王子越

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

由于樹(shù)脂錨固劑使用方便，成本低，樹(shù)脂錨固已經(jīng)成為錨桿、錨索主要的錨固方式[1-6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)樹(shù)脂錨固劑錨固質(zhì)量的影響因素進(jìn)行了大量理論分析和試驗(yàn)研究：胡濱[7，8]通過(guò)理論分析和相似模擬實(shí)驗(yàn)研究了水和溫度對(duì)錨固力的影響，指出錨固力受鉆孔淋水的影響較大，隨著淋水量的增加，錨固力急劇下降；崔千里等[9，10]通過(guò)數(shù)值模擬和相似模擬實(shí)驗(yàn)分析了多個(gè)錨固設(shè)計(jì)參數(shù)(錨桿居中度等)對(duì)錨固力的影響，得出了樹(shù)脂錨桿錨固的最佳“三徑匹配”原則；任碩[11，12]針對(duì)樹(shù)脂全長(zhǎng)錨固錨桿推進(jìn)困難的問(wèn)題，研究了推進(jìn)阻力與桿體外形之間的關(guān)系，并且優(yōu)化了桿體橫肋的形狀和間距。以上研究主要以錨固力作為錨固質(zhì)量的單一衡量標(biāo)準(zhǔn)，但錨固質(zhì)量除錨固力外還包括決定錨桿增阻速度的錨固劑黏結(jié)剛度。黏結(jié)剛度主要影響因素包括錨固長(zhǎng)度、錨固劑環(huán)形充填飽和度和施工缺陷等[13-16]。因此，為綜合評(píng)價(jià)攪拌持續(xù)時(shí)間和錨固劑環(huán)形厚度對(duì)錨固質(zhì)量的影響，本文以錨固力、錨固劑環(huán)形充填飽滿(mǎn)度作為錨固質(zhì)量的衡量指標(biāo)，制作專(zhuān)門(mén)的剖分鋼管，剖開(kāi)后觀察錨固劑攪拌均勻程度、錨固劑環(huán)形充填密實(shí)度，通過(guò)錨桿拉拔試驗(yàn)確定不同條件下錨桿錨固力，對(duì)比得出了樹(shù)脂錨桿施工的最佳錨固劑攪拌時(shí)間和錨固劑環(huán)形厚度。

1 試驗(yàn)概況

錨固質(zhì)量主要通過(guò)錨固力和黏結(jié)剛度[17]來(lái)確定，影響錨固劑黏結(jié)剛度的主要因素包括錨固長(zhǎng)度、錨固劑環(huán)形充填飽和度和施工缺陷[18，19]。在試驗(yàn)室通過(guò)拉拔試驗(yàn)測(cè)試錨固力[20]；制作剖分鋼管，在錨桿錨固完畢后將試件剖分，觀察錨固劑環(huán)形的充填飽滿(mǎn)度。

圖1 剖分裝置

拉拔試驗(yàn)使用厚壁鋼管模擬鉆孔，為了獲得完整的拉拔應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，需保證在錨桿破斷之前脫錨，因此錨固段不宜過(guò)長(zhǎng)，設(shè)定為125mm。為模擬現(xiàn)場(chǎng)施工，使用手持式煤幫鉆通過(guò)攪拌套連接錨桿對(duì)錨固劑進(jìn)行攪拌，使用秒表測(cè)量攪拌時(shí)間。為避免溫度影響，攪拌完畢后，將試件整體放入恒溫箱中進(jìn)行保溫，恒溫溫度定為25℃，保溫2h后將試件取出。使用JAW-1500kN型電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)，加載速率為0.096mm/s，拉拔停止條件設(shè)定為試件殘余載荷低于50kN，拉拔峰值強(qiáng)度即為試件的錨固力。

為觀測(cè)錨固狀態(tài)，特制作剖分裝置，如圖1所示。剖分裝置由左右兩半圓管和固定底座組成。試驗(yàn)之前，通過(guò)螺絲將兩半圓管固定在底座上，并在兩半圓管內(nèi)部涂抹潤(rùn)滑油。使用手持式煤幫鉆攪拌安裝錨桿，待錨固劑固化后，將兩半圓管剖分，觀測(cè)錨固劑的固化密實(shí)度、錨固缺陷。

2 攪拌時(shí)間試驗(yàn)

