搅拌参数对树脂锚固剂锚固质量影响试验研究

王子越

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

由于树脂锚固剂使用方便，成本低，树脂锚固已经成为锚杆、锚索主要的锚固方式[1-6]。国内外学者针对树脂锚固剂锚固质量的影响因素进行了大量理论分析和试验研究：胡滨[7，8]通过理论分析和相似模拟实验研究了水和温度对锚固力的影响，指出锚固力受钻孔淋水的影响较大，随着淋水量的增加，锚固力急剧下降；崔千里等[9，10]通过数值模拟和相似模拟实验分析了多个锚固设计参数(锚杆居中度等)对锚固力的影响，得出了树脂锚杆锚固的最佳“三径匹配”原则；任硕[11，12]针对树脂全长锚固锚杆推进困难的问题，研究了推进阻力与杆体外形之间的关系，并且优化了杆体横肋的形状和间距。以上研究主要以锚固力作为锚固质量的单一衡量标准，但锚固质量除锚固力外还包括决定锚杆增阻速度的锚固剂黏结刚度。黏结刚度主要影响因素包括锚固长度、锚固剂环形充填饱和度和施工缺陷等[13-16]。因此，为综合评价搅拌持续时间和锚固剂环形厚度对锚固质量的影响，本文以锚固力、锚固剂环形充填饱满度作为锚固质量的衡量指标，制作专门的剖分钢管，剖开后观察锚固剂搅拌均匀程度、锚固剂环形充填密实度，通过锚杆拉拔试验确定不同条件下锚杆锚固力，对比得出了树脂锚杆施工的最佳锚固剂搅拌时间和锚固剂环形厚度。

1 试验概况

锚固质量主要通过锚固力和黏结刚度[17]来确定，影响锚固剂黏结刚度的主要因素包括锚固长度、锚固剂环形充填饱和度和施工缺陷[18，19]。在试验室通过拉拔试验测试锚固力[20]；制作剖分钢管，在锚杆锚固完毕后将试件剖分，观察锚固剂环形的充填饱满度。

图1 剖分装置

拉拔试验使用厚壁钢管模拟钻孔，为了获得完整的拉拔应力应变曲线，需保证在锚杆破断之前脱锚，因此锚固段不宜过长，设定为125mm。为模拟现场施工，使用手持式煤帮钻通过搅拌套连接锚杆对锚固剂进行搅拌，使用秒表测量搅拌时间。为避免温度影响，搅拌完毕后，将试件整体放入恒温箱中进行保温，恒温温度定为25℃，保温2h后将试件取出。使用JAW-1500kN型电液伺服试验机进行拉拔实验，加载速率为0.096mm/s，拉拔停止条件设定为试件残余载荷低于50kN，拉拔峰值强度即为试件的锚固力。

为观测锚固状态，特制作剖分装置，如图1所示。剖分装置由左右两半圆管和固定底座组成。试验之前，通过螺丝将两半圆管固定在底座上，并在两半圆管内部涂抹润滑油。使用手持式煤帮钻搅拌安装锚杆，待锚固剂固化后，将两半圆管剖分，观测锚固剂的固化密实度、锚固缺陷。

2 搅拌时间试验

搅拌时间不足会使锚固剂中的各成分混合不均匀，从而导致锚固力不足；持续时间过长的搅拌也会破坏已经初凝的锚固剂，引起锚固力下降。为获得最佳的锚固剂搅拌时间，进行了不同搅拌时间对锚固质量影响的对比分析试验。使用初凝时间87s的中速锚固剂进行试验，搅拌时间设定为120s、60s、45s、30s、22s、15s、9s、7s、2.5s，每组试验重复9次，取每组试验锚固力平均值。

2.1 搅拌时间对锚固力影响试验结果

锚固力与搅拌时间的关系如图2所示。分析图2可知，锚固力与搅拌时间整体呈负线性关系，随着搅拌时间的不断增加，锚固力不断下降。锚固力最高为140.33kN，对应搅拌时间为9s。搅拌持续120s，锚固力仅为16.46kN。按照树脂锚固剂拉拔试验行业标准MT146.1-2011要求，锚固长度为125mm的锚固力要求不低于100kN，当搅拌时间不超过45s时锚固力都能达到以上标准。搅拌时间超过9s后，随着搅拌时间的增加锚固力明显下降。

图2 不同搅拌时间锚固力值

2.2 搅拌时间剖分试验结果

搅拌时间试验剖分效果如图3所示，搅拌时间为2.5s、7s、9s时，锚固剂搅拌均匀，填充密实，锚杆杆体及管壁上均粘结有大量锚固剂，这与拉拔试验结果相印证；搅拌时间超过15s后，锚固缺陷明显增多；搅拌时间超过60s后，观察到白色小块或碎末，说明锚固剂开始初凝后仍然继续搅拌，破坏了已经凝固的锚固剂。

