玻璃钢锚杆锚固质量声波检测技术

刘 涛 叶义成 王文杰 张 杰 何志义 苏顺祥

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.湖北省页岩钒资源高效清洁利用工程技术研究中心，湖北 武汉 430081；3.武钢矿业公司大冶铁矿，湖北 黄石 435006)

玻璃钢锚杆锚固质量声波检测技术

刘 涛1,2叶义成1,2王文杰1张 杰1,2何志义3苏顺祥3

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.湖北省页岩钒资源高效清洁利用工程技术研究中心，湖北 武汉 430081；3.武钢矿业公司大冶铁矿，湖北 黄石 435006)

针对大冶铁矿玻璃钢锚杆锚固质量检测手段单一、检测参数有限的现状，应用声波检测技术，对大冶铁矿井下巷道玻璃钢锚杆锚固质量进行抽样检测。在随机抽取的35根锚杆中，玻璃钢锚杆锚固质量合格率为85.7%，与支护巷道的实际情况相符，说明应用声波检测技术对玻璃钢锚杆锚固质量进行检测是可行的。检测结果分析表明,影响大冶铁矿玻璃钢锚杆锚固质量的主要因素是玻璃钢锚杆的锚固长度以及玻璃钢锚杆与围岩之间的锚固剂密实度。为此从钻孔深度、锚固剂填塞数量、锚杆杆体插入深度、锚固剂浸泡时间等方面，提出了相应的锚固质量控制对策。玻璃钢锚杆锚固质量声波检测技术可为大冶铁矿玻璃钢锚杆锚固质量的控制提供指导，对实现矿山安全高效开采具有较大的应用价值。

玻璃钢锚杆 锚固质量 声波检测技术 锚固长度 锚固剂密实度

随着锚杆支护理论和支护技术的发展，锚杆支护目前已成为矿山井下巷道支护的主要形式[1-3]。其中，玻璃钢锚杆以其质量轻、强度高、成本低、抗腐蚀、可切割等优点而被逐渐地推广使用[4-6]。

但在实际应用的过程中，由于井下地质环境的复杂性和施工条件的多变性，玻璃钢锚杆的锚固质量往往难以保证，严重影响到玻璃钢锚杆的支护效果和玻璃钢锚杆的推广使用。因此，对玻璃钢锚杆锚固质量检测的研究显得尤为必要。

传统的锚杆锚固质量检测大多采用拉拔试验的方法，这种检测方法是破坏性的，检测参数单一，且操作复杂、费用高，现逐渐被无损检测方法所替代[7-9]。地下工程常用的无损检测方法主要有声波法、回弹法以及地质雷达法[10]，而声波法是目前国内普遍采用的锚杆锚固质量无损检测方法。本研究根据声波检测的原理，采用JL-MG(B)锚杆质量无损检测仪对大冶铁矿井下巷道玻璃钢锚杆的锚固长度、玻璃钢锚杆与围岩之间的锚固剂密实度以及锚杆缺陷位置等参数进行检测分析，继而评价玻璃钢锚杆的锚固质量，找出影响大冶铁矿玻璃钢锚杆锚固质量的主要因素，针对这些主要因素提出相应的控制对策。

1 声波检测技术原理及方法

在玻璃钢锚杆支护体系中，玻璃钢锚杆与围岩通过水泥卷锚固剂胶结在一起，由于玻璃钢锚杆的杆体与围岩的弹性波波阻抗存在着较大的差异，因此，可以将玻璃钢锚杆看作弹性杆件，用一维弹性波反射原理及弹性波在复杂边界条件下的传播、散射、反射和衰减特性，来检测分析玻璃钢锚杆的锚固质量。

本研究采用JL-MG(B)锚杆质量无损检测仪对大冶铁矿井下巷道玻璃钢锚杆的锚固质量进行检测分析，该仪器由波形采集仪、发射震源、检波器以及数据模型分析软件组成。发射震源产生的弹性波，沿着玻璃钢锚杆传播并向锚杆周围辐射能量，检波器检测到反射回波，并由检测仪对信号进行分析和存储，通过数据模型分析软件对检测波形进行分析，建立玻璃钢锚杆锚固模型，从而确定玻璃钢锚杆的锚固长度、玻璃钢锚杆与围岩之间的锚固剂密实度以及锚杆缺陷位置等参数，评价玻璃钢锚杆的锚固质量。玻璃钢锚杆的锚固质量评价标准如表1所示。

