刘少伟教授：矿用树脂锚固剂固胶比与锚固性能关系

创新点

（1）通过树脂锚固剂工作时配料的反应发生机理，明确了固胶比对锚固性能存在一定的影响，为探究树脂锚固剂固胶比与锚固性能的关系研究提供了理论基础。

（2）利用数值模拟方法研究发现，不同固胶比的树脂锚固剂工作时，峰值应力均出现在锚杆横肋及锚固剂与锚杆横肋下表面接触处，得到了中速树脂锚固剂的最佳固胶比。

（3）通过实验室实验得出，不同固胶比锚固剂锚固力峰值平均值呈先增后减的趋势，超快、快速、中速树脂锚固剂在固胶比为8%、4%、8%时，锚杆锚固力峰值平均值达到最大，最佳固胶比锚固剂的锚固性能在煤矿现场巷道得到了验证。

矿用树脂锚固剂固胶比与锚固性能关系

作者：刘少伟1,2，何亚飞1，付孟雄1,2，姜彦军3，李永恩4，范凯5

单位：1.河南理工大学 能源科学与工程学院；2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心；3.河南省新郑煤电有限责任公司；4.神华国能集团有限公司煤炭管理部；5.四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司

背 景

锚固作为岩土工程以及巷（隧）道支护的主要形式，在国内外已经得到广泛的应用。其中锚杆（索）采用树脂锚固的应用范围最广，使用量最大。树脂锚固剂作为锚杆（索）与围岩体的黏结介质，依靠锚杆（索）、锚固剂与围岩体3者之间的相互作用，使巷道围岩体得到加固。随着矿井开采深度逐年的增大，地质条件的复杂多变，如遇松软破碎围岩体、地质构造等区域时，锚杆锚固效果较差，极易造成锚固失效等问题，巷（隧）道顶板存在安全隐患，为保证巷（隧）道正常使用，对锚固系统提出了更高的要求。

针对我国巷（隧）道围岩地质条件，研究出了不同固化速度（超快速、快速、中速）的树脂锚固剂。由于其黏结强度大、固化快、成本低、安全可靠性高等性能，已广泛运用于巷（隧）道支护中。 国内外许多学者对影响矿用树脂锚固剂锚固性能方面做了大量研究，针对锚杆不同肋间距、锚固剂环形厚度、锚固长度等研究都取得了一系列的成果，对了解影响树脂锚固剂锚固性能因素有重要指导意义；有关专家对树脂锚固剂中树脂、固化剂、促进剂、骨料等配方以及对树脂锚固剂的力学性能，包括黏结力、抗压强度、抗拉强度、收缩率等方面做了大量研究；张明、CAO Chen等研究了在树脂锚固剂中添加不同钢质骨料对锚固性能的影响，指出添加骨料数量应选择数量较小的骨料，而改变钢质骨料粒径时，应选择粒径较大的骨料，指出钢丸添加剂明显优于钢砂添加剂；锚杆杆体形状与直径、钻孔直径、锚杆居中度、锚固剂力学性质对树脂锚杆锚固性也存在影响。树脂锚固剂在不同温度、湿度条件下对锚杆锚固力的试验研究得出，温度变化对树脂锚杆锚固力产生影响，而在25℃条件下锚固力最大，顶板淋水对锚固力也有影响。现阶段对树脂锚固剂锚固性能试验的研究主要集中在锚杆外形的优化、温度与湿度等对锚固性能的影响方面，而对树脂锚固剂中树脂胶泥与固化剂的最佳质量比（即固胶比）的研究尚且不多，因此，研究树脂锚固剂不同固胶比锚固性能试验很有必要，对锚固剂生产具有一定的意义。

摘 要

固胶比是树脂锚固剂制作时重要的指标，决定树脂锚固剂性能的优劣。针对树脂锚固剂在工程上的广泛应用，发现树脂锚固剂中树脂胶泥与固化剂配比对其工作性能存在重要的影响。为得到不同类型矿用树脂锚固剂的最佳固胶比，提升其工作性能，基于树脂锚固剂固化反应机理，采用数值模拟、实验室实验以及现场工程试验相结合的方法，研究了不同类型不同固胶比树脂锚固剂的锚固性能，得到了不同类型树脂锚固剂最佳固胶比例关系。

