水和温度对树脂锚杆锚固力的影响

第35卷 增刊(I) 东南大学学报(自然科学版) Vol.35 Sup(I)2005年7月 JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY (Natural Science Edition) July 2005

水和温度对树脂锚杆锚固力的影响

张 盛1 勾攀峰2 樊 鸿1

(1四川大学建筑与环境学院, 成都 610065)

(2河南理工大学资源与材料工程系, 焦作 454000)

摘要: 为了弄清煤矿巷道围岩渗水严重或局部巷道温度升高地段, 通用树脂锚杆锚固力往往低于理论计算值的原因, 结合现场观测, 在实验室通过自行设计的装置研究了一定温度范围内以及室温时钻孔流水和钻孔内积水两种情况下, 水对树脂锚杆锚固力的影响程度.实验结果表明:当孔壁渗流水不大时, 树脂锚固剂在搅拌过程中, 通过摩擦挤压作用, 能够堵住某些裂隙出水点, 但是一些分散到树脂胶泥中的水滴, 会影响锚杆的锚固力; 而当钻孔内水量较大, 甚至有压力的喷水, 树脂锚杆锚固力会大大下降; 另外，孔壁温度的升高也会降低树脂锚杆的锚固力. 孔壁内水的存在以及孔壁温度的升高是降低通用树脂锚杆锚固能力两个不可忽视的因素.1

关键词: 树脂锚杆锚固力; 树脂锚固剂; 水; 温度

中图分类号: TD353.6 文献标识码: A 文章编号: 1001-0505(2005)增刊(I)-0049-06

Influence of water and temperature on resin anchor-hold

Zhang Sheng1 Gou Panfeng2 Fan Hong1

(1College of Constructional and Environmental Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

(2Department of Resources and Material Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Abstract: The resin anchor-hold is usually lower than theoretic value in the laneway in which water seeps severely from wall rock or high temperature in some laneway. Based the observation in the mine, the experiment of determining how to water and temperature influence resin anchor-hold was done by the test facility designed independently in the laboratory, and the moving and immobile water in the simulate drill hole were considered. The results show that the resin medicine-one can stem some crannies through the rub and extrusion in the mill process when the seeping water is less, but some drips maybe detract in the resin medicine-one, which would influence resin anchor-hold; The resin anchor-hold will drop greatly when the seeping water is more even some pressure water. Moreover, the temperature around the drill hole can influence the resin anchor-hold. The water in the drill hole and high temperature around the drill hole are two important factors reducing resin anchor-hold.

Key words: resin anchor-hold; resin medicine-one; water; temperature

近些年, 树脂锚杆技术由于具有快速承载、高粘结性、主动受载等许多优点, 尤其随着锚固剂成本的降低和粘结性能的提高, 在煤矿巷道支护中得到了较为广泛的应用. 然而, 矿井井下的条件是复杂多变的, 在矿井的局部巷道内, 由于通风或地热的原因, 巷壁的温度会骤然升高, 这使得锚杆支护的应用并不能取得良好的效果. 再如巷道围岩经常有渗水存在, 渗水沿各种结构面(层面、断层、节理)运移、渗透. 在该过程中, 由于渗流的多种作用, 使得围岩强度进一步降低[1], 影响了锚杆的支护效果, 从而导致巷道变形破坏. 另一方 收稿日期: 2005-05-16.

基金项目: 河南省教育厅自然科学基金资助项目(2000440002).

作者简介: 张 盛(1976—), 男, 博士生, [email protected].

东南大学学报(自然科学版) 第35卷 50 面, 即使围岩强度受水影响程度较小, 水对树脂锚杆的锚固能力也具有一定的影响. 如河南省的永城、平顶山、鹤壁等矿区, 井下巷道为强度较高的砂岩顶板, 在局部地段温度较高或者出现不同程度的顶板淋水和两帮渗水而采用树脂锚杆进行锚固时, 锚杆的锚固力往往低于理论计算值. 因此有必要研究水和温度对树脂锚杆锚固力的影响程度. 目前, 在这方面的研究很少见到相关报道[2~4,5,6].

1 现场测试

永城煤电集团位于河南省永城市, 其下辖城郊矿主采煤层为山西组二2煤层. 现场测试选取顶板淋水比较严重的巷道段进行, 巷道顶板为石灰石砂岩. 测试时, 取测试锚杆附近每分钟顶板每平方米面积的淋水量作为测试锚杆附近的淋水量, 采用MLJ-20型锚杆拉力计测试锚杆的拉拔力. 由于部分锚杆端头发生锈蚀, 难以进行拉拔计的安装, 而且现场也不可能做大量的锚杆拉拔破坏试验, 许多地方还必须重新补打锚杆, 因此测试工作较为困难, 时间也较长.

