錨固劑環(huán)形厚度對樹脂錨桿錨固性能影響的研究

胡 濱，林 健，姜鵬飛

（1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院，北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013）

錨固劑環(huán)形厚度對樹脂錨桿錨固性能影響的研究

胡 濱1，2，林 健1，2，姜鵬飛1，2

（1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院，北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013）

在介紹國內(nèi)外煤礦支護中鉆孔與錨桿之間合理孔徑差的基礎(chǔ)上，運用數(shù)值模擬方法分析了樹脂錨固劑在不同環(huán)厚，以及錨桿偏心導(dǎo)致左右兩側(cè)厚度不均情況下的受力變形特征，驗證了三徑匹配的合理性。指出當錨桿偏心導(dǎo)致錨固劑受力不均時，極易造成支護系統(tǒng)失穩(wěn)。模擬結(jié)果認為，只有合理控制鉆孔與錨桿之間的直徑差，同時保證錨桿在鉆孔居中，才能獲得較好的支護效果。

樹脂錨固劑;環(huán)形厚度;孔徑差;偏心;錨固性能

巷道支護是煤炭開采中的一項關(guān)鍵技術(shù)，安全、合理、有效的巷道支護是保證礦井高產(chǎn)高效的必要條件［1－2］。近年來，煤巷錨桿支護技術(shù)發(fā)展極為迅速，尤其是樹脂錨桿支護技術(shù)，更因其錨固力大、可靠度高、適應(yīng)性強、成本低等諸多優(yōu)點，逐步取代了其他類型的錨桿，成為了錨桿支護的主導(dǎo)型式。樹脂錨固劑作為支護材料，在支護系統(tǒng)中起著十分重要的作用，其將鉆孔孔壁巖石與桿體粘結(jié)在一起，使錨桿發(fā)揮支護作用。如何使鉆孔直徑與錨桿直徑實現(xiàn)合理匹配一直是國內(nèi)外采礦界研究的熱點［1，3－8］，本文就目前國內(nèi)外研究狀況展開綜述性分析，并采用數(shù)值模擬方法進行分析研究。

1 國內(nèi)外研究概況

鉆孔直徑應(yīng)與桿體直徑相適應(yīng)，以保證安裝攪拌均勻，并節(jié)約樹脂錨固劑，達到最優(yōu)錨固與經(jīng)濟效果，國內(nèi)外許多學(xué)者對此展開了研究。

樹脂錨固劑最早于1958年由西德埃森采礦研究中心研制，主要采用小直徑鉆孔全錨樹脂錨桿。西德學(xué)者認為鉆孔與桿體最優(yōu)直徑差5～11mm［9］。

美國于1974年制定了樹脂錨桿支護頂板控制方案，目前主要采用小直徑鉆孔全長錨固樹脂錨桿［9］。S.S.Peng等人認為樹脂錨固劑環(huán)形厚度為3mm時，樹脂錨桿錨固力最大，隨著錨固劑環(huán)向厚度的增加，錨桿錨固力反而顯著下降［3］。

法國于1967年在采煤工作面巷道試驗樹脂錨桿支護技術(shù)取得成功后，樹脂錨固技術(shù)不斷發(fā)展，在煤礦、金屬礦山中得到了廣泛的應(yīng)用。法國學(xué)者認為鉆孔與桿體最優(yōu)的直徑差為4～10mm［9］。

英國于1965年開始引進與研制樹脂錨桿，目前主要采用小直徑鉆孔全錨樹脂鋼錨桿，英國學(xué)者認為鉆孔與桿體最優(yōu)直徑差為8～12mm［9］。

澳大利亞于1978年開始大規(guī)模推廣樹脂錨桿支護技術(shù)。PC Hagan等人在實驗室進行了錨固劑環(huán)形厚度分別為2mm，3mm，4mm，5mm情況下的錨桿拉拔試驗，試驗結(jié)果表明鉆孔與桿體最優(yōu)直徑差為6～8mm［4，8］。

我國樹脂錨固技術(shù)起步較晚，最早于1976年開始在淮南、徐州等礦區(qū)進行工業(yè)性試驗，先后經(jīng)歷了端錨樹脂錨固階段、小鉆孔全錨樹脂錨固階段、樹脂錨注結(jié)合階段［9］。對于三徑匹配的問題，我國許多學(xué)者也進行了研究，認為對于螺紋鋼錨桿而言，鉆孔直徑和桿體直徑之差應(yīng)控制在4～10mm之間才能保證錨固效果［2］。

