（矿物加工工程专业论文）塑料胀壳式锚杆的锚头材料及结构形式研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 锚杆支护在矿井生产中的地位举足轻重，为了提高锚杆的锚固 性能，研究了塑料胀壳式锚杆的锚头结构和类型，在分析锚杆的锚 固性能的基础上对锚头塑料材料进行选择；利用非金属矿物作填充 剂可使塑料获得一些优异力学性能的特点，对重质碳酸钙和硅灰石 粉体进行表面改性，以优质聚氯乙烯为母料，将经过改性的重钙粉 体和硅灰石粉体按不同配比进行填充和制品，测试所制试样的力学 性能，通过各配比试样材料的力学性能比较对材料配方进行优选， 经过锚头强度校核分析计算和用有限元分析软件a n s y s 模拟锚壳 的纵截面应力分布状态，确定锚壳的薄弱点。通过对锚头材料的成 本核算以确定所制材料经济上的合理性。实验表明，1 0 0 份聚氯乙 烯填充2 0 份硅灰石粉最适合作锚壳，1 0 0 份聚氯乙烯填充l o 份硅 灰石和1 0 份重钙粉最适合作锚芯。试验数据既可为锚头制造提供 指导，也为工程塑料- 行业的生产提供参考。 关键词：锚头结构，锚头材料，表面改性，仿真分析，成本比较 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o a lt u n n e l s u p p o r tp l a y s a n i m p o r t a n tr o l e i nc o a lm i n i n g f o rt h ep u r p o s eo f i m p r o v i n gt h ea n c h o r - h o l dp e r f o r m a n c eo fa n c h o r - b o l t s ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e n d o n et oi m p r o v et h es t r u c t u r ea n dt h et y p e so fp l a s t i ce x p a n s i o n s h e l la n c h o r - b o l t s e l e c t p v ca sm a t e r i a lo ft h ea n c h o rh e a d so nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ea n c h o ph o l dp e r f o r m a n c e u n d e rl a r g ed e f o r m a t i o n s o m ep o l y m e r sc a l lg e tw e l lm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e 埴e rb e i n g f i l l e dw i t hs o m ek i n d so fn o n - m e t a l l i cm i n e r a l sp o w d e r m o d i f yt h es u r f a c ep r o p e r t yo f c a l c i t ep o w d e ra n dw o l l a s t o n i t ep o w d e r i nd i f f e r e n tp r o p o r t i o nm i n g l et h ep o w d e rw h i c h h a v eb e e nm o d i f i e da n df i l l t h e mi np v cr a wm a t e r i a l t h e nt h ep v cp l a s t i c ss a m p l e sa r e m o l d e di nt h ew a yo fi n j e c t i o n t e s tt h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo ft h es a m p l e sa n dc o m p a r e 血e mw i t he a c ho t h e r c h o o s et h em o s ts u i t a b l ef o r m u l ao ft h es a m p l e sa st h em a t e r i a l so f a n c h o rh e a d s a n a l y s et h el a y o u to ft h es t r e s si nt h es h e l lb yc a l c u l a t i n ga n ds i m u l a t i n gt h e s h e l lm o d e lu n d e rw o r k i n gc o n d i t i o ni na n s y s8 0 c o m p a r et h ec o s to fe a c hs a m p l eb y c a l c u l a t i