劉少偉，何亞飛，付孟雄，姜彥軍，李永恩，范 凱

(1. 河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2. 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；3. 河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南 鄭州 451184；4. 神華國(guó)能集團(tuán)有限公司煤炭管理部，北京 100033；5. 四川華鎣山龍灘煤電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638020)

錨固作為巖土工程以及巷(隧)道支護(hù)的主要形式，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。其中錨桿(索)采用樹(shù)脂錨固的應(yīng)用范圍最廣，使用量最大[1-2]。樹(shù)脂錨固劑作為錨桿(索)與圍巖體的黏結(jié)介質(zhì)，依靠錨桿(索)、錨固劑與圍巖體3者之間的相互作用，使巷道圍巖體得到加固[3-4]。隨著礦井開(kāi)采深度逐年的增大，地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，如遇松軟破碎圍巖體、地質(zhì)構(gòu)造等區(qū)域時(shí)，錨桿錨固效果較差，極易造成錨固失效等問(wèn)題，巷(隧)道頂板存在安全隱患，為保證巷(隧)道正常使用，對(duì)錨固系統(tǒng)提出了更高的要求[5-6]。

針對(duì)我國(guó)巷(隧)道圍巖地質(zhì)條件，研究出了不同固化速度(超快速、快速、中速)的樹(shù)脂錨固劑。由于其黏結(jié)強(qiáng)度大、固化快、成本低、安全可靠性高等性能，已廣泛運(yùn)用于巷(隧)道支護(hù)中[7-10]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)影響礦用樹(shù)脂錨固劑錨固性能方面做了大量研究，針對(duì)錨桿不同肋間距、錨固劑環(huán)形厚度、錨固長(zhǎng)度等研究都取得了一系列的成果，對(duì)了解影響樹(shù)脂錨固劑錨固性能因素有重要指導(dǎo)意義[11-14]；有關(guān)專家對(duì)樹(shù)脂錨固劑中樹(shù)脂、固化劑、促進(jìn)劑、骨料等配方以及對(duì)樹(shù)脂錨固劑的力學(xué)性能，包括黏結(jié)力、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、收縮率等方面做了大量研究[15-16]；張明、CAO Chen等研究了在樹(shù)脂錨固劑中添加不同鋼質(zhì)骨料對(duì)錨固性能的影響，指出添加骨料數(shù)量應(yīng)選擇數(shù)量較小的骨料，而改變鋼質(zhì)骨料粒徑時(shí)，應(yīng)選擇粒徑較大的骨料，指出鋼丸添加劑明顯優(yōu)于鋼砂添加劑[4,17]；錨桿桿體形狀與直徑、鉆孔直徑、錨桿居中度、錨固劑力學(xué)性質(zhì)對(duì)樹(shù)脂錨桿錨固性也存在影響[18-21]。樹(shù)脂錨固劑在不同溫度、濕度條件下對(duì)錨桿錨固力的試驗(yàn)研究得出，溫度變化對(duì)樹(shù)脂錨桿錨固力產(chǎn)生影響，而在25 ℃條件下錨固力最大，頂板淋水對(duì)錨固力也有影響[22-27]?，F(xiàn)階段對(duì)樹(shù)脂錨固劑錨固性能試驗(yàn)的研究主要集中在錨桿外形的優(yōu)化、溫度與濕度等對(duì)錨固性能的影響方面，而對(duì)樹(shù)脂錨固劑中樹(shù)脂膠泥與固化劑的最佳質(zhì)量比(即固膠比)的研究尚且不多，因此，研究樹(shù)脂錨固劑不同固膠比錨固性能試驗(yàn)很有必要，對(duì)錨固劑生產(chǎn)具有一定的意義。

筆者擬通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿樹(shù)脂錨固為研究對(duì)象，在現(xiàn)有樹(shù)脂錨固劑研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變樹(shù)脂錨固劑中固膠比的比例，分析樹(shù)脂錨固效果，得到不同種類樹(shù)脂錨固劑的最佳固膠比，為樹(shù)脂錨固劑的改進(jìn)及應(yīng)用提供有益的參考及指導(dǎo)。

