何富連，嚴(yán) 紅，楊綠剛，楊洪增，李 琦

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

1 引 言

樹(shù)脂錨固劑作為一種高分子復(fù)合材料，與水泥錨固劑相比，由于攪拌后具有固化時(shí)間快、黏結(jié)強(qiáng)度大、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1]，除少數(shù)煤礦仍采用水泥藥卷外，樹(shù)脂錨固劑已成為國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)煤巷錨桿索支護(hù)首選支護(hù)材料之一。然而，由于井下煤巷頂板地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜，隨著樹(shù)脂錨固劑等支護(hù)材料推廣應(yīng)用速度的加快，我國(guó)煤巷錨桿頂板事故率亦同步呈高位上升趨勢(shì)，尤其以頂板巖層富水情況下的錨桿索支護(hù)冒頂事故居多。通過(guò)對(duì)近年來(lái)我國(guó)寧東、淮南、濟(jì)寧等礦區(qū)煤巷冒頂事故統(tǒng)計(jì)，其中50%左右屬支護(hù)過(guò)程中頂板富水持續(xù)弱化錨固強(qiáng)度導(dǎo)致冒頂[2]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)富水性巖層頂板錨桿索支護(hù)進(jìn)行了大量的探索，劉長(zhǎng)武等[3]研究了淋水作用下煤系頂板泥巖的軟化作用機(jī)制，馮志強(qiáng)等[4]針對(duì)淋涌水碎裂煤巷頂板研究了新型的注漿堵水材料，勾攀峰等[5]重點(diǎn)研究了錨桿錨固力與鉆孔涌水量相互關(guān)系，得出當(dāng)鉆孔涌水量大于128 mL/s時(shí)，隨頂板淋水量增加錨固力會(huì)持續(xù)下降，并給出提高錨固力的途徑；李桂臣等[6]在柳海煤礦淋水頂板進(jìn)行錨桿拉拔試驗(yàn)，得出中等變形地段錨桿錨固力是無(wú)水段正常錨固效果的50%，淋水較大地段錨固力僅為無(wú)水時(shí)的 14%；許興亮等[7]研究了裂隙水滲流圍巖空間的分區(qū)及泥巖滲透性規(guī)律。但上述研究成果多是分析普通錨固劑持續(xù)浸水條件下錨固效果劣化態(tài)勢(shì)或泥巖等軟弱巖石滲水變形情況，注漿等控制手段的增加在某種程度上也加劇了采掘銜接緊張局面；本文采用新型防水錨固劑，它是從樹(shù)脂錨固劑本質(zhì)特性入手，通過(guò)改變樹(shù)脂分子活性，阻撓水分子的干擾，在有水情況下保持同等錨固力；分析了煤巷頂板粉砂巖遇水弱化規(guī)律，并在團(tuán)柏煤礦富水差異性巷道頂板分別采用防水型與普通錨固劑進(jìn)行系列錨桿索錨固力強(qiáng)度測(cè)試，為我國(guó)煤礦頂板淋涌水巷道錨桿索支護(hù)提供一種新的技術(shù)手段和安全支撐。

2 防水樹(shù)脂錨固劑原理

2.1 普通樹(shù)脂錨固劑

樹(shù)脂錨固劑最早起源于歐洲，20世紀(jì) 50～60年代開(kāi)始在我國(guó)應(yīng)用，它一般由特種聚合物、高強(qiáng)填料、固化劑、促進(jìn)劑以及助劑組成。常用的樹(shù)脂錨固劑有不飽和聚酯樹(shù)脂型、聚氨酯型和環(huán)氧樹(shù)脂型等，而不飽和聚酯樹(shù)脂型憑借固化速率快、適應(yīng)性強(qiáng)、固化速率可調(diào)范圍寬及成本低等優(yōu)勢(shì)成為煤礦巷道中應(yīng)用最廣的樹(shù)脂錨固劑。對(duì)于錨固劑的固化，常采用有機(jī)過(guò)氧化酰/芳叔胺體系，然而該體系受水的影響很大，水不僅可以同芳叔胺形成分子間氫鍵，阻止芳叔胺促進(jìn)過(guò)氧化苯甲酰（BPO）分解形成自由基；而且對(duì)于親水性強(qiáng)的樹(shù)脂，水易分散在樹(shù)脂中，從使得樹(shù)脂固化質(zhì)量下降[8]。因此，篩選出耐水性強(qiáng)的樹(shù)脂和受水影響較小的膠粉已成為研發(fā)防水錨固劑的關(guān)鍵步驟[9－10]。

