СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ АНКЕРНОЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КРЕПИ
METHOD FOR NON-DESTRUCTIVE CHECK OF ANCHOR REINFORCED CONCRETE SUPPORT

Изобретение относится к области строительства горных выработок, в частности к методам неразрушающего контроля и оценке качества установки железобетонных анкеров в горной выработке.
В результате практического опыта на сегодняшний день в качестве стандарта испытания анкерной крепи принято измерение силы выдергивания анкера специальным коаксиальным домкратом {Заслов В.Я. Механизация крепления горных выработок / М.: Недра. 1980. - 222 с.; Булат А.Ф., Виноградов В.В. Опорно-анкерное крепление горных выработок угольных шахт. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2002. - 372 с.).
В процессе испытания выбирают анкер, свинчивают с его головки гайку и надевают домкрат с адаптером. Затем гайку навинчивают на адаптер, подключают ручной гидравлический насос, устанавливают под головку анкера индикаторную стойку и создают в анкере натяжение. В процессе испытаний регистрируют силу натяжения и величину перемещения головки анкера. При достижении стандартного усилия (200 кН) испытания прекращают. Если такое усилие не удалось создать, считается, что качество установки анкера неудовлетворительное. Также используют вытягиватель УВШ-5/15, который представляет собой гидроцилиндр с полым штоком, сквозь который пропущена тяга, имеющая на одном конце резьбовую нарезку, а на другом - рукоятку. При испытании анкера на прочность закрепления вытягиватель закрепляется тягой за его стержень и подвешивается за соседние анкеры предохранительными цепями. Нагрузка на анкер определяется по манометру маслонасоса, а скольжение - по шкале на штоке вытягивателя. Проверку прочности закрепления производят вытягиванием контрольных анкеров. Показателем прочности закрепления является скольжение в метрах при приращении нагрузки на 1 Н. Для железобетонных анкеров 2,5 мкм/Н является нормой.
Стандартный метод испытаний получил широкое распространение на всех шахтах и рудниках мира.
Вместе с тем даже отраслевой стандартный метод испытания несущей способности анкерной крепи обладает рядом существенных недостатков. Основными недостатками являются низкая достоверность результатов испытаний, а также высокая трудоемкость испытания несущей способности анкерной крепи в связи с тем, что испытания требуют большого количества рабочего времени и оборудование, предназначенное для проведения испытаний, имеет большую массу и габариты.
Другим видом нарушения целостности горной выработки, укрепленной с использованием анкеров, являются вывалы горной породы на больших глубинах (свыше 500 м). С целью изменения напряженно-деформированного состояния системы «анкерная крепь - грунт» изготавливают тензорезисторные анкеры-индикаторы {Гибкие анкеры, оснащенные тензодатчиками. Strain gauged flexible bolts (SGF). Int. Mining and Mintr. - 2000. - №35. - С.286).
Анкер-индикатор выполняется из гладкой арматуры класса А-1 диаметром 28 мм и длиной 2 м. По длине каждого анкера фрезеруют по шесть площадок для размещения тензорезисторов и продольный паз для вывода монтажных проводов.
Порядок измерения усилий в анкерах сводится к поочередному опросу измерительных пар каждого анкера. Нумерация измерительных пар начинается от наружного конца анкера вглубь породы.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о наличии двух качественно различных моделей взаимодействия анкеров и массива пород, окружающего выработку. Первая модель (распределение напряжения в анкере при контактном взаимодействии) указывает на контактное взаимодействие по всей длине анкера. Вторая модель (распределение напряжения в анкере как ограждающей конструкции) дает характеристику крепи как ограждающей конструкции в случае справедливости гипотезы «подвешивания».
Данный метод не может дать информацию о заполнении устья шпура цементно-песчаным раствором, следовательно, нельзя достоверно судить о качестве установки ж/б анкера.
Создан метод компьютерной диагностики качества сцепления анкера с массивом горных пород {Вознесенский Е.А. Компьютерное моделирование сцепления анкера с массивом горных пород // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений. - 2010. - Труды XII международной конференции. - Екатеринбург, изд-во УГГУ, с.138-140).
Измерение заключается в размещении на выступающем конце анкера преобразователя-велосиметра, нанесении удара и регистрации вибрационного отклика. При разной длине контакта анкера с массивом пород показатели частоты максимума амплитуд спектральных составляющих также разные. Эти закономерности могут быть использованы для распознавания длины контакта анкера с массивом.