结果表明：中速树脂锚固剂固胶比为2%(对照组)，4%,6%,8%和10%时，锚固工作时在锚杆横肋、锚固剂与锚杆横肋下表面接触区域均出现了不同程度的应力集中，应力峰值均在该区域；与对照组相比，随着固胶比逐渐增大，锚杆应力以及锚固剂剪应力峰值也逐渐的增大，且在固胶比为8%时两者应力值峰值达到最大。 同理，对煤矿常用的超快、快速、中速3种树脂锚固剂依次进行固胶比与锚固力关系实验室实验，发现中速树脂锚固剂在固胶比为8%时锚固力峰值平均值最大，与对照组相比，其锚固力提升了23.70%；超快、快速树脂锚固剂在固胶比分别为8%,4%时锚固力峰值平均值最大，与对照组相比，锚固力分别提升了39.24%,7.35%。 在煤矿巷道进行不同类型及固胶比的锚固实验得出，超快、快速、中速3种不同类型树脂锚固剂最佳固胶比分别为8%,4%,8%，为树脂锚固剂的配制以及选择提供了参考依据。

图 片

树脂锚固剂常用搭配方式

锚杆示意

60kN时不同固胶比锚杆杆体应力云图

5种固胶比下锚杆工作时力学特征

60kN时不同固胶比锚固剂剪应力云图

5种固胶比下锚固剂工作时力学特征

试验所用锚杆

试验钢管

CX-15035试验自动钻孔机

配制好的树脂锚固剂

锚固后的部分试件

YNS300型微机控制电液伺服万能试验机

CK型树脂锚固剂不同固胶比下试件锚固力-位移曲线

CK型树脂锚固剂不同固胶比下锚杆锚固力峰值及其平均值

K型树脂锚固剂不同固胶比下试件锚固力-位移曲线

K型树脂锚固剂不同固胶比下锚杆锚固力峰值及其平均值

Z型树脂锚固剂不同固胶比下试件锚固力-位移曲线

Z型树脂锚固剂不同固胶比下锚杆锚固 力峰值及其平均值

锚固试验测站布置

不同类型不同固胶比树脂锚固剂锚固力分布

作者简介

刘少伟，1977年生，男，博士，教授，博士生导师，辽宁锦州人。现任河南理工大学能源科学与工程学院副院长，河南省学术技术带人头，河南省杰出青年基金获得者，河南省高校创新人才，河南省教育厅学术技术带头人；兼任中国岩石力学与工程学会软岩专业委员会理事；2000、2003年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业分别获学士、硕士学位；2006年在中国矿业大学（北京）获采矿工程博士学位。长期从事矿山压力与岩层控制方面的教学与科研工作。主持国家自然科学基金项目4项，河南省杰出青年基金及大型企业委托项目30余项，作为主要完成人参与国家自然科学基金项目2项。主持完成省部级科研鉴定成果10余项，其中5项鉴定成果达到国际先进或国内领先水平，创造了显著的经济和社会效益。获省部级科技进步奖6项，其中一等奖2项、二等奖4项。在《InternationalJournal of Rock Mechanics and Mining Sciences》《Rock Mechanicsand Rock Engineering》《煤炭学报》《岩石力学与工程学报》《中国矿业大学学报》等期刊及学术会议上发表学术论文50余篇，其中被EI、SCI收录30余篇，出版著作3部，获国家发明专利20余项。

研究方向

矿山压力与岩层控制

主要成果

致力于困难条件下煤矿巷道支护理论、技术及产品方面的研究，取得多项创新性成果。本文针对树脂锚固剂中固胶比问题进行研究，分析了其锚固效果，得到了不同类型树脂锚固剂的最佳固胶比，为树脂锚固剂配制及应用提供了有益的参考及指导。

刘少伟，何亚飞，付孟雄，等．矿用树脂锚固剂固胶比与锚固性能关系[J]．煤炭学报，2021，46（12）：3819-3832．

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