n gt op r o v et h er a t i o n a l i t yo f t h es t r u c t u r et h er e s u l ts h o w s t h a tt h em a t e r i a lm a d eo f 1 0 0p o r t i o no fp v cf i l l e dw i t h2 0p o r t i o no fw o l l a s t o n i t ep o w d e ri st h em o s ts u i t a b l ea s s h e l l so fa n c h o rh e a d s t h et n o s ts u i t a b l em a t e r i a lf o rc o r e so fa n c h o rh e a d sa r em a d eo f1 0 0 p o r t i o no fp v cf i l l e dw i t h1 0p o r t i o no fc a l c i t ep o w d e ra n d1 0p o r t i o no fw o l l a s t o n i t e p o w d e r t h ee x p e r i m e n td a t ac a n b e u s e df o ri n s t r u c t i n gt h em a n u f a c t u r eo ft h ea n c h o rh e a d s a n da sw e l lf o rt h er e f e r e n c eo f t h ee n g i n e e r i n gp l a s t i c si n d u s t r y k e y w o r d s t h es t r u c t u r eo fs h e l lb o l t ，t h em a t e r i a lo fa n c h o rh e a d ，s u r f a c em o d i f y i n g ， s i m u l a t i n ga n a l y s i s ，c o s tc o m p a r i s o n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 创新点申明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果： 研究一种新型塑料胀壳式锚杆的锚头结构形式为两端开槽空 心四瓣式锚壳，空心倒椎形锚芯。锚头材料采用硅灰石粉体和重质 碳酸钙份体改性并按不同配比填充聚氯乙烯基料，结果表明1 0 0 份 聚氯乙烯填充2 0 份硅灰石粉最适合作锚壳，1 0 0 份聚氯乙烯填充 1 0 份硅灰石和1 0 份重钙粉最适合作锚芯。 尽我所知，迄今国内外文献未见报道。 吟患 、 彦o oo 辽宁工程技术大学硕士学位论文i l 绪论 1 1 研究的背景 1 1 1 塑料胀壳式锚杆简介 随着我国煤巷锚杆支护技术应用范围的不断扩大，尤其是该顶技术从围 岩条件较好的巷道逐渐转向条件较差的巷道中应用时，现有锚杆支护技术存 在的一些问题逐渐暴露出来其一，由于回采巷道服务时间短，金属棚式支 架可回收复用，在某些围岩条件较好的巷道，一次性使用的锚杆相对可多次 复用的金属支架而言，没能显示出降低支护材料成本的优越性。其二，综采 工作面两巷会存在采煤机截割巷帮锚杆的问题。其三，靠粘结锚固的锚杆锚 固部分与锚杆孔壁之间不允许产生位移，当用于软岩巷道支护时，由于巷道 压力大、变形大，一旦锚固段拉开，则失掉粘结力，使锚秆支护失效，造成 事故隐患 针对上述问题，辽宁工程技术大学开发一种新型塑料胀壳式锚杆，该锚杆 由塑料胀壳式锚头、金属杆体、托盘等几部分构成。这类锚杆适用于各类围 岩条件下的各类巷道常规支护及注浆加固支护根据其工作方式，可分为杆 体可回收式和杆体不可回收式，杆体可回收式塑料胀壳式锚杆主要用于回采 工作面两巷支护，在回采之前可对超前支护段的锚杆进行杆体回收，这样， 不但可大幅度降低巷道支护成本，也可有效防止采煤机割锚杆杆体所发生的 安全事故。杆体不可回收塑料胀壳式锚杆主要用于开拓准备巷硐支护，这种 类型锚杆可以根据支护需要增加锚头以提高锚固能力利用塑料胀壳式锚杆 的锚头，经改造即可开发出几种演变产品，如外锚内注式注浆锚杆、围岩深 部基点位移计等。与其他类型注浆锚杆相比。塑料胀壳式外锚内注式注浆锚 杆集锚固与注浆功能于一身，用胀壳式锚头锚固，用密封橡胶圈封水，具有 安装方便、锚固力大和注浆可靠的特点。 1 1 2 中外锚杆的应用现状 支护在矿产开采中占有极其重要的地位，随着支护和防冒顶技术的深入发 展，新技术、新材料、新工艺、新设备的不断使用，矿井支护技术取得了令 人瞩目的成就。锚杆支护是由锚固在巷道四周钻孔内的一系杆件系统组成的 这些杆件配以支撑件和背板，靠它们的锚固力和向岩体稳定部分的悬吊作用， 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 防止破碎岩石冒落。常用的锚杆有金属锚杆、钢筋砂浆锚杆、速凝水泥锚杆、 管缝式锚杆、树脂锚杆和胀壳式锚杆 在巷道支护中，锚杆支护与传统的棚式支护相比，具有显著的技术、经 济优越性。