王正勝

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

在煤炭生產(chǎn)中，巷道、硐室經(jīng)常會因掘進(jìn)和采動等影響使圍巖承壓過高而出現(xiàn)底鼓，強(qiáng)烈的底鼓會引起巷道斷面變小，使巷道基礎(chǔ)不穩(wěn)，生產(chǎn)運(yùn)輸受阻，通風(fēng)不暢。造成巷道底鼓的原因很多，許多學(xué)者都進(jìn)行過詳細(xì)的研究?？导t普經(jīng)過分析底板巖層穩(wěn)定性，認(rèn)為底鼓的一個主要原因是巖石自身的遇水膨脹［1］。姜耀東、陸士良通過研究分析得出造成底鼓的一個主要原因是遇水膨脹性底鼓［2］。潘一山等在研究巷道底鼓時間效應(yīng)和軟巖遇水膨脹引起的底鼓現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了底板巖層滲水膨脹軟化模型［3］。另外，西德斯曼、卓青松等［4－6］多名研究者的研究也表明巷道底鼓和軟巖遇水膨脹有關(guān)。

在底鼓治理的研究方面，底鼓錨固是一種切實(shí)可行且行之有效的處理方法，但普通錨固劑，遇水后固化時間延長、強(qiáng)度降低，甚至有的遇水完全不能固化。勾攀峰、薛亞東、Shutong yang等諸多研究者注意到了水對樹脂錨桿、錨索錨固力的影響，并專門進(jìn)行了研究［7－9］。胡斌［10］對鉆孔淋水與錨固效果進(jìn)行了詳細(xì)研究。對于耐水錨固劑也有部分研究，楊綠剛通過選取不同的不飽和聚酯樹脂進(jìn)行了防水樹脂錨固劑的試驗(yàn)研究［11］;同時，吳國金、張少波、盧成、葛新等分別做了許多錨固劑錨固效果與水之間關(guān)系的研究［12－15］。但聚氨酯遇水發(fā)泡，在處理破碎圍巖時有用，在處理含水圍巖時錨固力不足，不能很好地解決含水底鼓圍巖的錨固問題。也有研究者研究耐水錨固劑［16］，但效果并不是很理想。

本文通過原料選型、反應(yīng)機(jī)理、錨固測試等方面，研究出一種新型耐水錨固劑。

1 耐水錨固劑配制

自行研制的耐水錨固劑以改性聚酯PM－Ⅰ，PM－Ⅱ，PM－Ⅲ為主劑，分別與粗石粉、細(xì)石粉混合均勻，配制成錨固劑A組分 (褐黑色);選取在水域中能很好引發(fā)、固化該聚酯的固化劑Ⅰ、固化劑Ⅱ、固化劑Ⅲ、固化劑Ⅳ分別與界面劑配制成耐水錨固劑B組分 (乳白色)。錨固劑A，B兩種組分，分別灌裝于錨固劑子母袋中一起使用。

2 耐水錨固劑錨固試驗(yàn)研究

2.1 抗拔力試驗(yàn)研究

錨固劑的抗拔力試驗(yàn)研究采用內(nèi)徑28mm無縫鋼管作為模擬孔，錨固長度125mm，錨桿桿體選用直徑22mm、屈服強(qiáng)度500MPa的無縱肋螺紋鋼桿體為研究對象。錨固后25℃條件下養(yǎng)護(hù)，在JAW－1500鋼絞線拉力試驗(yàn)機(jī)上測試其抗拔力。

2.1.1 無水條件下抗拔力試驗(yàn)研究

截取數(shù)根400mm長的500號錨桿，在內(nèi)徑28mm、長125mm錨管內(nèi)做錨固試驗(yàn)。試驗(yàn)時，錨管內(nèi)未加水，并設(shè)計(jì)不同配方的錨固劑在錨管內(nèi)錨固錨桿，靜止養(yǎng)護(hù)24h后測試相應(yīng)的抗拔力，試驗(yàn)結(jié)果見表1及圖1。

結(jié)合表1、圖1可見，在同一試驗(yàn)條件下，部分配方錨固劑不能正常固化，固化成功試驗(yàn)中，尤以40號試驗(yàn)效果最好，24h后抗拔力最大，達(dá)到242kN。