由测试结果发现顶板附近的淋水量对树脂锚杆的锚固力有一定的影响, 而且随着淋水量的增大, 拉拔力有降低的趋势. 一些被拉出的锚杆, 杆体周围仍保留一薄层锚固剂固化层, 显然锚固力降低的原因是锚固剂被剪切破坏.

矿井温度对锚杆支护的锚固效果存在一定的影响. 据文献[7], 山西大同煤矿因历史原因, 造成煤炭自燃, 以致井下温度升高. 大同四老沟矿的402盘区14层煤顶板上方16～20ｍ处有一高温火区, 为开采盘区内400多万吨煤炭, 已引进了德国的冷冻降温技术, 巷道内温度仍较高, 并经常超限. 由于受火区热影响, 顶板孔口温度高达70～80℃, 如8207工作面顺槽掘进时, 顶板孔口82℃, 煤体温度77℃, 孔底温度(18～19ｍ孔深)估计最高可达85～90℃. 根据现场测试, 树脂锚杆的锚固力在高温地区有所降低, 巷道锚固效果较差.

鉴于现场测试的困难性, 本文在实验室分别对树脂锚杆在锚固过程中, 温度以及钻孔内的水对锚固力的影响程度进行了研究.

2 实验室模拟

通过现场观察, 锚杆在进行树脂锚固过程中, 钻孔中的水存在两种形式, 即孔内流水和孔内积水2种情况, 这2种情况对锚固力的影响方式不尽相同, 因此需要分别进行研究. 另外, 需要对钻孔壁的温度对锚固力的影响进行研究, 在试验室分别对2种不同钻孔水存在的情况以及不同钻孔温度下树脂锚杆的锚固进行了模拟试验.

2.1 试验方法

钻孔采用钢管进行模拟, 当模拟孔内积水和温度的影响时, 钢管的一端被焊接封闭; 当模拟孔内流水时, 在钢管的封闭端底部钻有排水小孔(见图1). 试验锚杆采用无纵筋左旋螺纹钢锚杆, 采用电钻锚固锚杆, 为便于电钻夹紧锚杆进行锚固, 在锚杆的螺纹端加工有一段直径φ12 mm, 长20 mm的等截面圆杆, 如图2所示. 锚固剂采用不饱和树脂药卷, 各试验器材参数见表1所示. 采用ZY-10型数显式锚杆拉拔计拉拔锚杆, 此外还有试验所用的接水管路和试验平台等. 模拟试验见图3，干燥箱见图4.

表1 试验器材参数

名称

钢管

锚杆

树脂药卷 直径/mm 28(内径) 长度/mm200 特性描述 自来水钢管 备 注 焦作钢管厂 永煤集团陈四楼煤矿 焦作煤业集团研究所 无纵筋左旋螺纹钢(锚尾50mm螺纹)20 280 23 100 不饱和树脂药卷(中速)

增刊(I) 张 盛等: 水和温度对树脂锚杆锚固力的影响

图1 模拟钻孔 图2 拉拔后的锚固系统

图3 模拟试验 图4 干燥箱

2.2 试验过程

2.2.1 模拟钻孔有水的试验

模拟钻孔有流水的情况时, 将带有截止阀的接水管路与带有小孔的模拟钻孔相连接, 并将其固定在试验平台上. 试验时, 打开截止阀, 让定量的水流出, 记录此时的水量值, 在模拟钻孔内放入试验树脂药卷, 然后用电钻将锚杆锚入模拟钻孔之内.

模拟钻孔有积水的情况时, 将无小孔且封闭了一端的模拟钻孔固定好在垂直放置的试验平台上, 在模拟钻孔内放入试验树脂药卷, 用量筒量取定量的水倒入模拟钻孔内, 纪录倒入的水量值, 用电钻将锚杆锚入模拟钻孔之内.

两种情况锚固后的锚杆, 都经过1 h以后, 采用ZY-10型拉拔计对锚杆进行拉拔试验, 并记录每次的最大拉拔力值. 对于一定的水量值都重复进行锚杆拉拔试验7次, 去掉1个不理想的拉拔力值, 保留剩下的6个锚杆拉拔力值. 根据钻孔内一定水量(积水或流水)对应的树脂锚杆拉拔力的数据, 绘制树脂锚杆的最大拉拔力与模拟钻孔内积水量的关系曲线见图5, 树脂锚杆的最大拉拔力与模拟钻孔孔内流水量的关

由图5可以看出, 当模拟钻孔有积水时, 树脂锚杆的锚固力随着模拟钻孔的积水量增加呈下降的趋势, 当模拟钻孔内的积水量从0 ml增加到20 ml时, 锚杆的拉拔力随着水量的增加迅速下降; 当模拟钻孔内的积水量在20～50 ml时, 锚杆的拉拔力值下降趋缓; 当模拟钻孔的积水量大于50 ml时, 锚杆的拉拔力随着积水量的增加再次迅速下降, 当模拟钻孔的积水量为70 ml时, 锚杆的拉拔力仅为无积水时的20%. 试验时发现, 随着模拟钻孔内水量的增加, 锚杆在锚固结束后, 越来越多的水浮在锚固物表面, 而且水中附有锚固剂成分, 这说明钻孔内的积水在锚固过程中会稀释锚固剂, 而且稀释程度随着孔内的积水量增加而增加.