2.2 不同樹(shù)脂耐水性試驗(yàn)

由于普通樹(shù)脂錨固劑樹(shù)脂固化受水的影響非常顯著，因此，在有水情況下應(yīng)研究其他種類樹(shù)脂，以找出凝膠時(shí)間內(nèi)受水影響較小，即選擇親水性差的樹(shù)脂作為開(kāi)發(fā)原料。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)挑選出來(lái)的幾種樹(shù)脂試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，隨著含水率的增加，凝膠時(shí)間均相應(yīng)延長(zhǎng)，但不同樹(shù)脂延長(zhǎng)速度不一；SR型聚酯樹(shù)脂受水影響最大，其次是196不飽和聚酯樹(shù)脂，受含水量影響最小的是NS-1不飽和聚酯樹(shù)脂。因此，該NS-1不飽和聚酯樹(shù)脂是耐水性強(qiáng)的樹(shù)脂，成為防水型樹(shù)脂錨固劑重要成分之一。

圖1 不同樹(shù)脂凝膠時(shí)間隨含水率變化關(guān)系Fig.1 Relationships between resin gel time and water content

2.3 不同膠粉凝固試驗(yàn)

對(duì)于頂板富水性大的巖層，鉆孔出現(xiàn)淋涌水現(xiàn)象不可避免。這種情況下，對(duì)于普通錨固劑而言，在攪拌過(guò)程中常出現(xiàn)膠泥遇水變稀、凝固時(shí)間慢、錨固強(qiáng)度不夠、或直接被水從鉆孔中沖刷出來(lái)，難以達(dá)到預(yù)期錨固效果。因此，選擇一種膠粉，它既不因水的作用而使凝膠時(shí)間延長(zhǎng)，又能保證淋涌水過(guò)程中錨固強(qiáng)度始終不受影響，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加2%的XS-1膠粉可迅速吸水，阻止水在樹(shù)脂中的擴(kuò)散，從而使得樹(shù)脂黏度不降反升，固化后體積不收縮反膨脹，保證了錨固強(qiáng)度的穩(wěn)定，且不因浸水時(shí)間錨固強(qiáng)度受到影響；同時(shí)，加入2%的XS-1膠粉與無(wú)膠粉量凝膠時(shí)間相同，凝膠時(shí)間不受影響，同無(wú)水下普通錨固劑迅速凝結(jié)達(dá)到其錨固強(qiáng)度相同，如表1所示。

表1 膠粉含量與凝膠時(shí)間關(guān)系Table 1 Relationships between scrap rubber powder content and resin gel time

3 煤系頂板粉砂巖滲水試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）從煤礦現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，主要測(cè)試頂板粉砂巖碎裂主導(dǎo)因素以及粉砂巖的強(qiáng)度弱化規(guī)律。依照簡(jiǎn)易準(zhǔn)確的原則，取團(tuán)柏煤礦位于埋深240 m的101101巷道頂板3塊典型粉砂巖現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)裝置為一套淋水器與變流裝置，調(diào)定水流流量為126 mL/s，連續(xù)測(cè)試時(shí)間42 h，每隔6 h觀察一次，其中3#粉砂巖為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，2#粉砂巖每隔6 h取出，在空氣中充分暴露風(fēng)化6 h后再放入測(cè)試，如此循環(huán)，具體變形狀況描述以及前后結(jié)果見(jiàn)表2與圖2。

表2 試驗(yàn)巖塊變形描述Table 2 Deformation description of experimental rock blocks

圖2 試驗(yàn)巖塊破壞前后圖形比較Fig.2 Comparison of former and later deformations of the experimental rock blocks

