礦用緩凝型樹脂錨固劑的研究

梁國治，周孟穎，張奮奮

(安徽省煤炭科學研究院火災熱害研究中心，安徽合肥 230001)

目前，我國許多煤礦的淺部資源已經逐漸枯竭，礦井逐漸進入深部開采，錨索已成為深井巷道支護結構中必不可少的一部分［1］。但在支護實踐中錨索內錨失效現象時有發(fā)生，多個礦區(qū)造成冒頂事故，嚴重威脅礦工的生命安全［2］。目前支護中普遍使用的是拉力集中型錨索，在內錨固起始端產生嚴重的應力集中，造成錨固體深度方向的漸進破壞，最終導致內錨失效，給煤礦巷道支護與安全造成嚴重威脅［3］。

為克服拉力集中型錨索在使用中的缺陷，提高錨索利用率，保證煤礦開采的安全性，研究出一種新型拉力分散型錨索錨固工藝，具有重要意義［4］。

新型拉力分散型錨索錨固工藝采用兩種不同錨固性能的錨固劑，其中一種是目前市場上使用的快速樹脂錨固劑，另一種是緩凝型樹脂錨固劑(4 h ＜初凝時間＜24 h)，通過兩者固化時間的不同，實現分次錨固，以改善錨索內錨段受力狀態(tài)，提高錨索的錨固性能。目前國內尚無緩凝型樹脂錨固劑的相關報道，因此，為實現新型拉力分散型錨索錨固工藝，迫切需要研制一種新型的緩凝樹脂錨固劑。

本文研制了一種緩凝型樹脂錨固劑，并對其凝膠時間和抗壓強度進行測試。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對苯二酚、一縮二乙二醇、環(huán)烷酸鈷、過氧化甲乙酮、鄰苯二甲酸二甲酯均為分析純;191 不飽和聚酯樹脂、白炭黑、粗石粉、細石粉、滑石粉均為工業(yè)級。

WEW-600B 電液式萬能試驗機;RC5600-24N 數據采集儀;凱馬-400 切割機;TYMP 磨片機。

1.2 實驗方法

緩凝型樹脂錨固劑分為兩個組分，分別是樹脂膠泥部分和固化劑膠泥部分，使用時將兩組分按一定的比例均勻混合［5］。

1.2.1 樹脂膠泥的配制 將適量阻聚劑對苯二酚、一縮二乙二醇和促進劑環(huán)烷酸鈷加入到不飽和聚酯樹脂中，攪拌均勻，再加入無機填料(粗石粉、細石粉和白炭黑)，混合均勻，即得到樹脂膠泥。

1.2.2 固化劑膠泥的配制 將引發(fā)劑過氧化甲乙酮(按1%比例溶解于鄰苯二甲酸二甲酯溶劑中)加入無機填料(滑石粉和白炭黑)中，混合均勻，即得到適當稠度的固化劑膠泥。

1.2.3 緩凝型樹脂錨桿錨固劑的配制 將樹脂膠泥和固化劑膠泥按一定比例混合均勻，即得到緩凝型樹脂錨桿錨固劑，對其緩凝時間和力學性能進行檢測。

1.3 性能測試

1.3.1 凝膠時間［6］當樹脂膠泥加入固化劑并攪拌均勻以后開始計時，每30 min 用手觸摸，判斷其流動性的改變，當膠泥流動性明顯降低，并開始結成膠凍狀后，即可判定錨固劑已經凝膠，此期間所耗時間即為樹脂錨固劑凝膠時間。

1.3.2 抗壓強度 按照中華人民共和國煤炭行業(yè)標準MT 146.1—2011［6］，制作了40 mm ×40 mm ×40 mm 立方體試模，共2 組6 塊;3 塊Φ50 mm ×100 mm 的圓柱體試件，室溫自然養(yǎng)護，錨固劑充分硬化后拆模，用萬能材料試驗機測其抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 配方設計［7-8］

選擇191 不飽和樹脂、阻聚劑、促進劑、引發(fā)劑進行正交實驗，以樹脂錨固劑凝膠時間為衡量指標，因素水平見表1，結果見表2。

表1 因素及水平表Table 1 The table of factor and level

表2 正交實驗結果Table 2 Orthogonal test table

緩凝型樹脂錨固劑要求凝膠時間滿足(＞4 h，＜24 h)。由表2 可知，緩凝型樹脂錨固劑的樹脂膠泥配方最佳組合為:191 不飽和樹脂100 g，阻聚劑(對苯二酚、一縮二乙二醇)0.3 g，促進劑(環(huán)烷酸鈷)0.5 g，無機填料粗石粉、細石粉和白炭黑分別為200 g、300 g 和2 g;固化劑膠泥配方為:引發(fā)劑(過氧化甲乙酮)4 g，白炭黑1.7 g。

2.2 驗證實驗

對上述配方研制的緩凝型樹脂錨固劑的凝膠時間、抗壓強度進行測試，結果見表3、表4。

表3 凝膠時間Table 3 Gel time

由表3 可知，所研制的緩凝型樹脂錨固劑的凝膠時間為480 ～500 min，可滿足新型拉力分散型錨索錨固工藝要求，提高錨索的錨固性能。

表4 錨固劑單向抗壓強度測定Table 4 The unidirectional compressive strength determination table of anchor agent

圖1 和圖2 分別為緩凝型樹脂錨固劑直接加載至破壞和循環(huán)加載破壞應力應變曲線。

圖1 抗壓強度應力應變曲線Fig.1 The stress-strain curve of compressive strength

圖2 循環(huán)加載抗壓強度應力應變曲線Fig.2 The stress-strain curve of cyclic loading compressive strength

由圖1、圖2 可知，直接加載模式下錨固劑抗壓強度為62 MPa，循環(huán)加載模式下抗壓強度有所降低，為60 MPa 左右，說明了錨固劑具有變形記憶特性。對所測得的數據進行分析處理，得到圓柱體試件平均破壞載荷為119.8 kN，立方體試件平均破壞載荷為97.1 kN。由表4 可知，緩凝型樹脂錨固劑的平均破壞載荷為61 MPa，可以滿足煤礦巷道錨固劑使用要求。

3 結論

(1)緩凝型樹脂錨桿錨固劑由樹脂膠泥部分和固化劑膠泥組成，以樹脂錨固劑凝膠時間和抗壓強度為衡量指標，最佳樹脂膠泥配方為:191 不飽和樹脂100 g，阻聚劑0.3 g，促進劑0.5 g，無機填料粗石粉、細石粉和白炭黑分別為200 g、300 g 和2 g;固化劑膠泥配方為:引發(fā)劑4 g，白炭黑1.7 g。

(2)研制的緩凝型樹脂錨固劑的凝膠時間(手工判斷)均值為490 min，大大延長了樹脂錨固劑的凝膠時間，滿足新型拉力分散型錨索錨固工藝要求，提高錨索的錨固性能，從而提高煤礦巷道支護的穩(wěn)定性和安全性。

(3)緩凝型樹脂錨固劑抗壓強度為61 MPa，可以滿足煤礦巷道錨固劑使用要求。

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