锚固体锚固质量无损检测的试验研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 樊克松 指 导 教 师 刘少伟 副教授 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 矿业工程 研 究 方 向 矿山压力及其控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二○一五年二○一五年 六六 月月 锚固体锚固质量无损检测的试验研究锚固体锚固质量无损检测的试验研究 万方数据 中图分类号中图分类号TD353 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 锚固体锚固质量无损检测的试验研究 Experimental study on non-destructive detection of anchorage quality of anchored body 申请人姓名申请人姓名 樊克松樊克松 申 请 学 位申 请 学 位 工工学学硕士硕士 学 科 专 业学 科 专 业 矿业工程矿业工程 研研 究 方 向究 方 向 矿山压力及其控制矿山压力及其控制 导师导师 刘少伟刘少伟 职称职称 副副教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2015.6 答 辩 日 期答 辩 日 期 2015.6 河南理工大学 万方数据 河南理工大学河南理工大学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文 锚固体锚固质量无损检测的试验研究 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以 标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表 示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描 或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名学位论文作者签名 指导教师签名指导教师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 致致 谢谢 这篇硕士论文的完成，标志着我在河南理工大学硕士阶段的学习告一段落 时光荏苒，三年的研究生时光转眼即逝，但三年中学到的知识注定将使我终生受 益。三年的学习，使我毕业后能更好的去适应社会，更多的去奉献社会，如今即 将离开生活和学习七年的河南理工大学，有更多的感激与不舍 首先要感谢的是恩师刘少伟副教授。本科未毕业就开始跟从刘老师学习，三 年多以来，刘老师严谨的治学态度深刻影响着我，使我意识到做学问要慎思明辨； 刘老师平时要求我们勤奋刻苦，毕业之季才体会到了“业精于勤而荒于嬉，行成 于思而毁于随 ”这句话的含义；此外，刘老师在生活中也给予我们无微不至的关 怀。从论文的选题、思路到整篇论文的结构安排，刘老师都给予了悉心的指导。 在此，向刘老师表达最崇高的敬意 感谢河南理工大学能源科学与工程学院对我的培养感谢所有为我授课的老 师给予我学习和生活中的帮助感谢在论文选题、开题、写作及预答辩等环节提 出宝贵意见的老师 感谢河南理工大学机械厂张科长、郭主任等在论文实验过程中给予的关心和 帮助，以及武汉长盛工程技术开发有限公司的范工在实验中给予的指导 感谢师兄张辉老师，以及室友李鑫涛、张祥、刘成威，还有师弟张玉竞、岳 杰、尚鹏翔、常建超、朱乾坤、付孟雄、乔安镇和程利兴等在实验过程中给予的 帮助，没有他们的支持，论文不可能顺利完成，在此对他们深表谢意 感谢我的父母、女朋友以及家人在背后给予的关心和支持，没有他们我不可 能顺利完成学业，他们是我生活和学习上的动力 感谢本文参考文献的作者、译者 最后，感谢各位专家教授对本文的评审。由于作者水平有限，论文中纰漏和 不足在所难免，恳请各位专家教授批评指正。 万方数据 I 摘要摘要 目前我国采用锚杆支护的煤矿巷道存在冒顶事故，锚固质量是其最重要的影 响因素。本文采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，研究了锚固体 锚固质量无损检测技术的理论基础，质量评价指标、波形识别及仪器开发。提出 了根据锚固体中应力波的传播特性去评价锚固体锚固质量，得出根据锚固体中波 导特征信息预测锚固体稳定性的方法，取得了以下几个方面的研究成果①基于 锚固体系中应力波的传播理论，将现有的直角坐标系下的波传播公式转化为柱坐 标下的波传播公式，简化了求解的计算过程，得出求解反映物体材料特性参数的 方法；②通过建立锚固体的数值模型，分析了应力波在锚固体中的传播过程，依 据其波导特性计算出了反映锚固质量的锚固段长度和锚固剂的锚固密实度；③利 用自行开发的无损检测仪成功测试了应力波在实际锚固体系中的传播特性，并依 据传播特性准确判断计算出锚固体的锚固段长度和锚固剂锚固密实度；④最后在 实验室通过对锚固体模型施加工作荷载，测试出锚固体在承受工作荷载下的应力 波传播特性，并根据对锚固体施加不同工作荷载相似模拟锚固体的不同失效破坏 状态，得到了锚固体在不同失效破坏状态下的应力波传播规律；⑤实现根据锚固 体中的应力波传播规律去预测未知锚固体稳定性的目的，最终总结出锚固体失效 破坏状态的前兆波导特征信息指标。 关键词关键词锚固体；锚固质量；波导特性；无损检测；数值模拟；相似模拟； 工作荷载；锚固体失效 万方数据 III Abstract At present roof fall accident exist in our countrys coal mine roadway which adopts rock bolt support, the most important influence factor of which is anchorage quality. The article use the way that put theoretical analysis , numerical simulation and experimental study together, which study theoretical basis of on-destructive detection technology of anchorage quality of anchored body, quality uation index,wave recognition, instrument exploitation. Presenting that using propagation characteristics of stress wave of anchored body to uate anchorage quality of anchored body and summarizing the way that its possible to predict stability of anchored body on basis of waveguide characteristics ination. Here are some research achievement as follow 1.Based on stress wave propagation theory of anchorage system, translating existed wave propagation ula of rectangular coordinate system into cylindrical coordinate systems ula, which symplify the process of solving and counting and acquire the way which can solve parametres that reflect material characteristics; 2.Simulating propagation process of stress wave in the anchored body by means of eatablishing numerical models, which show the way that we can calculate length of the anchorage and compactness of anchored agent that reflect anchorage quality according to waveguide characteristic of anchored body; 3.Testing propagation law of stress wave in the real anchored body by using non-destructive detector developed by ourselves and acquiring accurately the length of the anchorage and compactness of anchored agent. 