礦用樹脂錨固劑固膠比與錨固性能關系

劉少偉，何亞飛，付孟雄，姜彥軍，李永恩，范 凱

(1. 河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2. 煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；3. 河南省新鄭煤電有限責任公司，河南 鄭州 451184；4. 神華國能集團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任公司，四川 廣安 638020)

錨固作為巖土工程以及巷(隧)道支護的主要形式，在國內外已經得到廣泛的應用。其中錨桿(索)采用樹脂錨固的應用范圍最廣，使用量最大[1-2]。樹脂錨固劑作為錨桿(索)與圍巖體的黏結介質，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]。隨著礦井開采深度逐年的增大，地質條件的復雜多變，如遇松軟破碎圍巖體、地質構造等區(qū)域時，錨桿錨固效果較差，極易造成錨固失效等問題，巷(隧)道頂板存在安全隱患，為保證巷(隧)道正常使用，對錨固系統提出了更高的要求[5-6]。

針對我國巷(隧)道圍巖地質條件，研究出了不同固化速度(超快速、快速、中速)的樹脂錨固劑。由于其黏結強度大、固化快、成本低、安全可靠性高等性能，已廣泛運用于巷(隧)道支護中[7-10]。

國內外許多學者對影響礦用樹脂錨固劑錨固性能方面做了大量研究，針對錨桿不同肋間距、錨固劑環(huán)形厚度、錨固長度等研究都取得了一系列的成果，對了解影響樹脂錨固劑錨固性能因素有重要指導意義[11-14]；有關專家對樹脂錨固劑中樹脂、固化劑、促進劑、骨料等配方以及對樹脂錨固劑的力學性能，包括黏結力、抗壓強度、抗拉強度、收縮率等方面做了大量研究[15-16]；張明、CAO Chen等研究了在樹脂錨固劑中添加不同鋼質骨料對錨固性能的影響，指出添加骨料數量應選擇數量較小的骨料，而改變鋼質骨料粒徑時，應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、錨固劑力學性質對樹脂錨桿錨固性也存在影響[18-21]。樹脂錨固劑在不同溫度、濕度條件下對錨桿錨固力的試驗研究得出，溫度變化對樹脂錨桿錨固力產生影響，而在25 ℃條件下錨固力最大，頂板淋水對錨固力也有影響[22-27]?，F階段對樹脂錨固劑錨固性能試驗的研究主要集中在錨桿外形的優(yōu)化、溫度與濕度等對錨固性能的影響方面，而對樹脂錨固劑中樹脂膠泥與固化劑的最佳質量比(即固膠比)的研究尚且不多，因此，研究樹脂錨固劑不同固膠比錨固性能試驗很有必要，對錨固劑生產具有一定的意義。

筆者擬通過數值模擬與實驗室試驗相結合的方法，以左旋無縱筋螺紋鋼錨桿樹脂錨固為研究對象，在現有樹脂錨固劑研究的基礎上，通過改變樹脂錨固劑中固膠比的比例，分析樹脂錨固效果，得到不同種類樹脂錨固劑的最佳固膠比，為樹脂錨固劑的改進及應用提供有益的參考及指導。

1 樹脂錨固劑固化反應機理

目前，在巖土工程以及巷(隧)道錨桿支護錨固時，常用樹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。樹脂錨固劑通常由2種物料組成，即樹脂膠泥(膠泥里含有樹脂、白云石粉、白炭黑及促進劑等)和固化劑(固化劑里含有過氧化苯甲酰、輕鈣及水等)。目前，礦用樹脂錨固劑主要是通過鉆機帶動錨桿轉動，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下，在鉆孔內迅速攪拌均勻，進而達到錨固的效果。

圖1 樹脂錨固劑常用搭配方式

在攪拌樹脂錨固劑過程中，由于不飽和聚酯樹脂分子鏈上存在不飽和雙鍵與單體(如苯乙烯)的混合物(即樹脂)，在加入固化劑和促進劑的作用下形成線性高聚物，分解出大量的自由基。樹脂錨桿在井下安裝是在常溫條件下進行的，所以采用常溫的氧化-還原體系[5]。為了使樹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，通過電子轉移反應，生成中間產物自由基而引發(fā)聚合，在較短時間內得到較高轉化率和較高分子量，使樹脂錨固劑2種物料快速發(fā)生固化，達到預期錨固的效果[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為鏈增長速度常數；Ri為引發(fā)速率；t為反應時間；Kd為分解速率常數；Kt為鏈終止速率常數；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，假設各個參數是定值，單一的只考慮引發(fā)劑物質的量濃度對聚合速率的影響，可發(fā)現樹脂錨固劑的聚合速率與引發(fā)劑物質的量濃度的平方根成正比。為此，通過改變引發(fā)劑(固化劑)物質的量濃度的大小，可使線性高聚物分解出大量自由基，達到快速固化的目的。因此，固膠比的大小對樹脂錨固劑性能的發(fā)揮會有一定的影響，其量化關系需要研究。