从技术经济上对比锚杆支护可节约大量的钢材，减少支护材料的 运输和装卸支架工作量，减轻工人的劳动强度和改善作业环境。由于锚杆支 护巷道围岩稳定性好，卷道服务期间基本不需要维修，因而能够保持两道和 开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和高产高效低成本生产创造有利条件； 锚杆支护巷道掩工简单，机械化程度高，可大幅度降低巷道支护成本，提高 掘进速度和生产效率因此，锚杆支护现已发展成为世界各国矿井巷道以及 其它地下工程支护的一种主要支护形式【l 】【2 1 由于锚杆支护显著的技术经济优越性，现已发展成为世界各国矿井巷道 以及其他地下工程支护的一种主要形式。世界锚杆支护经历了如下发展历程： 、 1 9 4 5 1 9 5 0 年，机械式锚杆研究与应用；1 9 5 0 1 9 6 0 年，采矿业广泛应用机 械式锚杆，并开始对锚杆支护进行系统研究；1 9 6 0 1 9 7 0 年，树脂锚杆推出 并在矿山得到应用；1 9 7 0 年1 9 8 0 年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并应用， 研究新的设计方法，长锚索产生；1 9 8 0 1 9 9 0 年，混合锚头锚杆、组合锚杆、 桁架锚杆、特种锚杆等得到应用，树脂锚固材料得到改进 3 1 。 1 9 8 7 年英国从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术，煤巷锚杆支护得到 迅猛发展，1 9 9 4 年在巷道支护中所占的比重已达到8 0 以上，为寻求成本较 ， 低、运输和旌工简单方便、控制围岩变形效果较好的锚杆支护变得尤为重要。 川到8 0 年代初期，锚杆支护经在鲁尔矿区试验成功后获得推广，现己应用到 千米的深井巷道中甚至更深水平的采区巷道中1 4 l ，取得了许多有益的经验。 法国煤巷锚杆支护的发展也很迅速，到1 9 8 6 年其比重己占到5 0 。在采区 巷道支护中同时发展金属支架、锚杆支护、混凝土支架的俄罗斯，锚杆支护 的发展也引人瞩目 我国锚杆支护始于o 年代，在铁路隧道、矿山、水利、人防各部门都获 得应用。从1 9 5 6 年起在煤矿使用锚杆，至今已有近5 0 年的历史当时主要 采用机械端锚和钢丝绳砂浆无托板锚杆，这种单体锚杆在较稳定的岩石巷道 中获得成功。但在围岩较松软的岩巷及动压巷道中没有取得预期效果。6 0 、 7 0 年代锚杆支护开始进入采区【5 】但由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 围岩变形量很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚 杆材料、施工机具、监测手段等还不够完善，因而发展缓慢。1 9 9 5 年国有重 点煤矿当年新掘巷道中锚杆支护所占比重为2 8 1 9 ，其中岩巷中占5 7 2 ， 半煤岩巷中占3 0 0 7 ，。煤巷中占1 5 1 5 。从上述数字可以看出，锚喷支护 已经成为岩巷支护的主要形式，煤巷、半煤岩巷中所占比重还很低，而且主 要使用在条件比较简单的i 、i i 、i i i 类回采巷道，条件比较复杂的i v 、v 类 回采巷道还处于试验、总结经验阶段或者采用锚杆与其他支护的联合支护形 式，因此，在煤巷、半煤岩巷中发展锚杼支护还有很大潜力。7 0 8 0 年代， 国家“七五”、“八五”科技攻关中将锚杆支护列为软岩巷道支护的主攻方向 之一 6 1 铁路部门的成昆、丰沙、太焦、枝柳、京原等干线隧道，煤炭系统 的山东龙口，吉林舒兰：梅河、珲春、辽宁沈北，浙江长广，广东石鼓，山 西汾西，安徽潘集，青海大通，内蒙大雁、扎赉诺尔及平庄等矿区，都展开 了锚秆支护的研究和推广应用工作 1 1 从8 0 年代末起，我国煤巷锚杆支护在生产单位、科研院所、大专院校和 生产制造厂家的共同努力下，已取得突破性进展以平顶山煤业集团为例， 煤巷锚杆支护率在8 0 年代末不足5 ，到“八五”计划末，煤巷锚杆支护率己 发展到4 0 以上1 9 9 8 年煤巷锚杆支护率达到6 4 ，年支护巷道长度在 l o o k m 以上，在全国处于先进水平。平顶山六矿煤巷锚杆支护率达到9 4 以 上，年支护巷道长度多年在1 4 k m 左右，和发达国家的先进水平相当。其它 如大同、邢台、阳泉、西山、潞安、乌达，铁法、徐州、枣庄，兖州、来宾 等矿务局( 公司) 的煤巷锚杆支护率都达到3 0 以上【l 】。 我国在“九五”期间，原煤炭工业部将“锚杆支护”列为煤炭工业科技发展 的五个重点项目之一，经过教学、科研与生产单位的联合攻关，煤巷锚秆支 护技术有了较大提高。煤巷中锚杆支护的应用也有了迅速发展，到1 9 9 8 年， 煤巷锚杆支护比重提高到了2 0 1 4 半煤岩巷中则提高到了2 9 7 4 ，给我国 煤矿带来巨大的技术经济效益。 