基于多参数测试的矿井锚杆支护材料强度检测方法研究.pdf

第 3 期基于多参数测试的矿井锚杆支护材料强度检测方法研究董广福，苏琰，赵海青（兖矿能源山东煤炭科技研究院，山东 邹城273500）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 3 期2024 年 3 月Vol.44 No.3Mar.2024摘要：矿井锚杆支护材料在采矿工程中发挥着至关重要的作用，其质量直接关系到矿井工作面的安全和稳定性。通过对矿井锚杆支护材料的概述，包括用途、分类和强度标准，为后续的强度检测方法提供了必要的背景信息。文章重点介绍基于多参数测试的强度检测方法，包括单向抗压强度测试、多循环张拉测试、超声波检测以及应变计检测。期望为矿井工程领域提供更有效的支护材料质量监测手段，推动行业技术的进步。关键词：多参数测试；矿井锚杆支护材料；强度检测方法作者简介：董广福（1972），男，山东肥城人，主要研究方向：煤炭工程、工程技术。随着矿业工程的不断发展，矿井锚杆支护材料的质量与性能成为确保矿井工作面安全和稳定的核心咱1暂。为了满足对支护材料强度的精准检测需求，文章聚焦于多参数测试技术的应用，旨在深入研究矿井锚杆支护材料的强度检测方法。1多参数测试技术原理多参数测试技术是一种高效综合利用声波、电阻、应力等多种物理量对矿井锚杆支护材料进行全面检测的先进方法咱2暂。其基本原理在于矿井锚杆支护材料在受到外部荷载或环境影响时，会产生多种物理响应，包括声波信号、电阻信号和应力信号等。这些物理响应与材料的微观结构和力学性能（如强度、韧性、断裂等）具有一定的相关性。在多参数测试技术中，通过测量和分析这些产生的物理响应，可以建立其与力学性能之间的映射关系咱3暂。这一映射关系的建立能够通过监测和解读矿井锚杆支护材料内部的声波、电阻和应力等信号，从而反推出材料的力学性能。这包括了材料的强度、韧性、抗断裂性等方面的信息。通过对这些关键性能的准确评估，多参数测试技术为评估锚杆支护材料的质量和安全性提供了可靠手段。多参数测试技术的优势在于其操作简便、结果准确、效率高。相对于传统的单一测试方法，这种综合性的技术能够更全面地了解矿井锚杆支护材料的状态和性能，为工程实践提供重要的参考依据，有助于确保矿井工程的安全性和稳定性。2矿井锚杆支护材料概述2.1矿井锚杆支护材料用途矿井锚杆支护是通过在巷道周围使用锚杆改变围岩的力学状态，形成一个整体而稳定的岩石带，以维护巷道的稳定咱4暂。锚杆的力学作用主要包括悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、减跨作用和加固作用等。尽管锚杆在支护效果、用料省、施工简单、机械化操作和施工速度方面具有显著优势，但仍存在一些局限性，无法封闭围岩，也不能有效防止各锚杆之间裂隙岩石的剥落。在矿井锚杆支护中，支护材料的用途不仅限于提供力学支撑，更应关注其防护功能。首先，矿井锚杆支护材料的主要用途之一是提供稳定的支护结构，以防止巷道周围的岩体塌方。通过选择合适的支护材料，能够有效减缓围岩的变形，维护矿井巷道的结构稳定性。其次，支护材料还应具备防水、防火等特性，以增强矿井工作环境的安全性。此外，考虑到矿井环境的特殊性，支护材料还需具备一定的抗腐蚀和抗风化性能，以延长其使用寿命。在选择矿井锚杆支护材料时，必须综合考虑其物理、化学和力学性质，以确保其适应不同矿井环境的需求。因此，研究和了解各种支护材料的特性及其适用范围，对于提高矿井工作面的安全性、稳定性以及长期运行效益至关重要。为了更好地说明锚杆支护构件的实际布置情况，图 1 展示了矿井锚杆支护构件井下安装的示意图。图 1矿井锚杆支护构件井下安装示意图锚固剂杆体围岩钢带托盘螺母减摩垫圈球形垫圈金属网61冶金与材料第 44 卷2.2矿井锚杆支护材料分类矿井锚杆支护材料的分类涵盖了多个类型，根据锚杆设计的需要以及矿井巷道的地质情况、工程断面和使用条件等方面的分析而制定咱5暂。