东南大学学报(自然科学版) 第35卷 52

由图6可以看出, 树脂锚杆的锚固力随着模拟钻孔内的流水量增加明显下降. 当模拟钻孔的流水量小于240 ml/min时, 拉拔力受到较小的影响, 锚杆的拉拔力值下降了10%; 当流水量在240～900ml/min时, 锚杆的拉拔力下降速度较快; 当模拟钻孔的流水量在900～1500 ml/min时, 拉拔力的下降趋缓; 当流水量大于1500 ml/min时, 由于水流量大或水压很大, 水会将树脂胶泥全部冲出, 锚固试验已经不能进行. 可以看出, 当水流量较小时, 树脂锚固剂能完全封闭钢管, 锚固力下降不太明显; 当水流量较大时, 锚固后胶泥不能完全封闭钢管, 仍有水从钢管与树脂胶泥的缝隙中流出, 锚杆的锚固力受到很大影响; 当水流量大于一定量后, 由于水流量大或水压很大, 水会将树脂胶泥全部冲出, 锚固试验不能够进行. 孔内流水要比孔内积水对锚固力的影响更加严重.

2.2.2 模拟孔壁温度升高的试验

实验采用恒温鼓风干燥箱来控制温度, 干燥箱见图4. 恒温鼓风干燥箱的原理是当实际温度低于其设定温度时, 控制器上的触点闭合, 加热丝开始加热; 当实际温度高于设定温度时, 触点弹开, 加热丝停止加热, 鼓风装置开始运行, 直到干燥箱内温度与设定值相等. 试验采用无小孔且封闭了一端的钢管作为模拟钻孔, 当树脂搅拌实验结束并且卸下电钻后, 立即将锚固锚杆的钢管放入干燥箱内, 按预先设定的温度值让锚杆保持恒温, 经过1 h后, 取出锚杆, 进行拉拔实验, 记录每次实验的温度值和最大拉拔力值. 按照试验步骤, 对不同温度条件下树脂锚杆进行锚固试验, 本试验共测得9组数据, 每组5个数, 对每组数据取平均值得到锚杆锚固力与模拟钻孔温度关系见图7.

由实验测得的数据及锚固力与模拟钻孔内温度关系的回归曲线图可以看出:

1)当模拟钻孔温度升高时, 树脂锚杆的锚固力明显下降, 树脂锚杆锚固力与模拟钻孔温度呈现明显的递减规律.

2)与模拟钻孔在室温时的锚固力比较, 当模拟钻孔温度在20～35℃范围之内时, 锚固力的下降不大, 当温度在35℃时, 锚固力能保持在25℃时的94%以上; 当温度在35～45℃范围之内时, 锚固力的下降幅度增大, 当温度为45℃时, 锚固力下降到25℃时的55%; 在45～65℃范围之内, 锚固力的下降比较平缓, 到65℃时, 锚固力达到25℃时的34%.

2.2.3 锚固力的影响性分析

根据试验的情况, 假设锚杆的强度、锚杆丝扣的抗挤压力、模拟钻孔(钢管)端部孔壁的抗挤压力和拉拔锚杆时采用的托板的承压力都足够, 锚杆杆体与模拟钻孔之间的间隙宽为定值, 锚杆拉拔时的受力图可简化为图8.

模拟钻孔（钢管）

图8 锚杆拉拔时的受力图

增刊(I) 张 盛等: 水和温度对树脂锚杆锚固力的影响 如图8所示, 在锚固段内建立坐标系, τ(x)为锚固段内粘结剂作用于锚杆体表面x点处的粘结剪应力; D为锚杆体直径; l为锚固长度. 由于粘结剪应力τ(x)同杆体与模拟钻孔壁之间的相对位移s(x)成正比, 在锚固段底部, 即x=l处, 杆体与模拟钻孔壁的相对位移s(l)=0, 所以x=l处的粘结剪应力τ(l)=0. 而在锚固段内x点处粘结剪应力的大小可以表示为

τ(x)=Ks(x)/B=K∫ε(x)dx/B (1) lx

式中, K为粘结剂的剪切刚度;

