基于振动信号的无损检测方法评估煤矿锚索动态振动特性与抗扰动性能

《Sensors》：Vibration Signal-Based Non-Destructive Evaluation on Dynamic Vibration Characteristics and Anti-Disturbance Performance of Underground Coal Mine Anchor Cables

　　

本研究开发并实施了一种无损检测方法，用于评估和比较不同材料制成的锚索在应力扰动下的动态响应。该方法采用两个振动传感器配合单一数据采集仪器。振动传感器负责捕获锚索的振动信号，而采集仪器则实现同步数据收集。通过在相同应力扰动影响下收集不同锚索的振动信号，对其抗干扰能力进行比较。结果表明，在相同的应力扰动下，隔离弹性吸能型（IREA）锚索比普通锚索表现出更低的振动强度和更强的抗干扰能力，这一差异可通过所提出的方法进行定量比较。在16次扰动事件中，普通锚索与IREA锚索的振动幅值比介于1.3至5.3之间，平均比为2.45。该方法概念简洁且易于实施，现场实测数据展现了良好的应用前景。

研究背景与现存问题

在岩土工程领域，锚索被广泛应用于巷道、隧道、边坡等地下开挖工程中，以提供强力支护，保障围岩的完整性与安全性。近年来，随着技术与材料的发展，涌现出多种性能优异的锚索类型，如具有更高抗拉强度、剪切强度、延伸率、能量吸收性能或配备恒阻装置的锚索。然而，锚索某些性能指标的测试方法始终是一个值得深入研究的问题。现有检测指标如破断强度、屈服强度、延伸率、能量吸收、锚固能力、刚度及非线性动力响应等，通常只能在实验室条件下完成。实验室条件与现场实际工况之间存在显著差距，例如实验室中的能量冲击难以达到现场水平，且每次冲击对不同锚索无法保证一致性。在现场尺度上，尽管已有研究对不同施工区段建造的不同支护结构进行了对比，但不同施工区段的条件本身不一致，给对比带来了尺度不统一的困扰。目前缺乏能够定量比较不同锚索支护性能的现场方法，这已成为阻碍新型支护结构充分有效应用的瓶颈。因此，有必要提出一种便捷的无损检测测量方法，用于在相同应力扰动条件下定量比较不同锚索的现场效果。

研究内容与结论

本研究旨在利用振动信号反馈动态扰动影响程度的方法，在地下煤矿巷道中存在天然震源且震源对相邻锚索的冲击扰动一致的情况下，通过同步振动信号采集系统同时监测并比较多个锚索的动态响应。研究选取内蒙古某地下煤矿的一条巷道作为监测场地，该巷道施工中包含两种锚索：普通锚索和隔离弹性吸能型（IREA）锚索。IREA锚索采用特殊锻造技术，其延伸率较普通锚索提高近6倍，同时保持极限承载力不变。研究共分析了16次扰动事件，结果显示，在所有扰动事件中，普通锚索受扰动的平均幅值普遍大于IREA锚索，最大干扰效应超过1400 mV，最小也保持在400 mV以上；而IREA锚索的最小干扰效应低至约200 mV，最大干扰效应仅略超400 mV。普通锚索与IREA锚索的幅值比最大为5.3倍，最小为1.3倍，平均比为2.45。事件级统计分析进一步确认了在相同扰动条件下IREA锚索的振动响应低于普通锚索。此外，标准差与方差的分析表明，IREA锚索在绝大多数实验事件中的标准差和方差均显著低于普通锚索，表明其动态响应信号的波动幅度更小、测量结果更集中、稳定性更好。这些结果证明了所提方法能够区分不同类型锚索在可比扰动条件下的动态响应特征和响应稳定性。该研究的重要意义在于，提出了一种在现场尺度上测量和评价锚索的新方法，这在以往研究中较为少见。该方法利用采矿引起的天然震源作为扰动基础，避免了实验室条件的局限性，为验证新型锚索在实际应用中的优势提供了有效手段。

关键技术方法

研究人员采用了四步法流程：首先对被测锚索施加相同的外部应力扰动；其次通过同步振动信号采集系统收集对应振动信号；然后提取每次扰动事件的振动响应；最后定量比较不同锚索的振动响应。监测系统包括一个WiFi信号采集器（型号KJD3.7-A，江苏徐州，采集频率1000 Hz）和两个带有WiFi转换传输功能的振动传感器（型号GBC100W，江苏徐州，量程0~20 mm/s，灵敏度1.2 V/(m/s)，频率响应5~1000 Hz）。传感器通过磁吸方式分别安装在普通锚索和IREA锚索的端部，WiFi无线信号发射器通过有线连接与传感器相连，信号传输至WiFi信号采集器。在内蒙古某地下煤矿巷道中，利用采矿活动造成的统一应力扰动源作为自然震源，每次采集超过两小时的数据，并通过USB导入计算机进行分析。对于识别的每次应力扰动事件，提取相应的振动响应并进行统计分析，包括平均幅值、峰值幅值、标准差和方差。

研究结果

整体监测结果对比：通过对普通锚索和IREA锚索监测结果的总体比较，发现普通锚索的动态响应从始至终大于IREA锚索。IREA锚索的振动幅值一般低于1300 mV，而普通锚索的振动幅值有时甚至超过5000 mV。两种锚索的变化趋势一致，在有振动源影响时均有响应，无振动源时均无响应，证实了震源的统一性和监测的准确性。