4.Through imposing on word load to anchored body models in the laboratory at last, testing stress wave propagation characteristic when anchored body bear word load and simulating different collapse state of anchored body by imposing on different work hard to anchored body, acquiring stress wave propagation law when anchored body is in different collapse state; 5.Realizing the aim that its possible to predict stability of unknown anchored body according to stress wave propagation law, summarizing waveguide characteristic ination index of unstability anchored body. Key words Anchored body; Anchorage quality; Waveguide characteristics; Non-destructive detection; Numerical simulation; Analog simulation; Work hard; Losing efficacy of anchored body 万方数据 V 目录目录 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义 ................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 2 1.3 本文所研究的主要内容及方法 ........................................................................ 4 1.4 技术路线 ............................................................................................................ 4 2 锚固体无损检测的理论基础锚固体无损检测的理论基础 ...................................................................................... 7 2.1 锚杆锚固质量影响因素分析 ............................................................................ 7 2.1.1 煤巷锚杆锚固系统的力学模型 ................................................................................ 7 2.1.2 锚固效果影响因素分析 ............................................................................................. 8 2.2 锚固体系中的应力波传播理论 ...................................................................... 10 2.2.1 一维杆中的应力波传播理论 .................................................................................. 10 2.2.2 锚杆围岩系统的三维波动方程 .......................................................................... 10 2.3 应力波在锚固体中的传播规律分析 .............................................................. 12 2.3.1 应力波在理想树脂锚杆中传播过程 ...................................................................... 12 2.3.2 应力波在锚固段中传播波形特征 .......................................................................... 13 2.3.3 应力波在锚固体裂纹处的传播过程 ...................................................................... 14 2.4 锚固质量无损检测的评价 .............................................................................. 15 2.5 本章小节 .......................................................................................................... 16 3 锚固体锚固质量无损检测的数值模拟研究锚固体锚固质量无损检测的数值模拟研究 ............................................................ 17 3.1 Abaqus 软件概述 .............................................................................................. 17 3.1.1 引言 .......................................................................................................................... 17 3.1.2 Abaqus 软件介绍 ...................................................................................................... 17 3.2 应力波在自由状态锚杆中的传播 .................................................................. 18 3.2.1 自由状态下锚杆长度检测 ...................................................................................... 18 3.2.2 冲击荷载大小对检测结果影响 .............................................................................. 