煤矿巷道锚杆动力无损检测方法与测试系统研究

Rock bolt is the main support form in coalmine with low cost and easy construction. The most bolts used in the tunnel are non-fully bonded resin bolts. Its supporting quality and capability are decided by the initial construction quality and the surrounding rock condition. The Non-destructive testing technology of bolt supporting quality and capability is one of the key research directions in scientific and technological circles. This project will develop the technology and equipments for the random, real time and non-destructive testing of bolt supporting quality and capability based on the principles of structural dynamics. The primary contents include: establishing the dynamic model of the non-fully bonded bolt and the surrounding rock, revealing the basic principle of dynamic non-destructive testing for rock bolt, analyzing the influences of surrounding rock, bolt axial force and constraint condition on the dynamic characteristics of bolt. Studying and developing the dynamic non-destructive test system for the rock bolt in coalmine, such as signal acquisition systems, special sensors, power signal excitation system and anchor quality analysis software. Establishing new sectoral standard of non-destructive test technology for bolt supporting quality and capability in coalmine based on a mass of experiment data and field testing data. The research achievements will provide a basic tool to study the bolt support principle and design method in coalmine.

锚杆支护具有成本低和施工简便等优点，是煤矿巷道的主要支护形式。煤矿巷道锚杆支护大多数都采用非全长粘接式树脂锚杆，其支护质量与性能主要取决于施工质量及支护围岩的自身条件等，因此，锚杆支护质量和性能的无损有效检测一直是国内外科技界探索的重点研究方向之一。本项研究采用结构动力学原理，研发适用于煤矿锚杆支护质量与性能检测的随机、实时、无损检测方法和仪器设备。主要内容：建立非全长粘接式锚杆支护围岩系统的动力学模型,分析并揭示锚杆动力无损检测的基本原理,给出围岩岩性、锚杆轴受力、锚杆外端约束状态等对锚杆动力特性的影响规律；研究与开发适用于煤矿锚杆检测的动力无损检测系统，包括：信号采集系统、专用传感器、动力信号激发系统和专用锚杆质量分析软件等；通过专用实验设备及现场工业性试验的系统测定与验证，建立煤矿锚杆支护质量与性能检测的新方法与标准。研究成果可为煤矿锚杆支护机理与设计方法研究提供重要的基础研究手段。

煤矿巷道锚杆支护是一项隐蔽性工程，其支护质量主要取决于锚杆的施工质量及支护围岩的自身条件，因此，研发一种设备能随机、无损、实时地检测出煤矿锚杆支护工程的安全隐患，对于煤矿安全生产具有重要意义。本项研究综合运用结构动力学原理、信号处理与分析理论及动力测试技术等，系统地研究了煤矿锚杆支护围岩系统的动力特性、锚杆无损检测技术等锚杆支护工程亟待解决的重大难题。取得如下创新性成果：. （1）建立了煤矿锚杆-支护围岩系统的动力学模型，得到了弹性应力波沿锚杆轴向传播的反射、透射规律，建立了检测信号与锚杆特征界面反射特征的联系，为锚杆特征长度及锚固缺陷检测提供可靠的理论支撑。. （2）分析锚杆-支护围岩系统的动力特性，得到了锚杆振动固有频率随其轴向受力的变化规律，并给出了围岩特性等对固有频率的影响关系，为锚杆轴力检测提供了理论依据。. （3）研发了用于锚杆动力无损检测的实验测试平台：长度无损检测平台、轴力卧式拉伸试验系统，该试验平台可为锚杆动力无损检测系统的参数设计和精准标定提供了重要手段；研制了具有煤矿锚杆支护特征的模拟试验巷道，用于锚杆无损检测系统的巷道检测试验。. （4）创新地开发了适用煤矿锚杆检测、监测的“矿用本安型锚杆无损检测仪”，该设备具有自主知识产权，符合煤安和防爆要求；研发了用于锚杆特征长度和轴力检测设备的信号处理分析软件。. （5）锚杆动力无损检测系统在10多个矿区得到了大量的工业性试验，结果表明：该系统能有效、可靠地检测和评价煤矿锚杆的支护质量，其检测精度达95%以上，并提出了煤矿锚杆支护质量评价及巷道矿压规律研究的新方法。. 本项研究取得的指标性成果有：发表学术论文18篇，其中SCI、EI收录论文11篇；出版专著2部；授权发明专利7项；获煤炭工业科学技术二等奖2项；制定中华人民共和国煤炭行业标准2部；培养博士生3人，硕士生10人。. 研究成果可为煤矿巷道锚杆支护技术提供了最先进、简便的检测方法与手段，对煤矿安全生产具有重要意义。