1 2 问题的提出 塑料胀壳式锚杆由于具有安装简单方便，锚固软岩巷道效果好，使用时 灵活机动，是目前普遍使用的粘接类锚杆的一个类别和功能上补充；锚头是 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 决定锚杆锚固效果的关键，通过分析锚头结构的受力特点来选择锚头材料， 使塑料胀壳式锚杆的锚圈性能更好和降低该锚杆的生产成本，锚头材料性能 和结构形式是影响其锚固性能和成本的基本因素。因此，锚头的结构和材料 是研究的重点。锚头材料采用塑料材料，塑料材料比金属材科的比强度高， 易于加工，我国塑料工业飞速发展，非金属矿物如重质碳酸钙和硅灰石在塑 料工业中已用于一些产品，利用来源广泛、价格低廉的非金属矿物，将其加 工改性后填充到塑料中，既可降低塑料制品的成本，又可使制品具有优异的 力学性能。通过对塑料进行填充改性和填充配比研究而达到既可使锚头具有 优良的锚固性能又可降低锚头的生产成本是本论文所要达到的主要目的。 1 3 研究的内容 ( 1 ) 对塑料胀壳式锚杆的锚头结构形式进行改进研究使其更加有利于锚固力 的增加，同时对改进后的锚头的锚固性能和特性进行分析 ( 2 ) 对锚头材料的组合进行分别研究，通过对比几种工程塑料的力学性能和 经济方面对比，确定以聚氯乙烯作为锚头的塑料母料，研究聚氯乙烯的有关 特性和应用，研究几种非金属矿物的组成、结构，作为填料的有关理论和实 践及表面改性的有关理论。 ( 3 ) 对用作填料的重质碳酸钙，硅灰石粉体进行搅拌磨超细粉碎，对硅灰石 和重质碳酸钙进行有关性能进行测试对粉体进行表面改性和测试，按一定 比例混合后用双螺杆挤出注塑工艺将原料加工成力学测试试样，用万能试验 机测试试样的拉伸性能和变形特性，确定哪些配比的塑料适合用作锚头材料。 ( 4 ) 通过计算和用a n s y s 8 0 对锚壳进行模拟和仿真分析。利用试验所得材料 的力学性能作为有限元分析的材料参数，用有限元分析软件对锚壳模型的横 截面进行线性结构静力学分析，以验证材料在该种结构下的强度，应力分布 薄弱环节，从而对所制材料用作锚头的性能作出判断，优化结构。 ( 5 ) 锚头材料的经济分析，通过对锚头材料的价格计算来判定各种配比的材 料用作锚头时相对于纯聚氯乙烯的成本下降量，为塑料胀壳式锚头生产提供 参考。 1 4 论文研究的意义 我国自8 0 年代末推广煤巷锚杆支护技术以来，经过近十年的努力，使该项 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 技术逐渐为人们所接受近年来，煤巷锚杆支护技术在我国亦得到迅速发展。 据统计，目前我国煤矿锚秆支护在煤巷支护中的比例已经达到5 0 以上，取得 了非常可观的技术经济效益。我国煤矿使用过的锸杆多达几十种，由于在支护 过程中可以产生很大的横向胀锚力，特别适合软岩巷道的支护，是目前大量使 用的粘结式锚杆的一个功能和类型上的补充，研究具有强度高、有合理的结构 形式和成本低的锚头材科将十分有使用价值。 通过试验以探索非金属矿物粉体如重钙和硅灰石粉体填充聚合物如聚氯乙 烯的规律，在原有锚头材料的基础上通过改性填充以提高塑料的力学性能，从 而在提高锚杼性能的同时降低锚头的成本，研究成果具有一定的意义和推广应 用价值 辽宁工程技术大学项士学位论文 6 2 塑料胀壳式锚杆的结构形式及锚固性能研究 2 1 早期胀壳式锚头结构形式 上世纪8 0 年代初期，我国出现了一种金属胀壳式锚杆，锚杆由金属杆 体、两瓣式锚壳，和空心锥形锚芯组成，由于锚芯和锚壳均为金属材科，考 虑到加工方便，用铸造工艺成型，在锚固时，由于锚芯锚壳重合部分表面粗 糙，摩擦力大，致使锚壳不能非常有效地插入锚壳内，因此，不能提供较大 的锚固力。 上世纪8 0 年代末，有人借鉴金属胀壳式镪杆的形式，研制出了塑料胀 壳式锚杆，壳采用一端开口4 瓣式，如图2 - 1 这种形式的锚壳，当锚芯深 入到一定深度时，受锚壳未开口一端的约束，胀锚力受到限制，另外，锚头 材料使用普通工程塑料，强度小，且较脆，致使整体锚固力下降。 图2 - 1 一端开口四瓣式锚壳( 两个视角) 2 2 新型塑料胀壳式锚杆的锚头结构形式 本论文所研究的新型塑料胀壳式锚杆是总结早期胀壳式结构形式的不 足，对锚头形式作了深入细致的研究工作，所研制出的一种新型锚杆【，l 锚头由空心锥体锚芯和四瓣式锚壳组成。锚壳部分为内锥形圆筒状体，胀壳 沿纵向分为四瓣，分别在两侧开槽，这样，就保证了锚芯深入到锚壳的任何 位置，非常容易地使锚壳张开为了适应不同的围岩条件，设计了三种形式 的锚壳：光壁式、倒台阶齿形和v 齿形，室内和井下实测结果表明，v 齿 形锚头锚固效果最好，如图2 2 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 图2 - 2v 齿形锚壳结构图 杆体不可回收式锚芯为中空圆锥体，杆体可回收式锚芯在其内部装有一 个联接螺母和一段薄壁金属管内壁护套，用来提高锚芯内壁的抗挤压强度， 如图2 3 、2 4 、2 - 5 、2 - 6 及2 7 所示。 图2 3 杆体不可回收式锚芯结构图 图2 4 抒体可回收式锚芯结构图 塑料胀壳式系列锚杆锚头直径3 7 4 1 m m 。