Известна также аппаратура местной сигнализации для постоянного автоматического контроля за смещением закрепленной анкерами кровли, включающая датчик смещения кровли (ДСК) и сигнализатор смещения кровли (ССК) {Широков A.П. Теория и практика применения анкерной крепи / М.: Недра. 1981. - 322 с.). Датчик ДСК устанавливается в выработке и при достижении опасной величины смещения кровли он выбрасывает красный флажок. Одновременно ССК, установленный на контрольном пункте, подает прерывистые световые сигналы.
Принцип действия аппаратуры местной сигнализации заключается в следующем. Укрепленный на расстоянии 3 м от устья шпура штока с распорным устройством является неподвижной частью датчика толкатель, находящийся в закрепленной штангами кровле - подвижной частью. При смещении кровли расстояние между толкателем и скобой, фиксирующей опасные смещения, сокращается до тех пор, пока толкатель не надавит на скобу и не вытолкнет сигнальный флажок.
Данный метод не может дать информацию о заполнении устья шпура цементно-песчаным раствором, то есть о качестве установки ж/б анкера.
Одно из условий надежного применения анкерной крепи - прочное закрепление анкеров в шпурах. При применении опорных элементов прочности закрепления анкеров сила натяжения анкеров должна быть больше предварительного натяжения, возникающего при завинчивании гайки. Только при таком условии считается, что анкерная крепь установлена качественно (Широков А.П. Теория и практика применения анкерной крепи / М.: Недра. 1981. - 324 с.). Принцип прибора АКС заключается в следующем. При сдвижении заанкерованной кровли дно шпура, служащее неподвижной точкой отсчета, находится в постоянном контакте с распорным стержнем, противоположный конец которого контактирует со штоком датчика, ползуном и магнитным датчиком. При отпускании кровли на определенную величину магнитный датчик располагается в створе с выключателем, размещенным внутри магнитной трубки. Происходит замыкание контактов сигнализатора, и ток от источника питания приводит в действие электрическую схему мультивибратора, который периодически посылает импульсы тока частотой 1 Гц на сигнальную лампу.
В основу изобретения положена техническая задача разработки способа контроля качества установки железобетонных анкеров в скальных массивах горных пород.
Поставленная задача решается благодаря тому, что цементный раствор обладает весьма низким удельным электрическим сопротивлением по сравнению с породами скального массива.
Способ включает определение качества установки железобетонного анкера в скальных породах неразрушающим методом, заключающийся в том, что определяют коэффициент заполнения шпурового пространства цементно-песчаной смесью, причем определяют переходное электрическое сопротивление анкера при помощи электроизмерительного прибора путем последовательных измерений электрического сопротивления соответственно между анкером и, по меньшей мере, двумя электродами попеременно, а также между самими электродами. При этом первый электрод расположен от измеряемого анкера на расстоянии, превышающем глубину анкера в 2÷3 раза, второй электрод и последующие расположены от измеряемого анкера и первого электрода на расстоянии, превышающем глубину анкера в 3÷5 раз, а замеренное переходное электрическое сопротивление анкера сравнивают с расчетным (теоретическим) электрическим сопротивлением и определяют коэффициент, характеризующий качество заполнения пространства между анкером и скальной породой.
анк
анк
Степень заполнения полости шпура раствором контролируется переходным сопротивлением (R), зависящим от площади контакта анкера вмещающими скальными породами. Чем меньше R, тем больше площадь соприкосновения раствора цемента с породами массива, тем в дальнейшем качественнее будут эксплуатационные свойства анкерной крепи.
анк
анк
Способ заключается в определении R методом использования трех электродов, известном в электротехнике при обеспечении условий электробезопасности электроустановок. Для определения переходного сопротивления R (электрод 1) необходимо иметь два вспомогательных электрода (2 и 3), расположенных друг от друга на расстоянии, превышающем величину заглубления анкера в 2÷5 раз, чтобы исключить взаимное влияние электродов.
Для определения переходного сопротивления анкера измеряют переходные сопротивления:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>R</mi><mrow><mn>23</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>R</mi><mrow><mn>31</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>.</mo></mtd></mtr></mtable>
1
анк
Решая систему этих уравнений, находим сопротивление R=R:
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>23</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>31</mn></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Расчетное (теоретическое) сопротивление заземления для стержневого электрода, каким является анкер, можно определить по формуле Дуайта (H.R.Duigt)
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>ρ</mi><mrow><mtext>2</mtext><mi>π</mi><mtext>L</mtext></mrow></mfrac><mo>*</mo><mi>l</mi><mi>n</mi><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>L</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mtext>r</mtext></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где R - сопротивление заземления анкера; L - глубина заземления; r - радиус анкера; ρ - среднее удельное сопротивление грунта.