2 數(shù)值模擬研究

由現(xiàn)場實踐可知，錨固劑環(huán)形厚度不同主要有2種情況:一是同一直徑錨桿、不同直徑鉆孔中錨固劑環(huán)形厚度不同;二是錨桿偏心造成兩側(cè)錨固劑厚度不同。因此，本文對單根錨桿支護小范圍內(nèi)的錨固系統(tǒng)進行了等效處理，將錨桿、樹脂錨固劑和鉆孔圍巖按實際尺寸進行建模劃分網(wǎng)格，將錨桿看作各向同性彈性體本構(gòu)模型，并賦予相應(yīng)材料參數(shù)，將錨固劑、鉆孔圍巖看作Mohr-Coulomb本構(gòu)模型并賦予相應(yīng)材料參數(shù)，在考慮接觸面的情況下，分2種情況進行數(shù)值模擬研究［7－8，10－12］。

2.1 同一直徑錨桿、不同直徑鉆孔模擬

采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值計算模型，模型尺寸0.6m×0.6m×0.55m，選取錨桿直徑為22mm，鉆孔直徑分別為 26mm，28mm，30mm，32mm，34mm，即錨固劑環(huán)形厚度分別為2mm，3mm，4mm，5mm，6mm。模型計算參數(shù)見表1，不同拉拔載荷下錨固劑中剪應(yīng)力分布見圖1～圖4。

表1 模型計算參數(shù)

圖1 錨固系統(tǒng)在20kN拉拔載荷下錨固劑中剪應(yīng)力分布

由剪應(yīng)力分布曲線可知:在不同錨固劑環(huán)形厚度下，給錨桿施加相同載荷時錨固劑受力與變形程度不同，但是規(guī)律基本相同，即在整個錨固段上，錨固劑中剪應(yīng)力分布很不均勻。當拉拔載荷較?。?0kN以下）時，錨固劑處于彈性變形階段，錨固劑中剪應(yīng)力分布近似于負指數(shù)函數(shù)形式，剪應(yīng)力最大值分布在孔口區(qū)域，隨著與孔口端距離的增大而逐漸減小;隨著拉拔載荷增大 （小于80kN），錨固劑中剪應(yīng)力峰值逐漸增大，在整個錨固段上剪應(yīng)力類似于高斯曲線函數(shù)形式分布，錨固劑中出現(xiàn)了塑性區(qū)，且錨固劑環(huán)厚越小，塑性區(qū)分布越廣;當拉拔載荷為80kN時，環(huán)厚為2mm情況下錨固劑中開始出現(xiàn)塑性滑移區(qū)，峰值應(yīng)力集中程度有所降低，與其余4種情況產(chǎn)生明顯分化;當拉拔載荷增大至100kN以上時，錨固劑受力與變形趨勢出現(xiàn)明顯分化現(xiàn)象，錨固劑中的塑性區(qū)、塑性滑移區(qū)均逐步增大，環(huán)厚為2mm情況下塑性區(qū)最大，塑性滑移區(qū)最廣，剪應(yīng)力峰值最低，而環(huán)厚為6mm情況下的錨固劑呈現(xiàn)明顯高斯曲線形式。

圖2 錨固系統(tǒng)在60kN拉拔載荷下錨固劑中剪應(yīng)力分布

圖3 錨固系統(tǒng)在80kN拉拔載荷下錨固劑中剪應(yīng)力分布

圖4 錨固系統(tǒng)在100kN拉拔載荷下錨固劑中剪應(yīng)力分布

綜上所述，隨著錨固劑環(huán)形厚度的增加，錨固劑力學(xué)反應(yīng)敏感性逐漸下降，傳力不充分;而錨固劑環(huán)厚較小時，在較高拉拔載荷作用下又極易產(chǎn)生塑性屈服與滑移變形，錨固系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，因此，錨桿與鉆孔之間的孔徑差以6～8mm，即錨固劑環(huán)形厚度為3～4mm時最優(yōu)。

2.2 錨桿不同居中度模擬

采用 FLAC3D建立三維模型，錨桿直徑為22mm，鉆孔直徑為34mm，模擬在錨桿端部施加80kN載荷，錨桿向右偏心1mm，3mm，5mm情況下錨固劑受力與變形情況，錨桿不同偏心距下左右兩側(cè)錨固劑中剪應(yīng)力分布見圖5、圖6。

