不同速率樹脂錨固劑組合的拉拔力學性能試驗

郭東明，韓 笑，楊 俊，候天宇，吳層層，丁瑩瑩

（1.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083）

錨桿錨固技術是應用錨桿或錨索對巖體進行加固的一種主動支護手段，廣泛應用于巖土工程等領域，尤其在我國煤礦領域，使用率更是達到100%[1-6]。樹脂錨固劑強度發(fā)揮時間和程度直接影響現(xiàn)代礦井煤巷快速掘進的錨桿支護效果和施工進度[7-9]。使用單一錨固劑，或凝固太快造成錨桿沒有攪拌旋進到孔底導致施工質量下降，或凝固太慢影響施工速度，為平衡這一矛盾，現(xiàn)場常用快速與中速樹脂錨固劑組合的方式進行錨桿支護[10-12]。近幾十年來，學者就錨固劑錨固力影響因素進行了大量研究，就錨固劑本身組成成分方面，王忠榮和黃乃炯等人從樹脂錨固劑本身制作出發(fā)，分別對不同型號樹脂錨固劑的峰值強度及抗壓強度隨時間的增長規(guī)律做了重要研究[13-16]；就影響錨固力的外界因素方面，康紅普等人通過實驗室試驗、數(shù)值模擬以及動態(tài)拉拔試驗等多方面分析錨固力影響因素，從圍巖巖性，錨固長度，孔壁質量，增加孔壁粗糙度等方面給出了合理化建議[17-25]；就全長錨固錨桿受力分析方面，“中性點”，“錨固長度”“應力波”的提出，以及“錨桿受力模型”的建立，為錨固力的研究提出新的計算方向和量化計算模式[26-31]。不同樹脂錨固劑凝固時間的差異也會導致在組合時其強度的發(fā)揮有先后之分，進而影響錨桿整體的錨固力[32-33]。合適的錨固劑組合比例能在滿足施工便利的同時，更有利于錨固劑的強度盡早發(fā)揮，從而確保錨桿在短時間內有較強的錨固力[34-36]。為了滿足現(xiàn)代礦井煤巷快速掘進的較高要求，在以往學者的研究基礎上，在中等強度圍巖條件下，從組合比例方面考慮，利用FLAC3D軟件模擬錨桿拉拔試驗，得到樹脂錨固劑的不同組合比例下錨桿拉拔力隨時間的增長規(guī)律，進而得出不同速率樹脂錨固劑合適的組合比例。

1 組合比例及拉拔時間確定

1.1 樹脂錨固劑組合比例

以三維空間小范圍內錨固的單根錨桿作為模擬對象，錨桿錨固段長1 m，不同樹脂錨固劑沿著錨桿錨固段分段使用，各錨固劑間獨立發(fā)揮作用，不考慮2種錨固劑接觸處可能會發(fā)生的反應。錨固段里端選用快速K型或超快速CK型樹脂錨固劑，外端選用中速Z型樹脂錨固劑，組合樹脂錨固劑錨固位置如圖1。組合時考慮以下5種比例：K型與Z型錨固劑以 1∶1、2∶3、3∶2、3∶7 組合，CK 型與 Z 型錨固劑以 1∶4 組合。

圖1 組合樹脂錨固劑錨固位置示意圖

1.2 拉拔時間選取

結合黃乃炯[15]研究結果：對不同型號樹脂錨固劑，其抗壓強度的增長區(qū)間主要在前 40 min，40 min之后各型號錨固劑強度基本一樣，不同型號樹脂錨固劑的強度增長如圖2。故試驗在錨固劑凝結的前40 min內考慮。選取拉拔時刻為第2、第10、第20、第 30、第 40 min。

2 FLAC3D數(shù)值建模

基于FLAC3D的諸多優(yōu)勢，可充分模擬不同速率樹脂錨固劑組合作用下錨桿拉拔試驗，得到在不同組合比例下錨固力隨時間變化的規(guī)律，進而尋求樹脂錨固劑組合的最佳比例。因此，選用FLAC3D進行模擬研究。

2.1 模擬試驗假定

數(shù)值模擬對象為三維空間小范圍（圍巖尺寸長×寬×高=0.5 m×0.5 m×1.5 m）內錨固的單根錨桿。對試驗模型錨桿、錨固劑及圍巖的力學模型進行如下定義。

圖2 不同型號樹脂錨固劑的強度增長圖（24℃）[15]

1）不考慮初始地應力作用效果。

2）錨桿選取各向同性彈性體本構模型。

3）錨固劑、圍巖看作Mohr-Coulomb本構模型且圍巖體視為均質、連續(xù)、各向同性單一材料介質。

4）錨固劑和圍巖體接觸密實，接觸面采用庫侖摩擦接觸面單元模擬。

2.2 模型建立及網格劃分

計算模型圍巖尺寸為長×寬×高=0.5 m×0.5 m×1.5 m，錨桿位于模型中央，錨固長度1 m，外露段長0.2 m，錨桿直徑22 mm，錨桿和圍巖體間為環(huán)形錨固單元，厚度4 mm。計算模型邊界條件如圖3，四周固定水平位移，底部同時固定水平位移和垂直位移，巖體頂部為自由邊界，只在模型錨桿頂端施加拉拔荷載。在對模型進行網格劃分時，為提高計算精度和減少計算時間，對錨桿周圍網格適當加密，離錨桿較遠的網格可適當稀疏，網格劃分如圖4。