锚头长度1 2 0 1 5 0 m m ，适用 钻孔直径3 8 4 5 m m 塑料胀壳式杆体可回收式锚杆的室内模拟孔检测拉拔 图2 - 5 同一锚壳的两个端面3 d 图 力为7 3 9 0 k n ，井下实测拉拔力5 0 6 0 k n 杆体不可回收式锚杆检测结果 辽宁工程技术大学硕士学位论文8 是，室内模拟孔，单锚头拉拔力为8 0 9 0 k n ，井下实测为5 0 7 0 k n ，多节 锚固( 2 或3 节) 拉拔力为单节拉拔力节数x 8 0 图2 - 6 锚芯图2 7 锚壳配合锚芯3 d 图 2 3 锚杆整体结构及类型 塑料胀壳式锚杆塑料胀壳式锚头、金属杆体、托盘等几部分构成。并且 由端头锚固式锚杆演变出几种类型 2 3 1 端头锚固式锚杆 塑料胀壳端锚式锚杆分为杆体可回收式和不可回收式。锚杆由塑科胀壳 式锚头、金属杆体、托盘等几部分构成如图2 8 。 杆体不可回收塑料胀壳式锚杆主要用于开拓准备巷硐支护，这种类型锚杆 可以根据支护需要增加锚头以提高锚固能力。 图2 8 杆体不可回收式锚轩总体结构图 杆体可回收式塑料胀壳式锚杆主要用于回采工作面两巷支护，在回采之 前可对超前支护段的锚杆进行杆体回收 图2 9 杆体可回收式杆锚杆总体结构图 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 2 3 2 塑料胀壳锚固式注浆锚杆 塑料胀壳锚固式注浆锚杆主要由杆体、胀壳式锚固头、隔离架、橡胶密封 套、密封胀壳及托盘和紧固螺母组成图2 1 0 。杆体可用1 2 英寸厚壁镀锌钢 管制傲。胀壳式锚固头和密封胀壳用前述的塑科胀壳式锚秆的锚芯和锚壳代 替，只是将锚芯内径加大即可，隔离架用q p 6 m m 钢筋和垫圈焊制，托盘和紧 固螺母可直接用标准件 1 锚芯2 锚壳3 杆体 4 隔离架5 密封套6 托盘7 紧固螺母 图2 一l o 塑科胀壳锚圃式注浆锚杆 对于全锚杆支护巷道来说，顶板离层是最大的安全隐患。如果巷道顶板 在锚杆锚固端以外出现离层，且巷道跨度很大时，其组合梁厚度相对较小， 所具有的抗折强度不能阻止组合梁的下沉，则可能发生冒顶事故。如在巷道 顶板上每隔一定距离安装一个顶板离层测点，就会及时发现事故隐患，以便 能做到及早防范。 2 3 3s m w y - 3 型围岩深部基点位移计 塑锚式围岩深部基点位移计结构与塑锚式顶板离层指示仪基本相同，只 是孔口固定套有些差异，位移计结构如图2 - l l 所示。 图2 - 1 1s m w y - 3 型围岩深部基点位移计结构图 辽宁工程技术大学硕士擘位论文l o 2 4 塑料胀壳式锚杆的工作原理及锚固特性 2 4 1 塑料胀壳式锚杆的工作原理 将锚芯插入锚壳内，并将杆体拧到锚芯内的螺母上，安装锚杆时，旋紧 杆体使锚壳和锚芯重合度增加，锚芯将锚壳胀开。贴紧锚杆孔壁，所产生的 挤压力即为锚杆初始锚固力。因为此种- 锚杆在安装时是让楔形锚芯与锚壳产 生重合而使锚壳膨胀，靠锚壳与孔壁之间挤压和摩擦而起到锚固作用 用预拉紧方法安装的锚杆，提高了岩石分层之间的摩擦阻力，同时将两 支撵点问的岩层夹紧，以岩梁和拱的形式构成承载结构。锚秆具有加固拱作 用、悬吊作用、组合梁作用和围岩补强作用，从支护机理上看，锚杆支护属 于“主动”支护。可以充分利用围岩的自承能力，提高巷道围岩的稳定性。将 载荷体变为承载体。在锚杆安装以后，锚杆即对围岩提供轴向或横向的支护 阻力，且随围岩变形支护力不断增加。 2 4 2 塑料胀壳式锚杆的锚固性能特点 塑料胀壳式锚杆在锚固性能上的主要特点是：在锚固端能够提供足够大 的胀锚力，其数值约为托锚力、剪锚力的2 5 倍，而树脂锚杆和快硬水泥锚 杆对围岩只有托锚力和剪锚力作用，无胀锚力作用，管缝式锚杆的胀锚力只 为本锚杆胀锚力的1 1 0 1 1 5 锚杆对围岩的作用主要体现在两个方面，即 纵向约束力作用和横向约束力作用，纵向约束力作用通过托锚力和剪锚力实 现，而横向约束作用基本依靠胀镭力来实现。以往人们只注重锚杆的纵向约 束作用，即纵向上有利于形成组合梁或挤压拱等结构，而忽略了锚杆对围岩 的横向约束作用，这是不完全的。众所周知，地下岩体抗拉强度很小，又往 往被层理、节理、裂隙等弱面所切割，弱面的抗拉强度几乎为零。抗剪强度 主要取决于作用在该弱面上的正压力。当正压力不大时，弱面的抗剪能力也 很弱如果随着巷道周边围岩和深部围岩位移差的增大。锚秆能够同时提供 愈来愈大的横向挤压力，就会压实松动岩石的节理、裂隙。提高其抗拉能力 和抗剪能力，有利于围岩形成结构，提高其支撑能力这个作用和纵向约束 减小围岩离层是同等重要的，只有把两者有机地结合起来，才能更好地发挥 锚杆加固围岩韵作用。 本锚杆的另一优点是具有近似恒阻的工作特性，可保证锚杆在最大锚固 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 1 力下与围岩保持同步变形，即锚杆不会因围岩变形增大而失效。在软岩巷道 中，随着围岩破坏，由于破碎岩体中各个岩块之闯沿裂隙面的相对滑移将引 起强烈的膨胀变形，在这种情况下，纵有很大的支护强度，也难以控制围岩 的变形理论和实践都证明，在软岩巷道的开挖初期，要将围岩变形控制在 较小范围，则需要很大的支护强度，这在技术上很难实现，在经济上也不合 理因此，软岩巷道支架应具备承载可缩的性能，以适应掘巷初期围岩的强 烈变形在控制围岩变形的同时，使围岩内蕴藏的变形能得以充分释放。所 以，支架的工作阻力和可缩量及其合理匹配是软岩巷道支护最为重要的参数。 随着围岩位移的增大，锚杆支架延伸的过程就是让压过程。