新型耐水锚固剂锚固试验研究及工程应用

王正胜

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

在煤炭生产中，巷道、硐室经常会因掘进和采动等影响使围岩承压过高而出现底鼓，强烈的底鼓会引起巷道断面变小，使巷道基础不稳，生产运输受阻，通风不畅。造成巷道底鼓的原因很多，许多学者都进行过详细的研究。康红普经过分析底板岩层稳定性，认为底鼓的一个主要原因是岩石自身的遇水膨胀［1］。姜耀东、陆士良通过研究分析得出造成底鼓的一个主要原因是遇水膨胀性底鼓［2］。潘一山等在研究巷道底鼓时间效应和软岩遇水膨胀引起的底鼓现象的基础上，建立了底板岩层渗水膨胀软化模型［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软岩遇水膨胀有关。

在底鼓治理的研究方面，底鼓锚固是一种切实可行且行之有效的处理方法，但普通锚固剂，遇水后固化时间延长、强度降低，甚至有的遇水完全不能固化。勾攀峰、薛亚东、Shutong yang等诸多研究者注意到了水对树脂锚杆、锚索锚固力的影响，并专门进行了研究［7－9］。胡斌［10］对钻孔淋水与锚固效果进行了详细研究。对于耐水锚固剂也有部分研究，杨绿刚通过选取不同的不饱和聚酯树脂进行了防水树脂锚固剂的试验研究［11］;同时，吴国金、张少波、卢成、葛新等分别做了许多锚固剂锚固效果与水之间关系的研究［12－15］。但聚氨酯遇水发泡，在处理破碎围岩时有用，在处理含水围岩时锚固力不足，不能很好地解决含水底鼓围岩的锚固问题。也有研究者研究耐水锚固剂［16］，但效果并不是很理想。

本文通过原料选型、反应机理、锚固测试等方面，研究出一种新型耐水锚固剂。

1 耐水锚固剂配制

自行研制的耐水锚固剂以改性聚酯PM－Ⅰ，PM－Ⅱ，PM－Ⅲ为主剂，分别与粗石粉、细石粉混合均匀，配制成锚固剂A组分 (褐黑色);选取在水域中能很好引发、固化该聚酯的固化剂Ⅰ、固化剂Ⅱ、固化剂Ⅲ、固化剂Ⅳ分别与界面剂配制成耐水锚固剂B组分 (乳白色)。锚固剂A，B两种组分，分别灌装于锚固剂子母袋中一起使用。

2 耐水锚固剂锚固试验研究

2.1 抗拔力试验研究

锚固剂的抗拔力试验研究采用内径28mm无缝钢管作为模拟孔，锚固长度125mm，锚杆杆体选用直径22mm、屈服强度500MPa的无纵肋螺纹钢杆体为研究对象。锚固后25℃条件下养护，在JAW－1500钢绞线拉力试验机上测试其抗拔力。

2.1.1 无水条件下抗拔力试验研究

截取数根400mm长的500号锚杆，在内径28mm、长125mm锚管内做锚固试验。试验时，锚管内未加水，并设计不同配方的锚固剂在锚管内锚固锚杆，静止养护24h后测试相应的抗拔力，试验结果见表1及图1。

结合表1、图1可见，在同一试验条件下，部分配方锚固剂不能正常固化，固化成功试验中，尤以40号试验效果最好，24h后抗拔力最大，达到242kN。

表1 无水条件下抗拔力试验结果

图1 无水条件下不同配方锚固剂抗拔力测试曲线

2.1.2 有水条件下抗拔力试验研究

试验条件同2.1.1节所描述，在锚固过程中预先在锚管内灌满清水，然后再做锚杆锚固试验，试验结果见表2及图2。

结合表2、图2可见，在同一试验条件下，部分配方锚固剂固化效果不好，抗拔力低至10kN以下。在有水的情况下，固化剂受到水化作用，原有的功用失效，起不到应有的固化效果。但对于抗水性较好的固化剂－Ⅰ，在水域环境中仍能很好地引发改性聚酯PM－Ⅰ，且24h后抗拔力最大，达到206kN。

表2 有水条件下抗拔力试验结果

2.1.3 配方优化研究

图2 有水条件下不同配方锚固剂抗拔力测试曲线

结合2.1.1和2.1.2两小节中试验结果，耐水锚固剂首选PM－Ⅰ、固化剂－Ⅰ。为了进一步优化配方，针对不同配比的锚固剂进行了系统研究，试验选用PM－Ⅰ∶固化剂－Ⅰ=2.5∶1为定量，以A∶B和不同界面剂用量为变量，研究了锚固剂无水和有水条件下的抗拔力。试验结果见表3和图3、图4。

结合表3、图3、图4可知，在无水、有水试验条件下，所设计配方最终抗拔力均达到100kN以上，效果较好;无水条件下，抗拔力区别不大，均在200kN以上;有水条件下，界面剂－Ⅰ的使用远远好于不加界面剂或界面剂－Ⅱ。

表3 优化配方试验结果

图3 无水条件下抗拔力曲线

图4 有水条件下抗拔力曲线

3 锚管内锚固力试验研究

3.1 内径28mm锚管内锚索锚固力试验研究

采用内径28mm、长800mm无缝钢管模拟钻孔，每个锚管内放置2支自制φ23mm、长300mm的锚固剂，在灌满清水的锚管内锚固φ22锚索，24h后测试相应锚固力。试验结果见图5。