1 樹(shù)脂錨固劑固化反應(yīng)機(jī)理

目前，在巖土工程以及巷(隧)道錨桿支護(hù)錨固時(shí)，常用樹(shù)脂錨固劑的搭配有超快+中速、超快+快速和快速+中速等3種組合，如圖1所示。樹(shù)脂錨固劑通常由2種物料組成，即樹(shù)脂膠泥(膠泥里含有樹(shù)脂、白云石粉、白炭黑及促進(jìn)劑等)和固化劑(固化劑里含有過(guò)氧化苯甲酰、輕鈣及水等)。目前，礦用樹(shù)脂錨固劑主要是通過(guò)鉆機(jī)帶動(dòng)錨桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使錨固劑里2種物料在螺紋鋼錨桿以及錨桿間橫肋的擠壓推動(dòng)下，在鉆孔內(nèi)迅速攪拌均勻，進(jìn)而達(dá)到錨固的效果。

圖1 樹(shù)脂錨固劑常用搭配方式

在攪拌樹(shù)脂錨固劑過(guò)程中，由于不飽和聚酯樹(shù)脂分子鏈上存在不飽和雙鍵與單體(如苯乙烯)的混合物(即樹(shù)脂)，在加入固化劑和促進(jìn)劑的作用下形成線性高聚物，分解出大量的自由基。樹(shù)脂錨桿在井下安裝是在常溫條件下進(jìn)行的，所以采用常溫的氧化-還原體系[5]。為了使樹(shù)脂錨固劑在常溫下快速發(fā)生固化，必須加入加速劑以及過(guò)氧化物引發(fā)劑(又稱固化劑)，還需加入還原劑組成氧化還原體系，通過(guò)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成中間產(chǎn)物自由基而引發(fā)聚合，在較短時(shí)間內(nèi)得到較高轉(zhuǎn)化率和較高分子量，使樹(shù)脂錨固劑2種物料快速發(fā)生固化，達(dá)到預(yù)期錨固的效果[28]。

自由基聚合速率與引發(fā)速率方程式[28-29]為

(1)

(2)

將引發(fā)速率式(2)代入聚合速率(1)，可以得到

(3)

式中，RP為聚合速率；KP為鏈增長(zhǎng)速度常數(shù)；Ri為引發(fā)速率；t為反應(yīng)時(shí)間；Kd為分解速率常數(shù)；Kt為鏈終止速率常數(shù)；I為引發(fā)劑濃度；M為單體濃度；f為引發(fā)效率。

由式(3)可得，假設(shè)各個(gè)參數(shù)是定值，單一的只考慮引發(fā)劑物質(zhì)的量濃度對(duì)聚合速率的影響，可發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂錨固劑的聚合速率與引發(fā)劑物質(zhì)的量濃度的平方根成正比。為此，通過(guò)改變引發(fā)劑(固化劑)物質(zhì)的量濃度的大小，可使線性高聚物分解出大量自由基，達(dá)到快速固化的目的。因此，固膠比的大小對(duì)樹(shù)脂錨固劑性能的發(fā)揮會(huì)有一定的影響，其量化關(guān)系需要研究。

2 樹(shù)脂錨固劑固膠比與錨固性能關(guān)系數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建及邊界條件

分別建立了錨桿、樹(shù)脂錨固劑、鋼管的三維模型，如圖2所示。

圖2 錨桿示意

圖2(a)為錨桿拉拔的物理模型，圖2(b)為簡(jiǎn)化后的數(shù)值模擬計(jì)算模型，數(shù)值計(jì)算模型包括直徑20 mm、長(zhǎng)度140 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，內(nèi)徑20 mm、外徑28 mm、長(zhǎng)度140 mm的環(huán)形樹(shù)脂錨固劑和內(nèi)徑28 mm、外徑42 mm、長(zhǎng)度140 mm的鋼管。要求錨固劑在140 mm錨固長(zhǎng)度內(nèi)與錨桿、鋼管密切配合并且不產(chǎn)生互相滲透作用。錨桿、樹(shù)脂錨固劑采用四面體網(wǎng)格劃分，鋼管用六面體網(wǎng)格劃分。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量及模擬效果，網(wǎng)格生成時(shí)對(duì)錨桿橫肋、錨桿桿體與錨固劑接觸面、錨固劑與鋼管接觸面進(jìn)行網(wǎng)格的局部細(xì)化。