让压途径可分为 三种典型情况。 ( 1 ) 恒阻让压，支护有较大的锚固力，围岩始终在恒定的支护阻力下变形， 直到围岩压力等于支护阻力而稳定 ( 2 ) 增阻让压，支护锚固力不大，随着围岩的变形增大，锚固力不断增大， 围岩压力却逐渐减小，直到两者达到平衡而稳定。 ( 3 ) 自由让压，在无支撑或无阻力情况下让压，直到围岩变形达到某极限后 再给予强力支撑。 三种让压可以用支护的压力p 和 位移u 的关系曲线来表示。图2 1 2 是 本锚杆的典型特性曲线。其特点是近 似恒阻特性 理论分析和实践都说明，合理的 让压途径应该是恒阻式或微增阻式 的。其合理性除了上述的定性理由之 外，还可从支架的合理工作点中反映 出来近年来。无论是依据充分考虑 奄 是 一 憾 骥 霸 似 o1 0 q2 埘铀o 胡o7 8 0 09 姗 位移量 图2 1 2 支护强度围岩位移关系曲线 松软围岩体积增大特性的h o e k - b r o w n 准则而进行的理论分析，还是模拟试 验、数值计算以及实际观测，都得出了软岩巷道围岩变形与支护强度里负指 函数关系，如图中曲线所示。本图中所示的是在平庄矿务局六家煤矿7 5 井 底水仓支护中所用的锚杆与围岩共同作用的特性曲线，该锚杆用两节锚固 头，锚固力9 0 1 2 0 k n ，支护密度为o 6 x 0 6 m ，算得支护强度为o 3 3 m p a ， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 锚杆长1 8 m ，达到锚固力时杆体伸长率为5 ，周边围岩受托板的压缩量与 秆体伸长量近似相等从图中可以看出，由于本锚杆具有恒阻让压特性，能 够有效控制围岩变形达3 0 0 r a m 时而稳定下来同具有增阻特性的树脂或快 硬水泥锚杆相比，在达到相近支护效果的前提下，本锚秆比树脂等类锚秆可 减少支护强度约3 0 。 2 5 本章小结 新型塑科胀壳式锚杆克服了靠粘结锚固的锚杆锚固部分与锚杆孔壁之 间不允许产生位移，当受采动影响时，由于巷道压力大、变形大，易使锚固 段拉开。而失掉粘结力，使锚杆支护失效，造成事故隐患的缺点。塑料胀壳 式锚杆塑料胀壳式锚头、金属杆体、托盘等几部分构成并且由端头锚固式 锚杆演变出几种类型：塑料胀壳锚固式注浆锚杆，塑锚式围岩深部基点位移 计。本锚杆锚固软岩巷道效果好，锚固特点：在锚固端能够提供足够大的胀 锚力，其数值约为托锚力、剪锚力的2 5 倍，而树脂锚杆和快硬水泥锚杆对 围岩只有托锚力和剪锚力作用，无胀锚力作用，管缝式锚杆的胀锚力只为本 锚杆胀锚力的1 1 0 1 1 5 。具有近似恒阻的工作特性，可保证锚杆在最大锚 同力下与围岩保持同步变形，即锚杆不会因围岩变形增大而失效。塑料胀壳 式锚杆是粘接式锚杆的功能和类型上的一个重要补充。 辽宁- r 程技术大学硕士学位论文1 3 3 锚头塑料材料选取研究 3 1 锚头材料应具备的性能 锚头产生初锚力后即处于应力状态。横向张开的锚壳对安装孔形成强力 挤压，锚壳处于高应力状态，锚壳工作时受到内锚芯_ 和安装孔的的双重挤压 产生横向胀锚力，这就要求锚壳在受挤压时能较好的保持尺寸稳定，即材料 的刚度，同时锚壳张开时壳瓣受到撕拉力作用，要求具有一定的韧性。如果 锚头材料的强度不够，产生塑性变形、蠕变或脆断，必然导致支护力下降甚 至失效，因此，锚头材料的强度越高越好，同时还要具有一定的韧性和耐磨 性；因为锚芯更厚且内有金属筒，外有锚壳，主要承受挤压力作用，要求材 料耐挤压，对锚壳的力学性能相对要求更高 3 2 塑料母料的选取及确定依据 近些年来我国塑料工业飞速发展，塑料制品日益增多。从提高锚头性能 和降低成本的宗旨出发，用阻燃塑料作为锚头主要材料。1 9 首先选择了聚氯 乙( p v c ) 烯、a b s 和聚丙烯( p p ) 三种工程塑料作为试验材料，它们的力 学性质测定结果见表3 - 1 a b s 塑料价格太高，聚丙烯塑料的强度不够，且 价格较高，通过力学性能和经济方面对比，确定以聚氯乙烯作为锚头的塑料 母料。 表3 - 1 塑料材料配比试验指标 试件尺寸( c m ) 平均 试件编试件试件面破坏抗压强 抗 弹性平均弹 名称号材料长 宽高积( c m 2 载荷k h度m p a压强 模量性模量 ， 度 l0 90 7 c j1 3 4o 7 l4 05 6 32 8 0 0 材料i p v c5 8 0 2 7 8 0 20 90 7 41 4 3o 6 74 05 9 72 7 6 0 l1 1 61 0 31 5 51 1 95 ，4 84 6 12 6 4 0 材科a b s5 0 02 7 7 0 21 00 9 81 4 1o 9 85 2 85 3 92 9 0 0 l0 8 2o 8 21 4 0o 6 72 53 7 33 0 0 0 20 8 5o 8 0 1 3 4 o 6 82 13 0 92 8 0 0 材料 p p 3 4 12 8 4 0 2i 0 6 o 6 7i 2 5 o 7 l 2 4 3 3 82 8 6 0 21 o0 21 3 70 9 24 0 4 3 5 2 7 6 0 辽宁工程技术大学硕士学位论走 1 4 3 3 聚氯乙烯的有关特性 聚氯乙烯为由氯乙烯单体经自由基聚合而成的聚合物，英文简称p v c p v c 为最早实现工业化的树脂品种之一，是在2 0 世纪6 0 年代以前产量最大 的树脂品种，只是在6 0 年代后期退居第二位。