攪拌時(shí)間不足會(huì)使錨固劑中的各成分混合不均勻，從而導(dǎo)致錨固力不足；持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的攪拌也會(huì)破壞已經(jīng)初凝的錨固劑，引起錨固力下降。為獲得最佳的錨固劑攪拌時(shí)間，進(jìn)行了不同攪拌時(shí)間對(duì)錨固質(zhì)量影響的對(duì)比分析試驗(yàn)。使用初凝時(shí)間87s的中速錨固劑進(jìn)行試驗(yàn)，攪拌時(shí)間設(shè)定為120s、60s、45s、30s、22s、15s、9s、7s、2.5s，每組試驗(yàn)重復(fù)9次，取每組試驗(yàn)錨固力平均值。

2.1 攪拌時(shí)間對(duì)錨固力影響試驗(yàn)結(jié)果

錨固力與攪拌時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。分析圖2可知，錨固力與攪拌時(shí)間整體呈負(fù)線(xiàn)性關(guān)系，隨著攪拌時(shí)間的不斷增加，錨固力不斷下降。錨固力最高為140.33kN，對(duì)應(yīng)攪拌時(shí)間為9s。攪拌持續(xù)120s，錨固力僅為16.46kN。按照樹(shù)脂錨固劑拉拔試驗(yàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT146.1-2011要求，錨固長(zhǎng)度為125mm的錨固力要求不低于100kN，當(dāng)攪拌時(shí)間不超過(guò)45s時(shí)錨固力都能達(dá)到以上標(biāo)準(zhǔn)。攪拌時(shí)間超過(guò)9s后，隨著攪拌時(shí)間的增加錨固力明顯下降。

圖2 不同攪拌時(shí)間錨固力值

2.2 攪拌時(shí)間剖分試驗(yàn)結(jié)果

攪拌時(shí)間試驗(yàn)剖分效果如圖3所示，攪拌時(shí)間為2.5s、7s、9s時(shí)，錨固劑攪拌均勻，填充密實(shí)，錨桿桿體及管壁上均粘結(jié)有大量錨固劑，這與拉拔試驗(yàn)結(jié)果相印證；攪拌時(shí)間超過(guò)15s后，錨固缺陷明顯增多；攪拌時(shí)間超過(guò)60s后，觀察到白色小塊或碎末，說(shuō)明錨固劑開(kāi)始初凝后仍然繼續(xù)攪拌，破壞了已經(jīng)凝固的錨固劑。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于手持式煤幫鉆轉(zhuǎn)速為520r/min，轉(zhuǎn)速較高，在較短的時(shí)間內(nèi)即可將樹(shù)脂錨固劑攪拌充分，使各成分充分混合，所以在很短的攪拌時(shí)間內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)較好的錨固質(zhì)量。隨著攪拌時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，一方面，由于錨桿的快速旋轉(zhuǎn)，錨固劑會(huì)由于離心作用不斷被甩離錨桿桿體，錨固劑不能密實(shí)粘接在錨桿上，導(dǎo)致錨固力下降。另一方面，由于攪拌過(guò)程放熱和樹(shù)脂錨固劑凝固過(guò)程釋放大量熱，致使整個(gè)錨固系統(tǒng)升溫，錨固劑初凝時(shí)間縮短，在錨固劑開(kāi)始初凝后繼續(xù)攪拌，便會(huì)破壞已經(jīng)凝結(jié)錨固劑，出現(xiàn)錨固劑粉末，如圖3所示。綜合以上分析，錨固劑最佳攪拌時(shí)間為9s左右?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)為避免錨固劑出現(xiàn)攪拌過(guò)度現(xiàn)象，應(yīng)邊旋轉(zhuǎn)邊推進(jìn)，推至孔底后立即停止攪拌，中途不停鉆，并盡可能加快推進(jìn)速度，縮短攪拌時(shí)間。

圖3 攪拌時(shí)間試驗(yàn)剖分效果

3 錨固劑環(huán)形厚度試驗(yàn)