2 樹脂錨固劑固膠比與錨固性能關系數值模擬

2.1 數值模型構建及邊界條件

分別建立了錨桿、樹脂錨固劑、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)為簡化后的數值模擬計算模型，數值計算模型包括直徑20 mm、長度140 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，內徑20 mm、外徑28 mm、長度140 mm的環(huán)形樹脂錨固劑和內徑28 mm、外徑42 mm、長度140 mm的鋼管。要求錨固劑在140 mm錨固長度內與錨桿、鋼管密切配合并且不產生互相滲透作用。錨桿、樹脂錨固劑采用四面體網格劃分，鋼管用六面體網格劃分。為了保證網格質量及模擬效果，網格生成時對錨桿橫肋、錨桿桿體與錨固劑接觸面、錨固劑與鋼管接觸面進行網格的局部細化。

模擬中假設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]，其他屬性選擇自動控制；錨桿與錨固劑的接觸類型定義為Frictional，設接觸面間摩擦因數為0.2。數值模擬過程中，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行加載，孔口鋼管端面施加固定約束。為了保證計算更容易收斂，將求解器設為直接求解器進行求解，且在錨桿桿體表面以及樹脂錨固劑內表面布置2條測線，實時監(jiān)控相應的等效應力與位移的變化規(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脂錨固劑為例。根據煤炭行業(yè)標準MT 146.1—2011《樹脂錨桿第1部分》[32]：錨固劑中固膠比應不小于4%。為此，總共模擬了5種固膠比下的拉拔試驗，即固膠比為2%(對照組),4%,6%,8%和10%時的拉拔試驗。根據實驗室測試得出錨桿、鋼管以及不同固膠比樹脂錨固劑的力學參數，見表1。

表1 拉拔試驗模擬的力學參數

2.3 中速樹脂錨固劑不同固膠比時錨固性能

2.3.1不同固膠比錨固段錨桿體軸向應力分布

以孔口錨桿受力端為原點，孔底方向為正方向，分別模擬錨固長度為140 mm情況下5種不同固膠比時錨桿的拉拔試驗。拉力為60 kN時錨桿的等效應力分布如圖3所示。

圖3 60 kN時不同固膠比錨桿桿體應力云圖

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

錨固段錨桿桿體橫肋側等效應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力學特征

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

2.3.2不同固膠比時錨固劑剪應力分布

錨固時圍巖向自由空間移動，力的傳遞先由巖體到黏結材料，再由黏結材料到錨桿，涉及3種介質和兩個界面的復雜傳遞過程，其中界面剪應力分布規(guī)律尤為重要[33]。錨固劑應力分布如圖5所示。

圖5 60 kN時不同固膠比錨固劑剪應力云圖

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

樹脂錨固劑內壁剪應力、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力學特征

由圖6(a)可知，在錨桿桿體橫肋作用下，不同固膠比時，樹脂錨固劑內壁均出現不同程度的剪應力集中區(qū)域，剪應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，錨固劑位移變化幅度較大；而固膠比在6%,8%,10%時，錨固劑位移變化幅度較小。固膠比為8%時位移變化幅度相較于其他情況下變化幅度最小。說明固膠比在8%時，錨固效果更好，錨桿與錨固劑間不易發(fā)生大的滑移破壞，能夠確保錨固質量與錨固效果。

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

3 樹脂錨固劑固膠比與錨固效果關系試驗

3.1 試驗材料

3.1.1螺紋鋼錨桿

選用目前煤礦上常用的φ20 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，將其用切割機切割成長為240 mm，共加工45根錨桿。為了錨桿與模擬試驗設備中的鉆頭夾持裝置相匹配，使試驗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長度為60 mm、直徑為18.6 mm的圓柱。試驗所用部分錨桿如圖7所示。

圖7 試驗所用錨桿

3.1.2試驗鋼管

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

圖8 試驗鋼管

3.1.3樹脂錨固劑

錨桿試件錨固長度la為125 mm，根據錨桿錨固長度理論計算公式[36]為

(4)

