新型耐水錨固劑錨固試驗研究及工程應用

王正勝

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

在煤炭生產中，巷道、硐室經常會因掘進和采動等影響使圍巖承壓過高而出現底鼓，強烈的底鼓會引起巷道斷面變小，使巷道基礎不穩，生產運輸受阻，通風不暢。造成巷道底鼓的原因很多，許多學者都進行過詳細的研究。康紅普經過分析底板巖層穩定性，認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和軟巖遇水膨脹引起的底鼓現象的基礎上，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。

在底鼓治理的研究方面，底鼓錨固是一種切實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，并專門進行了研究［7－9］。胡斌［10］對鉆孔淋水與錨固效果進行了詳細研究。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行了防水樹脂錨固劑的試驗研究［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系的研究［12－15］。但聚氨酯遇水發泡，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、反應機理、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、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研究

2.1 抗拔力試驗研究

錨固劑的抗拔力試驗研究采用內徑28mm無縫鋼管作為模擬孔，錨固長度125mm，錨桿桿體選用直徑22mm、屈服強度500MPa的無縱肋螺紋鋼桿體為研究對象。錨固后25℃條件下養護，在JAW－1500鋼絞線拉力試驗機上測試其抗拔力。

2.1.1 無水條件下抗拔力試驗研究

截取數根400mm長的500號錨桿，在內徑28mm、長125mm錨管內做錨固試驗。試驗時，錨管內未加水，并設計不同配方的錨固劑在錨管內錨固錨桿，靜止養護24h后測試相應的抗拔力，試驗結果見表1及圖1。

結合表1、圖1可見，在同一試驗條件下，部分配方錨固劑不能正常固化，固化成功試驗中，尤以40號試驗效果最好，24h后抗拔力最大，達到242kN。

表1 無水條件下抗拔力試驗結果

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研究

試驗條件同2.1.1節所描述，在錨固過程中預先在錨管內灌滿清水，然后再做錨桿錨固試驗，試驗結果見表2及圖2。

結合表2、圖2可見，在同一試驗條件下，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，起不到應有的固化效果。但對于抗水性較好的固化劑－Ⅰ，在水域環境中仍能很好地引發改性聚酯PM－Ⅰ，且24h后抗拔力最大，達到206kN。

表2 有水條件下抗拔力試驗結果

2.1.3 配方優化研究

圖2 有水條件下不同配方錨固劑抗拔力測試曲線

結合2.1.1和2.1.2兩小節中試驗結果，耐水錨固劑首選PM－Ⅰ、固化劑－Ⅰ。為了進一步優化配方，針對不同配比的錨固劑進行了系統研究，試驗選用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。試驗結果見表3和圖3、圖4。

結合表3、圖3、圖4可知，在無水、有水試驗條件下，所設計配方最終抗拔力均達到100kN以上，效果較好;無水條件下，抗拔力區別不大，均在200kN以上;有水條件下，界面劑－Ⅰ的使用遠遠好于不加界面劑或界面劑－Ⅱ。

表3 優化配方試驗結果

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 錨管內錨固力試驗研究

3.1 內徑28mm錨管內錨索錨固力試驗研究

采用內徑28mm、長800mm無縫鋼管模擬鉆孔，每個錨管內放置2支自制φ23mm、長300mm的錨固劑，在灌滿清水的錨管內錨固φ22錨索，24h后測試相應錨固力。試驗結果見圖5。

圖5 φ28mm錨管內錨索拉拔曲線

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

4 工業性試驗

基于新型耐水錨固劑特性，工業試驗選取巷道底鼓明顯的蔣家河煤礦二號采區回風大巷。二采區回風大巷底鼓段總長900m，底鼓量均在1m以上，最大達到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。

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

4.1 施工工藝設計

在回風大巷H10點以西465m處至H10點以西280m處，總長185m，布設100個試驗點，鉆孔孔徑φ56mm、孔深5.2m，試驗時鉆孔內積水不低于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)100根。設計錨索施加預緊力不低于180kN。圖6、圖7分別為二采區回風大巷布置圖和底板錨索孔布置圖。

圖6 二采區回風大巷布置

圖7 底板錨索孔布置

4.2 試驗結果

每個試驗鉆孔放入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緊力，施加預緊力不低于200kN。

試驗結果顯示:整體錨固效果很好，預緊力均達到設計要求。從2013年10月13日至2014年3月9日日常觀測0.5a，未發現錨索退錨、松動跡象。且對其中7個試驗孔進行實時觀測，錨索受周邊采動應力影響，部分試驗孔應力有所提高，波動幅度均在30kN范圍之內。

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度、縮短了預緊力施加時間 (從先前的7d縮短至1d)、一次性錨固成功率高、有水環境不影響底鼓治理工程施工。

5 結論

(1)選取強度高、水中易固化反應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，在水域環境中仍能很好地引發改性聚酯PM－Ⅰ，且24h后抗拔力最大，達到206kN，優化后的配方，24h后抗拔力最大可達242kN。

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

(4)工業性試驗成果顯示，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，尤其是含水鉆孔內使用，能突顯其優良錨固效果。

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