树脂锚杆锚固性能及影响因素分析

康红普，崔千里，胡 滨，吴志刚

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013)

树脂锚杆锚固性能及影响因素分析

康红普1,2，崔千里1,2，胡 滨1,2，吴志刚1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013)

采用理论分析、实验室试验、数值模拟及井下实测相结合的方法对树脂锚杆锚固性能及影响因素进行研究。理论分析了锚杆在拉拔与全长锚固状态下的应力分布特征；在实验室进行了不同形状锚杆、不同钻孔直径下锚杆拉拔力试验，得出了锚杆形状、孔径差对锚杆拉拔力的影响程度；测试了不同模拟钻孔温度、淋水量下锚杆的拉拔力，得出了温度、淋水量与锚杆拉拔力之间的关系。采用有限差分数值模拟软件FLAC3D，计算了不同杆体形状、孔径差、居中度及不同围岩强度下锚固剂、围岩中的剪应力大小，分析了诸因素对剪应力分布的影响，得出了不同条件下剪应力分布特征。在平庄风水沟煤矿井下进行了软岩可锚性试验，实测了软岩不同含水状态下锚杆、锚索拉拔力。最后，提出改进树脂锚杆锚固性能、提高锚固力的建议。

锚杆；树脂锚固剂；锚固性能；拉拔力；影响因素

自1958年德国开始研制树脂锚固锚杆以来，经过半个多世纪的发展，这种锚杆已成为全世界采煤国家井工煤矿巷道支护的主要方式。我国从1974年开始引进、开发和试验树脂锚杆，并于1976年在淮南、鸡西、徐州等矿区进行了井下试验，取得较好效果[1]。之后，树脂锚杆在各大矿区逐步得到了推广应用。1996—1997年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，并针对我国煤矿地质与生产条件进行了更深入的开发[2]。加长、全长树脂锚固高强度螺纹钢锚杆，小孔径树脂锚固预应力锚索等技术得到普遍认可和大面积推广应用，成为我国煤矿巷道的主导支护技术[3]。

树脂锚杆的锚固性能对锚杆支护效果起关键作用，很多学者开展了相关方面的研究与试验。归纳起来，主要有以下3方面：

(1)不同锚固方式锚杆应力分布特征。锚杆锚固方式有3种类型：端部锚固、加长锚固及全长锚固。对锚杆拉拔试验状态下的应力分布及拉拔力的影响因素研究成果较多。Farmer早在1975年就指出在锚固界面发生破坏前锚杆轴向力随着远离载荷作用点而呈负指数减小[4]。Dunham通过树脂锚杆拉拔试验，研究了树脂锚固锚杆破坏机理，推导出计算锚杆与树脂锚固剂界面剪应力的公式[5]。Li 与Stillborg 建立了分析锚杆拉拔状态下受力分布的力学模型[6]。在全长锚固锚杆受力分析方面，Freeman基于锚杆受力监测数据，首次提出“中性点”、“托起长度”及“锚固长度”等概念[7]。认为在中性点锚杆轴向力达到最大，而在锚杆与锚固剂界面上的剪应力为0。Björnfot与 Stephansson 认为在节理岩体中，由于沿锚杆长度方向上杆体会与多个节理相交，导致出现多个中性点[8]。我国一些学者也开展了全长锚固锚杆受力分布特征研究，提出中性点位置的计算公式[9]，分析了托板对全长锚固锚杆受力状态的影响[10-11]。

(2)树脂锚固剂力学性能。针对我国煤矿巷道围岩条件，在引进国外技术的基础上，开发出系列树脂锚固剂。在锚固剂专用树脂、固化剂、促进剂、填料及配方等方面做了大量研发工作，可生产不同固化速度(超快、快速、中速、慢速)的树脂锚固剂，在几何尺寸与规格方面可根据需要确定[3]。对树脂锚固剂的力学性能，包括黏结力、抗压强度、抗拉强度、弹性模量及收缩率等进行了详细研究，这些力学指标基本能够满足锚杆支护的要求。此外，针对井下淋水条件，研制出防水树脂锚固剂[12]，提高了含水岩层中树脂锚杆的锚固力，扩大了树脂锚杆的使用范围。

(3)树脂锚杆锚固性能的影响因素。影响锚固性能的因素很多，国外一些学者分析了锚杆直径、长度、杆体表面形状及锚固材料特性等参数对锚杆拉拔载荷与位移的影响[13-15]。崔千里、胡滨等比较系统地研究了锚杆杆体尺寸与形状、钻孔直径、杆体在钻孔中的居中度、围岩强度等对锚杆锚固力的影响[16-17]。勾攀峰、胡滨等研究了水与温度对树脂锚杆锚固性能的作用[18-21]，得出了两个因素对锚杆锚固力的影响程度。