圖3 計算模型邊界條件

2.3 物理力學參數(shù)選取

2.3.1 錨固劑強度增長率

在模擬錨固劑凝結過程中，認為錨固劑各力學參數(shù)均隨時間逐漸增長且增長規(guī)律與抗壓強度增長規(guī)律趨同。由此確定的抗剪強度、抗拉強度、內摩擦角及內摩擦角的增長率均按圖2的強度增長率取值。默認拉拔過程瞬間完成，不考慮拉拔過程中錨固劑強度的變化，各時刻下不同類型樹脂錨固劑強度增長率見表1。

圖4 數(shù)值計算模型圖

表1 各時刻下樹脂錨固劑強度增長率表

2.3.2 錨固劑峰值強度參數(shù)

對于合格的礦用樹脂錨固劑，在完全凝固后，要求其抗壓強度大于等于70 MPa，抗剪強度大于等于40 MPa，抗拉強度大于等于18 MPa[14]。據此確定模擬時峰值抗壓強度取70 MPa，峰值抗剪強度40 MPa，峰值抗拉強度取18.2 MPa，摩擦角峰值30°。根據摩爾-庫倫公式，由峰值抗壓及抗剪強度粗略的估計出樹脂錨固劑的峰值黏聚力約等于7 MPa，為峰值抗壓強度的 1/10，各材料力學參數(shù)見表2。實際模擬時，各時刻下錨固劑力學參數(shù)的取值依照上述峰值強度及錨固劑強度增長率，按對應比例取值。錨桿-錨固劑界面以及錨固劑-巖石界面黏聚力、內摩擦角以及抗拉強度分別按照此刻錨固劑強度對應大小相應取值，即錨桿-錨固劑界面以及錨固劑-巖石界面強度隨錨固劑強度同步變化。

表2 模擬材料力學參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結果與分析

各時刻下不同類型樹脂錨固劑組合作用下錨桿拉拔力的模擬結果見表3。從錨桿拉拔力大小與錨固劑組合比例的關系及錨桿拉拔力隨時間的增長規(guī)律2個方面分析。

表3 不同組合樹脂錨固劑在各時刻下的錨桿拉拔力

3.1 錨桿拉拔力與錨固劑組合比例的關系

快速K型與中速Z型樹脂錨固劑組合使用時，組合比例為3∶2時，各個時刻下的錨桿拉拔力均為最大，組合比例為3∶7時，各個時刻下的錨桿拉拔力均為最小。當快速K型樹脂錨固劑成分占比越多的時候，相同時間下，錨桿的拉拔力為最大。不同組合樹脂錨固劑作用下錨桿拉拔力折線圖如圖5。

在30 min拉拔時，K型與Z型樹脂錨固劑以比例2∶3、3∶7組合時的錨桿拉拔力已達到同一水平；40 min時，超快速CK型與中速Z型樹脂錨固劑以比例2∶8組合時，其錨桿拉拔力最大，K型與Z型組合比例為1∶1、3∶2時的錨桿拉拔力相等。在40 min拉拔時各組合情況下錨桿拉拔力相差不大，按照此趨勢，可認為40 min以后不論組合比例如何，錨桿錨固力不再存在差別。

圖5 不同組合樹脂錨固劑作用下錨桿拉拔力折線圖

3.2 錨桿拉拔力隨時間的增長規(guī)律

在前20 min，各組合比例下錨桿拉拔力之間有明顯區(qū)別，隨著時間的增長，同一組合比例下，折線斜率依次變小，拉拔力隨時間增大的幅度越來越小?？焖貹型與中速Z型組合比例為3∶2時，不同時刻之間拉拔力增長了 59.893、38.963、29.337、18.071 kN，增長率分別為 66%、26%、16%、9%，拉拔力增長速率最慢；快速K型與中速Z型組合比例為3∶7時，不同時刻之間拉拔力增長了 78.998、57.335、44.443、27.042 kN，增長率分別為 367%、57%、28%、13%，拉拔力增長速率最快。錨桿拉拔力的增長主要是在前30 min內。錨桿拉拔力隨時間增長折線圖如圖6。

圖6 錨桿拉拔力隨時間增長折線圖

4 結論

1）當快速K型與中速Z型樹脂錨固劑以比例3∶2組合時，各個時刻下的錨桿拉拔力均為最大，但是拉拔力增長速率為最慢；當快速K型與中速Z型樹脂錨固劑以3∶7比例組合時，各個時間下的錨桿拉拔力均為最小，但是拉拔力增長速率為最快。

2）不同錨固劑組合比例下拉拔力大小的區(qū)別主要集中在前20 min之內，前30 min是拉拔力增長的主要時間段，30 min之后，拉拔力增幅相比較之明顯趨于平緩。而40 min以后，可認為無論不同錨固劑以何種比例組合，錨桿拉拔力已基本無差別。

3）快速與中速錨固劑應以3∶2組合，在錨固初期的0～30 min內錨桿錨固力最大，而凝結速度最慢，既滿足了初期錨桿錨固力要求，也避免了錨固劑過快凝結保證錨桿安裝質量，為最優(yōu)組合比例，滿足快速掘進要求的錨桿支護質量以及施工速度。