23 3.2.3 锚杆直径对检测结果的影响 .................................................................................. 24 3.3 端锚状态下锚固长度检测 .............................................................................. 26 3.3.1 应力波在端锚锚杆中的传播 .................................................................................. 26 万方数据 VI 3.3.2 锚固剂厚度对检测结果影响 .................................................................................. 30 3.3.3 围岩厚度对测试结果影响 ...................................................................................... 32 3.3.4 锚杆底端不同锚固长度检测结果 .......................................................................... 34 3.4 全锚状态下锚固密实度的检测 ....................................................................... 35 3.5 缺陷位置判别 ................................................................................................... 37 3.5.1 缺陷点判别 .............................................................................................................. 37 3.5.2 缺陷段判别 .............................................................................................................. 40 3.6 本章小节 ........................................................................................................... 41 4 锚杆无损检测系统的研制与应用锚杆无损检测系统的研制与应用 ............................................................................. 43 4.1 锚杆无损检测系统的设计思路 ....................................................................... 43 4.1.1 概念性的设计 .......................................................................................................... 43 4.1.2 检测系统的整体构成 .............................................................................................. 44 4.1.3 实验过程中需要注意的几个问题 .......................................................................... 47 4.1.4 传感器最佳安装方式的选择 .................................................................................. 49 4.2 应力波在锚杆锚固体系中传播规律的实验研究 ........................................... 54 4.2.1 应力波在不同锚固介质的锚固体中传播 .............................................................. 54 4.2.2 应力波在锚固质量不同的锚杆中传播 .................................................................. 57 4.3 锚杆锚固长度的测试与锚固密实度的判断 ................................................... 60 4.3.1 锚杆锚固长度的测试 .............................................................................................. 60 4.3.2 锚固段密实度的判断 .............................................................................................. 67 4.4 锚杆体中锚固段波速的的研究 ....................................................................... 71 4.4.1 锚固段波速的概念 .................................................................................................. 71 4.4.2 锚固段波速变化的试验研究 .................................................................................. 74 4.5 本章小节 ........................................................................................................... 76 5 锚固体承载破坏状态下无损检测的实验研究锚固体承载破坏状态下无损检测的实验研究 ........................................................ 77 5.1 锚杆承受工作荷载与锚固体破坏状态分析 ................................................... 77 5.2 锚固体承受工作荷载时的无损检测研究 ....................................................... 78 5.2.1 锚杆承载模型的建立 .............................................................................................. 78 5.2.2 锚固体承载变化特征及测试结果分析 .................................................................. 81 5.3 锚固体失效破坏状态下的无损检测研究 ....................................................... 90 5.3.1 建立锚固体模型 ...................................................................................................... 