模擬中假設(shè)錨固劑與鋼管接觸面不發(fā)生破壞，接觸類型定義為Bonded[30-31]，其他屬性選擇自動(dòng)控制；錨桿與錨固劑的接觸類型定義為Frictional，設(shè)接觸面間摩擦因數(shù)為0.2。數(shù)值模擬過(guò)程中，在孔口錨桿所在位置的端面上施加軸向的拉力，使用0～150 kN線性遞增的方式逐步進(jìn)行加載，孔口鋼管端面施加固定約束。為了保證計(jì)算更容易收斂，將求解器設(shè)為直接求解器進(jìn)行求解，且在錨桿桿體表面以及樹(shù)脂錨固劑內(nèi)表面布置2條測(cè)線，實(shí)時(shí)監(jiān)控相應(yīng)的等效應(yīng)力與位移的變化規(guī)律。

2.2 模擬方案

由于篇幅所限，模擬選用煤礦常用的中速樹(shù)脂錨固劑為例。根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 146.1—2011《樹(shù)脂錨桿第1部分》[32]：錨固劑中固膠比應(yīng)不小于4%。為此，總共模擬了5種固膠比下的拉拔試驗(yàn)，即固膠比為2%(對(duì)照組),4%,6%,8%和10%時(shí)的拉拔試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得出錨桿、鋼管以及不同固膠比樹(shù)脂錨固劑的力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 拉拔試驗(yàn)?zāi)M的力學(xué)參數(shù)

2.3 中速樹(shù)脂錨固劑不同固膠比時(shí)錨固性能

2.3.1不同固膠比錨固段錨桿體軸向應(yīng)力分布

以孔口錨桿受力端為原點(diǎn)，孔底方向?yàn)檎较?，分別模擬錨固長(zhǎng)度為140 mm情況下5種不同固膠比時(shí)錨桿的拉拔試驗(yàn)。拉力為60 kN時(shí)錨桿的等效應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 60 kN時(shí)不同固膠比錨桿桿體應(yīng)力云圖

由圖3可知，樹(shù)脂錨固劑固膠比為2%時(shí)，錨桿的等效應(yīng)力為388.11 MPa。固膠比為4%,6%,8%,10%的應(yīng)力值分別為391.85,417.48,429.54,420.74 MPa。與固膠比2%的應(yīng)力相比，其應(yīng)力值分別提高了0.96%,7.57%,10.67%,8.41%。固膠比為8%的最大應(yīng)力高于其他。在錨桿橫肋側(cè)均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在錨桿受力端橫肋處應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯；由于拉拔力傳遞至錨固段底部的力越來(lái)越小，遠(yuǎn)離錨桿受力端橫肋側(cè)應(yīng)力集中范圍相應(yīng)的減小。

錨固段錨桿桿體橫肋側(cè)等效應(yīng)力沿軸向分布曲線以及位移分布曲線如圖4所示。

圖4 5種固膠比下錨桿工作時(shí)力學(xué)特征

由圖4(a)可知，由于不同固膠比樹(shù)脂錨固劑力學(xué)參數(shù)相差不大，所以應(yīng)力值相差不大。但整體可明顯看出，不同固膠比錨桿體等效應(yīng)力在錨桿橫肋處應(yīng)力較大。靠近錨桿受力端處錨桿前4個(gè)橫肋處應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯。在固膠比為2%,4%,6%,8%,10%，與固膠比2%的應(yīng)力峰值相比，拉力相同時(shí)，錨桿桿體橫肋側(cè)出現(xiàn)的應(yīng)力峰值與固膠比呈正相關(guān)。但固膠比為8%時(shí)，錨桿桿體橫肋側(cè)的應(yīng)力峰值明顯大于其他固膠比下的應(yīng)力峰值。且每種情況下應(yīng)力值均由受力端向自由端方向逐漸減小。若把60 kN的拉力看作錨桿預(yù)應(yīng)力，當(dāng)錨固劑固膠比為8%時(shí)，對(duì)預(yù)應(yīng)力向鉆孔深處的擴(kuò)散越有利。由圖4(b)可知，隨距錨桿受力端距離的增大，其軸向位移均出現(xiàn)不同程度的減小。固膠比為2%時(shí)錨桿軸向位移減小幅度最大，而固膠比為8%時(shí)錨桿位移減小幅度最小。

2.3.2不同固膠比時(shí)錨固劑剪應(yīng)力分布

錨固時(shí)圍巖向自由空間移動(dòng)，力的傳遞先由巖體到黏結(jié)材料，再由黏結(jié)材料到錨桿，涉及3種介質(zhì)和兩個(gè)界面的復(fù)雜傳遞過(guò)程，其中界面剪應(yīng)力分布規(guī)律尤為重要[33]。錨固劑應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 60 kN時(shí)不同固膠比錨固劑剪應(yīng)力云圖