圖5 錨桿不同偏心距下左側(cè)錨固劑中剪應(yīng)力分布

圖6 錨桿不同偏心距下右側(cè)錨固劑中剪應(yīng)力分布

由剪應(yīng)力分布曲線可以看出:錨桿偏心導(dǎo)致左右兩側(cè)錨固劑中剪應(yīng)力分布形態(tài)出現(xiàn)明顯差異，左側(cè)錨固劑中剪應(yīng)力分布近似為高斯曲線，剪應(yīng)力主要分布在靠近孔口一小部分區(qū)域，隨著與孔口距離的增大而逐漸減小;右側(cè)錨固劑中剪應(yīng)力在孔口附近區(qū)域先由小逐漸增大，然后隨著遠離孔口而小幅度減小，在靠近鉆孔底部附近區(qū)域又出現(xiàn)迅速增大趨勢;隨著錨桿偏心距增大，左側(cè)錨固劑厚度逐漸增大，整體應(yīng)力值逐漸減小，而右側(cè)錨固劑逐漸變薄，在同等拉拔載荷下極易產(chǎn)生塑性屈服，甚至出現(xiàn)塑性滑移現(xiàn)象，引起應(yīng)力峰值向鉆孔深部推移，結(jié)果造成兩側(cè)錨固劑中應(yīng)力差值逐漸增大，錨固劑極易產(chǎn)生屈服。同時，隨著錨桿偏心距的增大，圍巖中應(yīng)力差值也會逐漸增大，圍巖極易產(chǎn)生破壞，甚至對錨桿產(chǎn)生附加彎矩的作用，在一定程度上也降低了支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

綜上所述，當錨桿軸線與鉆孔軸線重合時，也就是錨桿居于鉆孔正中位置時，錨桿周圍的樹脂錨固劑和圍巖受力呈均勻?qū)ΨQ分布，不會出現(xiàn)某一側(cè)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，錨桿也不受附加彎矩作用，錨桿支護系統(tǒng)比較穩(wěn)定;隨著錨桿偏心距增大，錨桿周圍樹脂錨固劑和鉆孔圍巖受力不均，甚至相差較大，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，并對錨桿產(chǎn)生附加彎矩作用，錨桿支護系統(tǒng)受力不均，穩(wěn)定性差，說明錨桿在鉆孔中不同居中度對錨桿錨固性能有很大影響。

3 結(jié)論

（1）錨固劑環(huán)形厚度對錨桿錨固性能有很大影響。隨著環(huán)形厚度的增加，錨固劑對力學(xué)反應(yīng)敏感性逐漸下降，傳力不充分;而錨固劑環(huán)厚較小時，在較高拉拔載荷作用下又極易產(chǎn)生塑性屈服與滑移變形，錨固系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

（2）錨桿在鉆孔中不同居中度對樹脂錨桿錨固性能有很大影響。當錨桿軸線與鉆孔軸線相重合時，錨固劑受力呈均勻?qū)ΨQ分布，錨桿支護系統(tǒng)比較穩(wěn)定;隨著錨桿偏心距增大，錨桿支護系統(tǒng)受力不均，穩(wěn)定性變差。

（3）現(xiàn)場施工時，為了保證錨桿支護效果，應(yīng)將鉆孔直徑與錨桿直徑之差控制在4～10mm之間，尤以6～8mm為最佳，同時盡量保證錨桿在鉆孔居中的位置。

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Influence of Ring Thickness of Anchored Agent on Anchored Quality of Resin Anchored Bolt

HU Bin1，2，LIN Jian1，2，JIANG Peng-fei1，2

（1.Coal Mining and Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 2.Mining and Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd，Beijing100013，China）

Based on the introduction of diameter difference between borehole and rockbolt in the combined supporting at home and abroad，the stress and deformation of resin capsule under the conditions of different annular thicknesses and uneven thicknesses on the left and right sides due to decentration of rockboltwas analyzed with numerical simulation，and the rationality of three diametersmatching was verified，and the supporting system might be unstable because of the uneven stress of resin capsule caused by decentration of rockbolt.Diameter difference between borehole and rockbolt should be controlled reasonably，and bolts should be placed in themiddle of boreholes，good supporting effect could be achieved.

resin capsule;annular thickness;diameter difference;decentration;anchorage performance

TD35

A

1006-6225（2011）04-0020-03

2011－04－14

國家科技支撐計劃資助項目 （2008BAB36B07）

胡 濱 （1985－），男，山東泰安人，煤炭科學(xué)研究總院碩士研究生。

［責任編輯:王興庫］