表1 玻璃钢锚杆锚固质量评价标准Table 1 Evaluation criterion of FRP bolt's anchoring quality

2 玻璃钢锚杆锚固质量检测及分析

2.1 支护巷道概况

大冶铁矿尖林山采区-90 m水平2#平巷11#～14#进路采用喷锚网联合支护技术，锚杆选用的是直径为18 mm，长度为1.8 m的玻璃钢锚杆，锚杆密度为1.91 t/m3，采用配套的塑料螺母和托盘挂网，形成锚网支护体系。锚杆排间距为0.8 m，孔底距为0.8 m，利用水泥卷锚固剂进行全长锚固。混凝土喷射强度为C20，喷射厚度为100 mm。金属网采用5号铁丝编制而成，网格尺寸为300 mm×300 mm。巷道采用掘支一体化施工工艺，即在掘进出渣后立即进行喷锚网联合支护，巷道支护断面如图1所示。

图1 巷道支护断面Fig.1 Supporting section of roadway

2.2 玻璃钢锚杆锚固质量检测

玻璃钢锚杆锚固质量检测采取的是随机抽样的方式，在支护巷道中随机抽取35根锚杆(原则上不少于该段巷道锚杆总数的5%)，采用JL-MG(B)锚杆质量无损检测仪对大冶铁矿井下巷道玻璃钢锚杆的锚固质量进行检测分析，检测分析结果如表2所示。

2.3 检测结果分析

图2为1根全长玻璃钢锚杆检测波形及其对应的锚杆锚固模型，锚杆周围未见明显缺陷，锚杆检测长度为1.79 m，检测长度与锚杆长度之比为99.4%(大于95%)，锚杆锚固长度为1.64 m，锚固剂密实度为94%，锚固质量优，质量类别为Ⅰ类。

图3为1根全长玻璃钢锚杆检测波形及其对应的锚杆锚固模型，锚杆周围有轻微缺陷，锚杆检测长度为1.78 m，检测长度与锚杆长度之比为98.9%(大于95%)，锚杆锚固长度为1.63 m，锚固剂密实度为88%，锚杆质量良好，质量类别为Ⅱ类。

图4为1根全长玻璃钢锚杆检测波形及其对应的锚杆锚固模型，锚杆周围有轻微缺陷，锚杆检测长度为1.76 m，检测长度与锚杆长度之比为97.8%(大于95%)，锚杆锚固长度为1.61 m，锚固剂密实度为79%，锚固质量中等，质量类别为Ⅲ类。

图5为1根全长玻璃钢锚杆检测波形及其对应的锚杆锚固模型，锚杆周围有多处轻微缺陷，锚杆检测长度为1.78m，检测长度与锚杆长度之比为98.9%(大于95%)，锚杆锚固长度为1.63 m，锚固剂密实度为50%，锚固质量差，质量类别为Ⅳ类。

分析35根玻璃钢锚杆的锚固质量，其中Ⅰ类锚杆4根，Ⅱ类锚杆17根，Ⅲ类锚杆9根，Ⅳ类锚杆5根，合格锚杆(Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类)30根，不合格锚杆(Ⅳ类)5根，合格率为85.7%(大于80%)，故玻璃钢锚杆整体锚固质量良好，与支护巷道的实际情况相符，说明应用声波检测技术对玻璃钢锚杆锚固质量进行检测是可行的。

表2 锚固质量检测分析结果Table 2 Analysis results of anchoring quality test

注：玻璃钢锚杆长度为1.80 m，外露端长度为0.15 m。

图2 Ⅰ类锚固质量检测波形和锚固模型Fig.2 Testing waveforms and anchoring model of class Ⅰ anchoring quality

图3 Ⅱ类锚固质量检测波形和锚固模型Fig.3 Testing waveforms and anchoring model of class Ⅱ anchoring quality

图4 Ⅲ类锚固质量检测波形和锚固模型Fig.4 Testing waveforms and anchoring model of class Ⅲ anchoring quality

图5 Ⅳ类锚固质量检测波形和锚固模型Fig.5 Testing waveforms and anchoring model of class Ⅳ anchoring quality

3 玻璃钢锚杆锚固质量影响因素分析

检测结果分析表明，影响大冶铁矿玻璃钢锚杆锚固质量的主要因素如下。

(1)玻璃钢锚杆的锚固长度。玻璃钢锚杆的锚固长度直接关系到玻璃钢锚杆能否发挥出最大的锚固力。玻璃钢锚杆的检测长度等于锚杆外露端长度与锚杆锚固长度之和，而锚杆外露端长度是一定的，故锚杆的检测长度与锚杆锚固长度线性相关。在抽样检测的5根不合格锚杆中，由于玻璃钢锚杆的锚固长度不足而导致锚杆检测长度小于设计长度95%的锚杆就有2根，占到了不合格锚杆总数的40%。