固力可表示为 ε(x)为x点处杆体的拉应变; B为杆体与模拟钻孔之间的间隙宽. 又锚

F(x)=∫τ(x)πDdx (2) lx

对式(2)中的F(x)求两阶导数, 解得τ(x)的表达式为:

τ(x)=ce (3) 式中, c为积分常数. 对于树脂粘结锚杆, 沿锚杆杆体方向上, 其粘结应力和应变分布很不均匀, 根据锚固条件、锚固结构等因素变化, 一般认为, 其最大应变大约在锚杆锚固段中部[8], 则

Fmax=∫l

2

lαπDτ(x)dx (4)

将式(3)代入式(4)得到:

Fmax=απD

式中, 2l−⎛[τ]⎜1−e2DK⎜⎝⎞⎟ (5) ⎟⎠α为残余粘结剪应力影响系数; [τ]为粘结剂的抗剪强度.

由式(5)可以看出, 锚杆杆体直径、锚杆体的弹性模量和锚固长度一定, 则锚杆的拉拔力主要取决于锚固剂的粘结性能, 并且随着锚固剂的粘结性能的减小而减小. 锚固剂的粘结强度包括锚固剂与杆体之间的粘结强度, 锚固剂与模拟钻孔之间的粘结强度. 树脂锚固剂是一种不亲水,不溶于水的化学药剂, 它的凝固过程, 是一个非常复杂的化学反应过程[9,10]. 当钻孔内有水存在时, 在树脂锚固剂搅拌的过程中, 水滴可能分散到树脂胶泥中, 或者在固化过程中, 水分慢慢地从胶泥中渗出, 固化体中形成很多大小不等的细小气孔. 这种锚固剂固化时水分的参与作用会降低树脂固化后的强度, 使锚杆锚固后, 达不到锚固力的设计要求, 造成锚固失效. 从试验我们看出, 少量的水对锚固力的影响程度也是比较大的, 因此, 在现场锚杆锚固时应着力控制水物质的介入, 井下钻孔作业后, 应禁止采用水冲刷孔壁, 而采用高压风清孔.

结合现场情况及实验室研究可以确定, 钻孔内水的存在以及温度升高会降低锚固剂的粘结强度, 从而使得锚杆的锚固力降低. 在一定淋水条件下, 只要操作得当, 树脂锚杆是可以使用的, 但水对树脂锚杆锚固力的影响确实存在, 只是在孔壁渗流水不大时, 在树脂锚固剂搅拌过程中, 通过摩擦挤压作用, 堵住了某些裂隙出水点, 并把孔壁一些水滴分散到树脂胶泥中, 因此, 仍能保留可靠的锚固力, 但是如果钻孔淋水较大, 甚至有压力的喷水, 树脂锚杆锚固力会大大下降, 甚至无法进行锚固. 树脂锚固剂最大特点是快速固化并在短时间内能达到高强度的要求. 温度对树脂的聚合速度、固化时间以及固化特性都有很大的影响[11,12], 因此环境温度的变化对树脂锚固剂的强度有很大的影响, 由实验室进行的试验可以看出, 温度的升高对于本文采用的树脂锚固剂的锚固性能极为不利, 从而最终降低了树脂锚杆的锚固能力.

应该指出的是, 除了水对树脂锚固剂固化性能的影响外, 水对围岩体强度的弱化, 水对锚杆体、锚固构件的腐蚀, 以及安装操作方法不当都可能是锚杆锚固力降低的原因.

东南大学学报(自然科学版) 第35卷 54 3 结 语

通过现场测试和在实验室对模拟钻孔内积水和流水两种情况下以及孔壁不同温度下树脂锚杆拉拔力的测试研究表明, 钻孔内水的存在以及孔壁温度的升高会降低树脂锚杆的锚固能力.

分析研究表明, 在巷道围岩渗水严重的巷道, 水会降低树脂锚杆的拉拔力, 当孔壁渗流水不大时, 树脂锚固剂在搅拌过程中, 通过摩擦挤压作用, 能够堵住某些裂隙出水点, 但一些水滴分散到树脂胶泥中, 或者在固化过程中, 水分慢慢地从胶泥中渗出, 固化体中形成很多大小不等的细小气孔. 这种锚固剂固化时水分的参与作用会降低树脂固化后的强度. 当在锚固过程中钻孔内渗水量较大, 甚至有压力的喷水时, 树脂锚杆拉拔力会大大下降, 甚至无法进行锚固. 温度对树脂固化时间的影响是很大的, 随着孔壁温度的升高, 通用树脂锚固剂的锚固能力也大为降低.

针对以上分析, 本文建议在现场具体实施过程中, 为提高巷道围岩渗水严重条件下树脂锚杆的锚固力, 一方面要加强巷道治水, 另一方面要采用抗水性能良好和耐高温的树脂锚固剂, 规范操作和采用合理的锚杆支护方式.

