温度对树脂锚杆锚固力的影响

郭明+王冠霖+张志浩+李娇龙

【摘 要】了解和简述了树脂锚杆在国内外的发展历程及树脂锚杆较其他类型锚杆的优越性。对其应力分布规律进行了分析和探究，其中锚杆杆体不同直径对应力分布规律影响不同。通过分析温度对围岩及树脂锚固剂影响的分析，探究了温度对树脂锚杆锚力的影响，得出高温和低温都会导致锚杆锚固力大幅度降低同。综合以上的分析和探究，提出了在不同围岩强度及不同温度条件下，采取的相应的树脂锚杆支护措施，对保证巷道的支护效果及改善围岩的完整性起到积极的作用。

【关键词】树脂锚杆；应力分布；温度

一、树脂锚杆发展历程简述

20世纪60年代，德国开始在煤矿生产活动中研制树脂锚杆。经过半个世纪的研发，树脂锚杆已成为全世界采煤国家井工煤矿巷道支护的主要方式。我国煤矿于1974年开始引进树脂锚杆，并于1976年在鸡西等矿区进行了井下实验，取得较好的效果。之后，树脂锚杆在各大矿区得到了广泛推广和使用[1]。1996年到1997年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，并结合我国煤矿地质条件与生产条件，进行了更深入的研究[2]。锚固方式从端部锚固发展到加长锚固、全长锚固以及全长预应力锚固。树脂锚固剂与钻孔的直径从大直径发展到小直径。树脂锚固剂材料、包装与生产技术也得到快速发展。由于具有诸多优点，树脂锚杆逐渐取代了其他类型锚杆，成为煤矿井下生产活动中锚杆支护的主要形式[3]。

二、树脂锚杆的原理

（一）研究背景

锚杆支护已成为煤矿巷道的主要支护形式。但是，随着采深和开采强度的加大，围岩压力增大，树脂出现支护失效的现象。为了提高锚杆支护效果，在分析锚杆原理的基础上，对可能改变锚杆锚固性能的诸多因素进行研究，分析其中一种主要因素，并通过度该因素的研究，改善锚杆的锚固性能，提高锚固效果，增强树脂锚杆的支护效果，保证矿井安全生产。

（二）树脂锚杆的工作原理

杆的力学作用主要有悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用。

悬吊理论：1952～1962年路易斯阿·帕内科（Louis A·Panek）等发表了悬吊理论，悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。对于回采巷道揭露的层状岩体，直接顶板均有弯曲下沉变形趋势，如果使用锚杆及时将其挤压，并悬吊在老顶上，直接顶板就不会与老顶离层乃至脱落。锚杆的悬吊作用主要取决于所悬吊的岩层的厚度，层数及岩层弯曲时相对的刚度与弹性模量，还受锚杆长度、密度及强度等因素的影响。这一理论提出的较早，满足其前提条件时，有一定的实用价值。

组合梁理论：组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板，可看作是由巷道两帮作为支点的一种梁，这种岩梁支承其上部的岩层载荷。使用锚杆将各层“装订”成一个整体的组合梁，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象。在上覆岩层荷载作用下，这种较厚的组合梁比单纯的迭加梁，其最大弯曲应变和应力将大大减小，挠度亦减小。而且各层间摩擦阻力愈大，整体强度愈大，补强效果愈好。

组合拱理论：组合拱理论是由兰氏（T A Lang）和彭德（Pender）通过光弹试验提出来的。组合拱原理认为，在拱形巷道围岩的破裂区中，安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置的锚杆间距足够小，各个锚杆的压应力维体相互交错，这样使巷道周围的岩层形成一种连续的组合带（拱）。这个组合拱可承受上部岩石的径向载荷，如同碹体起到岩层补强的作用，承载外围的压力。

（三）影响锚杆锚固性能的因素探究

从上述理论可以看出，锚杆杆体的性能、围岩的强度，对于锚杆的锚固性能有重要影响。而且，有诸多因素可以改变锚杆杆体的性能和围岩的强度。例如，湿度、围岩含水量、温度、锚杆直径、长度、杆体表面形状及锚固材料特性等都可以直接或者间接改变锚杆杆体的性能或围岩强度。其中，温度是影响树脂锚杆锚固力的重要因素，所以接下来主要对温度对树脂锚杆的影响进行分析和研究。

