溫度對樹脂錨桿錨固力的影響

郭明+王冠霖+張志浩+李嬌龍

【摘 要】了解和簡述了樹脂錨桿在國內(nèi)外的發(fā)展歷程及樹脂錨桿較其他類型錨桿的優(yōu)越性。對其應力分布規(guī)律進行了分析和探究，其中錨桿桿體不同直徑對應力分布規(guī)律影響不同。通過分析溫度對圍巖及樹脂錨固劑影響的分析，探究了溫度對樹脂錨桿錨力的影響，得出高溫和低溫都會導致錨桿錨固力大幅度降低同。綜合以上的分析和探究，提出了在不同圍巖強度及不同溫度條件下，采取的相應的樹脂錨桿支護措施，對保證巷道的支護效果及改善圍巖的完整性起到積極的作用。

【關(guān)鍵詞】樹脂錨桿；應力分布；溫度

一、樹脂錨桿發(fā)展歷程簡述

20世紀60年代，德國開始在煤礦生產(chǎn)活動中研制樹脂錨桿。經(jīng)過半個世紀的研發(fā)，樹脂錨桿已成為全世界采煤國家井工煤礦巷道支護的主要方式。我國煤礦于1974年開始引進樹脂錨桿，并于1976年在雞西等礦區(qū)進行了井下實驗，取得較好的效果。之后，樹脂錨桿在各大礦區(qū)得到了廣泛推廣和使用[1]。1996年到1997年我國引進了澳大利亞錨桿支護技術(shù)，并結(jié)合我國煤礦地質(zhì)條件與生產(chǎn)條件，進行了更深入的研究[2]。錨固方式從端部錨固發(fā)展到加長錨固、全長錨固以及全長預應力錨固。樹脂錨固劑與鉆孔的直徑從大直徑發(fā)展到小直徑。樹脂錨固劑材料、包裝與生產(chǎn)技術(shù)也得到快速發(fā)展。由于具有諸多優(yōu)點，樹脂錨桿逐漸取代了其他類型錨桿，成為煤礦井下生產(chǎn)活動中錨桿支護的主要形式[3]。

二、樹脂錨桿的原理

（一）研究背景

錨桿支護已成為煤礦巷道的主要支護形式。但是，隨著采深和開采強度的加大，圍巖壓力增大，樹脂出現(xiàn)支護失效的現(xiàn)象。為了提高錨桿支護效果，在分析錨桿原理的基礎(chǔ)上，對可能改變錨桿錨固性能的諸多因素進行研究，分析其中一種主要因素，并通過度該因素的研究，改善錨桿的錨固性能，提高錨固效果，增強樹脂錨桿的支護效果，保證礦井安全生產(chǎn)。

（二）樹脂錨桿的工作原理

桿的力學作用主要有懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用。

懸吊理論：1952～1962年路易斯阿·帕內(nèi)科（Louis A·Panek）等發(fā)表了懸吊理論，懸吊理論認為錨桿支護的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上。對于回采巷道揭露的層狀巖體，直接頂板均有彎曲下沉變形趨勢，如果使用錨桿及時將其擠壓，并懸吊在老頂上，直接頂板就不會與老頂離層乃至脫落。錨桿的懸吊作用主要取決于所懸吊的巖層的厚度，層數(shù)及巖層彎曲時相對的剛度與彈性模量，還受錨桿長度、密度及強度等因素的影響。這一理論提出的較早，滿足其前提條件時，有一定的實用價值。

組合梁理論：組合梁理論認為巷道頂板中存在著若干分層的層狀頂板，可看作是由巷道兩幫作為支點的一種梁，這種巖梁支承其上部的巖層載荷。使用錨桿將各層“裝訂”成一個整體的組合梁，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象。在上覆巖層荷載作用下，這種較厚的組合梁比單純的迭加梁，其最大彎曲應變和應力將大大減小，撓度亦減小。而且各層間摩擦阻力愈大，整體強度愈大，補強效果愈好。

組合拱理論：組合拱理論是由蘭氏（T A Lang）和彭德（Pender）通過光彈試驗提出來的。組合拱原理認為，在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中，安裝預應力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力，如果沿巷道周邊布置的錨桿間距足夠小，各個錨桿的壓應力維體相互交錯，這樣使巷道周圍的巖層形成一種連續(xù)的組合帶（拱）。這個組合拱可承受上部巖石的徑向載荷，如同碹體起到巖層補強的作用，承載外圍的壓力。