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第35卷 增刊(I) 东南大学学报(自然科学版) Vol.35 Sup(I)2005年7月 JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY (Natural Science Edition) July 2005

水和温度对树脂锚杆锚固力的影响

张 盛1 勾攀峰2 樊 鸿1

(1四川大学建筑与环境学院, 成都 610065)

(2河南理工大学资源与材料工程系, 焦作 454000)

摘要: 为了弄清煤矿巷道围岩渗水严重或局部巷道温度升高地段, 通用树脂锚杆锚固力往往低于理论计算值的原因, 结合现场观测, 在实验室通过自行设计的装置研究了一定温度范围内以及室温时钻孔流水和钻孔内积水两种情况下, 水对树脂锚杆锚固力的影响程度.实验结果表明:当孔壁渗流水不大时, 树脂锚固剂在搅拌过程中, 通过摩擦挤压作用, 能够堵住某些裂隙出水点, 但是一些分散到树脂胶泥中的水滴, 会影响锚杆的锚固力; 而当钻孔内水量较大, 甚至有压力的喷水, 树脂锚杆锚固力会大大下降; 另外，孔壁温度的升高也会降低树脂锚杆的锚固力. 孔壁内水的存在以及孔壁温度的升高是降低通用树脂锚杆锚固能力两个不可忽视的因素.1

关键词: 树脂锚杆锚固力; 树脂锚固剂; 水; 温度

中图分类号: TD353.6 文献标识码: A 文章编号: 1001-0505(2005)增刊(I)-0049-06

Influence of water and temperature on resin anchor-hold

Zhang Sheng1 Gou Panfeng2 Fan Hong1

(1College of Constructional and Environmental Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

(2Department of Resources and Material Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Abstract: The resin anchor-hold is usually lower than theoretic value in the laneway in which water seeps severely from wall rock or high temperature in some laneway. Based the observation in the mine, the experiment of determining how to water and temperature influence resin anchor-hold was done by the test facility designed independently in the laboratory, and the moving and immobile water in the simulate drill hole were considered. The results show that the resin medicine-one can stem some crannies through the rub and extrusion in the mill process when the seeping water is less, but some drips maybe detract in the resin medicine-one, which would influence resin anchor-hold; The resin anchor-hold will drop greatly when the seeping water is more even some pressure water. Moreover, the temperature around the drill hole can influence the resin anchor-hold. The water in the drill hole and high temperature around the drill hole are two important factors reducing resin anchor-hold.

Key words: resin anchor-hold; resin medicine-one; water; temperature

近些年, 树脂锚杆技术由于具有快速承载、高粘结性、主动受载等许多优点, 尤其随着锚固剂成本的降低和粘结性能的提高, 在煤矿巷道支护中得到了较为广泛的应用. 然而, 矿井井下的条件是复杂多变的, 在矿井的局部巷道内, 由于通风或地热的原因, 巷壁的温度会骤然升高, 这使得锚杆支护的应用并不能取得良好的效果. 再如巷道围岩经常有渗水存在, 渗水沿各种结构面(层面、断层、节理)运移、渗透. 在该过程中, 由于渗流的多种作用, 使得围岩强度进一步降低[1], 影响了锚杆的支护效果, 从而导致巷道变形破坏. 另一方 收稿日期: 2005-05-16.

基金项目: 河南省教育厅自然科学基金资助项目(2000440002).

作者简介: 张 盛(1976—), 男, 博士生, [email protected].

东南大学学报(自然科学版) 第35卷 50 面, 即使围岩强度受水影响程度较小, 水对树脂锚杆的锚固能力也具有一定的影响. 如河南省的永城、平顶山、鹤壁等矿区, 井下巷道为强度较高的砂岩顶板, 在局部地段温度较高或者出现不同程度的顶板淋水和两帮渗水而采用树脂锚杆进行锚固时, 锚杆的锚固力往往低于理论计算值. 因此有必要研究水和温度对树脂锚杆锚固力的影响程度. 目前, 在这方面的研究很少见到相关报道[2~4,5,6].

1 现场测试

永城煤电集团位于河南省永城市, 其下辖城郊矿主采煤层为山西组二2煤层. 现场测试选取顶板淋水比较严重的巷道段进行, 巷道顶板为石灰石砂岩. 测试时, 取测试锚杆附近每分钟顶板每平方米面积的淋水量作为测试锚杆附近的淋水量, 采用MLJ-20型锚杆拉力计测试锚杆的拉拔力. 由于部分锚杆端头发生锈蚀, 难以进行拉拔计的安装, 而且现场也不可能做大量的锚杆拉拔破坏试验, 许多地方还必须重新补打锚杆, 因此测试工作较为困难, 时间也较长.