笔者采用理论分析、实验室试验、数值模拟及井下实测相结合的方法对树脂锚杆锚固性能及影响因素进行研究。

1 不同状态锚杆受力分析

锚杆受力状态分为拉拔状态(如在井下进行拉拔试验，给锚杆施加预紧力等状态)和安装后在围岩中的工作状态。下面对拉拔状态和全长锚固工作状态下锚杆的应力分布特征及影响因素进行分析。

1.1 拉拔状态下锚杆应力分布

在拉拔状态下，锚杆尾端承受沿杆体轴向的拉力，沿杆体与锚固剂界面的剪应力分布如图1所示。当施加的拉力比较小时，剪应力随着远离锚固起始点而逐渐减小(图1曲线1)，可用下式[4]表示：

(1)

图1 锚杆拉拔状态下剪应力分布Fig.1 Shear stress distribution along a bolt in pullout state

当拉拔载荷达到一定值时，从锚固起始点开始剪应力会达到剪切强度而出现剪切破坏。随着载荷增加，剪切破坏不断向内发展，形成如图1中曲线2所示的剪应力分布。剪应力在距锚固起始点一定距离达到最大值(剪切强度)；在峰值点前发生了剪切破坏，剪应力较小，甚至为0；在峰值点后，剪应力按照式(1)的趋势不断减小。

对图1做一些简化处理，可得到锚杆最大拉拔力[6]的表达式：

(2)

从式(1)，(2)可看出，锚杆的拉拔力与以下因素有关：锚杆杆体的直径与弹性模量；锚固剂的弹性模量与泊松比，剪切强度与残余剪切强度；锚固剂环形厚度，锚固长度；围岩的弹性模量与泊松比等。

1.2 工作状态下全长锚固锚杆应力分布

安装在围岩中的锚杆其作用主要是抑制围岩变形,围岩变形会给锚杆施加载荷。图2是典型的全长锚固锚杆剪应力与轴向应力的分布图。由图2可见，剪应力在一定位置(中性点)为0，此处锚杆轴向应力最大；中性点两侧剪应力方向相反。安装托板使得中性点向巷道周边移动，同时提高了巷道周边到中性点之间锚杆段的轴向应力。

图2 全长锚固锚杆剪应力与轴向应力分布Fig.2 Shear stress and axial stress distribution along a fully anchored rock bolt

假定围岩是连续的，全长锚固锚杆剪应力分布[6]可用下式描述：

(3)

从式(3)可看出，影响锚杆拉拔力的因素同样影响全长锚固锚杆的受力分布。此外，巷道围岩位移，锚杆的布置参数(锚杆长度、密度等)，锚杆托板均对全长锚固锚杆的受力分布产生明显影响。

2 锚杆锚固性能的实验室试验

在实验室进行树脂锚固锚杆的拉拔试验，分析影响锚杆锚固性能的各个因素。

2.1 拉拔状态下树脂锚杆轴向力分布

2.1.1试验方法与装置

采用实验室拉拔试验，在锚杆不同位置粘贴应变片的方法测量不同载荷下锚杆杆体轴向力分布，试验装置如图3所示。

图3 锚杆拉拔试验装置及轴向力测量Fig.3 Rock bolt pullout device and axial force measurement

制作2组钢管混凝土构件，长度为1070mm。在钢管中灌注混凝土，并在中部预留锚杆孔，混凝土单轴抗压强度为18.5MPa。每组制作3个构件，一组锚杆孔径为28mm，另一组锚杆孔径为30mm。

制作测力锚杆6根，锚杆直径为22mm，长度为1500mm。测力锚杆上粘贴12片(6组)应变片，每组轴向距离200mm，距孔底、孔口的距离分别为50,20mm。测力锚杆树脂全长锚固。

2.1.2试验结果及分析

图4分别是锚杆孔直径为28，30mm时锚杆轴向力分布。从图4可看出：

图4 锚杆孔直径28和30mm时锚杆杆体轴向力分布Fig.4 Axial force distribution along bolt in pullout test with borehole diameter of 28and 30mm