（2）從實(shí)驗(yàn)室角度來(lái)看，主要研究煤系粉砂巖遇水強(qiáng)度數(shù)值變化情況，為下一階段采取支護(hù)措施提供理論指導(dǎo)。在團(tuán)柏煤礦101101巷道頂板粉砂巖取芯并按標(biāo)準(zhǔn)加工35塊試件，均分7組，第1組為參照組，其余各組在靜水中浸泡時(shí)間依次為t =2、5、12 h，1、3、5 d，測(cè)試得出的每組試件單軸抗壓強(qiáng)度平均值與試驗(yàn)組關(guān)系如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)組巖塊單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.3 Results of experimental test for uniaxial compressive strength

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要從煤系頂板粉砂巖常遇到的動(dòng)水滲流、循環(huán)風(fēng)干弱化角度研究出發(fā)，1#和2#粉砂巖破壞變形狀況顯示，地下水對(duì)粉砂巖的作用是一個(gè)漸變且持續(xù)弱化的過(guò)程，從最開(kāi)始的以隱伏微裂隙為主的完整巖塊發(fā)展到以橫、縱貫穿巖塊大裂隙為1級(jí)破壞主體，而擾動(dòng)新裂隙與原生裂隙次級(jí)為2級(jí)破壞主體，通過(guò)裂隙的張開(kāi)、連通導(dǎo)致巖塊分裂、崩解，最后成散體巖塊的破壞變化過(guò)程；尤其是 2#粉砂巖在動(dòng)水滲流與風(fēng)干暴露的循環(huán)試驗(yàn)中，破壞發(fā)展呈倍數(shù)遞增，試驗(yàn)42 h后難以表現(xiàn)出整體強(qiáng)度。因此，煤系巷道頂板粉砂巖支護(hù)中需及時(shí)施加高預(yù)應(yīng)力，使圍巖保持在三維受壓狀態(tài)，限制或減弱巖體出現(xiàn)被動(dòng)循環(huán)破壞。

（2）從實(shí)驗(yàn)室7組煤系頂板粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果得出，無(wú)滲透壓靜水侵蝕對(duì)煤系頂板粉砂巖強(qiáng)度影響不明顯，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度并非一直降低，而是經(jīng)歷了先緩慢增加后快速降低的過(guò)程，且?guī)r塊浸泡5 d后的粉砂巖仍能達(dá)到69.33 MPa，超過(guò)了試驗(yàn)第2組強(qiáng)度值，主要因?yàn)槊合淀敯宸凵皫r從頂板圍巖中取出后，經(jīng)過(guò)兩周的充分風(fēng)干，巖石的裂隙水和自由水已基本流失，單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，裂隙和孔隙向周邊延伸和擴(kuò)展發(fā)育，強(qiáng)度較低；而浸水2 h后，自由水回流入原來(lái)發(fā)育的裂隙和孔隙中，使巖石整體強(qiáng)度得到提高，但隨水浸泡時(shí)間的增加，水又會(huì)溶解巖石中夾雜的軟弱介質(zhì)，并使裂隙和孔隙范圍加大，導(dǎo)致整體強(qiáng)度劣化。

4 粉砂巖頂板水-支護(hù)結(jié)構(gòu)體作用分析

巷道開(kāi)挖后到實(shí)際支護(hù)的這段時(shí)間內(nèi)，巷道周邊淺部圍巖由三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受力，并隨頂板巖層受拉變形粉砂巖頂板裂隙隙長(zhǎng)延伸和數(shù)目增多，在錨索支護(hù)過(guò)程中，頂板水沿著錨索孔外泄，從而影響錨固劑的支護(hù)效果[11]，同時(shí)，開(kāi)挖擾動(dòng)的影響也使得頂板水能通過(guò)頂板各巖層形成的裂隙延伸至巷道煤壁內(nèi)，巷道開(kāi)挖后頂板水對(duì)錨網(wǎng)索整體支護(hù)影響主要可歸納以下幾點(diǎn)：

