礦用緩凝型樹脂錨固劑的研究

梁國治，周孟穎，張奮奮

(安徽省煤炭科學(xué)研究院火災(zāi)熱害研究中心，安徽合肥 230001)

目前，我國許多煤礦的淺部資源已經(jīng)逐漸枯竭，礦井逐漸進(jìn)入深部開采，錨索已成為深井巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)中必不可少的一部分［1］。但在支護(hù)實(shí)踐中錨索內(nèi)錨失效現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，多個(gè)礦區(qū)造成冒頂事故，嚴(yán)重威脅礦工的生命安全［2］。目前支護(hù)中普遍使用的是拉力集中型錨索，在內(nèi)錨固起始端產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，造成錨固體深度方向的漸進(jìn)破壞，最終導(dǎo)致內(nèi)錨失效，給煤礦巷道支護(hù)與安全造成嚴(yán)重威脅［3］。

為克服拉力集中型錨索在使用中的缺陷，提高錨索利用率，保證煤礦開采的安全性，研究出一種新型拉力分散型錨索錨固工藝，具有重要意義［4］。

新型拉力分散型錨索錨固工藝采用兩種不同錨固性能的錨固劑，其中一種是目前市場上使用的快速樹脂錨固劑，另一種是緩凝型樹脂錨固劑(4 h ＜初凝時(shí)間＜24 h)，通過兩者固化時(shí)間的不同，實(shí)現(xiàn)分次錨固，以改善錨索內(nèi)錨段受力狀態(tài)，提高錨索的錨固性能。目前國內(nèi)尚無緩凝型樹脂錨固劑的相關(guān)報(bào)道，因此，為實(shí)現(xiàn)新型拉力分散型錨索錨固工藝，迫切需要研制一種新型的緩凝樹脂錨固劑。

本文研制了一種緩凝型樹脂錨固劑，并對其凝膠時(shí)間和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

對苯二酚、一縮二乙二醇、環(huán)烷酸鈷、過氧化甲乙酮、鄰苯二甲酸二甲酯均為分析純;191 不飽和聚酯樹脂、白炭黑、粗石粉、細(xì)石粉、滑石粉均為工業(yè)級。

WEW-600B 電液式萬能試驗(yàn)機(jī);RC5600-24N 數(shù)據(jù)采集儀;凱馬-400 切割機(jī);TYMP 磨片機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

緩凝型樹脂錨固劑分為兩個(gè)組分，分別是樹脂膠泥部分和固化劑膠泥部分，使用時(shí)將兩組分按一定的比例均勻混合［5］。

1.2.1 樹脂膠泥的配制 將適量阻聚劑對苯二酚、一縮二乙二醇和促進(jìn)劑環(huán)烷酸鈷加入到不飽和聚酯樹脂中，攪拌均勻，再加入無機(jī)填料(粗石粉、細(xì)石粉和白炭黑)，混合均勻，即得到樹脂膠泥。

1.2.2 固化劑膠泥的配制 將引發(fā)劑過氧化甲乙酮(按1%比例溶解于鄰苯二甲酸二甲酯溶劑中)加入無機(jī)填料(滑石粉和白炭黑)中，混合均勻，即得到適當(dāng)稠度的固化劑膠泥。

1.2.3 緩凝型樹脂錨桿錨固劑的配制 將樹脂膠泥和固化劑膠泥按一定比例混合均勻，即得到緩凝型樹脂錨桿錨固劑，對其緩凝時(shí)間和力學(xué)性能進(jìn)行檢測。

1.3 性能測試

1.3.1 凝膠時(shí)間［6］當(dāng)樹脂膠泥加入固化劑并攪拌均勻以后開始計(jì)時(shí)，每30 min 用手觸摸，判斷其流動(dòng)性的改變，當(dāng)膠泥流動(dòng)性明顯降低，并開始結(jié)成膠凍狀后，即可判定錨固劑已經(jīng)凝膠，此期間所耗時(shí)間即為樹脂錨固劑凝膠時(shí)間。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度 按照中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 146.1—2011［6］，制作了40 mm ×40 mm ×40 mm 立方體試模，共2 組6 塊;3 塊Φ50 mm ×100 mm 的圓柱體試件，室溫自然養(yǎng)護(hù)，錨固劑充分硬化后拆模，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測其抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 配方設(shè)計(jì)［7-8］