(1)无论锚杆孔直径是28mm还是30mm，锚杆轴向力均随远离锚杆拉拔端而不断降低，这与根据式(1)所得出的轴向力变化趋势一致。

(2)锚杆孔直径28mm，当拉拔力比较小时(小于60kN)，锚杆轴向力降低基本呈线性关系；随着拉拔力增加，拉拔力的降低幅度不断增大。当拉拔力为160kN时，220，420，620，820mm处的拉力分别降低25.0%，60.6%，73.1%及93.8%。降低幅度在220～420mm最大，而在420～620mm较小。最靠近锚杆拉拔端的应变片(距离20mm)处锚杆受力与拉拔力基本相等，说明该处至拉拔端的锚固剂已达到剪切强度，发生了破坏。

(3)锚杆孔直径30mm时，锚杆轴向力分布更接近根据式(1)计算的轴向力分布状态。随着远离拉拔端，锚杆轴向力基本按负指数规律衰减。但是，随着拉拔力增大(超过120kN)，在20～420mm内，锚杆轴向力出现了线性降低的趋势。当拉拔力为160kN时，220，420，620，820mm处的拉力分别降低39.6%，68.8%，88.9%及95.6%。降低幅度随着远离拉拔端而不断减小，且每个测点处轴向力降低幅度都大于孔径28mm时的值。最靠近拉拔端的应变片处锚杆受力与拉拔力有明显差别，说明该处至拉拔端锚固剂的锚固性能还保持较好状态。

(4)不同锚杆孔直径中安装的锚杆，在拉拔状态下杆体轴向力分布有明显的差异，也与理论计算结果有区别。图4(b)中的锚杆锚固效果优于图4(a)中的锚杆。产生这些差异的因素有很多，包括钻孔直径与锚杆直径之差，锚固剂的搅拌质量，杆体在钻孔中的居中度等。

对于不同的锚杆，杆体形状、直径都影响锚杆的受力分布与锚固效果。巷道围岩条件，环境温度、钻孔淋水与含水等也明显影响锚杆锚固力。

2.2 锚杆杆体形状对锚固性能的影响

2.2.1试验方法

对左旋无纵筋螺纹钢锚杆、人字肋有纵筋建筑螺纹钢锚杆及右旋全螺纹钢锚杆等3种不同形状的锚杆进行了拉拔试验。锚杆直径均为22mm，锚杆长度均为450mm。采用内径为30mm 的钢管作为钻孔，钻孔深度为125mm,树脂全长锚固，锚固剂型号为Z2312。采用JAW-1500型材料试验机进行加载，记录锚杆被拔出的最大拉拔力。每种锚杆试验3次，取其平均值作为试验结果。

2.2.2试验结果及分析

不同形状锚杆拉拔试验结果见表1。

表1不同形状锚杆拉拔力试验结果
Table1PullouttestresultsofrockboltswithdifferentprofileskN

锚杆形状左旋无纵筋人字有纵筋右旋全螺纹试件1156 7159 639 6试件2123 9140 159 7试件3119 883 854 6平均值133 5127 851 3

试验结果表明：不同形状锚杆的拉拔力存在明显差异，其中，左旋无纵筋螺纹钢锚杆平均拉拔力最大，为133.5kN，人字肋有纵筋螺纹钢锚杆和右旋全螺纹钢锚杆拉拔力分别为左旋无纵筋螺纹钢锚杆的95.7%，38.4%。人字肋有纵筋螺纹钢锚杆拉拔力与左旋无纵筋螺纹钢锚杆相差不大，而右旋全螺纹钢锚杆拉拔力最小，说明杆体形状对锚杆锚固力有显著影响。

左旋无纵筋螺纹钢锚杆的左旋横肋有助于将锚固剂推向锚杆端部，使锚固段的树脂药卷充实紧密，有利于提高锚固力。右旋全螺纹钢锚杆拉拔力比左旋螺纹钢锚杆大幅减小，主要是因为右旋横肋将锚固剂向外旋出，从而削弱了锚杆的锚固性能。人字肋有纵筋螺纹钢锚杆杆体一侧是左旋，另一侧是右旋，中间还有纵筋，因此其搅拌效果接近甚至超过左旋无纵筋螺纹钢锚杆。但是由于纵筋的存在，有可能导致两纵筋侧处与锚固剂不能密实接触，致使锚固力不稳定。

2.3 锚杆孔直径对锚固性能的影响

2.3.1试验方法

试验在1000mm×1000mm×1000mm的水泥试验台上进行，试验台上预留锚杆孔。试验采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22mm，长度为450mm，其中尾部螺纹段长度为100mm，树脂锚固，锚固长度为150mm。锚杆孔直径分别为28，30，32mm。每种孔径试验2根锚杆，采用锚杆拉拔计进行拉拔，并记录锚杆被拔出时的最大拉拔力。