得到試驗所用樹脂錨固劑長度為

(5)

式中，la為錨固長度，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為錨固劑長度，m。

通過式(5)計算可得，試驗應選用直徑23 mm、長度為90 mm的樹脂錨固劑。且在整個試驗過程中盡可能保證試驗所處環(huán)境溫度為(22±1)℃，以防溫度過低或過高影響樹脂錨固劑的粘稠度，造成試驗數據的不準確。

3.1.4模擬錨固試驗設備

錨桿錨固試驗在CX-15035重型液壓自動鉆孔機上進行，如圖9所示。該試驗設備伺服電機可實現轉速與鉆速的無級調節(jié)，可設定鉆機轉速、推進速度以及推進距離，能夠實現試件居中且自動連續(xù)推進。試驗設定攪拌速度為500 r/min，推進速度為21 mm/s，推進距離為135 mm(確保錨桿端部恰好至鉆孔底部)。

圖9 CX-15035試驗自動鉆孔機

3.2 錨固試驗方案

3.2.1試驗目的

實驗室試驗選用3種常用的樹脂錨固劑進行錨固性能試驗，即超快、快速、中速3種類型。

3.2.2試驗方案

先選用散裝超快、快速和中速3種樹脂錨固劑，通過試驗要求進行配制。在試驗過程中為了避免樹脂膠泥與固化劑2者之間快速反應，使用聚酯薄膜雙孔包裝袋將2者進行隔開。固化劑的用量按照煤炭行業(yè)標準，即固膠比不小于4%為基準進行添加。配制試驗所用樹脂錨固劑時，為了保證固化劑與樹脂膠泥的質量比不小于4%，設置一組對照組(即固膠比為2%)，以便與其他各組形成對比。固膠比依次按2%,4%,6%,8%,10%共5組進行配制，每組3個試件，3種類型錨固劑，共進行45次試驗。

3.2.3配制方法

根據前面計算結果，試驗所用樹脂錨固劑的長度為90 mm。取一支完整樹脂錨固劑截取90 mm并將其剖開，稱取所含樹脂膠泥的質量約為80 g。為此，試驗過程中樹脂膠泥的用量以80 g為基準進行稱取，而固化劑的質量按照固膠比為2%,4%,6%,8%和10%進行量取，配比方案見表2。

表2 固膠比配比方案

續(xù)表

為了確保試驗準確性以及減小試驗誤差等，在稱取錨固劑中樹脂膠泥與固化劑的質量時，先對聚酯薄膜雙孔包裝袋進行去皮處理，借助注射器(削去頭部)往聚酯薄膜雙孔包裝袋中倒取膠泥，直至達到80 g左右為止。固化劑稱取用細小的注射器完成，依次稱取試驗所用固化劑的質量。每次注射完相應的固化劑后，反復用清水清洗注射器，以保證試驗過程重復使用以及減少試驗誤差等。如圖10,11所示。

圖11 配制好的樹脂錨固劑

依次將配制完成后的超快、快速、中速3類樹脂錨固劑，根據煤炭行業(yè)標準MT 146.1—2011《樹脂錨桿第1部分》要求[32]進行攪拌錨固，具體見表3。

表3 樹脂錨固劑使用執(zhí)行標準

3.2.4錨固試件

將加工好的錨桿，分別錨固于上述對應的不同種類不同固膠比的樹脂錨固劑中，嚴格控制錨桿的居中度，確保錨固質量與錨固效果。待樹脂膠泥完全固化后，將試件放置在恒溫箱中，設置溫度(22±1)℃，靜置24 h；然后取出養(yǎng)護好的錨固試件進行拉拔試驗。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

試驗主要研究錨桿在不同種類不同固膠比樹脂錨固劑中的黏結性能和抗剪性能的優(yōu)劣。試驗在YNS300型微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，如圖13所示。試驗機最大試驗力300 kN，試驗所用試件采用液壓夾持，夾持范圍φ26～46 mm，通過試驗機測控系統，對試件進行拉伸，實現全程連續(xù)測量。

圖13 YNS300型微機控制電液伺服萬能試驗機

4 不同樹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據偏差過大，即最大值或者最小值與中間值的差超過10%，則將該數據舍棄，僅保留中間值數據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

