矿用缓凝型树脂锚固剂的研究

梁国治，周孟颖，张奋奋

(安徽省煤炭科学研究院火灾热害研究中心，安徽合肥 230001)

目前，我国许多煤矿的浅部资源已经逐渐枯竭，矿井逐渐进入深部开采，锚索已成为深井巷道支护结构中必不可少的一部分［1］。但在支护实践中锚索内锚失效现象时有发生，多个矿区造成冒顶事故，严重威胁矿工的生命安全［2］。目前支护中普遍使用的是拉力集中型锚索，在内锚固起始端产生严重的应力集中，造成锚固体深度方向的渐进破坏，最终导致内锚失效，给煤矿巷道支护与安全造成严重威胁［3］。

为克服拉力集中型锚索在使用中的缺陷，提高锚索利用率，保证煤矿开采的安全性，研究出一种新型拉力分散型锚索锚固工艺，具有重要意义［4］。

新型拉力分散型锚索锚固工艺采用两种不同锚固性能的锚固剂，其中一种是目前市场上使用的快速树脂锚固剂，另一种是缓凝型树脂锚固剂(4 h ＜初凝时间＜24 h)，通过两者固化时间的不同，实现分次锚固，以改善锚索内锚段受力状态，提高锚索的锚固性能。目前国内尚无缓凝型树脂锚固剂的相关报道，因此，为实现新型拉力分散型锚索锚固工艺，迫切需要研制一种新型的缓凝树脂锚固剂。

本文研制了一种缓凝型树脂锚固剂，并对其凝胶时间和抗压强度进行测试。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

对苯二酚、一缩二乙二醇、环烷酸钴、过氧化甲乙酮、邻苯二甲酸二甲酯均为分析纯;191 不饱和聚酯树脂、白炭黑、粗石粉、细石粉、滑石粉均为工业级。

WEW-600B 电液式万能试验机;RC5600-24N 数据采集仪;凯马-400 切割机;TYMP 磨片机。

1.2 实验方法

缓凝型树脂锚固剂分为两个组分，分别是树脂胶泥部分和固化剂胶泥部分，使用时将两组分按一定的比例均匀混合［5］。

1.2.1 树脂胶泥的配制 将适量阻聚剂对苯二酚、一缩二乙二醇和促进剂环烷酸钴加入到不饱和聚酯树脂中，搅拌均匀，再加入无机填料(粗石粉、细石粉和白炭黑)，混合均匀，即得到树脂胶泥。

1.2.2 固化剂胶泥的配制 将引发剂过氧化甲乙酮(按1%比例溶解于邻苯二甲酸二甲酯溶剂中)加入无机填料(滑石粉和白炭黑)中，混合均匀，即得到适当稠度的固化剂胶泥。

1.2.3 缓凝型树脂锚杆锚固剂的配制 将树脂胶泥和固化剂胶泥按一定比例混合均匀，即得到缓凝型树脂锚杆锚固剂，对其缓凝时间和力学性能进行检测。

1.3 性能测试

1.3.1 凝胶时间［6］当树脂胶泥加入固化剂并搅拌均匀以后开始计时，每30 min 用手触摸，判断其流动性的改变，当胶泥流动性明显降低，并开始结成胶冻状后，即可判定锚固剂已经凝胶，此期间所耗时间即为树脂锚固剂凝胶时间。

1.3.2 抗压强度 按照中华人民共和国煤炭行业标准MT 146.1—2011［6］，制作了40 mm ×40 mm ×40 mm 立方体试模，共2 组6 块;3 块Φ50 mm ×100 mm 的圆柱体试件，室温自然养护，锚固剂充分硬化后拆模，用万能材料试验机测其抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 配方设计［7-8］

选择191 不饱和树脂、阻聚剂、促进剂、引发剂进行正交实验，以树脂锚固剂凝胶时间为衡量指标，因素水平见表1，结果见表2。

表1 因素及水平表Table 1 The table of factor and level

表2 正交实验结果Table 2 Orthogonal test table

缓凝型树脂锚固剂要求凝胶时间满足(＞4 h，＜24 h)。由表2 可知，缓凝型树脂锚固剂的树脂胶泥配方最佳组合为:191 不饱和树脂100 g，阻聚剂(对苯二酚、一缩二乙二醇)0.3 g，促进剂(环烷酸钴)0.5 g，无机填料粗石粉、细石粉和白炭黑分别为200 g、300 g 和2 g;固化剂胶泥配方为:引发剂(过氧化甲乙酮)4 g，白炭黑1.7 g。

2.2 验证实验

对上述配方研制的缓凝型树脂锚固剂的凝胶时间、抗压强度进行测试，结果见表3、表4。

表3 凝胶时间Table 3 Gel time

由表3 可知，所研制的缓凝型树脂锚固剂的凝胶时间为480 ～500 min，可满足新型拉力分散型锚索锚固工艺要求，提高锚索的锚固性能。

表4 锚固剂单向抗压强度测定Table 4 The unidirectional compressive strength determination table of anchor agent

图1 和图2 分别为缓凝型树脂锚固剂直接加载至破坏和循环加载破坏应力应变曲线。

图1 抗压强度应力应变曲线Fig.1 The stress-strain curve of compressive strength

图2 循环加载抗压强度应力应变曲线Fig.2 The stress-strain curve of cyclic loading compressive strength

由图1、图2 可知，直接加载模式下锚固剂抗压强度为62 MPa，循环加载模式下抗压强度有所降低，为60 MPa 左右，说明了锚固剂具有变形记忆特性。对所测得的数据进行分析处理，得到圆柱体试件平均破坏载荷为119.8 kN，立方体试件平均破坏载荷为97.1 kN。由表4 可知，缓凝型树脂锚固剂的平均破坏载荷为61 MPa，可以满足煤矿巷道锚固剂使用要求。

3 结论

(1)缓凝型树脂锚杆锚固剂由树脂胶泥部分和固化剂胶泥组成，以树脂锚固剂凝胶时间和抗压强度为衡量指标，最佳树脂胶泥配方为:191 不饱和树脂100 g，阻聚剂0.3 g，促进剂0.5 g，无机填料粗石粉、细石粉和白炭黑分别为200 g、300 g 和2 g;固化剂胶泥配方为:引发剂4 g，白炭黑1.7 g。

(2)研制的缓凝型树脂锚固剂的凝胶时间(手工判断)均值为490 min，大大延长了树脂锚固剂的凝胶时间，满足新型拉力分散型锚索锚固工艺要求，提高锚索的锚固性能，从而提高煤矿巷道支护的稳定性和安全性。

(3)缓凝型树脂锚固剂抗压强度为61 MPa，可以满足煤矿巷道锚固剂使用要求。

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［3］ 康红普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用［J］.煤炭学报，2007(7):680-685.

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