2.3.2试验结果及分析

试验结果见表2(拉拔力较低主要原因是试验时温度较低)，锚杆被拉拔出的状态如图5所示。

表2不同孔径锚杆拉拔力试验结果
Table2Pullouttestresultsofrockboltsinstalledinboreholeswithdifferentdiameter

钻孔直径/mm拉拔力/kN试件1试件2平均值28557062 530658072 532726769 5

图5 锚杆被拉拔出的状态Fig.5 State of bolt pulled out in pullout test

试验结果表明：钻孔直径30mm时锚杆平均拉拔力最大，而钻孔直径28mm时拉拔力最小，但3种孔径的锚杆拉拔力相差不大。

已有的研究成果表明，当锚固剂环形厚度为3～4mm时，即钻孔孔径与锚杆直径之差在6～8mm时，锚固剂的黏结能力最强，孔径差过大或过小都会影响锚杆的锚固性能。本试验结果与上述结论基本一致，但必须考虑左旋螺纹钢锚杆的实际尺寸。对于公称直径22mm的锚杆，其最小直径超过22mm，而包含横肋的最大直径近25mm，导致钻孔直径30mm时锚杆的拉拔力较大，而28mm钻孔中的锚杆拉拔力较小。

2.4 围岩温度对锚杆锚固性能的影响

随着开采深度增加，地温越来越高。对于千米深井巷道，地层温度可超过40℃。对于临近发火区的巷道，围岩温度可能会更高。相反，对于浅埋深巷道，冬季围岩的温度可能会很低。围岩温度的变化必然引起树脂锚固剂锚固性能的变化。为了解温度对锚固性能的影响，在实验室进行了不同温度下树脂锚杆锚固力拉拔试验。

2.4.1试验方法与方案设计

本试验采用钢管模拟锚杆钻孔。钢管外径42mm，内径为30mm，长度为200mm，底部焊接密封。锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径22mm，长度400mm，其中尾部螺纹长100mm，树脂全长锚固。

试验前先对钢管进行预热，模拟钻孔孔壁围岩温度。采用自制保温套管及时对钢管进行保温，尽可能减少温度损失对试验结果的影响。采用恒温鼓风干燥箱进行试验温度调控。试验时先将恒温鼓风干燥箱设定为试验温度值，将钢管与保温套管一并放入其中预热30min。之后取出钢管，搅拌树脂锚固剂锚固锚杆，待锚固剂固化3 min后，再将钢管放入恒温鼓风干燥箱内，在设定温度值下恒温1h 后取出进行拉拔试验。采用锚杆拉拔试验台进行拉拔试验，记录拉拔力最大值。

2.4.2试验结果及分析

共进行了8组试验，钻孔温度从15℃到85℃，间隔为10℃。每组3个试件，对每组数据取平均值作为试验结果，见表3。

表3不同模拟钻孔温度下锚杆拉拔力试验结果
Table3Pullouttestresultsofresinboltsinstalledinboreholeswithdifferenttemperature

温度/℃拉拔力/kN1号2号3号平均值15175 1206 1196 3192 525220 0209 9224 4218 135216 1194 2195 3201 945190 5191 3167 5183 155164 8154 5162 0160 465148 3132 4149 3143 375101 199 784 395 08576 980 863 073 6

试验结果表明：

(1)树脂锚杆锚固力在温度为25℃时最大，达218.1kN，锚固剂固化和锚固效果较好。温度降低或升高都会导致锚杆锚固力下降。

(2)当温度为15℃时，锚杆锚固力为192.5kN，比25℃时降低11.7%。主要原因是温度降低对树脂锚固剂固化过程产生了不利影响。

(3)随着温度升高，锚杆锚固力呈明显降低趋势。当温度升至45，65，85℃时，与25℃时相比，锚杆锚固力分别降低16%，34.3%，66.3%，锚固力下降显著。说明高温下树脂锚固剂固化和锚固效果差，温度对树脂锚杆锚固性能影响明显。

2.5 水对锚杆锚固性能的影响

井下巷道围岩不同程度受到水的影响。在巷道围岩中钻孔，有的钻孔比较潮湿，有的钻孔淋水，有的钻孔含积水(底板和巷帮下扎钻孔)，在淋水、含水量较大的情况下甚至导致树脂锚杆无法锚固。因此，有必要研究水对树脂锚杆锚固性能的影响。在实验室进行了巷道顶板不同淋水量下树脂锚杆锚固力试验。