（1）頂板水對(duì)淺部圍巖的物理化學(xué)作用。物理作用表現(xiàn)在巷道開(kāi)挖后，頂板水流動(dòng)過(guò)程中會(huì)對(duì)煤巖層中的如裂隙面、節(jié)理面等不連續(xù)面邊界產(chǎn)生潤(rùn)滑作用以及對(duì)巖體中結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物產(chǎn)生軟化作用；化學(xué)作用體現(xiàn)在頂板水容易滲透到巖體的礦物結(jié)晶骨架中，導(dǎo)致巖體凝聚力減小；同時(shí)通過(guò)淋水與風(fēng)干雙層影響，淺部圍巖強(qiáng)度將大幅度降低，裂隙增大，并隨服務(wù)時(shí)間增加，圍巖破壞呈逐級(jí)向徑向深處發(fā)展態(tài)勢(shì)。

（2）頂板水對(duì)幫、頂煤巖的力學(xué)作用。概括來(lái)說(shuō)，即通過(guò)裂隙靜水壓力和動(dòng)水壓力使對(duì)應(yīng)的煤巖產(chǎn)生變形破壞。靜水壓力主要作用裂隙的法向方向，導(dǎo)致裂隙的擴(kuò)容變形；動(dòng)水壓力主要作用裂隙的切向方向，降低煤巖的抗切強(qiáng)度。

（3）頂板水對(duì)錨索系統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)體的影響作用。主要包括：錨固劑弱化、錨索托盤的銹蝕、內(nèi)部錨固點(diǎn)的影響。試驗(yàn)證明，水對(duì)攪拌時(shí)間段的樹(shù)脂錨固劑影響最大，對(duì)于普通型樹(shù)脂錨固劑，有水作用下凝固速度且親水性因素決定了此類支護(hù)可靠性程度；而隨時(shí)間錨索托盤逐步銹蝕也會(huì)減弱前期施加的預(yù)緊力，以及內(nèi)錨固點(diǎn)固化后隨含水粉砂巖層離層變形影響有關(guān)。

5 井下應(yīng)用實(shí)踐

霍州煤電團(tuán)柏煤礦是一座年產(chǎn)210×104t的礦井。10#煤層101101巷道埋深為240 m，煤層直接頂板為粉砂巖，平均厚度為2.3 m，具有水平層理；粉砂巖頂板之上為9#煤層，平均厚度為1.0 m，煤層疏軟較脆；基本頂為 K2灰?guī)r，厚度為 2.75～15.23 m，平均厚度為9 m，巖性較堅(jiān)硬，裂隙中充填方解石脈，K2灰?guī)r富水量大，掘進(jìn)支護(hù)過(guò)程中頂板部分區(qū)域淋水量超過(guò)126 mL/s，具體如圖4所示，粉砂巖層碎裂，完整性差，既影響施工速度，又帶來(lái)安全威脅。

4.1 防水錨固劑錨桿索錨固試驗(yàn)

為測(cè)試防水錨固劑在特定煤巷富水頂板中對(duì)錨桿索的錨固效果，設(shè)計(jì)并實(shí)施下列錨桿索錨固力試驗(yàn)，根據(jù)煤巷頂板不同區(qū)域富水量差異性，分為 3組，各標(biāo)定為弱淋水區(qū)、強(qiáng)淋水區(qū)、弱涌水區(qū)，每一組分別測(cè)量3根錨桿和錨索錨固力，測(cè)試設(shè)備如圖5所示。

圖4 煤巖層柱狀圖Fig.4 Histogram of coal seam and strata

圖5 錨桿索錨固力測(cè)試設(shè)備Fig.5 Test equipments for anchoring force with the cable and bolt

其中，依據(jù)101101煤巷頂板巖層情況，采用φ18 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，錨固長(zhǎng)度為1 200 mm以及φ15.24 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長(zhǎng)度為4.8 m，錨固長(zhǎng)度1 600 mm。錨桿索錨固力拉拔試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 錨桿索錨固力測(cè)試結(jié)果Table 3 Results of anchoring force test with bolt and cable

從試驗(yàn)結(jié)果看出，在弱淋水區(qū)處，普通錨固劑與圍巖形成的錨固強(qiáng)度與采用防水型錨固劑時(shí)效果差距不大，在采用錨桿索支護(hù)圍巖中兩者可相互混用。但是，當(dāng)頂板滲流量較大，即頂板處于強(qiáng)淋水區(qū)域或弱涌水區(qū)域時(shí)，普通錨固劑的錨固力作用明顯小于防水型效果，而防水型錨固劑在滲流量為140 mL/s時(shí)，仍能達(dá)到208 kN的錨固效果。因此，可依據(jù)頂板巖層富水性分區(qū)情況，對(duì)頂板錨桿索錨固劑選擇防水型或普通型，但對(duì)于強(qiáng)淋水區(qū)與弱涌水區(qū)域頂板支護(hù)，為保障支護(hù)穩(wěn)定安全，設(shè)計(jì)時(shí)最好采用防水錨固劑錨固。