1
анк
т
Если полагать, что R=R, определенное предыдущим способом, а радиус анкера всегда известен, то неизвестным параметром является эффективная глубина установки анкера L, которая связана с площадным контактом цементно-песчаного раствора S (теоретическая площадь контакта) с вмещающими скальными породами:
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub><mo>=</mo><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>r</mi><mo>×</mo><mi>L</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Первым членом этого выражения можно пренебречь в силу его малости, поэтому
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub><mo>≈</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>r</mi><mo>×</mo><mi>L</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
MN
В предлагаемом способе величину ρ удельного сопротивления вмещающих скальных пород можно определить способом измерений удельного электрического сопротивления с помощью четырехэлектродной установки AMNB, где А и В - два питающих электрода, через которые пропускают ток силой I, a M и N - два измерительных электрода, между которыми измеряют разность потенциалов ΔU. В результате величина ρ может быть найдена как
<mrow><mi>ρ</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mo>*</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>M</mi><mi>N</mi></mrow></msub></mrow><mi>I</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где К - коэффициент, учитывающий геометрическую расстановку электродов AMNB.
Способ осуществляется следующим образом.
анк
т
з
анк
т
з
з
На первом этапе указанным способом определяют площадь поверхности S контакта раствора цемента с вмещающими скальными породами. Затем ее сравнивают с теоретической площадью контакта S, вычисленной по формуле (4) или (5), при условии, что длина L установки анкера заведомо известна. По коэффициенту К=(S/S)×100% можно судить о качестве заполнения цементно-песчаным раствором полости шпура, необходимого для установки анкера. Если К находится в пределах 85-100%, качество анкерной крепи может рассматриваться как хорошее. При 70-85% качество крепи - удовлетворительное, при К≤70% - неудовлетворительное.
Исходя из результатов проделанной работы по измерению электрического сопротивления анкера с массивом пород, определяется качественная оценка установки анкеров.
Достоинство способа заключается в том, что имеется возможность на начальном этапе установки металлических железобетонных анкеров (до начала схватывания раствора) устранить дефект установки.
На Фиг.1 показана схема установки оборудования для осуществления способа контроля качества установки железобетонной анкерной крепи.
Способ включает определение качества установки железобетонного анкера 1 в скальных породах 2 неразрушающим методом, заключающийся в том, что определяют коэффициент заполнения шпурового пространства 3 цементно-песчаной смесью 4, при этом определяют переходное электрическое сопротивление анкера 1 при помощи электроизмерительного прибора 5, двух электродов 6, 7, при этом электрод 6 расположен от измеряемого анкера 1 на расстоянии, превышающем глубину анкера 1 в 2÷3 раза, электрод 7 расположен на расстоянии от измеряемого анкера 1 и электрода 6 на расстоянии, превышающем глубину анкера 1 в 3÷5 раз. Электроды электрически связаны между собой. Замеренное переходное электрическое сопротивление анкера 1 сравнивается с расчетным (теоретическим) электрическим сопротивлением и определяется коэффициент, характеризующий качество заполнения пространства между анкером 1 и скальной породой 2.
При помощи электроизмерительного прибора 5 измеряют разницу переходного электрического сопротивления между электродами 6, 7 а также между металлическим стержнем анкера 1.
В качестве примера конкретного использования предложенного способа в феврале 2010 г. был проведен опыт в условиях строящегося Екатеринбургского метрополитена на участке ООО «Метрострой-ПТС» в районе станции «Бажовская».
Были проведены натурные испытания, которые включали в себя:
1 - установку двух арматурных стержней класса A-I ⌀ 25 мм, длиной 2100 мм в шпуры диаметром 36 мм и длиной 1700 мм, предварительно заполненные цементно-песчаным раствором; портландцемент М400, группа крупности песка - средняя;
2 - систематические измерения переходного электрического сопротивления 2-х анкеров при помощи аппаратуры Щ4313;
3 - анализ полученных данных.
Цементно-песчаный раствор был приготовлен в пропорциях Ц:П=1:2. Процентное соотношение заполнения шпурового пространства раствором для первого анкера составляло 100%, а для второго 50%. Причем во втором случае раствор находился в донной части и в устье шпура.
Анкеры 1 и 2 отличаются степенью заполнения бетоном полости шпура в 2 раза. Значительно отличается и их переходные сопротивления, что говорит о положительном результате проведения опыта.
Применение неразрушающего метода контроля необходимо на шахтах и рудниках, (250 предприятий по России, 60 предприятий на территории Украины, 50 в Казахстане). Контроль железобетонной анкерной крепью также необходим в тоннелестроении и метростроении (30 объектов тоннелестроения и 8 строящихся метрополитенов).
Использование предложенного способа неразрушающего контроля анкерной железобетонной крепи позволяет повысить надежность оценки анкерной железобетонной крепи и значительно снизить затраты на выполнение этих работ.