Non-destructive testing of rock bolt fastening as an element of monitoring the state of mine workings

Abstract

Purpose. To substantiate the informative parameter, to develop the method and equipment for non-destructive testing (NDT) of rock bolt fastening, as an element of geomechanical monitoring of the mine workings state. Methods. Analytical and bench experimental testing of shock-wave processes in the “rock bolt – bonding layer – rock massif” system. Findings. It has been established, that the non-destructive shock-wave method is the most satisfying for monitoring the geomechanical state of the “rock bolt – bonding layer – rock massif” system. This method is based on the registration and analysis of rock bolt oscillations, caused by non-normalized hit to the rock bolt end. It has been confirmed, that the most informative parameter is the relaxation time, that is the time over which the amplitude of oscillations decreases by “e” times. It has been shown, that clamping of the resin-grouted rock bolt in massif and its tensioning affects the relaxation time of damped oscillations. Furthermore, the relaxation time is inversely proportional to the degree of the rock bolt clamping, and is linked linearly with an increase in the rock bolt tensioning. The spectral composition of wedge shaped rock bolts self-oscillations, which are caused by impact excitation, depends both on the nature of clamping and on the rock bolt length, and makes it possible to identify the rock bolts by their length. Originality. The existence of a special type of damped longitudinal oscillations of the rock bolt in viscoelastic medium of the bonding layer has been established. The relaxation time of the specified type of oscillations was chosen as an informative parameter. An analytical link has been established between the informative parameter of shock-wave method of monitoring and the main indicators of rock bolt fastening quality: the degree of adhesion with massif and tension value. Practical implications. The method has been improved and equipment has been developed for non-destructive testing of rock bolt fastening, which makes it possible to control in-situ the rock bolt fastening quality, including the geomechanical state monitoring of mine workings.

Мета. Обґрунтування інформативного параметра, розробка способу та апаратури неруйнівного контролю анкерного кріплення як елементів геомеханічного моніторингу стану гірничих виробок. Методика. Аналітичні та стендові експериментальні дослідження ударно-хвильових процесів в системі “анкер – закріплюючий шар – масив гірських порід”, апробація розробки в умовах шахт і підземних об’єктів цивільного та промислового призначення. Результати. Встановлено, що вимогам оперативності контролю з можливістю моніторингу геомеханічного стану системи “анкер – закріплюючий шар – масив” найбільш задовольняє ударно-хвильовий метод неруйнівного контролю, що реалізується шляхом нанесення ненормованого удару в торець анкера з реєстрацією та аналізом його коливань, при цьому найбільш інформативним та таким, що задовольняє ергономіці контролю, є параметр – час релаксації, за який амплітуда коливань зменшується в “е” разів. Показано, що ступінь защемлення сталеполімерного анкера в масиві та його натяг однозначно впливають на час релаксації затухаючого коливального процесу в системі “анкер – закріплюючий шар – масив”, при цьому зв’язок параметра з защемленням описується обернено пропорційною, а зв’язок з натягом анкера – лінійною залежністю. При ударному збудженні спектральний склад власних коливань клиновидних анкерів залежить як від характеру защемлення, так і від довжини анкера, що дозволяє при контролі виробок ідентифікувати анкери за їх довжиною. Наукова новизна. Встановлено існування особливого виду затухаючих поздовжніх коливань анкера в пружно-в’язкому середовищі закріплюючого шару. Як інформативний параметр вибрано час релаксації вказаного виду коливань, що в ергономічному діапазоні практично не залежить від сили збуджуючого удару. Встановлено аналітичний зв’язок між інформативним параметром ударно-хвильового методу контролю системи “анкер – закріплюючий шар – масив” і основними показниками якості металополімерного анкерного кріплення гірничих виробок: ступенем зчеплення з масивом та величиною натягу. Практична значимість. Вдосконалено метод і розроблено апаратуру неруйнівного контролю анкерного кріплення, які дозволяють оперативно у режимі моніторингу оцінювати якість закріплення анкера в масиві та його навантаження в умовах гірничих виробок діючого виробництва, зокрема, і у режимі системного геомеханічного моніторингу стану підземних виробок.

Цель. Обоснование информативного параметра, разработка способа и аппаратуры неразрушающего контроля анкерного крепления как элементов геомеханического мониторинга состояния горных выработок. Методика. Аналитические и стендовые экспериментальные исследования ударно-волновых процессов в системе “анкер – закрепляющий слой – массив горных пород”, апробация разработки в условиях шахт и подземных объектов гражданского и промышленного назначения. Результаты. Установлено, что требованиям оперативности контроля с возможностью мониторинга геомеханического состояния системы “анкер – закрепляющий слой – массив” наиболее удовлетворяет ударно-волновой метод неразрушающего контроля, который реализуется путем нанесения ненормированного удара в торец анкера с регистрацией и анализом его колебаний, при этом наиболее информативным и таким, что удовлетворяет эргономике контроля, является параметр – время релаксации, за которое амплитуда колебаний уменьшается в “е” раз. Показано, что степень защемления сталеполимерного анкера в массиве и его натяжение однозначно влияют на время релаксации затухающего колебательного процесса в системе “анкер – закрепляющий слой – массив”, при этом связь параметра с защемлением описывается обратно пропорциональной, а связь с натяжением анкера – линейной зависимостью. При ударном возбуждении спектральный состав собственных колебаний клиновидных анкеров зависит как от характера защемление, так и от длины анкера, позволяет при контроле выработок идентифицировать анкеры по их длине. Научная новизна. Установлено существование особого вида затухающих продольных колебаний анкера в упруго-вязкой среде закрепляющего слоя. В качестве информативного параметра выбрано время релаксации указанного вида колебаний, которое в эргономичном диапазоне практически не зависит от силы возбуждающего удара. Установлена аналитическая связь между информативным параметром ударно-волнового метода контроля системы “анкер – закрепляющий слой – массив” и основными показателями качества металлополимерного анкерного крепления горных выработок: степенью сцепления с массивом и величиной натяжения. Практическая значимость. Усовершенствован метод и разработана аппаратура неразрушающего контроля анкерного крепления, которые позволяют оперативно в режиме мониторинга оценивать качество закрепления анкера в массиве и его нагружение в условиях горных выработок действующего производства, в том числе и в режиме системного геомеханического мониторинга состояния подземных выработок.