90 万方数据 VII 5.3.2 实验结果及其分析 .................................................................................................. 94 5.3 本章小节 .......................................................................................................... 98 6 结论及展望结论及展望 ................................................................................................................ 99 6.1 结论 .................................................................................................................. 99 6.2 不足及展望 .................................................................................................... 100 参考文献参考文献 ...................................................................................................................... 101 作者简作者简历历 ...................................................................................................................... 107 学术论文数据集学术论文数据集 .......................................................................................................... 109 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 目前锚杆支护是我国煤矿巷道的重要支护形式之一，它的优点是可显著提高 支护效果，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人作业环境，保证安全 生产，有利于采煤工作面快速推进[1-5]。而层状结构顶板是煤巷顶板主要结构形式 之一，它是最适合于锚杆支护的顶板类型，目前在我国关于层状顶板稳定性的研 究主要采用弹塑性力学理论和数值分析方法[6-17]。据调查，目前我国很多大型矿业 集团锚杆支护的层状顶板煤巷每年均发生冒顶事故 3～8 次，人员伤亡事故也屡有 发生，在几百米、甚至上千米长度的锚杆支护巷道中经常出现局部区域冒顶事故， 造成巨大的危害[18-21]。很多学者在煤巷锚杆支护理论、设计方法以及监测手段上 做了大量工作[22-39]，仅 2012 年国内发表的关于锚杆支护的文献有 420 多篇，但是 还存在现场工程应用超前于科学研究水平的问题，不能从根本上解决煤巷锚杆支 护的冒顶问题。 锚杆支护煤巷顶板失稳因素较多，其锚固质量是最重要因素。目前针对锚固 体质量检测的手段有拉拔检测、套孔取岩芯法和无损检测。前两种方法不仅具有 一定的破坏性，而且还操作麻烦、费用较昂贵，而无损检测技术的方法能够对正 在或已经施工的工作锚杆进行锚固质量检测，并且成本低、方便快捷、对结构不 产生破坏。 顶板的失稳与锚固质量有关，锚固质量与其波导特性有关，而顶板锚固体的 波导特性能够反映出锚杆的工作阻力、锚固剂密实程度及锚杆的有效锚固范围， 顶板锚固体的波传播特征又与其稳定性（稳定顶板、中等稳定顶板、易失稳顶板、 极易失稳顶板）存在关系，而且不同的稳定性应具有相应的波传播特性。因此通 过对煤巷顶板锚固体波导特性进行研究，实现支护效果的无损检测，最终达到预 防冒顶事故、预测顶板锚固体稳定性的目的是非常有必要的。 锚杆无损检测技术在我国的研究还处于初级阶段，在吸取国外锚杆无损检测 技术的基础上，提出应用弹性波回波法原理和弹性波能量损耗原理相结合的方法 进行锚杆锚固质量检测的理论研究。其中比较有效的方法是锚固质量的声波监测、 微震监测等无损检测方法。最近三年国内外学者做了大量有益的工作，2010 年～ 2012 年 12 月在中国期刊全文数据库中可查到 20 多篇。关于锚杆无损检测技术在 地面岩土工程中应用较多，并且取得了一定的成果[40-53]，而将锚杆无损检测技术 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 应用到煤巷顶板锚杆检测研究较少，并没有取得一些实质性的进展。 这种现象的原因主要是因为目前很多学者，将煤矿巷道锚杆的无损检测理论 视为一维非齐次阻尼波动方程，在不同边界条件和初始条件下的求解，而锚固体 系中波传播空间为三维空间，因此煤矿巷道锚杆的无损检测理论应归结为三维空 间下波动方程的求解。由于其计算量庞大，很难进行求解。因此本文采用相似模 拟实验、数值模拟与理论分析相结合的方法，对锚固体的波导特性进行分析，有 望获得新的突破。 1.2 国内外研究现状 二十世纪 80 年代以来， 微震法无损检测被逐渐应用于锚固工程的质量检测中， 国内外许多研究人员进行了无损检测锚杆锚固质量的研究工作，取得了很大的成 果。 刘海峰等人[54-56]通过理论分析和实验研究，验证了弹性应力波在锚杆锚固体 中的传播速度确实会发生变化，提出了应用锚杆锚固体系中应力波的波速参数来 衡量锚杆的锚固质量，并且给出了锚杆锚固质量与锚固体中弹性应力波波速之间 的定性关系。 李青峰等人[57-59]从理论上分析研究了纵波在预应力锚杆内传播规律，总结出 在锚杆锚固开始位置会有一反相的反射应力波， 而在锚固结束的位置或锚杆末端 有一同向的反射波，这个传播规律极大地推动了预应力锚杆的无损动力检测技术 的研究。 李善春[60]将波导特性杆简化为一维弹性杆，研究了声发射源产生的声发射信 号在不同直径波导杆中传播，并总结了波导杆的传播特性，指出了波导杆中声发 射信号反射的特点，给出了动态响应的数学模型。这项研究为选择传播衰减小、 传播特性好的波导杆提供理论和实验依据。 王成、杨湖等人[61-63]理论分析了应力波在锚杆内传播规律，并指出应力波在 锚杆体内衰减的物理机制、锚固段内波速发生改变以及锚固段内波的能量分配规 律，是导致锚杆底端反射滞后的主要原因。这种分析结果为锚杆锚固质量的无损 检测的研究提供了重要的理论依据。 张永兴等人[64-67]通过理论分析建立了锚杆一围岩结构系统低应变纵向动力响 应的数学力学模型，研究了不同损伤锚杆应力波的传播特性和规律，提出了对锚 杆系统进行参数反演的遗传算法，以及利用小波变换的极大值点诊断锚杆系统损 万方数据 1 绪论 3 伤位置的方法。最终得出的结果为研究锚杆结构系统的无损探伤原理及方法提供 理论依据。 原焦作工学院现河南理工大学的学生夏代林[68-69]在其导师吕绍林教授的指 导下，进行了锚杆锚固质量快速无损检测技术的研究，提出了一种综合评定锚杆 锚固质量的方法，即将声波在锚杆锚固系统中的能量特征与相位特征相结合。其 理论依据是当锚固系统中存在锚固缺陷时，声波在锚固缺陷处不仅存在相位突变， 而且存在能量变化。 杨维武等人[70-72]借鉴桩基无损检测的原理进行了理论分析和实验研究，证明 了锚杆锚固体系中固结波速确实会发生变化，其大于激发应力波在自由锚杆杆体 中的传播速度，而小于应力波在锚固介质中的传播速度，固结波速的最终值与锚 杆、锚固介质及围岩的黏结强度有关。指出养护初期（t2fg 时，离散信号才能真实反映原来连续信号。△t1/fc 称为采样时间间隔，fc 为最小采样频率，即奈奎斯特采样频率，如果不满足采样 万方数据 4 锚杆无损检测系统的研制与应用 49 定理，高频和低频信号就会发生混淆现象，如图 4-10 所示。 低频信号 高频信号 低频信号 原始信号 测得信号 图图 4-10 混淆现象中原始信号与测得信号的对比混淆现象中原始信号与测得信号的对