锚固剂材料配比参数优化对锚固系统的影响

2022-04-22刘飞，邹庆，刘扬

煤矿安全 2022年4期

刘飞，邹庆，刘扬

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁沈阳 110000；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

19 世纪初井下巷道开始使用锚杆进行支护，锚杆支护已有100 多年历史[1]。锚杆支护属于主动支护，具有支护效率高、成本较低的特点，能充分提高岩体自稳能力，有效控制岩体工程的变形，并能确保施工安全和工程的稳定，已经被各国井巷工程广泛应用[2]。近年来，矿井开采逐渐深入而且开采强度也越来越大，巷道出现高地应力、强烈地层变动和软岩等现象[3]。因此对锚杆支护提出更高的要求。

针对矿井巷道支护难题，各国学者做出了大量的研究，同时也取得了许多重要成果。ZHOU 等研究发现，在砂浆锚固剂中掺入钢珠会增加弹性模量，但单轴抗压强度会下降10%左右；Kilic A 等研究表明锚杆-锚固剂界面破坏是锚固段失效的主要模式，如果锚固长度短且围岩较硬，则在拉拔试验中会发生锚固剂沿锚杆肋尖端的平行剪切破坏，同时得出锚杆横肋间距对锚固系统的载荷传递有显著影响[4]；Cai Y 等基于Shear-Lag 模型，提出了考虑锚杆、锚固剂和围岩三者相互作用的理论分析模型，并研究了拉拔试验中锚固界面的力学分布形态[5-6]；Hyett 等根据实验室和现场的锚索拉拔试验，确定了水泥灌浆锚索中的2 种失效模式，1 种方式是围绕锚索的混凝土产生径向劈裂，另1 种方式是锚索与混凝土交界面的剪切破坏[7]；Cao 等对锚固段破坏方式分析、过程分析，认为在树脂锚固剂中添加钢质骨料，能够改变原锚固剂的直剪破坏方式，从而提高锚固剂在锚固段破坏过程中的抗剪强度[8-9]，BENMOKRANE等对由6 种不同类型水泥灌浆锚固的螺纹钢进行了拉拔试验，结果表明锚固剂材料的单轴抗压强度与黏结峰值强度之间的相关性非常弱；尤春安等进行了锚固段界面力学特性的试验研究，得出锚固力的大小与锚固剂的力学特性有关，此外，还研究了锚固剂砂浆含砂量对锚固力的影响[10]。

以上学者利用理论和试验方法探讨了锚固界面力学特性的规律，由此可知，对于任何一种锚固系统，力是由锚杆体传递到锚固剂，再由锚固剂传递到岩体，包括3 种介质和2 个界面。决定锚固系统承载力的主要因素有杆体和锚固剂之间以及锚固剂和岩体间的黏聚作用，两者中有一者破坏，整个锚固系统就会发生破坏，从而导致整个结构的破坏。因此，通过提高锚固剂在破坏界面的黏聚作用可以直接提高整个锚固系统的加固效果，基于此，主要研究锚固剂材料配比参数优化对锚固系统力学性能的提升。

1 锚固剂材料配比正交设计方案

正交试验法是利用数理统计和正交性原理，对优化试验中具有多个因素的多个试验点中选出有代表性的点，应用正交表进行科学的安排并且分析多个因素的试验，从而用尽量少的试验得到最优的试验结果[11]。

本次试验选用42.5 级普通硅酸盐水泥为主剂；选用钙矾石、水玻璃、萘磺酸盐和粉煤灰作为灌浆材料外加剂。粉煤灰掺量x1、水玻璃掺量x2、钙矾石掺量x3、萘磺酸盐掺量x4、水灰比x5、砂灰比x6作为正交设计的6 个因素，各掺量按%质量比，每个因素设置3 个水平，通常实际要留1 列进行误差分析，所以采用3 水平7 因素的正交水平设计表，共考虑6 个因素，正交试验的因子及水平见表1。正交设计方案L18（37），总共有18 种试验配合比方案。

表1 正交试验的因子及水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

2 锚固剂材料配比试验过程

本次试验主要是研究水泥锚固剂材料自身性质对锚固系统强化的影响，选取锚固剂材料的抗压强度、锚固剂与锚杆之间的握裹力以及锚固剂与围岩之间的黏聚力作为试验指标。根据表1 的材料配比设计方案，进行3 组不同指标测试，每组各制备所需试件18 个，其中粉煤灰掺量分别为6%、9%、12%，水玻璃掺量为3%、4%、5%。材料配比方案及结果见表2。