(2)玻璃钢锚杆与围岩之间的锚固剂密实度。玻璃钢锚杆与围岩之间的锚固剂密实度直接决定了玻璃钢锚杆与围岩的接触程度，在抽样检测的5根不合格锚杆中，锚固剂密实度低于75%的锚杆就有3根，占到了不合格锚杆总数的60%。

4 大冶铁矿玻璃钢锚杆锚固质量控制对策

影响大冶铁矿玻璃钢锚杆锚固质量的主要因素是玻璃钢锚杆的锚固长度以及玻璃钢锚杆与围岩之间的锚固剂密实度。因此，必须针对影响玻璃钢锚杆锚固长度以及玻璃钢锚杆与围岩之间锚固剂密实度的主要因素，采取相应的控制对策。

(1)影响玻璃钢锚杆锚固长度的主要因素有钻孔深度、锚固剂填塞数量以及锚杆杆体插入深度。对此可采取：①严格控制钻孔深度，保证每个钻孔深度均在1.65 m以上；②严格保证每个钻孔内锚固剂的使用数量，确保锚固剂塞满整个钻孔；③注锚时，必须保证玻璃钢锚杆插入到钻孔底端。

(2)影响玻璃钢锚杆与围岩之间的锚固剂密实度的主要因素是锚固剂失效或浸泡时间不当以及锚固剂填塞不到位。对此可采取的措施为：①加强锚固剂的存放管理工作，锚固剂尽量存放在干燥处；注锚工在使用锚固剂前需仔细检查，严禁使用失效的锚固剂；锚固剂浸泡时间严格控制在15 s左右。②减少打孔与注锚之间的时间间隔，尽量做到即打即注，在注锚前，采用风管将钻孔内的碎石吹出，以防堵孔；注锚时，必须保证每根锚固剂压紧、压实。

5 结 论

(1)应用声波检测技术对大冶铁矿井下巷道玻璃钢锚杆的锚固长度、玻璃钢锚杆与围岩之间的锚固剂密实度以及锚杆缺陷位置等参数进行了检测分析，克服了拉拔试验检测参数单一的问题，检测分析结果与支护巷道的实际情况相符，检测效果良好，说明应用声波检测技术对玻璃钢锚杆的锚固质量进行检测是可行性。

(2)通过对玻璃钢锚杆锚固质量检测结果的分析，找出了影响大冶铁矿玻璃钢锚杆锚固质量的主要因素是玻璃钢锚杆的锚固长度以及玻璃钢锚杆与围岩之间的锚固剂密实度。因此，可从钻孔深度、锚固剂填塞数量、锚杆杆体插入深度、锚固剂浸泡时间等方面采取针对性的控制措施。

[1] 邹常富，叶义成，王文杰，等.金属矿山回采巷道中玻璃钢锚杆支护参数的研究[J].矿业研究与开发，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] 孙忠胜，孙 波，吴明厚.石膏矿顶板破碎条件下的锚杆支护技术[J].现代矿业，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] 刘守君.锚杆支护原理及应用实践[J].有色金属：矿山部分，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，马雄忠，邹常富，等.金山店铁矿玻璃钢锚杆支护试验及存在问题[J].金属矿山，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] 马生徽，王文杰.基于FLAC3D的管缝锚杆与玻璃钢锚杆支护效果对比[J].金属矿山，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] 黄 军.非金属锚杆在金山店铁矿应用中的安全可靠性分析[D].武汉：武汉科技大学，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] 聂 艺，章 光.锚杆锚固质量检测技术发展现状及存在问题研究[J].安全与环境工程，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，吴 锐.煤矿锚杆支护无损检测技术与应用[J].采矿与安全工程学报，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 义，张昌锁，王 成.锚杆锚固质量无损检测几个关键问题的研究[J].岩石力学与工程学报，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] 马 强，李玉锋，王明明.地下工程中的几种无损检测技术[J].现代矿业，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.

(责任编辑 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”国家科技支撑计划项目(编号：2011BAB05B03)。

刘 涛(1989—)，男，硕士研究生。通讯作者：叶义成(1960—)，男，教授、博士研究生导师。

TD326

A

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