由圖5可知，樹(shù)脂錨固劑固膠比為2%時(shí)，其剪應(yīng)力為30.83 MPa。固膠比為4%,6%,8%,10%時(shí)為34.60,44.08,68.65,61.18 MPa。與固膠比為2%相比，剪應(yīng)力值分別提升了12.23%,42.98%,122.67%,98.44%，固膠比為8%時(shí)樹(shù)脂錨固劑的剪應(yīng)力最大。

樹(shù)脂錨固劑內(nèi)壁剪應(yīng)力、位移沿軸向分布規(guī)律如圖6所示。

圖6 5種固膠比下錨固劑工作時(shí)力學(xué)特征

由圖6(a)可知，在錨桿桿體橫肋作用下，不同固膠比時(shí)，樹(shù)脂錨固劑內(nèi)壁均出現(xiàn)不同程度的剪應(yīng)力集中區(qū)域，剪應(yīng)力值均由受力端向錨固端底部方向逐漸遞減。由圖6(b)可知，固膠比在2%,4%時(shí)，錨固劑位移變化幅度較大；而固膠比在6%,8%,10%時(shí)，錨固劑位移變化幅度較小。固膠比為8%時(shí)位移變化幅度相較于其他情況下變化幅度最小。說(shuō)明固膠比在8%時(shí)，錨固效果更好，錨桿與錨固劑間不易發(fā)生大的滑移破壞，能夠確保錨固質(zhì)量與錨固效果。

綜合以上分析可得，中速樹(shù)脂錨固劑在固膠比為8%時(shí)，錨桿桿體以及錨固劑所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值最大，相對(duì)應(yīng)的位移最小，是有效提升錨固系統(tǒng)錨固力的最佳比例。

3 樹(shù)脂錨固劑固膠比與錨固效果關(guān)系試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

3.1.1螺紋鋼錨桿

選用目前煤礦上常用的φ20 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，將其用切割機(jī)切割成長(zhǎng)為240 mm，共加工45根錨桿。為了錨桿與模擬試驗(yàn)設(shè)備中的鉆頭夾持裝置相匹配，使試驗(yàn)所用錨桿與鉆孔垂直并居中，將切割后的錨桿的一端銑出一個(gè)長(zhǎng)度為60 mm、直徑為18.6 mm的圓柱。試驗(yàn)所用部分錨桿如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)所用錨桿

3.1.2試驗(yàn)鋼管

YAZICI等[34]先將厚壁理論引入到灌漿的錨固力學(xué)研究領(lǐng)域，CAO等[35]運(yùn)用厚壁理論在不同的邊界條件下對(duì)錨固力場(chǎng)進(jìn)行了分析研究，研究將厚壁理論應(yīng)用于巷道錨桿支護(hù)中。其中為了更加真實(shí)的模擬井下巷道圍巖錨固孔，用鋼管來(lái)替代；將錨桿錨固于鋼管中進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，鋼管在試驗(yàn)過(guò)程中的受力與變形，可近似的等價(jià)為巷道圍巖錨固孔的受力與變形。且在試驗(yàn)過(guò)程考慮“三徑匹配”的要求[20]以及試驗(yàn)設(shè)備的條件，選用內(nèi)徑28 mm、外徑42 mm、高度140 mm的鋼管來(lái)替代巷道圍巖錨固孔。為了保證鋼管在錨固過(guò)程中保持穩(wěn)定不動(dòng)，在鋼管表面中間兩側(cè)位置處，各銑一個(gè)深約為2 mm的平面，以確保試驗(yàn)所用夾具更好的夾緊鋼管，以防晃動(dòng)；在錨固過(guò)程中為了保證樹(shù)脂錨固劑不從鋼管底部露出，在鋼管內(nèi)腔底部均勻的涂抹一層厚度為2 mm的環(huán)氧樹(shù)脂封堵。如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)鋼管

3.1.3樹(shù)脂錨固劑

錨桿試件錨固長(zhǎng)度la為125 mm，根據(jù)錨桿錨固長(zhǎng)度理論計(jì)算公式[36]為

(4)

得到試驗(yàn)所用樹(shù)脂錨固劑長(zhǎng)度為

(5)