表2 材料配比方案及结果Table 2 Material proportioning schemes and results

1）抗压强度测试试验。根据正交设计中的材料配比方案，制备18 种度测试抗压强度试件，每块试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，试件表面平整，无裂缝，冷却至室温后放入养护箱存放28 d，待试件达到保养期后，将试件进行单轴抗压与强度试验。

2）锚杆握裹力测试试验。模拟锚孔为18 根，长0.6 m，孔径150 mm 的空心钢管，锚杆尺寸为长1.5 m，直径15.2 mm，数量与锚孔相同。分别灌入不同配合比的胶结材料后插入锚杆，在通风处养护28 d，试件定形后进行拉拔试验。

3）黏聚力测定试验。现场采回具有一定几何尺寸的岩块，在岩石上面钻孔径为72 mm、孔深为400 mm 的孔，将不同配比的材料倒入锚孔内，用铁钎均匀搅拌，将锚杆插入孔内，锚杆上带有与孔直径相等的圆形托盘，依照正交设计方案共制备18 种不同材料配合比试验试件，在自然条件下养护28 d，待注浆体达到养护期后，进行黏聚力试验。

3 正交试验结果

正交试验测试的力学指标主要有3 个，分别为抗压强度、黏聚力和握裹力。对黏聚力和握裹力2 个指标采用极差和方差分析法进行分析，讨论各因素对于试验指标影响的大小和主次。根据《岩石锚杆（索）技术规程》规范要求，锚杆注浆体抗压强度不低于30 MPa。试验中18 种方案制作的试件在28 d后抗压强度在43～55 MPa 之间，均大于30 MPa，故不对其进行分析。

3.1 正交试验的握裹力分析

求得锚杆握裹力的均值和极差，握裹力极差分析见表3。经分析得到影响注浆体与锚杆之间握裹力大小的因素主次顺序为粉煤灰掺量、灰砂比、水玻璃掺量、水灰比、萘磺酸盐掺量、钙矾石掺量。

表3 握裹力极差分析Table 3 Analysis of the extreme difference in grip strength

表3 中的3 个均值分别表示6 个因素在3 个不同水平下的平均握裹力，用来反映各因素不同水平对试件握裹力的影响，因此选取每个因素中使均值最大的水平为最优水平，为了更直观地分析根据分析结果做握裹力的影响趋势图，各因素水平变化对握裹力的影响趋势图如图1。由此得到因素水平最优组合是粉煤灰掺量为12%、水玻璃掺量为5%、钙矾石掺量为6%、萘磺酸盐掺量为0.5%、水灰比为0.4、灰砂比为1.5。

图1 各因素水平变化对握裹力的影响趋势图Fig.1 Trend of influence of various factors on the grip strength

从图1 中可以看出，粉煤灰的掺量对锚杆握裹力影响显著，锚杆握裹力与粉煤灰掺量成正相关，由于粉煤灰的填塞作用使水泥石中孔隙率降低从而增加凝胶孔，使其浆体胶结力显著提高，提高握裹力。从而有效提高了锚杆和浆体之间的握裹力。锚杆握裹力与水玻璃掺量成正相关，这是因为水玻璃与金属或金属氧化物会发生凝胶反应，在反应过程中会吸收水分子导致浆体的黏聚度增加，产生黏聚力，增大了锚杆与浆体之间的握裹力。钙矾石对锚杆握裹力的影响不大，钙矾石本身含有一定的碱性，其pH值与水泥相当，因此对钢筋没有锈蚀作用，也对钢筋的握裹力影响不大。锚杆握裹力的大小随着减水剂掺量的增加先减小后增加，但整体影响不大，为了减少用水量，宜选1.5%掺量的萘磺酸盐。锚杆握裹力的大小随着水灰比的增大而减小，但不应一味通过减小水灰比来提高握裹力，水灰比过小，会导致水化反应不完全，水泥搅拌不均匀。锚杆握裹力的大小随着砂灰比的增大先增大后减小，这说明就握裹力而言，砂灰比不是越高越好，而是有1 个最佳的配比量，在最佳配比量时，锚固剂材料的握裹力达到最高，小于或者大于这个配比量时均达不到最佳效果。将锚杆握裹力测试的结果进行方差分析，置信度分别取90%、95%、99%，正交试验握裹力方差分析见表4。