三、温度对树脂锚杆锚固力的影响

（一）温度对岩体影响分析

温度是影响岩石力学特性的重要因素之一。一般而言，随温度的变化，岩石的强度、弹性模量和泊松比等力学性质都会发生变化；温度升高会导致岩石介质活化和塑性增强，岩石破坏由脆性向延性转化。岩石对温度的敏感性体现在以下2个方面：1）宏观上，温度变化引起组成岩石的矿物颗粒和胶结物发生热胀冷缩现象；2）微观上，当岩体受到一定热源影响使得岩石内部产生的热应力超过岩石颗粒之问的抗张应力屈服强度时，岩石内部原生裂隙得到扩展，同时产生新的微小裂纹，使得岩石强度降低[7]。

（二）温度对树脂锚固剂影响分析

温度对树脂锚杆锚固性能影响比较大，其中温度为25℃时树脂锚杆锚固力最大，随着模拟钻孔温度的升高，树脂锚杆锚固力呈现明显递减规律。岩体应力场与温度场之间存在一定程度上的辐合作用，在相同外载荷作用下，热源温度不同，岩体应力分布状态也不同。

低温对树脂锚固剂的固化是不利的。目前不饱和聚酷树脂锚固剂一般采用氧化还原反应体系，不饱和聚酷与交联剂在固化剂和促进剂的作用下，产生白由基引起交联聚合反应，形成三向交联的网状结构，锚固剂由胶泥状塑性体变为坚硬固体，并把锚杆与钻孔孔壁围岩结在一起。其中，白由基活性是影响固化反应进行程度的关键因素。当白由基的活性较大时，能够迅速促进聚酷固化反应的进行；当白由基活性较小时，便会延缓聚酷固化反应的进行，而温度对聚合反应中白由基活性有较大的影响，温度较低会导致白由基活性降低，锚固剂固化不完全，各项力学性能有所下降，最终导致树脂锚杆锚固力下降。

高温对树脂锚固剂的固化也是不利的。树脂锚固剂的固化过程是一种放热反应的过程，对某一型号的树脂而言，放热量是个定值，只与不饱和聚酷中的不饱和度以及共聚合单体的类型有关，但是放热速度可以随着固化剂、促进剂和外界环境温度而变化。外界温度较高时聚合反应中白由基的活性增强，反应速度加快，固化反应中所有的热量加速释放，固化物温度迅速上升，在共聚合反应过程中树脂发生收缩，同时受到热膨胀的影响，两个相反的效果同时发生，结果在固化过程中产生固化内应力，导致固化物内部产生微裂隙，大大降低了固化物的强度，最终导致树脂锚杆锚固力大大下降[8]。

四、结论

通过对锚杆锚固原理的分析，得出了影响锚杆锚固性能的诸多因素，通过对温度的具体研究，发现围岩温度对树脂锚杆锚固性能影响明显，低温和高温都会导致锚杆锚固力下降，在低温环境下进行锚杆支护时，应适当延长树脂锚固剂搅拌时问；而在高温环境下进行锚杆支护时，应加强通风和采用井下空调等降温措施，还应积极研制并采用耐高温树脂锚固剂，同时并适当增加锚固长度，加大锚杆支护密度，采用锚杆、锚索等联合支护方式来保证锚杆支护效果。

【参考文献】

[1]郑重远，黄乃炯.树脂锚杆及锚固剂[M].北京：煤炭工业出版社，1992.

[2]侯朝炯，郭励生，勾攀峰，等.煤巷锚杆支护[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.

[3]康红普，王金华，等.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出社，2007.

[4]席道瑛，谢端，易良坤，等.温度对岩石模量和波速的影响阴[J].岩石力学与工程学报，1998.

[5]马占国，茅献彪，李玉寿，等.温度对煤力学特性影响的实验研究[J] .矿山压力与顶板管理，2005， 22（3）：46-48.

[6]左建平，谢和平，周宏偉.温度压力祸介作用下的岩石屈服破坏研究[J] .岩石力学与工程学报，2005，

[7]余继光，郭文兵，李小双，等.温度因子对深部开采影响的研究现状与展望[J].煤炭科技，2007， 32（4）： 1-4.endprint