式中，la為錨固長(zhǎng)度，m；dr為錨固劑直徑，mm；D為鉆孔直徑，mm；d為錨桿桿體直徑，mm；lr為錨固劑長(zhǎng)度，m。

通過(guò)式(5)計(jì)算可得，試驗(yàn)應(yīng)選用直徑23 mm、長(zhǎng)度為90 mm的樹(shù)脂錨固劑。且在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中盡可能保證試驗(yàn)所處環(huán)境溫度為(22±1)℃，以防溫度過(guò)低或過(guò)高影響樹(shù)脂錨固劑的粘稠度，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。

3.1.4模擬錨固試驗(yàn)設(shè)備

錨桿錨固試驗(yàn)在CX-15035重型液壓自動(dòng)鉆孔機(jī)上進(jìn)行，如圖9所示。該試驗(yàn)設(shè)備伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與鉆速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，可設(shè)定鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度以及推進(jìn)距離，能夠?qū)崿F(xiàn)試件居中且自動(dòng)連續(xù)推進(jìn)。試驗(yàn)設(shè)定攪拌速度為500 r/min，推進(jìn)速度為21 mm/s，推進(jìn)距離為135 mm(確保錨桿端部恰好至鉆孔底部)。

圖9 CX-15035試驗(yàn)自動(dòng)鉆孔機(jī)

3.2 錨固試驗(yàn)方案

3.2.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)選用3種常用的樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行錨固性能試驗(yàn)，即超快、快速、中速3種類型。

3.2.2試驗(yàn)方案

先選用散裝超快、快速和中速3種樹(shù)脂錨固劑，通過(guò)試驗(yàn)要求進(jìn)行配制。在試驗(yàn)過(guò)程中為了避免樹(shù)脂膠泥與固化劑2者之間快速反應(yīng)，使用聚酯薄膜雙孔包裝袋將2者進(jìn)行隔開(kāi)。固化劑的用量按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即固膠比不小于4%為基準(zhǔn)進(jìn)行添加。配制試驗(yàn)所用樹(shù)脂錨固劑時(shí)，為了保證固化劑與樹(shù)脂膠泥的質(zhì)量比不小于4%，設(shè)置一組對(duì)照組(即固膠比為2%)，以便與其他各組形成對(duì)比。固膠比依次按2%,4%,6%,8%,10%共5組進(jìn)行配制，每組3個(gè)試件，3種類型錨固劑，共進(jìn)行45次試驗(yàn)。

3.2.3配制方法

根據(jù)前面計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)所用樹(shù)脂錨固劑的長(zhǎng)度為90 mm。取一支完整樹(shù)脂錨固劑截取90 mm并將其剖開(kāi)，稱取所含樹(shù)脂膠泥的質(zhì)量約為80 g。為此，試驗(yàn)過(guò)程中樹(shù)脂膠泥的用量以80 g為基準(zhǔn)進(jìn)行稱取，而固化劑的質(zhì)量按照固膠比為2%,4%,6%,8%和10%進(jìn)行量取，配比方案見(jiàn)表2。

表2 固膠比配比方案

續(xù)表

為了確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性以及減小試驗(yàn)誤差等，在稱取錨固劑中樹(shù)脂膠泥與固化劑的質(zhì)量時(shí)，先對(duì)聚酯薄膜雙孔包裝袋進(jìn)行去皮處理，借助注射器(削去頭部)往聚酯薄膜雙孔包裝袋中倒取膠泥，直至達(dá)到80 g左右為止。固化劑稱取用細(xì)小的注射器完成，依次稱取試驗(yàn)所用固化劑的質(zhì)量。每次注射完相應(yīng)的固化劑后，反復(fù)用清水清洗注射器，以保證試驗(yàn)過(guò)程重復(fù)使用以及減少試驗(yàn)誤差等。如圖10,11所示。

圖11 配制好的樹(shù)脂錨固劑

依次將配制完成后的超快、快速、中速3類樹(shù)脂錨固劑，根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 146.1—2011《樹(shù)脂錨桿第1部分》要求[32]進(jìn)行攪拌錨固，具體見(jiàn)表3。

表3 樹(shù)脂錨固劑使用執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

3.2.4錨固試件

將加工好的錨桿，分別錨固于上述對(duì)應(yīng)的不同種類不同固膠比的樹(shù)脂錨固劑中，嚴(yán)格控制錨桿的居中度，確保錨固質(zhì)量與錨固效果。待樹(shù)脂膠泥完全固化后，將試件放置在恒溫箱中，設(shè)置溫度(22±1)℃，靜置24 h；然后取出養(yǎng)護(hù)好的錨固試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。錨固后的試件如圖12所示。