2.5.1试验方法与设备

采用内径30mm、外径42mm、长度200mm的钢管模拟钻孔。在钢管底部焊接片上均匀打直径3 mm的9个小孔，作为淋水的通道。锚杆为直径22mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，长度400mm，其中尾部螺纹长100mm。树脂锚固，锚固长度为190mm。

将试件固定在试验台上，并与接水管路连接，调节水量，模拟不同淋水量下锚杆搅拌树脂锚固剂锚固锚杆。待锚固剂固化1h后，采用锚杆拉拔试验台进行锚杆拉拔试验，记录拉拔力最大值。

2.5.2试验结果及分析

共进行了8组不同淋水量下树脂锚杆拉拔试验，每组3个试件，取平均值作为试验结果。图6是试验得出的树脂锚杆锚固力与钻孔淋水量的关系曲线。

图6 树脂锚杆锚固力与模拟钻孔淋水量的关系曲线Fig.6 Pullout force of resin bolts vs water dripping content in simulated boreholes

从图6可以看出：

(1)模拟钻孔无淋水时，树脂锚杆锚固力最大，达194.6 kN。随着钻孔淋水量增加，锚杆锚固力显著降低。当钻孔水流量为120，240，360mL/min时，锚固力分别降低18.5%，36.7%，63.1%，锚固效果越来越差。当钻孔水流量为600mL/min时，锚杆锚固力仅为无淋水时的10%，锚固效果严重恶化。

(2)钻孔无淋水时，拉拔试验后锚固剂固化物呈白色粉末状；当水流量超过240mL/min时，部分树脂胶泥被流水冲出钢管，拉拔试验后锚固剂固化物呈暗灰色；当水流量超过600mL/min时，锚固剂固化物有明显的水渍痕迹，拉拔过程中甚至有水滴从破裂的固化物中滴落。

(3)顶板淋水对树脂锚杆锚固力影响很大，一方面是在树脂锚固剂搅拌过程中，钻孔流水会将部分锚固剂冲出钻孔，减小了锚固长度；另一方面部分水分掺杂进了锚固剂固化物中，形成大小不等的气泡，降低了锚固剂的黏结强度。

3 树脂锚固剂应力分布的数值模拟

为了解树脂锚固剂应力分布规律及影响因素，采用数值模拟软件FLAC3D进行了模拟研究。主要分析不同锚杆杆体形状、锚杆与钻孔孔径差、围岩强度对锚固剂应力分布的影响。

3.1 数值模型

模拟对象为全长锚固在围岩中的单根锚杆，尾部受集中拉力作用。按实际尺寸取包含锚杆、树脂锚固剂和钻孔围岩的锚固体建立模型并划分网格。锚杆采用线弹性模型，锚固剂、围岩采用摩尔-库仑模型，在锚杆与锚固剂、锚固剂与钻孔围岩之间分别设置接触面单元。锚杆、锚固剂及围岩力学参数见表4。

表4树脂锚杆锚固体力学参数
Table4Mechanicalparametersofresinboltedrock

模拟物体体积模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa锚杆14381 7锚固剂53 08385 0围岩42 24282 4

根据锚杆受力作用范围，确定数值模型尺寸为长×宽×高=0.4m×0.4m×0.55m。模拟两种形状的锚杆：圆钢锚杆与螺纹钢锚杆。锚杆直径20mm，长度0.54m，钻孔直径为28mm，孔深0.44m。对于圆钢锚杆，锚固剂环形厚度4mm，共划分138208个单元体，如图7所示。对于螺纹钢锚杆，横肋高度为1mm，锚固剂环形厚度3(4)mm，共划分99456个单元体。锚杆尾端施加80kN的拉拔载荷。

图7 圆钢树脂锚杆锚固体数值模型Fig.7 Numerical model for rock anchored with resin smooth bar

3.2 数值模拟结果及分析

3.2.1杆体形状对锚固剂应力分布的影响

圆钢锚杆与螺纹钢锚杆数值模拟结果表明，杆体形状不同，锚固剂受力变形特征有很大差别：

(1)圆钢锚杆在拉拔状态下，锚固剂剪应力主要分布在靠近孔口的位置，最大值为6.5MPa。随着远离孔口锚固剂剪应力逐渐减小。锚固剂破坏区主要分布在孔口处，以拉伸破坏为主。

(2)螺纹钢锚杆在拉拔状态下，锚固剂剪应力峰值主要分布在杆体横肋处，出现明显的应力集中现象，最大值为33.5MPa。随着远离孔口，锚固剂在横肋处的应力集中程度有所降低。锚固剂中产生两种破坏：拉伸和剪切破坏。剪切破坏区主要分布在与杆体横肋接触处，拉伸破坏区主要位于孔口，说明杆体横肋的存在使锚固剂受力状态发生了改变，锚固剂由单纯的拉伸破坏变为拉、剪组合破坏。

