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(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了分析和探究，其中錨桿桿體不同直徑對應(yīng)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(huì)導(dǎo)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(qiáng)度及不同溫度條件下，采取的相應(yīng)的樹脂錨桿支護(hù)措施，對保證巷道的支護(hù)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(yīng)力分布；溫度

一、樹脂錨桿發(fā)展歷程簡述

20世紀(jì)60年代，德國開始在煤礦生產(chǎn)活動(dòng)中研制樹脂錨桿。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)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(hù)的主要方式。我國煤礦于1974年開始引進(jìn)樹脂錨桿，并于1976年在雞西等礦區(qū)進(jìn)行了井下實(shí)驗(yàn)，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(jìn)了澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)，并結(jié)合我國煤礦地質(zhì)條件與生產(chǎn)條件，進(jìn)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(yù)應(yīng)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(diǎn)，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(dòng)中錨桿支護(hù)的主要形式[3]。

二、樹脂錨桿的原理

（一）研究背景

錨桿支護(hù)已成為煤礦巷道的主要支護(hù)形式。但是，隨著采深和開采強(qiáng)度的加大，圍巖壓力增大，樹脂出現(xiàn)支護(hù)失效的現(xiàn)象。為了提高錨桿支護(hù)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(jìn)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(qiáng)樹脂錨桿的支護(hù)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(xué)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(rèn)為錨桿支護(hù)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(shí)將其擠壓，并懸吊在老頂上，直接頂板就不會(huì)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(shí)相對的剛度與彈性模量，還受錨桿長度、密度及強(qiáng)度等因素的影響。這一理論提出的較早，滿足其前提條件時(shí)，有一定的實(shí)用價(jià)值。

組合梁理論：組合梁理論認(rèn)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(diǎn)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(gè)整體的組合梁，防止巖石沿層面滑動(dòng)，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(yīng)變和應(yīng)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(qiáng)度愈大，補(bǔ)強(qiáng)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(yàn)提出來的。組合拱原理認(rèn)為，在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中，安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置的錨桿間距足夠小，各個(gè)錨桿的壓應(yīng)力維體相互交錯(cuò)，這樣使巷道周圍的巖層形成一種連續(xù)的組合帶（拱）。這個(gè)組合拱可承受上部巖石的徑向載荷，如同碹體起到巖層補(bǔ)強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(xué)特性的重要因素之一。一般而言，隨溫度的變化，巖石的強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等力學(xué)性質(zhì)都會(huì)發(fā)生變化；溫度升高會(huì)導(dǎo)致巖石介質(zhì)活化和塑性增強(qiáng)，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(gè)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(dāng)巖體受到一定熱源影響使得巖石內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過巖石顆粒之問的抗張應(yīng)力屈服強(qiáng)度時(shí)，巖石內(nèi)部原生裂隙得到擴(kuò)展，同時(shí)產(chǎn)生新的微小裂紋，使得巖石強(qiáng)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(shí)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(yīng)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(yīng)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(yīng)體系，不飽和聚酷與交聯(lián)劑在固化劑和促進(jìn)劑的作用下，產(chǎn)生白由基引起交聯(lián)聚合反應(yīng)，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?jiān)硬固體，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(yīng)進(jìn)行程度的關(guān)鍵因素。當(dāng)白由基的活性較大時(shí)，能夠迅速促進(jìn)聚酷固化反應(yīng)的進(jìn)行；當(dāng)白由基活性較小時(shí)，便會(huì)延緩聚酷固化反應(yīng)的進(jìn)行，而溫度對聚合反應(yīng)中白由基活性有較大的影響，溫度較低會(huì)導(dǎo)致白由基活性降低，錨固劑固化不完全，各項(xiàng)力學(xué)性能有所下降，最終導(dǎo)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(yīng)的過程，對某一型號(hào)的樹脂而言，放熱量是個(gè)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(jìn)劑和外界環(huán)境溫度而變化。外界溫度較高時(shí)聚合反應(yīng)中白由基的活性增強(qiáng)，反應(yīng)速度加快，固化反應(yīng)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(yīng)過程中樹脂發(fā)生收縮，同時(shí)受到熱膨脹的影響，兩個(gè)相反的效果同時(shí)發(fā)生，結(jié)果在固化過程中產(chǎn)生固化內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致固化物內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙，大大降低了固化物的強(qiáng)度，最終導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致錨桿錨固力下降，在低溫環(huán)境下進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長樹脂錨固劑攪拌時(shí)問；而在高溫環(huán)境下進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)和采用井下空調(diào)等降溫措施，還應(yīng)積極研制并采用耐高溫樹脂錨固劑，同時(shí)并適當(dāng)增加錨固長度，加大錨桿支護(hù)密度，采用錨桿、錨索等聯(lián)合支護(hù)方式來保證錨桿支護(hù)效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭重遠(yuǎn)，黃乃炯.樹脂錨桿及錨固劑[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.

[2]侯朝炯，郭勵(lì)生，勾攀峰，等.煤巷錨桿支護(hù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[3]康紅普，王金華，等.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出社，2007.

[4]席道瑛，謝端，易良坤，等.溫度對巖石模量和波速的影響陰[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998.

[5]馬占國，茅獻(xiàn)彪，李玉壽，等.溫度對煤力學(xué)特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J] .礦山壓力與頂板管理，2005， 22（3）：46-48.

[6]左建平，謝和平，周宏偉.溫度壓力禍介作用下的巖石屈服破壞研究[J] .巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，

[7]余繼光，郭文兵，李小雙，等.溫度因子對深部開采影響的研究現(xiàn)狀與展望[J].煤炭科技，2007， 32（4）： 1-4.endprint