圖12 錨固后的部分試件

3.3 錨固性能試驗(yàn)

試驗(yàn)主要研究錨桿在不同種類不同固膠比樹(shù)脂錨固劑中的黏結(jié)性能和抗剪性能的優(yōu)劣。試驗(yàn)在YNS300型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖13所示。試驗(yàn)機(jī)最大試驗(yàn)力300 kN，試驗(yàn)所用試件采用液壓夾持，夾持范圍φ26～46 mm，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)試件進(jìn)行拉伸，實(shí)現(xiàn)全程連續(xù)測(cè)量。

圖13 YNS300型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

4 不同樹(shù)脂錨固劑不同固膠比錨固性能分析

4.1 錨固力分析原則

取每組試件峰值錨固力的平均值作為最終組的錨固力，若每組試件中有些數(shù)據(jù)偏差過(guò)大，即最大值或者最小值與中間值的差超過(guò)10%，則將該數(shù)據(jù)舍棄，僅保留中間值數(shù)據(jù)并將其作為最終組的錨固力。

4.2 超快錨固劑不同固膠比錨固力分析

根據(jù)表2中超快樹(shù)脂錨固劑固膠比配比方案，得到固膠比為2%,4%,6%,8%,10%時(shí)的試件錨固力與位移關(guān)系曲線，如圖14所示。

圖14 CK型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比下試件錨固力-位移曲線

由圖14可知，隨著拉拔位移量的增大，錨桿錨固力均呈先迅速增大，后逐漸減小的趨勢(shì)。隨著固膠比的增大，錨桿達(dá)到錨固力峰值時(shí)產(chǎn)生的平均位移量，由10.52 mm(2%)逐漸增大至17.69 mm(6%)，然后迅速減小至13.01 mm(10%)，錨桿試件達(dá)到錨固力峰值的位移量在10.5～17.7 mm。

試驗(yàn)所設(shè)對(duì)照組(即固膠比為2%)的錨桿錨固力峰值為66 kN，當(dāng)樹(shù)脂錨固劑固膠比依次為4%,6%,8%,10%時(shí)，錨桿錨固力峰值平均值分別為87.55,102.71,108.62,87.58 kN，相較于對(duì)照組錨桿錨固力峰值，固膠比為4%時(shí)，錨固力峰值平均值增加了24.61%；固膠比為6%時(shí)，錨固力峰值平均值增加了35.74%；固膠比為8%時(shí)，錨固力峰值平均值增加了39.24%；固膠比為10%時(shí)，錨固力峰值平均值增加了24.64%。

綜上所述，CK型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比時(shí)，錨桿錨固力峰值及其平均值如圖15所示。

圖15 CK型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比下錨桿錨固力峰值及其平均值

由圖15可知，CK型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比下各組試件錨固力峰值平均值呈先迅速增大再逐漸減小的趨勢(shì)，并明顯產(chǎn)生了一個(gè)極大值，即GCK-D組。固膠比為8%的錨固力峰值平均值明顯高于其他固膠比的錨固力峰值平均值，錨固質(zhì)量與錨固系統(tǒng)的承載能力較高。因此，CK型樹(shù)脂錨固劑最佳固膠比為8%。

4.3 快速錨固劑不同固膠比錨固力分析

根據(jù)表2中快速樹(shù)脂錨固劑固膠比配比方案，得到固膠比為2%,4%,6%,8%,10%時(shí)的試件錨固力與位移關(guān)系曲線，如圖16所示。

圖16 K型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比下試件錨固力-位移曲線

由圖16可得，隨著拉拔位移量的增大，錨桿錨固力均呈先迅速增大，后逐漸減小的趨勢(shì)。隨著樹(shù)脂錨固劑固膠比的增大，錨桿達(dá)到錨固力峰值時(shí)產(chǎn)生的平均位移量，由9.41 mm(2%)逐漸增大至13.59 mm(4%)，然后迅速減小至9.13 mm(10%)，錨桿試件達(dá)到錨固力峰值的位移量在8.17～13.59 mm。

試驗(yàn)所設(shè)對(duì)照組(即固膠比為2%)的錨桿錨固力峰值為84.39 kN，當(dāng)錨固劑固膠比依次為4%,6%,8%,10%時(shí)，錨桿錨固力峰值平均值分別為91.08,90.25,71.34,81.06 kN，相較于對(duì)照組錨桿錨固力峰值而言，固膠比為4%時(shí)，錨固力峰值平均值增加了7.35%；固膠比為6%時(shí)，錨固力峰值平均值增加了6.49%；固膠比為8%時(shí)，錨固力峰值平均值減小了15.46%；固膠比為10%時(shí)，錨固力峰值平均值減小了3.95%。