4.2 井下方案設(shè)計(jì)

101101巷道斷面為矩形布置，斷面寬為3.8 m，高為 2.7 m。綜合上述試驗(yàn)研究結(jié)果及巷道工程類比法和數(shù)值模擬分析，確定出淋（涌）水型碎裂頂板支護(hù)參數(shù)，如圖6所示。

圖6 101101煤巷頂錨網(wǎng)索支護(hù)布置圖（單位：mm）Fig.6 Support arrangement diagram of roof cable and bolt on coal roadway No. 101101 (unit: mm)

錨桿為φ18 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，防水型樹(shù)脂錨固，錨固長(zhǎng)度為1 200 mm，預(yù)緊力矩不得低于180 N·m，鉆孔直徑為28 mm，間排距均為850 mm，每排布置5根錨桿，靠煤幫的頂板角錨桿與煤幫的距離為 200 mm。錨索采用φ15.24 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長(zhǎng)度為4.8 m，鉆孔直徑為28 mm，防水型樹(shù)脂錨固，錨固長(zhǎng)度為1 600 mm，錨索的預(yù)緊力不低于200 kN，成“一·一”布置，位于兩排錨桿中間，且處于巷道中間部位，垂直頂板，排距為1 700 mm。

4.3 井下監(jiān)測(cè)與支護(hù)效果

巷道掘進(jìn)支護(hù)后，對(duì)圍巖變形進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)。

巷道頂?shù)装遄冃瘟繛?149 mm，其中頂板下沉量為126 mm，底臌為23 mm；兩幫移近量為69 mm。頂板外離層為8 mm，內(nèi)離層為3 mm，錨桿托盤處測(cè)力在12 MPa之內(nèi)。觀測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)效果均表明，新型防水錨固劑應(yīng)用以及支護(hù)中對(duì)錨桿索及時(shí)施加高預(yù)應(yīng)力起到了重要作用，支護(hù)安全可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié) 論

（1）新型防水錨固劑是一種適合于淋涌水型煤巷錨桿索錨固材料。試驗(yàn)表明，NS-1不飽和聚酯樹(shù)脂及添加2%的XS-1高分子速溶膠粉能使錨固強(qiáng)度穩(wěn)定，而且并不會(huì)因浸水時(shí)間出現(xiàn)強(qiáng)度弱化現(xiàn)象。

（2）煤系頂板粉砂巖滲水試驗(yàn)得出巖塊動(dòng)水滲流與風(fēng)化暴露循環(huán)作用較單一動(dòng)水滲流或靜水浸泡更能影響巖塊的整體強(qiáng)度，試驗(yàn)通過(guò)3.5個(gè)循環(huán)共計(jì)42 h后，循環(huán)作用下巖塊基本成散體狀；無(wú)滲透壓靜水侵蝕對(duì)煤系頂板粉砂巖強(qiáng)度影響不明顯，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)（0、2、5、12 h、1、3、5 d）試驗(yàn)巖塊抗壓強(qiáng)度經(jīng)歷了先緩慢增加后快速降低的變化過(guò)程。

（3）防水錨固劑錨桿（索）錨固試驗(yàn)得出，弱淋水區(qū)防水型錨固劑與普通型可互用；在滲流量較大的強(qiáng)淋水區(qū)與弱涌水區(qū)防水型錨固劑錨固效果基本保持穩(wěn)定，而普通型錨固劑錨固效果呈現(xiàn)隨含水率增加快速下降的趨勢(shì)。

（4）井下實(shí)踐表明，淋涌水型頂板煤巷應(yīng)用新型防水錨固劑及支護(hù)中對(duì)錨桿索及時(shí)施加高預(yù)應(yīng)力是保障該類巷道頂板安全穩(wěn)定的關(guān)鍵措施。

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