近年来由于p v c 合成原料丰 富、合成路线的改进、树脂中氯乙烯单体含量的降低，价格低廉，在化学建 材等应用领域中的用量日益扩大，其需求量增加很快，地位逐渐加强。按分 子量的大小分可将p v c 分成通用型和高聚合型两类。通用型p v c 的平均聚 合度为5 0 0 1 5 0 0 ，高聚合度型的平均聚合度大于1 7 0 0 以上。我们常用的p v c 树脂大都为通用型。 3 3 1 聚氯乙烯塑料的结构性能 ( 1 ) p v c 的结构：p v c 分子链中含有强极性的氯原于，分子问引力大， 这使p v c 制品的刚性、硬度、力学得到提高，并赋予优异的难燃性能，但其 介电常数和介电损耗角正切值比p e 大。p v c 树脂台有聚合反应中残留的少 量双铰、支链及引发剂残基，加上两相邻碳原予之间含有氮原于和氢原子， 易脱氯化氢使p v c 在光，热作用下易发生降解反应p v c 分子模上的氯、 氢原子空间捧列基本无序，制品的结晶度低，一般只有5 一1 5 ( 2 ) p v c 的性能；一般性能。p v c 树脂为一种白色或淡黄色的粉末， 相对密度为1 3 5 1 4 5 5 其制品的软硬程度可通过加入增塑剂的份数多少 调整，制成软硬相差悬殊的制品。纯p v c 的吸水性和透气性都很小。力学 性能p v c 具有较高的硬度和力学性能，并随分子量的增大而提高，但随温 度的升高而下降。p v c 中加入增塑剂份数不同对力学性能影响很大，一般 随增塑含量增大，力学性能下降；硬质p v c 的力学性能好，其弹性模量可达 1 5 0 0 3 0 0 0 m p a ：而软质p v c 的弹性模量仅为1 5 一1 5 m p a ，但断裂伸长 率高达删2 0 0 一4 5 0 p v c 的耐磨性一般，硬质p v c 的静摩擦因数为 o 4 0 5 ，动摩擦因数为0 2 3 热学性能p v c 的热稳定性十分差，纯p v c 树脂在1 4 0 1 2 即开始分解到1 8 0 c 迅速加快，而p v c 的熔融温度为1 6 0 1 2 ， 因此纯p v c 树脂难以用热塑性方法加工。p v c 的线膨胀系数较小，具有难燃 性，其氧化指数高达4 5 以上。【1 0 】环境性能。p v c 可耐大多数无机酸( 发烟硫 酸和浓硝酸除外) 、碱、多数有机溶剂( 乙醇、汽油和矿物油) 和无机盐，适合 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 作化工防腐材料。p v c 在酯、酮、芳烃及卤烃中溶脓或溶解，其中最好的溶 剂为四氢呋喃和环己酮。p v c 对光、氧、熟都不好，很容易发生降解，引起 p v c 制品颜色的变化，l i t 】变化顺序为白色一粉红色一谈黄色一褐色一红棕色 一红 3 3 2p v c 的加工特性 p v c 的加工稳定性不好，熔融温度( 1 6 0 ) 高于分解温度( 1 4 0 0 ) ，不进行改性 难以用熔融塑化的方法加工。改性方法一为在其中加入热稳定剂，以提高其 分解温度，使其在熔融温度之上；二为在其中加入增塑剂，以降低其熔融温 度使其在分解温度之下p v c 用热稳定剂有四类即铅盐类、有机锡类、金属 皂类和稀土类以铅盐类最常用，但不能用于无毒和透明制品；有机锡类稳定 效果好，透明、有毒或无毒，因价高限制使用；金属皂类稳定效果一般，分 透明、有毒或无毒，很少单用，常复合使用，常用于软制品：稀土类稳定剂 为最新品种，具有透明、无毒等优点，大有发展前途。p v c 热稳定剂可用于 硬制品和软制品，在硬制品中的用量大于软制品。 选用理由：p v c 具有较高的硬度和力学性能，并随分子量的增大而提高， 但随温度的升高而下降。矿并的环境温度通常不会改变聚氯乙烯的力学性能。 硬质p v c 的静摩擦因数为o 4 0 5 ，摩擦力增大，锚杆的拨拉力增大。聚氯乙 烯属通用型塑料，原料来源广且价格不高。聚氯乙烯的环境性能也是选用的 一大考虑因素。 3 4 无机非金属矿物填料的选择 塑料加工行业是无机非金属矿物的一个重要的应用领域，非金属矿物粉 体填充到塑料中，不仅可以增量即降低成本，而且它还可以改变塑料的“质”， 即赋予塑料一些特殊的性能，如改变塑料的力学性能、电学性能、阻燃性能， 这就使得塑料填充改性这一领域的研究方兴未艾，作为填料的矿物种类越来 越多，目前主要有碳酸钙、滑石粉、高岭土，云母粉、硅灰石粉，镁、铝氢 氧化物、炭黑、金属粉末、木粉、淀粉、粉煤灰玻璃微、蒙脱土等1 1 2 j 每一种非金属粉体作为填料有其较为适合的填充环境，填充到塑料中 后，能使塑料获得一些性能上的改变，由于重质碳酸钙是使用最多的矿种， 价格低、分布广，来源广因此，决定采用该种粉体作为试验材料。硅灰石 辽宁工程技术大学硕士学位论之 1 6 由于具有独特的针状结构，其长径比大，在填充某些塑料时能代替石棉、玻 璃纤维等，也把它作为一个试验材料，探索按不同配比的重钙和硅灰石填充 聚氯乙烯后所制塑料的力学性能。 3 4 1 重质碳酸钙作为填料的应用特性 碳酸钙分为重质碳酸钙和轻质碳酸钙两大类，也称重钙和轻钙重质碳 酸钙可以天然碳酸钙方解石、大理石、自垩磨碎制得。