根據表2中超快樹脂錨固劑固膠比配比方案，得到固膠比為2%,4%,6%,8%,10%時的試件錨固力與位移關系曲線，如圖14所示。

圖14 CK型樹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。隨著固膠比的增大，錨桿達到錨固力峰值時產生的平均位移量，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%)，錨桿試件達到錨固力峰值的位移量在10.5～17.7 mm。

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

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

圖15 CK型樹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，并明顯產生了一個極大值，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，錨固質量與錨固系統的承載能力較高。因此，CK型樹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

根據表2中快速樹脂錨固劑固膠比配比方案，得到固膠比為2%,4%,6%,8%,10%時的試件錨固力與位移關系曲線，如圖16所示。

圖16 K型樹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。隨著樹脂錨固劑固膠比的增大，錨桿達到錨固力峰值時產生的平均位移量，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%)，錨桿試件達到錨固力峰值的位移量在8.17～13.59 mm。

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

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

圖17 K型樹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，并明顯產生了一個極大值，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，錨固質量與錨固系統的承載能力較高。因此，K型樹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

根據表2的中速樹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%時的試件錨固力與位移關系曲線，如圖18所示。

圖18 Z型樹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。隨著固膠比的增大，錨桿達到錨固力峰值時產生的平均位移量，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%)，錨桿試件達到錨固力峰值位移量在10.15～18.04 mm。

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

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

圖19 Z型樹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，并明顯產生了一個極大值，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，錨固質量與錨固系統的承載能力較高。因此，Z型樹脂錨固劑最佳固膠比為8%。

4.5 工程參考

考慮巷(隧)道施工現場樹脂錨固劑的使用情況以及固膠比對樹脂錨固效果的影響，以實驗室試驗結果為基礎，得出滿足現場要求的樹脂錨固劑最佳固膠比參數，見表4。

表4 工程現場樹脂錨固劑使用參考

5 現場工程試驗

5.1 試驗方案

在新鄭煤電有限公司二1煤回采巷道試驗3種樹脂錨固劑使用情況：① 2根直徑23 mm、長度350 mm超快速(CK-2335)樹脂錨固劑；② 2根直徑23 mm、長度500 mm快速(K-2350)樹脂錨固劑；③ 2根直徑23 mm、長度500 mm中速(Z-2350)樹脂錨固劑。配制了不同固膠比(固膠比為2%,4%,6%,8%,10%)不同類型(CK,K，Z)的樹脂錨固劑，利用氣動錨桿鉆機配以φ20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿及其相關配套設備工具進行現場錨桿錨固試驗。

5.2 試驗測站布置

錨固試驗在14206綜采工作面進風巷煤幫部進行，為了盡可能減少煤層賦存變化對試驗數據所造成的影響，試驗地點選在煤層賦存比較完整的一個區(qū)域完成全部試驗。為減小施工對結果所造成的影響，在攪拌樹脂錨固劑時嚴格按照表3進行施工。錨固試驗共布置15個測站。其中測站1～5分別對應固膠比為2%,4%,6%,8%,10%的CK型樹脂錨固劑，每個測站進行3次錨固試驗，每次采用2根相同固膠比的樹脂錨固劑。同理，測站6～10分別對應固膠比為2%,4%,6%,8%,10%的K型樹脂錨固劑；測站11～15分別對應固膠比為2%,4%,6%,8%,10%的Z型樹脂錨固劑。試驗測站布置如圖20所示。

圖20 錨固試驗測站布置

5.3 試驗數據對比分析

依據上述試驗方案與測站布置，按照表4所示現場使用參考參數進行錨桿錨固試驗，在錨固結束2 h后對各測站位置處錨桿進行拉拔試驗，結果如圖21所示。

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

圖21 不同類型不同固膠比樹脂錨固劑錨固力分布

6 結 論

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

(2)通過數值模擬研究發(fā)現，5種不同固膠比樹脂錨固劑工作時，錨桿以及錨固劑位移均有不同程度的變化，中速樹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%時錨桿錨固力最大。

(3)實驗室試驗發(fā)現，中速樹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，在固膠比為8%時，錨固力峰值平均值達到最大；超快、快速樹脂錨固劑在固膠比為8%,4%時，錨固力峰值平均值達到最大。

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

(5)雖然井下所用錨桿鉆機與實驗室鉆機有所區(qū)別，但試驗中所用樹脂錨固劑與現場相同。因此，研究結果能夠為錨固劑配制及選擇具有一定的指導作用，對于保證樹脂錨固工程質量具有一定理論參考價值。