綜上所述，K型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比時(shí)，錨桿錨固力峰值及其平均值如圖17所示。

圖17 K型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比下錨桿錨固力峰值及其平均值

由圖17可知，K型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比下各組試件錨固力峰值平均值整體上呈先迅速增大再逐漸減小的趨勢(shì)，并明顯產(chǎn)生了一個(gè)極大值，即GK-B組。固膠比為4%的錨固力峰值平均值明顯高于其他固膠比的錨固力峰值平均值，錨固質(zhì)量與錨固系統(tǒng)的承載能力較高。因此，K型樹(shù)脂錨固劑最佳固膠比為4%。

4.4 中速錨固劑不同固膠比錨固力分析

根據(jù)表2的中速樹(shù)脂錨固劑固膠比配比方案，可分別得到固膠比為2%,4%,6%,8%,10%時(shí)的試件錨固力與位移關(guān)系曲線，如圖18所示。

圖18 Z型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比下試件錨固力-位移曲線

由圖18可知，隨著錨桿拉拔位移量的增大，錨桿錨固力均呈先迅速增大，后逐漸減小的趨勢(shì)。隨著固膠比的增大，錨桿達(dá)到錨固力峰值時(shí)產(chǎn)生的平均位移量，由11.96 mm(2%)逐漸增大至18.04 mm(6%)，然后迅速減小至10.62 mm(10%)，錨桿試件達(dá)到錨固力峰值位移量在10.15～18.04 mm。

試驗(yàn)所設(shè)對(duì)照組(即固膠比為2%)的錨桿錨固力峰值為79.46 kN，當(dāng)錨固劑固膠比依次為4%,6%,8%,10%時(shí)，錨桿錨固力峰值平均值分別為79.77,97.57,104.14,99.54 kN，相較于對(duì)照組錨桿錨固力峰值，固膠比為4%時(shí)，錨固力峰值平均值增加了0.38%；固膠比為6%時(shí)，錨固力峰值平均值增加了18.56%；固膠比為8%時(shí)，錨固力峰值平均值增加了23.70%；固膠比為10%時(shí)，錨固力峰值平均值增加了20.17%。

綜上所述，Z型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比時(shí)，錨桿錨固力峰值及其平均值如圖19所示。

圖19 Z型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比下錨桿錨固力峰值及其平均值

由圖19可知，Z型樹(shù)脂錨固劑不同固膠比下各組試件錨固力峰值平均值呈先迅速增大再逐漸減小的趨勢(shì)，并明顯產(chǎn)生了一個(gè)極大值，即GZ-D組。固膠比為8%的錨固力峰值平均值明顯高于其他固膠比的錨固力峰值平均值，錨固質(zhì)量與錨固系統(tǒng)的承載能力較高。因此，Z型樹(shù)脂錨固劑最佳固膠比為8%。

4.5 工程參考

考慮巷(隧)道施工現(xiàn)場(chǎng)樹(shù)脂錨固劑的使用情況以及固膠比對(duì)樹(shù)脂錨固效果的影響，以實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，得出滿足現(xiàn)場(chǎng)要求的樹(shù)脂錨固劑最佳固膠比參數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 工程現(xiàn)場(chǎng)樹(shù)脂錨固劑使用參考

5 現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方案

在新鄭煤電有限公司二1煤回采巷道試驗(yàn)3種樹(shù)脂錨固劑使用情況：① 2根直徑23 mm、長(zhǎng)度350 mm超快速(CK-2335)樹(shù)脂錨固劑；② 2根直徑23 mm、長(zhǎng)度500 mm快速(K-2350)樹(shù)脂錨固劑；③ 2根直徑23 mm、長(zhǎng)度500 mm中速(Z-2350)樹(shù)脂錨固劑。配制了不同固膠比(固膠比為2%,4%,6%,8%,10%)不同類型(CK,K，Z)的樹(shù)脂錨固劑，利用氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)配以φ20 mm×2 400 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿及其相關(guān)配套設(shè)備工具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)錨桿錨固試驗(yàn)。