表1 無水條件下抗拔力試驗(yàn)結(jié)果

圖1 無水條件下不同配方錨固劑抗拔力測試曲線

2.1.2 有水條件下抗拔力試驗(yàn)研究

試驗(yàn)條件同2.1.1節(jié)所描述，在錨固過程中預(yù)先在錨管內(nèi)灌滿清水，然后再做錨桿錨固試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2及圖2。

結(jié)合表2、圖2可見，在同一試驗(yàn)條件下，部分配方錨固劑固化效果不好，抗拔力低至10kN以下。在有水的情況下，固化劑受到水化作用，原有的功用失效，起不到應(yīng)有的固化效果。但對于抗水性較好的固化劑－Ⅰ，在水域環(huán)境中仍能很好地引發(fā)改性聚酯PM－Ⅰ，且24h后抗拔力最大，達(dá)到206kN。

表2 有水條件下抗拔力試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 配方優(yōu)化研究

圖2 有水條件下不同配方錨固劑抗拔力測試曲線

結(jié)合2.1.1和2.1.2兩小節(jié)中試驗(yàn)結(jié)果，耐水錨固劑首選PM－Ⅰ、固化劑－Ⅰ。為了進(jìn)一步優(yōu)化配方，針對不同配比的錨固劑進(jìn)行了系統(tǒng)研究，試驗(yàn)選用PM－Ⅰ∶固化劑－Ⅰ=2.5∶1為定量，以A∶B和不同界面劑用量為變量，研究了錨固劑無水和有水條件下的抗拔力。試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖3、圖4。

結(jié)合表3、圖3、圖4可知，在無水、有水試驗(yàn)條件下，所設(shè)計(jì)配方最終抗拔力均達(dá)到100kN以上，效果較好;無水條件下，抗拔力區(qū)別不大，均在200kN以上;有水條件下，界面劑－Ⅰ的使用遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于不加界面劑或界面劑－Ⅱ。

表3 優(yōu)化配方試驗(yàn)結(jié)果

圖3 無水條件下抗拔力曲線

圖4 有水條件下抗拔力曲線

3 錨管內(nèi)錨固力試驗(yàn)研究

3.1 內(nèi)徑28mm錨管內(nèi)錨索錨固力試驗(yàn)研究

采用內(nèi)徑28mm、長800mm無縫鋼管模擬鉆孔，每個錨管內(nèi)放置2支自制φ23mm、長300mm的錨固劑，在灌滿清水的錨管內(nèi)錨固φ22錨索，24h后測試相應(yīng)錨固力。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 φ28mm錨管內(nèi)錨索拉拔曲線

由圖5可知，φ28mm錨管內(nèi)錨索錨固后錨固力均大于200kN，最大可達(dá)273kN，滿足錨固劑錨固技術(shù)要求。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

基于新型耐水錨固劑特性，工業(yè)試驗(yàn)選取巷道底鼓明顯的蔣家河煤礦二號采區(qū)回風(fēng)大巷。二采區(qū)回風(fēng)大巷底鼓段總長900m，底鼓量均在1m以上，最大達(dá)到1.8m。巷道底板鼓起形狀為中間底鼓量大，兩幫幫腳處底鼓量較小。

綜合分析認(rèn)為二采區(qū)回風(fēng)大巷底鼓屬于高應(yīng)力作用下底板巖層擴(kuò)容引起的彎曲形底鼓，3條大巷不僅要受到一采區(qū)的采動影響，而且未來還要受到二采區(qū)的采動影響，僅僅起底無法長期保證巷道底板的穩(wěn)定，需要對巷道底板采取加固措施。

4.1 施工工藝設(shè)計(jì)

在回風(fēng)大巷H10點(diǎn)以西465m處至H10點(diǎn)以西280m處，總長185m，布設(shè)100個試驗(yàn)點(diǎn)，鉆孔孔徑φ56mm、孔深5.2m，試驗(yàn)時鉆孔內(nèi)積水不低于3m，錨固用直徑22mm、長5.5m、1×19股錨索(從低端往上依次編制2個束籠，均在錨固段內(nèi))100根。設(shè)計(jì)錨索施加預(yù)緊力不低于180kN。圖6、圖7分別為二采區(qū)回風(fēng)大巷布置圖和底板錨索孔布置圖。