选取螺纹钢锚杆某一横肋处锚固剂与圆钢锚杆同等位置处锚固剂的受力状况进行对比分析，锚固剂剪应力分布如图8所示。可见，圆钢锚杆锚固剂最大剪应力位于锚固剂与杆体接触面上，最大值仅为1.35MPa；螺纹钢锚杆最大剪应力出现在锚固剂与横肋的接触处，最大值为18MPa，说明横肋对锚固剂起到明显的机械剪切作用，螺纹钢锚杆更能发挥树脂锚固剂的传力作用。

图8 树脂锚杆锚固剂剪应力分布Fig.8 Shear stress distribution in resin annulus along resin bolt

3.2.2孔径差对锚固剂应力分布的影响

采用图7所示的圆钢锚杆模型及相关力学参数，模拟同一直径锚杆在不同直径钻孔中锚固剂的应力分布。选取锚杆直径为22mm，钻孔直径分别为26，28，30，32，34mm，即孔径差分别为4，6，8，10，12mm。锚杆尾部拉拔载荷仍为80kN。不同孔径差树脂锚固剂剪应力分布如图9所示。数值模拟结果表明：

图9 不同孔径差树脂锚固剂剪应力分布Fig.9 Shear stress distribution in resin with different annulus thickness

(1)不同孔径差下锚固剂剪应力分布规律基本相同，即在整个锚固段上，剪应力分布很不均匀。当拉拔载荷较小时，剪应力分布近似于负指数函数，锚固剂处于弹性状态；随着拉拔载荷增加，锚固剂剪应力逐渐增大，在孔口附近出现了塑性区，导致锚固剂黏结力降低，最大剪应力值向钻孔内推移，使得沿锚固段剪应力分布类似于高斯曲线。

(2)当孔径差为4mm时，锚固剂塑性区约为整个锚固段的1/3，在孔口附近出现了塑性滑移变形，峰值剪应力有所降低；当孔径差为6 mm时，锚固剂剪应力呈现明显的高斯曲线分布，传力作用较好。综合分析整个锚固段剪应力大小，排序依次为孔径差6，8，4，10，12mm。

(3)随着孔径差增大，锚固剂环形厚度增加，锚固剂对锚杆轴向力变化的敏感性不断降低，传力效果变差；但是，当孔径差、锚固剂环形厚度过小，会在较高拉拔载荷下出现破坏与滑移变形，导致锚固剂黏结力降低。锚杆与钻孔之间的孔径差以6～8mm最优，这与实验室和井下试验结果相符。

3.2.3锚杆居中度对锚固剂应力分布的影响

在井下锚杆钻孔或实验室试验的模拟钻孔中，经常看到锚杆在钻孔中不居中，偏向一侧，如图10所示，这种现象在巷帮锚杆中尤为突出，对锚杆锚固效果有一定的影响。

图10 锚杆在钻孔中的位置Fig.10 Position of bolts in boreholes

锚杆居中度λ可用下式表示：

(4)

式中，ΔS为偏心距，即钻孔圆心与锚杆圆心的距离，mm；D，d为钻孔、锚杆直径，mm。

由式(4)可知，当钻孔圆心与锚杆圆心重合时，居中度为1，表明锚杆完全居中；两圆心距离越大，居中度越小，锚固剂环形圈厚度差别越大。当锚杆一侧紧贴到钻孔壁时，居中度为0。

采用如前所述的圆钢锚杆数值模型，选取锚杆直径22mm，钻孔直径34mm，计算了居中及偏心距1，3，5mm，即居中度分别为1，0.83，0.50，0.17时锚固剂中的剪应力分布，模拟结果如下：

(1)锚杆居中时，树脂锚固剂内剪应力、塑形区呈对称分布。钻孔周围岩体中的剪应力也呈对称分布。

(2)锚杆偏向一侧时，该侧锚固剂厚度减小，而另一侧锚固剂厚度增大，两侧锚固剂中剪应力分布出现明显差异。在整个锚固段上，锚固剂厚的一侧剪应力明显低于锚固剂薄的一侧，而且随着锚杆偏心距增大，两侧锚固剂中的应力差逐渐增大。同时，钻孔深处的锚固剂受力明显大于锚杆居中时的情况。