单次扰动事件对比：对八次应力扰动案例（#1~#8）的信号进行拆分放大分析，结果显示普通锚索的振动响应普遍大于IREA锚索。具体数值方面，普通锚索在八次案例中的振动响应分别为739.3 mV、1070.6 mV、633.9 mV、709.0 mV、1125.5 mV、998.9 mV、1390.7 mV和809.9 mV，而IREA锚索分别为383.8 mV、463.1 mV、303.4 mV、226.5 mV、372.0 mV、268.6 mV、260.2 mV和246.9 mV。基于八次案例的平均值，相同干扰对普通锚索造成的信号响应约为IREA锚索的两到三倍。

正态性检验：通过三组实验数据的正常Q-Q检验图评估数据分布特性，IREA锚索的数据点更紧密分布在参考线周围，具有更好的正态分布特征，表明其在测量过程中受随机噪声影响较小、稳定性较高；而普通锚索的Q-Q图在高分位和低分位区域均出现明显偏离，反映其响应数据存在一定的非正态特征。

16次扰动事件定量统计：对16次应力扰动案例的响应均值幅值和比值进行统计，普通锚索受扰动的平均幅值普遍大于IREA锚索。普通锚索的最大干扰效应超过1400 mV，最小也高于400 mV；IREA锚索的最小干扰效应低至约200 mV，最大仅略超400 mV。幅值比最大5.3倍，最小1.3倍，平均比2.45。事件级对数响应比分析显示几何平均比为2.286（95%置信区间：1.875–2.788），t检验结果显著（t(15)=8.886，p=2.31×10^-7，Cohen's d_z=2.221）。

标准差对比：基于25组实验数据的标准差统计结果显示，IREA锚索的标准差在绝大多数实验事件中显著低于普通锚索，其小提琴图轮廓更窄、中位数位置更低、四分位距显著缩小，表明其动态响应信号波动幅度更小、测量结果更集中、一致性更好。普通锚索的小提琴图分布范围更宽并伴有长尾特征，表明其在复杂工况下抑制环境噪声和外部扰动的能力有限。

方差对比：基于25组实验条件的方差统计结果显示，IREA锚索的整体方差水平显著低于普通锚索，且在不同实验事件间变化幅度较小，表明其信号能量波动得到有效抑制，系统输出更稳定。普通锚索的方差分布呈现明显离散特征，在某些实验事件中方差值急剧增大，导致小提琴图显著拉伸，表明其在动载和环境扰动下更易产生大幅随机波动。

标准差比值与方差比值：以普通锚索为基准计算的标准差比值在大多数实验事件中小于1，部分事件中显著低于0.5，表明IREA锚索的标准差远小于普通锚索。方差比值同样在大多数实验事件中小于1，多个事件中接近0，表明IREA锚索的动态响应统计波动远低于普通锚索，对外部扰动具有更强的抑制作用。

讨论与结论

讨论部分：研究指出，选择普通锚索和IREA锚索作为监测对象，是因为两者虽均以钢绞线为基本材料，但在设计和制造过程中采用了不同的锻造工艺。IREA锚索经过特殊处理，具有更高的塑性但更低的脆性，从而拥有更大的延伸率，这种差异使其力学性能与普通锚索显著不同，更有利于比较两者的特性。该研究提出的现场尺度锚索测量评价方法相对罕见，以往研究多聚焦于实验室尺度下锚杆或锚索的延伸率、抗拉强度、破坏强度、承载能力等力学性能测试，较少涉及现场尺度的振动信号测试。该方法的创新之处在于震源的选择和现场尺度振动信号的处理分析。然而，该方法也存在一定局限性：尽管同一应力扰动作用于场地的远端，但两根锚索的位置略有差异可能带来轻微影响，不过由于扰动源与锚索的距离达数十甚至数百米，而两根锚索间距仅一至两米，这种影响基本可忽略。此外，预紧力、锚固条件、波传播路径和传感器耦合等方面的差异也可能影响测量的振动响应，应在后续验证中考虑共同输入假设。由于本次现场测试仅监测了一根普通锚索和一根IREA锚索，重复扰动事件应视为重复测量而非独立锚索样本，因此结果的普适性有限，后续需扩大测量范围，同时测量更多锚索以更充分地验证测量方法的准确性。

结论部分：本研究提出了一种利用同步振动信号定量评估锚索动态响应和抗干扰能力的无损检测测量方法。该方法利用地下煤矿巷道中采矿活动对不同锚索造成应力扰动的一致性，收集并分析了普通锚索和IREA锚索的动态响应水平。结果表明，普通锚索和IREA锚索在多次应力扰动下均表现出一致的响应曲线变化，证明了应力扰动的均匀性。从整体曲线和案例扰动的定量统计结果来看，普通锚索的振动传感器幅值普遍大于IREA锚索，平均比（普通锚索 vs. IREA锚索）达到2.45。在16次扰动事件中，普通锚索与IREA锚索的幅值比介于1.3至5.3之间。此外，IREA锚索相对于普通锚索的标准差比值和方差比值在大多数扰动事件中小于1，表明在可比应力扰动下其响应波动更小、响应稳定性更高。这些定量结果进一步支持了所提方法在区分相同应力扰动下不同锚索动态响应特征方面的有效性。结果表明，在相同的应力扰动下，IREA锚索受到的影响更小。此外，从响应振动数据的标准差和方差结果来看，IREA锚索也优于普通锚索。所提出的无损方法需要一个共同的应力扰动源，并应确保使用相同的传感器对不同锚索进行同步振动信号采集，从而使结果具有可比性。该测量方法为定量比较相同应力扰动下不同锚索的动态响应特性和抗干扰能力提供了有力支持。然而，本次现场测试仅监测了一根普通锚索和一根IREA锚索，重复扰动事件应视为重复测量而非独立锚索样本，因此结果的普适性有限，需要开展更多涉及不同锚索和不同扰动条件的现场测试。