針對(duì)錨桿打設(shè)中鉆孔直徑與錨桿直徑不匹配的問(wèn)題，進(jìn)行錨固劑環(huán)形厚度對(duì)錨固質(zhì)量影響試驗(yàn)。錨桿直徑為20mm，使用不同內(nèi)徑的厚壁鋼管模擬鉆孔，鋼管內(nèi)徑分別為24mm、26mm、28mm、30mm，錨固劑環(huán)形厚度分別為2mm、3mm、4mm、5mm。此次試驗(yàn)只關(guān)注錨固劑環(huán)形厚度對(duì)錨固質(zhì)量的影響，為保證錨固劑足以將厚壁鋼管填充滿(mǎn)，將每組試驗(yàn)錨固長(zhǎng)度統(tǒng)一為125mm(即鋼管的長(zhǎng)度)。

3.1 錨固劑環(huán)形厚度拉拔試驗(yàn)

不同錨固劑環(huán)形厚度拉拔試驗(yàn)說(shuō)明，錨固力隨著錨固劑環(huán)形厚度的增加不斷下降，錨固力與錨固劑環(huán)形厚度呈明顯的負(fù)線(xiàn)性關(guān)系，如圖4所示。環(huán)形厚度為2mm時(shí)，錨固力最大，達(dá)到128.78kN，四組重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果比較穩(wěn)定，均集中在128kN；環(huán)形厚度5mm時(shí)，錨固力為90.51kN，相比環(huán)形厚度2mm，下降了30%，且四組重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果十分分散，試驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定，錨固劑環(huán)形厚度拉拔試驗(yàn)見(jiàn)表1。

圖4 錨固劑環(huán)形厚度與錨固力關(guān)系

3.2 不同錨固劑環(huán)形厚度剖分結(jié)果

環(huán)形厚度為2mm時(shí)，錨固劑攪拌均勻，且錨固劑包裝袋均被攪拌破碎，填充密實(shí)，固化缺陷少；環(huán)形厚度為3mm時(shí)出現(xiàn)大片沒(méi)有被攪拌破碎的包裝袋，固化缺陷明顯；環(huán)形厚度為5mm時(shí)，錨桿發(fā)生明顯偏心，導(dǎo)致一側(cè)直接與孔壁接觸，有效錨固接觸面積明顯減小，如圖5所示。

表1 錨固劑環(huán)形厚度(2～5mm)拉拔試驗(yàn)

圖5 不同錨固劑環(huán)形厚度攪拌效果

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

剖分試驗(yàn)說(shuō)明，桿體直徑與鉆孔直徑相差4～6mm時(shí)(錨固劑環(huán)形厚度2～3mm)錨固劑攪拌均勻，充填飽滿(mǎn)、密實(shí)，錨桿居中，完全攪拌破碎錨固劑包裝袋，錨固缺陷少。隨著錨固劑環(huán)形厚度的增加，在攪拌過(guò)程中錨桿容易出現(xiàn)偏心，將錨固劑擠到錨桿一側(cè)，導(dǎo)致錨固劑攪拌不均勻，致使錨固質(zhì)量下降。錨固力隨著錨固劑環(huán)形厚度的增加快速下降且錨固質(zhì)量不均一。不同錨固劑環(huán)形厚度的拉拔試驗(yàn)和剖分試驗(yàn)說(shuō)明最佳錨固劑環(huán)形厚度區(qū)間為2～3mm。

強(qiáng)度較高的砂巖、灰?guī)r施工錨桿鉆孔，鉆孔內(nèi)徑與鉆頭直徑相差不大，在強(qiáng)度較低的泥巖、煤施工錨桿鉆孔時(shí)，鉆孔直徑一般要比鉆頭直徑大1～2mm，為避免鉆孔過(guò)大帶來(lái)的錨固質(zhì)量較差問(wèn)題，鉆頭直徑應(yīng)適當(dāng)選用小于設(shè)計(jì)鉆孔直徑。

4 結(jié) 論

1)錨固段長(zhǎng)125mm的中速錨固劑最佳攪拌時(shí)間為9s。攪拌持續(xù)時(shí)間超過(guò)9s后，隨著攪拌時(shí)間的增加，錨固質(zhì)量明顯下降，攪拌120s，錨固力幾乎全部喪失。

2)錨固劑最佳環(huán)形厚度為2～3mm。錨固劑環(huán)形厚度為2～3mm時(shí)，錨固劑攪拌均勻，充填飽滿(mǎn)、密實(shí)，錨桿居中，錨固質(zhì)量較好且穩(wěn)定，錨固力隨著錨固劑環(huán)形厚度的增加快速下降且錨固質(zhì)量不均一。