錨固劑密實(shí)度直接決定了玻璃鋼錨桿與圍巖的接觸程度，在抽樣檢測的5根不合格錨桿中，錨固劑密實(shí)度低于75%的錨桿就有3根，占到了不合格錨桿總數(shù)的60%。

4 大冶鐵礦玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量控制對(duì)策

影響大冶鐵礦玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量的主要因素是玻璃鋼錨桿的錨固長度以及玻璃鋼錨桿與圍巖之間的錨固劑密實(shí)度。因此，必須針對(duì)影響玻璃鋼錨桿錨固長度以及玻璃鋼錨桿與圍巖之間錨固劑密實(shí)度的主要因素，采取相應(yīng)的控制對(duì)策。

(1)影響玻璃鋼錨桿錨固長度的主要因素有鉆孔深度、錨固劑填塞數(shù)量以及錨桿桿體插入深度。對(duì)此可采取：①嚴(yán)格控制鉆孔深度，保證每個(gè)鉆孔深度均在1.65 m以上；②嚴(yán)格保證每個(gè)鉆孔內(nèi)錨固劑的使用數(shù)量，確保錨固劑塞滿整個(gè)鉆孔；③注錨時(shí)，必須保證玻璃鋼錨桿插入到鉆孔底端。

(2)影響玻璃鋼錨桿與圍巖之間的錨固劑密實(shí)度的主要因素是錨固劑失效或浸泡時(shí)間不當(dāng)以及錨固劑填塞不到位。對(duì)此可采取的措施為：①加強(qiáng)錨固劑的存放管理工作，錨固劑盡量存放在干燥處；注錨工在使用錨固劑前需仔細(xì)檢查，嚴(yán)禁使用失效的錨固劑；錨固劑浸泡時(shí)間嚴(yán)格控制在15 s左右。②減少打孔與注錨之間的時(shí)間間隔，盡量做到即打即注，在注錨前，采用風(fēng)管將鉆孔內(nèi)的碎石吹出，以防堵孔；注錨時(shí)，必須保證每根錨固劑壓緊、壓實(shí)。

5 結(jié) 論

(1)應(yīng)用聲波檢測技術(shù)對(duì)大冶鐵礦井下巷道玻璃鋼錨桿的錨固長度、玻璃鋼錨桿與圍巖之間的錨固劑密實(shí)度以及錨桿缺陷位置等參數(shù)進(jìn)行了檢測分析，克服了拉拔試驗(yàn)檢測參數(shù)單一的問題，檢測分析結(jié)果與支護(hù)巷道的實(shí)際情況相符，檢測效果良好，說明應(yīng)用聲波檢測技術(shù)對(duì)玻璃鋼錨桿的錨固質(zhì)量進(jìn)行檢測是可行性。

(2)通過對(duì)玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量檢測結(jié)果的分析，找出了影響大冶鐵礦玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量的主要因素是玻璃鋼錨桿的錨固長度以及玻璃鋼錨桿與圍巖之間的錨固劑密實(shí)度。因此，可從鉆孔深度、錨固劑填塞數(shù)量、錨桿桿體插入深度、錨固劑浸泡時(shí)間等方面采取針對(duì)性的控制措施。

[1] 鄒常富，葉義成，王文杰，等.金屬礦山回采巷道中玻璃鋼錨桿支護(hù)參數(shù)的研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，32(4)：18-22. Zou Changfu，Ye Yicheng，Wang Wenjie，et al.Study on support parameters of GFRP bolt for mining roadway in metal mine[J].Mining Research and Development，2012，32(4)：18-22.

[2] 孫忠勝，孫 波，吳明厚.石膏礦頂板破碎條件下的錨桿支護(hù)技術(shù)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010(7)：92-94. Sun Zhongsheng，Sun Bo，Wu Minghou.Bolt support technology under the condition of broken roof in gypsum mine[J].Morden Mining，2010(7)：92-94.

[3] 劉守君.錨桿支護(hù)原理及應(yīng)用實(shí)踐[J].有色金屬：礦山部分，2009，61(3)：19-20. Liu Shoujun.Principle and practice of anchor bolt support[J].Nonferrous Metals：Mine Section，2009，61(3)：19-20.