（三）影響錨桿錨固性能的因素探究

從上述理論可以看出，錨桿桿體的性能、圍巖的強度，對于錨桿的錨固性能有重要影響。而且，有諸多因素可以改變錨桿桿體的性能和圍巖的強度。例如，濕度、圍巖含水量、溫度、錨桿直徑、長度、桿體表面形狀及錨固材料特性等都可以直接或者間接改變錨桿桿體的性能或圍巖強度。其中，溫度是影響樹脂錨桿錨固力的重要因素，所以接下來主要對溫度對樹脂錨桿的影響進行分析和研究。

三、溫度對樹脂錨桿錨固力的影響

（一）溫度對巖體影響分析

溫度是影響巖石力學特性的重要因素之一。一般而言，隨溫度的變化，巖石的強度、彈性模量和泊松比等力學性質(zhì)都會發(fā)生變化；溫度升高會導致巖石介質(zhì)活化和塑性增強，巖石破壞由脆性向延性轉(zhuǎn)化。巖石對溫度的敏感性體現(xiàn)在以下2個方面：1）宏觀上，溫度變化引起組成巖石的礦物顆粒和膠結(jié)物發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象；2）微觀上，當巖體受到一定熱源影響使得巖石內(nèi)部產(chǎn)生的熱應力超過巖石顆粒之問的抗張應力屈服強度時，巖石內(nèi)部原生裂隙得到擴展，同時產(chǎn)生新的微小裂紋，使得巖石強度降低[7]。

（二）溫度對樹脂錨固劑影響分析

溫度對樹脂錨桿錨固性能影響比較大，其中溫度為25℃時樹脂錨桿錨固力最大，隨著模擬鉆孔溫度的升高，樹脂錨桿錨固力呈現(xiàn)明顯遞減規(guī)律。巖體應力場與溫度場之間存在一定程度上的輻合作用，在相同外載荷作用下，熱源溫度不同，巖體應力分布狀態(tài)也不同。

低溫對樹脂錨固劑的固化是不利的。目前不飽和聚酷樹脂錨固劑一般采用氧化還原反應體系，不飽和聚酷與交聯(lián)劑在固化劑和促進劑的作用下，產(chǎn)生白由基引起交聯(lián)聚合反應，形成三向交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，錨固劑由膠泥狀塑性體變?yōu)閳杂补腆w，并把錨桿與鉆孔孔壁圍巖結(jié)在一起。其中，白由基活性是影響固化反應進行程度的關(guān)鍵因素。當白由基的活性較大時，能夠迅速促進聚酷固化反應的進行；當白由基活性較小時，便會延緩聚酷固化反應的進行，而溫度對聚合反應中白由基活性有較大的影響，溫度較低會導致白由基活性降低，錨固劑固化不完全，各項力學性能有所下降，最終導致樹脂錨桿錨固力下降。

高溫對樹脂錨固劑的固化也是不利的。樹脂錨固劑的固化過程是一種放熱反應的過程，對某一型號的樹脂而言，放熱量是個定值，只與不飽和聚酷中的不飽和度以及共聚合單體的類型有關(guān)，但是放熱速度可以隨著固化劑、促進劑和外界環(huán)境溫度而變化。外界溫度較高時聚合反應中白由基的活性增強，反應速度加快，固化反應中所有的熱量加速釋放，固化物溫度迅速上升，在共聚合反應過程中樹脂發(fā)生收縮，同時受到熱膨脹的影響，兩個相反的效果同時發(fā)生，結(jié)果在固化過程中產(chǎn)生固化內(nèi)應力，導致固化物內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙，大大降低了固化物的強度，最終導致樹脂錨桿錨固力大大下降[8]。

四、結(jié)論

通過對錨桿錨固原理的分析，得出了影響錨桿錨固性能的諸多因素，通過對溫度的具體研究，發(fā)現(xiàn)圍巖溫度對樹脂錨桿錨固性能影響明顯，低溫和高溫都會導致錨桿錨固力下降，在低溫環(huán)境下進行錨桿支護時，應適當延長樹脂錨固劑攪拌時問；而在高溫環(huán)境下進行錨桿支護時，應加強通風和采用井下空調(diào)等降溫措施，還應積極研制并采用耐高溫樹脂錨固劑，同時并適當增加錨固長度，加大錨桿支護密度，采用錨桿、錨索等聯(lián)合支護方式來保證錨桿支護效果。

【參考文獻】

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