由测试结果发现顶板附近的淋水量对树脂锚杆的锚固力有一定的影响, 而且随着淋水量的增大, 拉拔力有降低的趋势. 一些被拉出的锚杆, 杆体周围仍保留一薄层锚固剂固化层, 显然锚固力降低的原因是锚固剂被剪切破坏.

矿井温度对锚杆支护的锚固效果存在一定的影响. 据文献[7], 山西大同煤矿因历史原因, 造成煤炭自燃, 以致井下温度升高. 大同四老沟矿的402盘区14层煤顶板上方16～20ｍ处有一高温火区, 为开采盘区内400多万吨煤炭, 已引进了德国的冷冻降温技术, 巷道内温度仍较高, 并经常超限. 由于受火区热影响, 顶板孔口温度高达70～80℃, 如8207工作面顺槽掘进时, 顶板孔口82℃, 煤体温度77℃, 孔底温度(18～19ｍ孔深)估计最高可达85～90℃. 根据现场测试, 树脂锚杆的锚固力在高温地区有所降低, 巷道锚固效果较差.

鉴于现场测试的困难性, 本文在实验室分别对树脂锚杆在锚固过程中, 温度以及钻孔内的水对锚固力的影响程度进行了研究.

2 实验室模拟

通过现场观察, 锚杆在进行树脂锚固过程中, 钻孔中的水存在两种形式, 即孔内流水和孔内积水2种情况, 这2种情况对锚固力的影响方式不尽相同, 因此需要分别进行研究. 另外, 需要对钻孔壁的温度对锚固力的影响进行研究, 在试验室分别对2种不同钻孔水存在的情况以及不同钻孔温度下树脂锚杆的锚固进行了模拟试验.

2.1 试验方法

钻孔采用钢管进行模拟, 当模拟孔内积水和温度的影响时, 钢管的一端被焊接封闭; 当模拟孔内流水时, 在钢管的封闭端底部钻有排水小孔(见图1). 试验锚杆采用无纵筋左旋螺纹钢锚杆, 采用电钻锚固锚杆, 为便于电钻夹紧锚杆进行锚固, 在锚杆的螺纹端加工有一段直径φ12 mm, 长20 mm的等截面圆杆, 如图2所示. 锚固剂采用不饱和树脂药卷, 各试验器材参数见表1所示. 采用ZY-10型数显式锚杆拉拔计拉拔锚杆, 此外还有试验所用的接水管路和试验平台等. 模拟试验见图3，干燥箱见图4.

表1 试验器材参数

名称

钢管

锚杆

树脂药卷 直径/mm 28(内径) 长度/mm200 特性描述 自来水钢管 备 注 焦作钢管厂 永煤集团陈四楼煤矿 焦作煤业集团研究所 无纵筋左旋螺纹钢(锚尾50mm螺纹)20 280 23 100 不饱和树脂药卷(中速)

增刊(I) 张 盛等: 水和温度对树脂锚杆锚固力的影响

图1 模拟钻孔 图2 拉拔后的锚固系统

图3 模拟试验 图4 干燥箱

2.2 试验过程

2.2.1 模拟钻孔有水的试验

模拟钻孔有流水的情况时, 将带有截止阀的接水管路与带有小孔的模拟钻孔相连接, 并将其固定在试验平台上. 试验时, 打开截止阀, 让定量的水流出, 记录此时的水量值, 在模拟钻孔内放入试验树脂药卷, 然后用电钻将锚杆锚入模拟钻孔之内.

模拟钻孔有积水的情况时, 将无小孔且封闭了一端的模拟钻孔固定好在垂直放置的试验平台上, 在模拟钻孔内放入试验树脂药卷, 用量筒量取定量的水倒入模拟钻孔内, 纪录倒入的水量值, 用电钻将锚杆锚入模拟钻孔之内.

两种情况锚固后的锚杆, 都经过1 h以后, 采用ZY-10型拉拔计对锚杆进行拉拔试验, 并记录每次的最大拉拔力值. 对于一定的水量值都重复进行锚杆拉拔试验7次, 去掉1个不理想的拉拔力值, 保留剩下的6个锚杆拉拔力值. 根据钻孔内一定水量(积水或流水)对应的树脂锚杆拉拔力的数据, 绘制树脂锚杆的最大拉拔力与模拟钻孔内积水量的关系曲线见图5, 树脂锚杆的最大拉拔力与模拟钻孔孔内流水量的关

由图5可以看出, 当模拟钻孔有积水时, 树脂锚杆的锚固力随着模拟钻孔的积水量增加呈下降的趋势, 当模拟钻孔内的积水量从0 ml增加到20 ml时, 锚杆的拉拔力随着水量的增加迅速下降; 当模拟钻孔内的积水量在20～50 ml时, 锚杆的拉拔力值下降趋缓; 当模拟钻孔的积水量大于50 ml时, 锚杆的拉拔力随着积水量的增加再次迅速下降, 当模拟钻孔的积水量为70 ml时, 锚杆的拉拔力仅为无积水时的20%. 试验时发现, 随着模拟钻孔内水量的增加, 锚杆在锚固结束后, 越来越多的水浮在锚固物表面, 而且水中附有锚固剂成分, 这说明钻孔内的积水在锚固过程中会稀释锚固剂, 而且稀释程度随着孔内的积水量增加而增加.