全长粘结型锚杆包括普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂卷锚杆以及水泥卷锚杆等，其设计要点包括选择适宜的杆体材料、钻孔直径、钢筋直径和保护层厚度等参数。端头锚固型锚杆涵盖机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆和快硬水泥卷锚杆等，设计需考虑锚杆的直径、树脂锚固剂的固化时间、锚头的锚固长度以及托板的材料与尺寸等关键因素。摩擦型锚杆包括缝管锚杆、楔管锚杆和水胀锚杆，其设计需关注管体材料、外径、缝宽、托板的材料与尺寸以及各种锚杆的抗拉力等参数。预应力锚杆设计分为硬岩锚固和软岩锚固，包括拉力型锚杆、压力分散型锚杆和拉力分散型锚杆，设计关键点包括锚固体的间距、锚杆倾角、预应力筋材料、锚固段灌浆体的材料与抗压强度等。最后，自钻式锚杆的设计主要涉及中空杆体、垫板螺母、连接套筒和钻头等结构要素。在整个分类体系中，合理选择适应性强的锚杆类型是确保矿井巷道稳定性和安全性的关键。2.3矿井锚杆支护材料强度标准矿井锚杆支护材料的强度标准至关重要，它直接关系到矿井巷道的稳定性和安全性。为确保矿井巷道的支护效果，锚杆支护材料的规格应根据具体的巷道围岩条件、锚杆支护设计和施工要求来确定。在力学性能方面，锚杆支护材料需满足一系列规定，包括抗拉强度不低于 500MPa、屈服强度不低于400MPa、伸长率不低于 14%等。粘结强度是另一个关键性能指标，螺纹钢树脂锚杆的平均粘结力不低于 100kN，其他类型的锚杆也需进行相应的拉拔试验。这一参数的检测通常采用短锚固锚杆拉拔试验或其他合适的方法，以确保锚杆与巷道围岩之间的牢固粘结，增强支护效果。锚杆支护材料应达到一定的耐腐蚀等级，具体等级可根据巷道的腐蚀环境确定。耐腐蚀性能的检测常采用盐雾试验或其他相关方法，以保障锚杆支护材料在潮湿或腐蚀环境下的长期稳定性。锚杆支护基本参数见表 1。表 1锚杆支护基本参数序号123456参数名称锚杆长度锚杆公称直径锚杆预紧力锚杆设计锚固力锚杆排距锚杆间距单位mmmkNkNmm参数值1.63.016.025.0屈服力的 30%60%屈服力的标准值0.61.50.6 1.5这些参数的规定范围和数值设定旨在为工程中的锚杆选择、设计和使用提供具体的参考依据。3基于多参数测试的矿井锚杆支护材料强度检测方法3.1单向抗压强度测试基于多参数测试的矿井锚杆支护材料强度检测方法中，单向抗压强度测试是一种关键的试验方法，旨在评估锚杆支护材料在单向受力条件下的抗压性能。此方法适用于树脂锚固剂、砂浆锚固剂以及相应的钢绞线、锚具等附件。单向抗压强度测试的基本原理在于将锚杆支护材料制成标准试件，然后在专用试验机上施加沿锚杆轴线方向的恒定速度的压力，直至试件破坏。试验过程中记录试件的最大承载力和破坏形态，并计算试件的单向抗压强度和变形率。主要包含以下步骤：（1）根据锚杆支护材料的类型和规格，按照相应的标准或技术条件，制作符合要求的试件。试件数量不少于 5 个，具有相同的尺寸、结构和材质。（2）选择合适的压头和夹具，将试验机的速度、行程和力值范围调整到适当水平。（3）将试件放置在试验机的下压头上，使锚杆轴线与压头轴线平行，然后将试件的上端固定在上压头上，使试件的两端与压头的接触面垂直。（4）启动试验机，使压头以规定速度向下移动，对试件施加压力。观察并记录试件的承载力和变形情况，直至试件发生破坏或达到预定的位移。（5）根据试验机的显示或记录，获取试件的最大承载力和对应的位移。基于试件的尺寸和形状，计算单向抗压强度和变形率。对不同试件的结果进行统计分析，得到平均值、标准差和变异系数等参数。单向抗压强度测试的结果能够反映锚杆支护材料在单向受力条件下的抗压能力和变形特性，为锚杆支护设计和施工提供重要的参考依据。3.2多循环张拉测试基于多参数测试的矿井锚杆支护材料强度检测方62第 3 期法中，多循环张拉测试是一项关键的试验方法，旨在评估锚杆支护材料在多次循环的张拉荷载下的强度和耐久性。该测试通过观察锚杆支护材料在循环荷载作用下的变形、位移、应力等参数的变化，以判断其是否满足设计要求和工程需要。