圖6 二采區(qū)回風(fēng)大巷布置

圖7 底板錨索孔布置

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

每個試驗(yàn)鉆孔放入3支自制4250錨固劑，總攪拌時間為4min，靜置24h后，依次安裝錨索托盤、鎖具，并用氣動張拉千斤頂施加預(yù)緊力，施加預(yù)緊力不低于200kN。

試驗(yàn)結(jié)果顯示:整體錨固效果很好，預(yù)緊力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從2013年10月13日至2014年3月9日日常觀測0.5a，未發(fā)現(xiàn)錨索退錨、松動跡象。且對其中7個試驗(yàn)孔進(jìn)行實(shí)時觀測，錨索受周邊采動應(yīng)力影響，部分試驗(yàn)孔應(yīng)力有所提高，波動幅度均在30kN范圍之內(nèi)。

總之，新型耐水錨固劑替代水泥漿錨固底板錨索，減少了施工人員的勞動強(qiáng)度、縮短了預(yù)緊力施加時間 (從先前的7d縮短至1d)、一次性錨固成功率高、有水環(huán)境不影響底鼓治理工程施工。

5 結(jié)論

(1)選取強(qiáng)度高、水中易固化反應(yīng)的改性聚酯為耐水錨固劑主劑。

(2)選用抗水性較好的固化劑－Ⅰ，在水域環(huán)境中仍能很好地引發(fā)改性聚酯PM－Ⅰ，且24h后抗拔力最大，達(dá)到206kN，優(yōu)化后的配方，24h后抗拔力最大可達(dá)242kN。

(3)在灌滿水的φ28mm錨管內(nèi)，錨索錨固后錨固力均大于200kN，最大可達(dá)273kN，滿足錨固劑錨固技術(shù)要求。

(4)工業(yè)性試驗(yàn)成果顯示，本錨固劑的使用可縮短工期、提高功效、錨固不受水介質(zhì)影響。

本研究成果可用于煤礦巷道底鼓治理中，尤其是含水鉆孔內(nèi)使用，能突顯其優(yōu)良錨固效果。

［1］康紅普.軟巖巷道底鼓的機(jī)理及防治［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1993.

［2］姜耀東，陸士良.巷道底鼓機(jī)理的研究 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1994，19(4)343－351.

［3］潘一山.有限元數(shù)值分析方法分析巷道底鼓問題［A］.第一屆中蘇采礦學(xué)術(shù)交流會論文集［C］.泰安:山東礦業(yè)學(xué)院，1991.

［4］Seedsman R.The behavior clay shales in water［J］.Can Geotech，1986，23(1):18－22.

［5］Chugh Y.P，Missavage R.A.Effectsof moisture on strata control in coal mines［J］.Engineering Giology，1891，17(4):241 －255.

［6］卓青松.彬長礦區(qū)胡家河煤礦軟巖巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2012.

［7］勾攀峰，陳啟永，張 盛.鉆孔淋水對樹脂錨桿錨固力的影響分析 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2004，29(6):681－683.

［8］薛亞東，黃宏偉.水對樹脂錨索錨固性能影響的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2005，5(26):31－34.

［9］Shutong Yang，Zhimin Wu，et al.Theoretical analysis on pullout of anchor from anchor-mortar-concrete anchorage system ［J］.Engineering Fracture Mechanics，2008(75):961－985.

［10］胡 濱.全長預(yù)應(yīng)力錨桿樹脂錨固劑力學(xué)性能研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2012.

［11］楊綠剛.防水樹脂錨固劑的試驗(yàn)研究 ［J］.煤礦安全，2008，39(3):11－13.

［12］吳國金，嚴(yán)小文.礦用聚氨酯錨固劑 ［J］.聚氨酯工業(yè)，2000(4):28－30.

［13］趙 劍.PET用于聚氨酯礦用加固材料的研制［J］.塑料工業(yè)，2010(S1):144－146.

［14］盧 成.聚氨酯錨桿加固技術(shù)研究 ［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)，2011.

［15］葛 新，湯向南.聚氨酯樹脂錨固劑錨桿 ［P］.中國:CN2415159，2001－01－17.

［16］王忠榮，馬利洋，何旭東.環(huán)氧樹脂錨固劑［J］.上海建材，2003(4):16－19.

［17］胡 濱，林 健，姜鵬飛.錨固劑環(huán)形厚度對樹脂錨桿錨固性能影響的研究 ［J］.煤礦開采，2011，16(4):20－22.