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由图6可以看出, 树脂锚杆的锚固力随着模拟钻孔内的流水量增加明显下降. 当模拟钻孔的流水量小于240 ml/min时, 拉拔力受到较小的影响, 锚杆的拉拔力值下降了10%; 当流水量在240～900ml/min时, 锚杆的拉拔力下降速度较快; 当模拟钻孔的流水量在900～1500 ml/min时, 拉拔力的下降趋缓; 当流水量大于1500 ml/min时, 由于水流量大或水压很大, 水会将树脂胶泥全部冲出, 锚固试验已经不能进行. 可以看出, 当水流量较小时, 树脂锚固剂能完全封闭钢管, 锚固力下降不太明显; 当水流量较大时, 锚固后胶泥不能完全封闭钢管, 仍有水从钢管与树脂胶泥的缝隙中流出, 锚杆的锚固力受到很大影响; 当水流量大于一定量后, 由于水流量大或水压很大, 水会将树脂胶泥全部冲出, 锚固试验不能够进行. 孔内流水要比孔内积水对锚固力的影响更加严重.

2.2.2 模拟孔壁温度升高的试验

实验采用恒温鼓风干燥箱来控制温度, 干燥箱见图4. 恒温鼓风干燥箱的原理是当实际温度低于其设定温度时, 控制器上的触点闭合, 加热丝开始加热; 当实际温度高于设定温度时, 触点弹开, 加热丝停止加热, 鼓风装置开始运行, 直到干燥箱内温度与设定值相等. 试验采用无小孔且封闭了一端的钢管作为模拟钻孔, 当树脂搅拌实验结束并且卸下电钻后, 立即将锚固锚杆的钢管放入干燥箱内, 按预先设定的温度值让锚杆保持恒温, 经过1 h后, 取出锚杆, 进行拉拔实验, 记录每次实验的温度值和最大拉拔力值. 按照试验步骤, 对不同温度条件下树脂锚杆进行锚固试验, 本试验共测得9组数据, 每组5个数, 对每组数据取平均值得到锚杆锚固力与模拟钻孔温度关系见图7.

由实验测得的数据及锚固力与模拟钻孔内温度关系的回归曲线图可以看出:

1)当模拟钻孔温度升高时, 树脂锚杆的锚固力明显下降, 树脂锚杆锚固力与模拟钻孔温度呈现明显的递减规律.

2)与模拟钻孔在室温时的锚固力比较, 当模拟钻孔温度在20～35℃范围之内时, 锚固力的下降不大, 当温度在35℃时, 锚固力能保持在25℃时的94%以上; 当温度在35～45℃范围之内时, 锚固力的下降幅度增大, 当温度为45℃时, 锚固力下降到25℃时的55%; 在45～65℃范围之内, 锚固力的下降比较平缓, 到65℃时, 锚固力达到25℃时的34%.

2.2.3 锚固力的影响性分析

根据试验的情况, 假设锚杆的强度、锚杆丝扣的抗挤压力、模拟钻孔(钢管)端部孔壁的抗挤压力和拉拔锚杆时采用的托板的承压力都足够, 锚杆杆体与模拟钻孔之间的间隙宽为定值, 锚杆拉拔时的受力图可简化为图8.

模拟钻孔（钢管）

图8 锚杆拉拔时的受力图

增刊(I) 张 盛等: 水和温度对树脂锚杆锚固力的影响 如图8所示, 在锚固段内建立坐标系, τ(x)为锚固段内粘结剂作用于锚杆体表面x点处的粘结剪应力; D为锚杆体直径; l为锚固长度. 由于粘结剪应力τ(x)同杆体与模拟钻孔壁之间的相对位移s(x)成正比, 在锚固段底部, 即x=l处, 杆体与模拟钻孔壁的相对位移s(l)=0, 所以x=l处的粘结剪应力τ(l)=0. 而在锚固段内x点处粘结剪应力的大小可以表示为

τ(x)=Ks(x)/B=K∫ε(x)dx/B (1) lx

式中, K为粘结剂的剪切刚度;