图5 φ28mm锚管内锚索拉拔曲线

由图5可知，φ28mm锚管内锚索锚固后锚固力均大于200kN，最大可达273kN，满足锚固剂锚固技术要求。

4 工业性试验

基于新型耐水锚固剂特性，工业试验选取巷道底鼓明显的蒋家河煤矿二号采区回风大巷。二采区回风大巷底鼓段总长900m，底鼓量均在1m以上，最大达到1.8m。巷道底板鼓起形状为中间底鼓量大，两帮帮脚处底鼓量较小。

综合分析认为二采区回风大巷底鼓属于高应力作用下底板岩层扩容引起的弯曲形底鼓，3条大巷不仅要受到一采区的采动影响，而且未来还要受到二采区的采动影响，仅仅起底无法长期保证巷道底板的稳定，需要对巷道底板采取加固措施。

4.1 施工工艺设计

在回风大巷H10点以西465m处至H10点以西280m处，总长185m，布设100个试验点，钻孔孔径φ56mm、孔深5.2m，试验时钻孔内积水不低于3m，锚固用直径22mm、长5.5m、1×19股锚索(从低端往上依次编制2个束笼，均在锚固段内)100根。设计锚索施加预紧力不低于180kN。图6、图7分别为二采区回风大巷布置图和底板锚索孔布置图。

图6 二采区回风大巷布置

图7 底板锚索孔布置

4.2 试验结果

每个试验钻孔放入3支自制4250锚固剂，总搅拌时间为4min，静置24h后，依次安装锚索托盘、锁具，并用气动张拉千斤顶施加预紧力，施加预紧力不低于200kN。

试验结果显示:整体锚固效果很好，预紧力均达到设计要求。从2013年10月13日至2014年3月9日日常观测0.5a，未发现锚索退锚、松动迹象。且对其中7个试验孔进行实时观测，锚索受周边采动应力影响，部分试验孔应力有所提高，波动幅度均在30kN范围之内。

总之，新型耐水锚固剂替代水泥浆锚固底板锚索，减少了施工人员的劳动强度、缩短了预紧力施加时间 (从先前的7d缩短至1d)、一次性锚固成功率高、有水环境不影响底鼓治理工程施工。

5 结论

(1)选取强度高、水中易固化反应的改性聚酯为耐水锚固剂主剂。

(2)选用抗水性较好的固化剂－Ⅰ，在水域环境中仍能很好地引发改性聚酯PM－Ⅰ，且24h后抗拔力最大，达到206kN，优化后的配方，24h后抗拔力最大可达242kN。

(3)在灌满水的φ28mm锚管内，锚索锚固后锚固力均大于200kN，最大可达273kN，满足锚固剂锚固技术要求。

(4)工业性试验成果显示，本锚固剂的使用可缩短工期、提高功效、锚固不受水介质影响。

本研究成果可用于煤矿巷道底鼓治理中，尤其是含水钻孔内使用，能突显其优良锚固效果。

［1］康红普.软岩巷道底鼓的机理及防治［M］.北京:煤炭工业出版社，1993.

［2］姜耀东，陆士良.巷道底鼓机理的研究 ［J］.煤炭学报，1994，19(4)343－351.

［3］潘一山.有限元数值分析方法分析巷道底鼓问题［A］.第一届中苏采矿学术交流会论文集［C］.泰安:山东矿业学院，1991.

［4］Seedsman R.The behavior clay shales in water［J］.Can Geotech，1986，23(1):18－22.

［5］Chugh Y.P，Missavage R.A.Effectsof moisture on strata control in coal mines［J］.Engineering Giology，1891，17(4):241 －255.

［6］卓青松.彬长矿区胡家河煤矿软岩巷道底鼓机理及控制技术研究［D］.西安:西安科技大学，2012.

［7］勾攀峰，陈启永，张 盛.钻孔淋水对树脂锚杆锚固力的影响分析 ［J］.煤炭学报，2004，29(6):681－683.

［8］薛亚东，黄宏伟.水对树脂锚索锚固性能影响的试验研究［J］.岩土力学，2005，5(26):31－34.

［9］Shutong Yang，Zhimin Wu，et al.Theoretical analysis on pullout of anchor from anchor-mortar-concrete anchorage system ［J］.Engineering Fracture Mechanics，2008(75):961－985.

［10］胡 滨.全长预应力锚杆树脂锚固剂力学性能研究［D］.北京:煤炭科学研究总院，2012.

［11］杨绿刚.防水树脂锚固剂的试验研究 ［J］.煤矿安全，2008，39(3):11－13.

［12］吴国金，严小文.矿用聚氨酯锚固剂 ［J］.聚氨酯工业，2000(4):28－30.

［13］赵 剑.PET用于聚氨酯矿用加固材料的研制［J］.塑料工业，2010(S1):144－146.

［14］卢 成.聚氨酯锚杆加固技术研究 ［D］.北京:中国地质大学，2011.

［15］葛 新，汤向南.聚氨酯树脂锚固剂锚杆 ［P］.中国:CN2415159，2001－01－17.

［16］王忠荣，马利洋，何旭东.环氧树脂锚固剂［J］.上海建材，2003(4):16－19.

［17］胡 滨，林 健，姜鹏飞.锚固剂环形厚度对树脂锚杆锚固性能影响的研究 ［J］.煤矿开采，2011，16(4):20－22.