2.3 试验结果分析

由于手持式煤帮钻转速为520r/min，转速较高，在较短的时间内即可将树脂锚固剂搅拌充分，使各成分充分混合，所以在很短的搅拌时间内便可实现较好的锚固质量。随着搅拌时间的不断延长，一方面，由于锚杆的快速旋转，锚固剂会由于离心作用不断被甩离锚杆杆体，锚固剂不能密实粘接在锚杆上，导致锚固力下降。另一方面，由于搅拌过程放热和树脂锚固剂凝固过程释放大量热，致使整个锚固系统升温，锚固剂初凝时间缩短，在锚固剂开始初凝后继续搅拌，便会破坏已经凝结锚固剂，出现锚固剂粉末，如图3所示。综合以上分析，锚固剂最佳搅拌时间为9s左右。现场施工时为避免锚固剂出现搅拌过度现象，应边旋转边推进，推至孔底后立即停止搅拌，中途不停钻，并尽可能加快推进速度，缩短搅拌时间。

图3 搅拌时间试验剖分效果

3 锚固剂环形厚度试验

针对锚杆打设中钻孔直径与锚杆直径不匹配的问题，进行锚固剂环形厚度对锚固质量影响试验。锚杆直径为20mm，使用不同内径的厚壁钢管模拟钻孔，钢管内径分别为24mm、26mm、28mm、30mm，锚固剂环形厚度分别为2mm、3mm、4mm、5mm。此次试验只关注锚固剂环形厚度对锚固质量的影响，为保证锚固剂足以将厚壁钢管填充满，将每组试验锚固长度统一为125mm(即钢管的长度)。

3.1 锚固剂环形厚度拉拔试验

不同锚固剂环形厚度拉拔试验说明，锚固力随着锚固剂环形厚度的增加不断下降，锚固力与锚固剂环形厚度呈明显的负线性关系，如图4所示。环形厚度为2mm时，锚固力最大，达到128.78kN，四组重复试验结果比较稳定，均集中在128kN；环形厚度5mm时，锚固力为90.51kN，相比环形厚度2mm，下降了30%，且四组重复试验结果十分分散，试验结果不稳定，锚固剂环形厚度拉拔试验见表1。

图4 锚固剂环形厚度与锚固力关系

3.2 不同锚固剂环形厚度剖分结果

环形厚度为2mm时，锚固剂搅拌均匀，且锚固剂包装袋均被搅拌破碎，填充密实，固化缺陷少；环形厚度为3mm时出现大片没有被搅拌破碎的包装袋，固化缺陷明显；环形厚度为5mm时，锚杆发生明显偏心，导致一侧直接与孔壁接触，有效锚固接触面积明显减小，如图5所示。

表1 锚固剂环形厚度(2～5mm)拉拔试验

图5 不同锚固剂环形厚度搅拌效果

3.3 试验结果分析

剖分试验说明，杆体直径与钻孔直径相差4～6mm时(锚固剂环形厚度2～3mm)锚固剂搅拌均匀，充填饱满、密实，锚杆居中，完全搅拌破碎锚固剂包装袋，锚固缺陷少。随着锚固剂环形厚度的增加，在搅拌过程中锚杆容易出现偏心，将锚固剂挤到锚杆一侧，导致锚固剂搅拌不均匀，致使锚固质量下降。锚固力随着锚固剂环形厚度的增加快速下降且锚固质量不均一。不同锚固剂环形厚度的拉拔试验和剖分试验说明最佳锚固剂环形厚度区间为2～3mm。

强度较高的砂岩、灰岩施工锚杆钻孔，钻孔内径与钻头直径相差不大，在强度较低的泥岩、煤施工锚杆钻孔时，钻孔直径一般要比钻头直径大1～2mm，为避免钻孔过大带来的锚固质量较差问题，钻头直径应适当选用小于设计钻孔直径。

4 结 论

1)锚固段长125mm的中速锚固剂最佳搅拌时间为9s。搅拌持续时间超过9s后，随着搅拌时间的增加，锚固质量明显下降，搅拌120s，锚固力几乎全部丧失。

2)锚固剂最佳环形厚度为2～3mm。锚固剂环形厚度为2～3mm时，锚固剂搅拌均匀，充填饱满、密实，锚杆居中，锚固质量较好且稳定，锚固力随着锚固剂环形厚度的增加快速下降且锚固质量不均一。