固力可表示为 ε(x)为x点处杆体的拉应变; B为杆体与模拟钻孔之间的间隙宽. 又锚

F(x)=∫τ(x)πDdx (2) lx

对式(2)中的F(x)求两阶导数, 解得τ(x)的表达式为:

τ(x)=ce (3) 式中, c为积分常数. 对于树脂粘结锚杆, 沿锚杆杆体方向上, 其粘结应力和应变分布很不均匀, 根据锚固条件、锚固结构等因素变化, 一般认为, 其最大应变大约在锚杆锚固段中部[8], 则

Fmax=∫l

2

lαπDτ(x)dx (4)

将式(3)代入式(4)得到:

Fmax=απD

式中, 2l−⎛[τ]⎜1−e2DK⎜⎝⎞⎟ (5) ⎟⎠α为残余粘结剪应力影响系数; [τ]为粘结剂的抗剪强度.

由式(5)可以看出, 锚杆杆体直径、锚杆体的弹性模量和锚固长度一定, 则锚杆的拉拔力主要取决于锚固剂的粘结性能, 并且随着锚固剂的粘结性能的减小而减小. 锚固剂的粘结强度包括锚固剂与杆体之间的粘结强度, 锚固剂与模拟钻孔之间的粘结强度. 树脂锚固剂是一种不亲水,不溶于水的化学药剂, 它的凝固过程, 是一个非常复杂的化学反应过程[9,10]. 当钻孔内有水存在时, 在树脂锚固剂搅拌的过程中, 水滴可能分散到树脂胶泥中, 或者在固化过程中, 水分慢慢地从胶泥中渗出, 固化体中形成很多大小不等的细小气孔. 这种锚固剂固化时水分的参与作用会降低树脂固化后的强度, 使锚杆锚固后, 达不到锚固力的设计要求, 造成锚固失效. 从试验我们看出, 少量的水对锚固力的影响程度也是比较大的, 因此, 在现场锚杆锚固时应着力控制水物质的介入, 井下钻孔作业后, 应禁止采用水冲刷孔壁, 而采用高压风清孔.

结合现场情况及实验室研究可以确定, 钻孔内水的存在以及温度升高会降低锚固剂的粘结强度, 从而使得锚杆的锚固力降低. 在一定淋水条件下, 只要操作得当, 树脂锚杆是可以使用的, 但水对树脂锚杆锚固力的影响确实存在, 只是在孔壁渗流水不大时, 在树脂锚固剂搅拌过程中, 通过摩擦挤压作用, 堵住了某些裂隙出水点, 并把孔壁一些水滴分散到树脂胶泥中, 因此, 仍能保留可靠的锚固力, 但是如果钻孔淋水较大, 甚至有压力的喷水, 树脂锚杆锚固力会大大下降, 甚至无法进行锚固. 树脂锚固剂最大特点是快速固化并在短时间内能达到高强度的要求. 温度对树脂的聚合速度、固化时间以及固化特性都有很大的影响[11,12], 因此环境温度的变化对树脂锚固剂的强度有很大的影响, 由实验室进行的试验可以看出, 温度的升高对于本文采用的树脂锚固剂的锚固性能极为不利, 从而最终降低了树脂锚杆的锚固能力.

应该指出的是, 除了水对树脂锚固剂固化性能的影响外, 水对围岩体强度的弱化, 水对锚杆体、锚固构件的腐蚀, 以及安装操作方法不当都可能是锚杆锚固力降低的原因.

东南大学学报(自然科学版) 第35卷 54 3 结 语

通过现场测试和在实验室对模拟钻孔内积水和流水两种情况下以及孔壁不同温度下树脂锚杆拉拔力的测试研究表明, 钻孔内水的存在以及孔壁温度的升高会降低树脂锚杆的锚固能力.

分析研究表明, 在巷道围岩渗水严重的巷道, 水会降低树脂锚杆的拉拔力, 当孔壁渗流水不大时, 树脂锚固剂在搅拌过程中, 通过摩擦挤压作用, 能够堵住某些裂隙出水点, 但一些水滴分散到树脂胶泥中, 或者在固化过程中, 水分慢慢地从胶泥中渗出, 固化体中形成很多大小不等的细小气孔. 这种锚固剂固化时水分的参与作用会降低树脂固化后的强度. 当在锚固过程中钻孔内渗水量较大, 甚至有压力的喷水时, 树脂锚杆拉拔力会大大下降, 甚至无法进行锚固. 温度对树脂固化时间的影响是很大的, 随着孔壁温度的升高, 通用树脂锚固剂的锚固能力也大为降低.

针对以上分析, 本文建议在现场具体实施过程中, 为提高巷道围岩渗水严重条件下树脂锚杆的锚固力, 一方面要加强巷道治水, 另一方面要采用抗水性能良好和耐高温的树脂锚固剂, 规范操作和采用合理的锚杆支护方式.

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