[4] 王文杰，馬雄忠，鄒常富，等.金山店鐵礦玻璃鋼錨桿支護(hù)試驗(yàn)及存在問題[J].金屬礦山，2012(10)：1-4. Wang Wenjie，Ma Xiongzhong，Zou Changfu，et al.The GFRP bolt support test in Jinshandian Iron Mine and the existing problem[J].Metal Mine，2012(10)：1-4.

[5] 馬生徽，王文杰.基于FLAC3D的管縫錨桿與玻璃鋼錨桿支護(hù)效果對(duì)比[J].金屬礦山，2012(6)：9-12. Ma Shenghui，Wang Wenjie.Comparative analysis of supporting effect on split-set bolt and GFRP anchor based on FLAC3D[J].Metal Mine，2012(6)：9-12.

[6] 黃 軍.非金屬錨桿在金山店鐵礦應(yīng)用中的安全可靠性分析[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2010:1-4. Huang Jun.Analysis on Secllrity and Reliability of Non-metallic Anchors in Jinshandian Iron Mine[D].Wuhan：Wuhan University of Science and Technology，2010：1-4.

[7] 聶 藝，章 光.錨桿錨固質(zhì)量檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題研究[J].安全與環(huán)境工程，2009，16(5)：116-118. Nie Yi，Zhang Guang.Development of detection in anchorage quality of rock bolts and current problems[J].Safety and Environmental Engineering，2009，16(5)：116-118.

[8] 徐金海，周保精，吳 銳.煤礦錨桿支護(hù)無損檢測技術(shù)與應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(2)：166-170. Xu Jinhai，Zhou Baojing，Wu Rui.Non-destructive test for bolting support in coal mines and its application[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2010，27(2)：166-170.

[9] 李 義，張昌鎖，王 成.錨桿錨固質(zhì)量無損檢測幾個(gè)關(guān)鍵問題的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(1)：108-116. Li Yi，Zhang Changsuo，Wang Cheng.Study on several key issues in nondestructive detection of bolt bonding integrity [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(1)：108-116.

[10] 馬 強(qiáng)，李玉鋒，王明明.地下工程中的幾種無損檢測技術(shù)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010，26(4)：122-124. Ma Qiang，Li Yufeng，Wang Mingming.Several non-destructive testing technologies in underground project[J].Mordern Mining，2010，26(4)：122-124.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Sonic Wave Testing Technology in Anchoring Quality of FRP Bolt

Liu Tao1,2Ye Yicheng1,2Wang Wenjie1Zhang Jie1,2He Zhiyi3Su Shunxiang3

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China；2.HubeiProvincialEngineeringTechnologyResearchCenterofHighEfficientCleanUtilizationShaleVanadiumResource，Wuhan430081，China；3.DayeIronMine，WuhanIron&SteelGroupMiningCompany，Huangshi435006，China)

Aimed at the current situation of FRP bolt's single anchoring quality testing technology and limited testing parameters in Daye iron mine，sonic wave testing technology is applied in the sampling inspection of FRP bolt's anchoring quality of underworkings in Daye Iron Mine.The acceptability of the FRP bolt's anchoring quality in 35 random samples is 85.7%，which is consistent with the actual situation of the supporting roadway.It is indicated that it is feasible to apply the sonic wave testing technology to detecting the anchoring quality of FRP bolt; The test results show that the main influencing factors of the FRP bolt's anchoring quality in Daye Iron Mine are anchoring length and anchoring agent compactness between FRP bolt and surrounding rock，Therefore the corresponding control countermeasures for anchoring quality was put forward from respects of drilling depth，anchoring agent filling quantity，insert depth anchoring bolt body，anchoring agent soaking time.The sonic wave testing technology of FRP bolt's anchoring quality provides a reference for the control of anchoring quality，and has a great application value to realize safety and efficient exploitation in Daye Iron Mine.

FRP bolt，Anchoring quality，Sonic wave testing technology，Anchoring length，Anchoring agent compactness

2013-11-25

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2011BAB05B03)。

劉 濤(1989—)，男，碩士研究生。通訊作者：葉義成(1960—)，男，教授、博士研究生導(dǎo)師。

TD326

A

1001-1250(2014)-03-036-04