5.2 試驗(yàn)測(cè)站布置

錨固試驗(yàn)在14206綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷煤幫部進(jìn)行，為了盡可能減少煤層賦存變化對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所造成的影響，試驗(yàn)地點(diǎn)選在煤層賦存比較完整的一個(gè)區(qū)域完成全部試驗(yàn)。為減小施工對(duì)結(jié)果所造成的影響，在攪拌樹(shù)脂錨固劑時(shí)嚴(yán)格按照表3進(jìn)行施工。錨固試驗(yàn)共布置15個(gè)測(cè)站。其中測(cè)站1～5分別對(duì)應(yīng)固膠比為2%,4%,6%,8%,10%的CK型樹(shù)脂錨固劑，每個(gè)測(cè)站進(jìn)行3次錨固試驗(yàn)，每次采用2根相同固膠比的樹(shù)脂錨固劑。同理，測(cè)站6～10分別對(duì)應(yīng)固膠比為2%,4%,6%,8%,10%的K型樹(shù)脂錨固劑；測(cè)站11～15分別對(duì)應(yīng)固膠比為2%,4%,6%,8%,10%的Z型樹(shù)脂錨固劑。試驗(yàn)測(cè)站布置如圖20所示。

圖20 錨固試驗(yàn)測(cè)站布置

5.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

依據(jù)上述試驗(yàn)方案與測(cè)站布置，按照表4所示現(xiàn)場(chǎng)使用參考參數(shù)進(jìn)行錨桿錨固試驗(yàn)，在錨固結(jié)束2 h后對(duì)各測(cè)站位置處錨桿進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，結(jié)果如圖21所示。

由圖21可知，同一類型不同固膠比的樹(shù)脂錨固劑，其錨固力大小不同。在測(cè)站1～5使用2根固膠比相同的超快樹(shù)脂錨固劑(CK-2335)，分別對(duì)應(yīng)固膠比2%,4%,6%,8%,10%，發(fā)現(xiàn)固膠比8%時(shí)的錨固力明顯大于其余各組；同理，在測(cè)站6～10使用2根固膠比相同的快速樹(shù)脂錨固劑(K-2350)，分別對(duì)應(yīng)固膠比2%,4%,6%,8%,10%，發(fā)現(xiàn)固膠比4%時(shí)的錨固力明顯大于其余各組；在測(cè)站11～15使用2根固膠比相同的中速樹(shù)脂錨固劑(Z-2350)，分別對(duì)應(yīng)固膠比2%,4%,6%,8%,10%，發(fā)現(xiàn)中速樹(shù)脂錨固劑固膠比8%時(shí)的錨固力明顯大于其余各組。

圖21 不同類型不同固膠比樹(shù)脂錨固劑錨固力分布

6 結(jié) 論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬研究得出，不同固膠比的樹(shù)脂錨固劑工作時(shí)，錨桿與錨固劑受力狀態(tài)有所不同，但峰值應(yīng)力均出現(xiàn)在錨桿橫肋及錨固劑與錨桿橫肋下表面接觸處。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，5種不同固膠比樹(shù)脂錨固劑工作時(shí)，錨桿以及錨固劑位移均有不同程度的變化，中速樹(shù)脂錨固劑隨著固膠比的增加，錨桿錨固力也逐漸增加，在固膠比為8%時(shí)錨桿錨固力最大。

(3)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中速樹(shù)脂錨固劑在不同固膠比下錨固力峰值平均值呈先迅速增大再逐漸減小的趨勢(shì)，在固膠比為8%時(shí)，錨固力峰值平均值達(dá)到最大；超快、快速樹(shù)脂錨固劑在固膠比為8%,4%時(shí)，錨固力峰值平均值達(dá)到最大。

(4)現(xiàn)場(chǎng)錨固力測(cè)試試驗(yàn)表明，使用不同固膠比的超快、快速以及中速樹(shù)脂錨固劑錨固時(shí)，錨桿錨固力大小差異顯著，不同類型樹(shù)脂錨固劑采用最佳固膠比時(shí)，錨固力明顯大于其他情況。

(5)雖然井下所用錨桿鉆機(jī)與實(shí)驗(yàn)室鉆機(jī)有所區(qū)別，但試驗(yàn)中所用樹(shù)脂錨固劑與現(xiàn)場(chǎng)相同。因此，研究結(jié)果能夠?yàn)殄^固劑配制及選擇具有一定的指導(dǎo)作用，對(duì)于保證樹(shù)脂錨固工程質(zhì)量具有一定理論參考價(jià)值。