(3)锚杆偏心引起的应力不均易使锚固剂发生剪切破坏，导致锚固剂塑性区范围增大。同时引起锚固剂应力峰值向钻孔深部移动。钻孔周围岩体受力状态也发生了变化，钻孔两侧围岩中出现了明显的应力差，且偏心距越大应力差越大，对锚杆产生附加弯矩作用，使锚杆受力状态复杂化。

3.2.4围岩强度对锚固剂应力分布的影响

采用前述的圆钢锚杆数值模型，模拟计算了不同围岩强度下锚固剂剪应力分布，以了解围岩强度对锚杆锚固性能的影响。数值模型中的围岩力学参数见表5。不同围岩强度锚固剂中剪应力分布曲线如图11所示。

(1)围岩强度不同，锚固剂、围岩中应力分布也不同。在孔口附近，随着围岩强度增加，锚固剂剪应力最大值增加，坚硬围岩中锚固剂最大剪应力是软岩中的2倍。在距离孔口100mm左右曲线发生交叉，之后随着至孔口距离增大，软岩锚固剂剪应力反而最大，坚硬围岩最小。可见，围岩强度对锚固剂剪应力分布有明显影响，要获得相同锚固力，坚硬围岩中需要的锚固长度最短，软岩中最大。

表5不同强度围岩数值模型力学参数
Table5Mechanicalparametersofrocksurroundingboreholewithdifferentstrength

围岩类型体积模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa坚硬8 95 68 0365 4中等5 03 44 0282 8软岩2 81 62 2221 6

图11 不同围岩强度树脂锚固剂剪应力分布Fig.11 Shear stress distribution in resin cohered in surrounding rock with different strength

(2)围岩应力随着围岩强度的降低逐渐降低，但塑性区逐渐扩大。在坚硬、中等围岩中以拉伸破坏为主，而在软岩中既有拉伸破坏，又有剪切破坏。

4 现场试验

在平庄矿区风水沟煤矿进行了锚杆与锚索可锚性试验。平庄矿区是我国典型的软岩矿区，围岩松散、软弱、胶结性差。砂岩含水，泥岩含蒙脱石等黏土矿物，遇水软化、膨胀。锚杆、锚索锚固性能差，巷道支护困难。为此，在风水沟煤矿不同围岩条件下进行了锚杆、锚索拉拔试验，为锚杆、锚索支护设计提供可靠的基础参数。

拉拔试验锚杆直径为22mm，长度为2.4m。锚索为1×19结构、直径22mm的高强度锚索。试验点巷道顶板岩层从下到上分别为0～0.9m为煤层；0.9～1.5m为粉砂岩，不含水，岩石强度较大；1.9～2.8m为细砂岩，出现少量含水；2.8～3.6 m为泥岩，含水量加大；4.0m以上钻孔岩屑变为泥(砂)水混合物，水流量较大。表6是锚杆、锚索在不同围岩的拉拔力试验结果。

实测结果表明：

表6平庄风水沟煤矿树脂锚杆、锚索拉拔力实测结果
Table6PulloutforceofresinboltsandcablesinFengshuigouCoalMineofPingzhuangcoalminingdistrict

锚杆/锚索钻孔直径/mm钻孔深度/m拉拔力/kN围岩含水状态顶板锚杆302 3135 4含水量小煤帮锚杆282 3129 7含水量小煤帮锚杆282 373 3流水量大顶板锚索306 053 9流水量大顶板锚索306 064 7流水量大顶板锚索304 0215 6含水量小煤帮锚索304 097 2流水量大煤帮锚索304 0285 7含水量小

注：顶板锚杆采用1支K2550、2支Z2575锚固剂锚固，帮锚杆及锚索采用1支K2550、1支Z2575锚固剂锚固。

(1)无论在顶板岩层还是在煤层，只要围岩不含水或含水量小，锚杆拉拔力都超过120kN，锚索拉拔力均大于200kN。

(2)随着围岩含水量增加，锚杆、锚索拉拔力不断降低。当钻孔流水，而且水量较大时，锚杆、锚索锚固性能严重劣化，甚至在不到60kN拉力作用下就能将锚杆、锚索拔出。

(3)在井下选择锚杆、锚索锚固位置时，应尽量避开含水量大的岩层，否则树脂锚固剂锚固性能会受到严重影响。

5 提高树脂锚杆锚固力的建议

(1)在树脂锚固剂材料与配方方面，应进一步深化树脂锚固剂各组分的力学性能、含量及不同配方对锚固剂力学性能影响的研究，开发适合不同围岩条件的锚固剂。继续进行全长锚固用锚固剂，及防水、耐高温树脂锚固剂的研发，解决软岩、围岩含水及温度升高等带来的锚固问题。