選擇191 不飽和樹脂、阻聚劑、促進(jìn)劑、引發(fā)劑進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以樹脂錨固劑凝膠時(shí)間為衡量指標(biāo)，因素水平見表1，結(jié)果見表2。

表1 因素及水平表Table 1 The table of factor and level

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal test table

緩凝型樹脂錨固劑要求凝膠時(shí)間滿足(＞4 h，＜24 h)。由表2 可知，緩凝型樹脂錨固劑的樹脂膠泥配方最佳組合為:191 不飽和樹脂100 g，阻聚劑(對苯二酚、一縮二乙二醇)0.3 g，促進(jìn)劑(環(huán)烷酸鈷)0.5 g，無機(jī)填料粗石粉、細(xì)石粉和白炭黑分別為200 g、300 g 和2 g;固化劑膠泥配方為:引發(fā)劑(過氧化甲乙酮)4 g，白炭黑1.7 g。

2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對上述配方研制的緩凝型樹脂錨固劑的凝膠時(shí)間、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果見表3、表4。

表3 凝膠時(shí)間Table 3 Gel time

由表3 可知，所研制的緩凝型樹脂錨固劑的凝膠時(shí)間為480 ～500 min，可滿足新型拉力分散型錨索錨固工藝要求，提高錨索的錨固性能。

表4 錨固劑單向抗壓強(qiáng)度測定Table 4 The unidirectional compressive strength determination table of anchor agent

圖1 和圖2 分別為緩凝型樹脂錨固劑直接加載至破壞和循環(huán)加載破壞應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖1 抗壓強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 The stress-strain curve of compressive strength

圖2 循環(huán)加載抗壓強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 The stress-strain curve of cyclic loading compressive strength

由圖1、圖2 可知，直接加載模式下錨固劑抗壓強(qiáng)度為62 MPa，循環(huán)加載模式下抗壓強(qiáng)度有所降低，為60 MPa 左右，說明了錨固劑具有變形記憶特性。對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到圓柱體試件平均破壞載荷為119.8 kN，立方體試件平均破壞載荷為97.1 kN。由表4 可知，緩凝型樹脂錨固劑的平均破壞載荷為61 MPa，可以滿足煤礦巷道錨固劑使用要求。

3 結(jié)論

(1)緩凝型樹脂錨桿錨固劑由樹脂膠泥部分和固化劑膠泥組成，以樹脂錨固劑凝膠時(shí)間和抗壓強(qiáng)度為衡量指標(biāo)，最佳樹脂膠泥配方為:191 不飽和樹脂100 g，阻聚劑0.3 g，促進(jìn)劑0.5 g，無機(jī)填料粗石粉、細(xì)石粉和白炭黑分別為200 g、300 g 和2 g;固化劑膠泥配方為:引發(fā)劑4 g，白炭黑1.7 g。

(2)研制的緩凝型樹脂錨固劑的凝膠時(shí)間(手工判斷)均值為490 min，大大延長了樹脂錨固劑的凝膠時(shí)間，滿足新型拉力分散型錨索錨固工藝要求，提高錨索的錨固性能，從而提高煤礦巷道支護(hù)的穩(wěn)定性和安全性。

(3)緩凝型樹脂錨固劑抗壓強(qiáng)度為61 MPa，可以滿足煤礦巷道錨固劑使用要求。

［1］ 王中奎.急傾斜厚煤層分層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支護(hù)技術(shù)研究［J］.煤炭與化工，2013(12):51-52.

［2］ 楊波濤.礦井掘進(jìn)工作面冒頂事故的原因及防治對策探討［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2012(18):107-108.

［3］ 康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007(7):680-685.

［4］ 田裕甲.壓力分散型錨索與拉力型錨索的比較——再論新型錨索結(jié)構(gòu)系列及工程應(yīng)用［J］.OVM 通訊，2002(3):67-69.

［5］ 李勝方，張聶，余波.高強(qiáng)度低氣味耐腐蝕呋喃樹脂膠泥的制備及性能［J］. 湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(6):33-37.

［6］ 丁全錄，郭建明，張宇，等.MT 146.1-2011 樹脂錨桿 第1 部分:錨固劑［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2011.

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

［8］ 康瀠丹，朱玉紅，武士威. UP 樹脂室溫固化體系的影響因素及其進(jìn)展概述［J］.沈陽師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001(1):40-44.