表4 正交试验握裹力方差分析Table 4 Analysis of gripping force variance of orthogonal test

各因素自由度均为2，从握裹力方差分析结果F比值分析各因素影响强度主次顺序为：粉煤灰掺量、灰砂比、水玻璃掺量、水灰比、萘磺酸盐掺量、钙矾石掺量，这与极差分析的结果一致。对于握裹力强度来说，粉煤灰掺量在置信度90%、95%、99%时，均达到显著水平；水玻璃掺量、砂灰比、水灰比在置信度90%、95%时，均达到显著水平，说明这4 个因素对握裹力的影响较明显；萘磺酸盐掺量在置信度90%时，达到显著水平，说明它对握裹力有一定的影响；钙矾石掺量虽然没有达到显著水平，但是它们的偏差平方和都比误差的偏差平方和要大，这说明正交试验的结果是合理的。

3.2 正交试验的黏聚力分析

将锚杆黏聚力测试的数据求均值和极差，黏聚力极差分析见表5。经分析得到影响水泥浆液与岩体接触面黏聚力大小因素主次顺序为：掺量、水灰比、钙矾石掺量、砂灰比、粉煤灰掺量、萘磺酸盐掺量。

根据表5 做对黏聚力影响的直观分析图，各因素水平变化对黏聚力的影响趋势图如图2。由此得到因素水平最优组合是水玻璃掺量为5%、水灰比为0.5、钙矾石掺量6%、砂灰比为2、粉煤灰掺量为12%、萘磺酸盐掺量为0.5%。

表5 黏聚力极差分析Table 5 Analysis of adhesion difference

从图2 可知，锚固剂与岩体接触面黏聚力随着粉煤灰掺量的增大而增大，这是因为粉煤灰掺合料含有活性SiO2，通过反应生成的凝胶能提高黏聚力。锚固剂与岩体接触面黏聚力随着水玻璃掺量的增大而增大，水玻璃加入与水泥发生反应生成大量SiO2胶体，黏聚强度也越来越高，有助于提高接触面之间的黏聚力。锚固剂与岩体接触面黏聚力随着钙矾石掺量的增大而增大，钙矾石作为膨胀剂，可以有效的增大锚固剂在锚孔内的体积，使2 个接触面间的摩擦应力和平均剪切应力增强，从而提高了锚固剂与岩体接触面黏聚力。锚固剂与岩体接触面黏聚力随着减水剂掺量的增加先减小后增加，但并没有显著影响，其作用是减少用水量。锚固剂与岩体接触面黏聚力随着水灰比的增大而增大，但不应一味依靠加大水灰比来提高黏聚力，适当时可掺入减水剂等来提高2 个接触面之间的黏聚力。锚固剂与岩体接触面黏聚力随着砂灰比的增大而增大，含砂率越高的锚固剂界面发生变形时产生越大的体胀，由于锚孔的约束，获得更高的摩阻力，因此黏聚力越大。将黏聚力测试结果进行方差分析，置信度分别取90%、95%、99%，正交试验黏聚力方差分析见表6。

图2 各因素水平变化对黏聚力的影响趋势图Fig.2 Trend of influence of various factors on the adhesive force

表6 正交试验黏聚力方差分析Table 6 Analysis of variance of adhesive force in orthogonal test

各因素自由度均为2，从黏聚力方差分析结果中F 比值中可得各因素对黏聚力影响强度主次顺序为：水玻璃掺量、水灰比、钙矾石掺量、砂灰比、粉煤灰掺量、萘磺酸盐掺量，这与极差分析的结果一致。对于黏聚力强度来说，粉煤灰掺量、水玻璃掺量、钙矾石掺量、砂灰比、水灰比在置信度90%、95%时，均达到显著水平，说明这5 个因素对锚固剂和岩石接触面黏聚力的影响较明显；萘磺酸盐掺量虽然没有达到显著水平，但是其偏差平方和比误差的偏差平方和要大，这说明正交试验的结果是合理的。