具体的测试步骤包括：将锚杆支护材料安装在专用的试验机上，并调整试验机的参数，包括张拉速度、循环次数、荷载等级等，以确保测试的准确性。开始试验，对锚杆支护材料施加第一级荷载，保持一定时间后卸载。在此过程中记录锚杆支护材料的变形、位移、应力等数据，为后续分析提供基础。重复施加荷载的过程，逐渐升高荷载水平，直到达到预定的循环次数或荷载等级。每次循环后都记录相关的试验数据，包括材料的响应情况。利用试验数据绘制锚杆支护材料的荷载-位移曲线，进行综合分析。评价其强度和耐久性，以确定在多次循环荷载下材料的性能表现。多循环张拉测试的优点在于能够模拟锚杆支护材料在实际工程中可能遇到的多种荷载条件，从而更真实地反映其性能和寿命。然而，该测试过程相对复杂，需要专用的试验机和仪器，并且测试时间较长。3.3超声波检测基于多参数测试的矿井锚杆支护材料强度检测方法的一个重要组成部分是超声波检测。该方法运用超声波技术对锚杆的长度、灌浆密实度和锚固缺陷进行无损检测。其基本原理是在锚杆顶部激发一个冲击弹性波，该弹性波沿着锚杆轴线传播至杆底，当遇到锚固缺陷或杆底时发生反射，形成回波信号被安装在锚杆顶部的传感器所接收。反射回波的能量强度和到达时间与锚杆长度及灌浆质量有关。通过对传感器采集的信号进行分析和处理，可以评价锚杆长度、锚固缺陷位置和灌浆密实度。具体步骤包括选择适当的激振设备和传感器，设置测试参数如采样频率、采样长度、滤波范围等。在锚杆顶部安装传感器，使用激振设备敲击锚杆，采集时域信号。通过时域信号进行滤波、放大和平滑等处理以提高信号质量，然后进行傅里叶变换得到频域信号。基于时域信号或频域信号，识别锚杆底部反射和锚固缺陷反射，计算锚杆长度和缺陷位置。最后，根据有效长度法或能量法计算锚杆的灌浆密实度，并依据规范的评判标准对锚固质量进行等级评定。超声波检测方法为矿井锚杆支护材料的强度和质量提供了准确而无损的评估手段。3.4应变计检测基于多参数测试的矿井锚杆支护材料强度检测方法的另一关键组成部分是应变计检测。该方法利用应变计测量锚杆内部的应力，以反映锚杆与围岩的粘结强度以及锚杆的工作状态。原理基于应变计对锚杆形变引起的电阻变化的测量，通过电桥电路进行信号测量和处理，进而计算出锚杆的应力。应变计检测的步骤包括在锚杆表面粘贴应变计，通常在锚杆中部和两端沿轴向和横向各粘贴一个应变计。导线连接到电桥电路上，输出端连接到数据采集器，将信号转换为数字信号并传输到计算机进行分析。在锚杆一端施加拉力，模拟锚杆的工作状态，观察和记录应变计的输出信号，计算锚杆的应力值，并绘制应力-应变曲线。通过分析曲线，评价锚杆的弹性变形和塑性变形特征，以及强度和稳定性。应变计检测的优点包括能够直接测量锚杆的内部应力，不受表面影响，因此结果更为准确可靠。此外，它能反映锚杆的工作状态，区分弹性变形和塑性变形，实现对锚杆的动态监测，及时发现和处理异常和危险情况。这使得应变计检测成为多参数测试方法中的重要手段，为锚杆支护材料的强度评估提供了有力的支持。4结语通过以上多参数测试方法，工程师们可以更好地选择、设计和使用锚杆支护材料，以确保矿井巷道的长期稳定和高效运行。这些方法的应用不仅提高了矿井工程的技术水平，同时也为矿业行业的可持续发展贡献了力量。在未来，随着科技的不断进步，相信这些方法将进一步完善和拓展，为矿井工程的安全与可持续发展提供更为强有力的支持。参考文献1 栗帅.矿井巷道支护中锚杆的无损检测技术及其应用 J.机械管理开发，2021，36（8）：151-152+155.2 王国文.巷道锚杆支护技术在煤矿矿井中的运用 J.能源与节能，2017（8）：138-139.3 崔剑波.新型锚、索、网支护在长平矿井应用 J.煤矿现代化，2008（1）：40-41.4 卫然.深部矿井巷道支护优化设计 J.能源与节能，2016（9）：40-41+45.5 常伟琦.新建矿井巷道支护优化设计及应用 J.煤炭技术，2020，39（7）：28-31.董广福等：基于多参数测试的矿井锚杆支护材料强度检测方法研究63