(2)在锚杆、锚固剂与围岩相互作用方面，更深入地进行锚杆-锚固剂、锚固剂-围岩之间界面力学研究，从宏观与微观层面揭示接触面力学性质对3者之间传力的影响，为进一步提高锚固力提供理论基础。

(3)在锚杆支护设计方面，锚杆、锚索的锚固位置应尽量避开含水、破碎岩层，必要时进行预注浆堵水和加固围岩。设计的锚固长度、孔径差应合理。当采用全长锚固时，应考虑锚杆、锚索预应力的作用，实现全长预应力锚固。

(4)在锚杆施工方面，应严格按照要求安装和搅拌树脂锚固剂。应尽量清除钻孔中的钻屑，采取有效措施保证锚杆、锚索的居中度。

(5)对于极软岩层等困难条件，可改变钻孔形状，如将钻孔底部钻成圆锥形扩体，以提高锚固力。另外，可将搅拌树脂药卷锚固改为压注树脂浆，通过一定的注浆压力提高锚固力。

6 结 论

(1)影响树脂锚杆锚固力的主要因素有杆体形状与直径、钻孔直径、锚杆在钻孔中的居中度；锚固剂物理力学性质、锚固长度；围岩强度与完整性，围岩含水量、温度；及施工质量等。

(2)锚杆杆体形状对锚固力有显著影响。左旋无纵筋螺纹钢锚杆拉拔力最大，而右旋全螺纹钢锚杆拉拔力最小。

(3)当钻孔孔径与锚杆直径之差在6～8mm时，锚固剂的黏结能力最强，孔径差过大或过小都会影响锚固性能。锚杆居中度对锚固力也有影响，锚杆偏心会引起两侧应力分布出现明显差异，导致锚固剂塑性区范围增大，对锚杆产生附加弯矩作用，使锚杆受力状态复杂化。

(4)围岩温度对树脂锚杆锚固性能影响明显。低温和高温都会导致锚杆锚固力下降。围岩含水同样显著影响锚固性能。随着钻孔淋水量增加，锚杆锚固力显著降低。特别是当淋水量较大时，锚固效果严重恶化。

(5)在不同强度围岩中，锚固剂、围岩应力分布存在明显差别。围岩强度越大，锚固剂剪应力峰值越高，峰值之后剪应力的衰减幅度也越大。对于极软岩层条件，可采用改变钻孔形状，压注树脂浆等方法提高锚固力。

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Analysisonanchorageperformancesandaffectingfactorsofresinbolts

KANG Hong-pu1,2,CUI Qian-li1,2,HU Bin1,2,WU Zhi-gang1,2

(1.CoalMiningandDesigningDepartment,TiandiScienceandTechnologyCo.,Ltd.，Beijing100013，China;2.CoalMiningandDesigningBranch，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China)

The anchorage performances and affecting factors of resin bolts were studied by the combination method of theoretical analysis,laboratory tests,numerical modeling and field measurement.The stress distribution along bolts in pullout and fully anchored states was theoretically analyzed;the pullout tests of bolts with different profiles and anchored in boreholes with various diameter were carried out in laboratory,and the affecting degree of bolt profiles and diameter difference between bolts and boreholes to the bolt pullout force was obtained;the pullout force of bolts anchored in simulated boreholes with different temperature and water dripping content was measured,and the relations between pullout force and temperature,water dripping content were got.By means of FLAC3D,the shear stresses in resin and surrounding rock along bolts with different profiles,resin annulus thickness,concentricity,and anchored in rocks of different strength were calculated,the affecting of these factors to shear stress distribution was analyzed,and stress distribution features were obtained.The soft rock anchorage test was carried out in underground,in the Fengshuigou Coal Mine,the Pingzhuang coal mining district,and the pullout loads of bolts and cables in soft rock with different water content were measured.Finally,the suggestions for improving resin anchorage performances and enhancing anchorage force were put forward.

rock bolt;resin capsule;anchorage performance;pullout force;affecting factors

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1919

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAK04B06)

康红普(1965—)，男，山西五台人，研究员，博士生导师。Tel：010-84263125，E-mail：kanghp@163.com

TD322.4

A

0253-9993(2014)01-0001-10

康红普，崔千里，胡 滨,等.树脂锚杆锚固性能及影响因素分析[J].煤炭学报,2014,39(1):1-10.

Kang Hongpu,Cui Qianli,Hu Bin,et al.Analysis on anchorage performances and affecting factors of resin bolts[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):1-10.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1919