轻钙是用化学方法制 成的沉淀碳酸钙，堆积体积大，比得重量轻，故称轻钙【”1 实际上两者的密度 相差并不大，重钙的密度为2 6 2 9 4 9 c m 3 、轻钙的密度为2 , 4 2 7 9 c m 3 。 碳酸钙的主要特点是：( 1 ) 价格低廉，原料供应充足；( 2 ) 无毒、无 刺激性、无味；( 3 ) 色泽好、白、对其它颜色干扰少易着色；( 4 ) 硬度 低，对加上设备的磨损轻；( 5 ) 热稳定性好，热分解温度为8 0 0 c 以上 1 4 1 。 化学性质比较稳定，属于惰性填料；( 6 ) 易干燥水分易除去，不含结晶水。 碳酸钙是高分子复合材料中广泛使用的无机填料。在橡胶、塑料制品中 添加碳酸钙等无机填料，可提高制品的耐热性、耐磨性、尺寸稳定性及刚废 等，并降低制品成本，但无机填料亲水疏油的表面特性，使其与高分子材料 相容性差，因此加工易形成不规则的聚集体，造成在高聚物内部分散不均匀， 从而产生界面缺陷，导致制品的物理机械性能降低为了克服碳酸钙应用上 的自身缺点，改善其与高分子材料的相容性和分散性，使其成为一种功能性 补强增韧填充材料，近年来国内外这方面的研究十分活跃 塑料工业对重钙的质量要求塑料工业对重钙的要求主要集中在重钙产品 的纯度，白度及粒度要求上然而，我国对重钙产品的质量要求尚未有统一的标 准，仅有一些参考标准。通常要求重钙的最低纯度为c a c 0 3 含量为9 5 ，白度 最小不低于9 0 度，粒度要求各粒度级别产品粒度分布愈窄越好【1 5 1 。 3 4 2 硅灰石的结构、性能及应用 硅灰石是一种钙的偏硅酸盐矿物，化学分子式为c a s i 0 3 ，理论组 成：c a 0 4 9 3 ，s i 0 2 5 1 7 ，具有较好的化学稳定性能，在2 5 的中性水中溶解 度为o 0 0 9 5 9 l o o m l ，2 - 般情况下耐酸、耐碱、耐化学腐蚀，但在浓盐酸中 发生分解，形成絮状物在焙烧条件下，可与高岭石、叶蜡石、伊利石、滑石 等矿物发生固相反应。硅灰石中的钙易被铁、锰、镁、钛、锶等杂质替代而 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 7 形成类质同象体，所以纯净的硅灰石很少见 t 6 1 1 。 硅灰石在晶体结构上属于链袄硅酸盐，硅氧四面体链是由个双四面体f s i 2 0 3 】和一个单四面体 【s i 0 4 】平行b 轴交替捧列而成，其中一个硅氧四面体 s i 0 4 的棱平行链的方向，如图2 1 。o 圈3 - l 硅灰石鲍晶体结构 硅灰石晶体呈沿b 轴延长的板状或片状极为罕见，多里针状、纤维状、 放射状和块状集合体，细小颗粒也是纤维状的，一般长0 1 1 o m m ，长者2 0 4 0 r a m ，最长达7 0 r a m ，一般长度和直径的比率为7 8 1 1 7 】。硅灰石的微观结 构见图3 2 图3 - 2 硅灰石的电镜照片 由于硅灰石具有针状、纤维状晶体形态和白度高等一系列优异特性，所 以广泛地应用在陶瓷工业、化工工业、冶金工业、建筑工业、机械工业、电 子工业，造纸工业、汽车工业、农业等部门硅灰石深加工技术主要是超细 粉碎和表面改性，特别重要的是，作为填料使用在塑料中的填充改性技术 现在硅灰石产品己占欧美无机填料市场的1 0 - 3 0 。它的主要优点是能部分 取代石棉和玻纤来作增强材科【l 目前，它己在环氧、酚醛、热固性聚脂、 辽宁工程技术大擘硕士学位论文l b 聚烯烃等多种塑料中获得应用。作为填料，硅灰石优于其它非金属矿物。除 起增容外，主要是利用碡灰石的针状结晶所产生的类似纤维的增强作用，以 代替价格较贵的玻璃纤维、碳纤维以及危害人体健康的石棉等填料：产品质量 提高，成本降低。作为聚合物的填料或颜料，硅灰石正在越来越多地受到人 们关注0 9 1 。 3 5 粉体的表面化学改性 3 5 1 矿物粉体表面改性的目的和方法 采用物理或化学方法对粉体颗粒进行表面处理，有目的地改交其表面物 理化学性质的工艺称为粉体表面改性。 2 0 1 粉体表面改性是矿物最重要的深加 工技术之一，经改性的矿物材料在工业部门已得到广泛应用，通过改性可显 著改善或提高粉体的应用性能以满足当今新材料新技术的要求。 改变填料表面的物理化学性质，提高其在树脂和有机聚合物中的分散性， 增进填料与树脂等基体的界面相容性，进而提高塑料、橡胶等复合材料的力 学性能，是作为填料的矿物粉体表面改性的最主要目的。重质碳酸钙粉体和 硅灰石粉体是亲水疏油的，其在树脂中不能很好地分散，若不改变矿物粉体 的表面性质，则填充量小。且制品性能较差。通过一定的工艺和药剂作用， 可大大提高粉体的活性，使粉体能很好的分散到塑料基体中，一方面可增大 粉体的填充量，另一方面可使塑料制品的性能大大提升【2 1 1 表面化学改性是通过改性剂与颗粒表面之间发生化学反应而改变颗粒表 面的结构、化学成分及电化学特性等，达到表面改性的目的按照改性剂与 颗粒表面之间的化学反应机制及特征，目前，颗粒表面化学改性主要包括偶 联剂法、酯化反应法及表面接枝改性法。表面化学改性是目前无机填料所采 用的主要表面改性方法【2 2 1 9 表面改性的方法有多种不同的分类。根据改性性质的不同分为物理方法、 化学方法和包覆方法，根据具体工艺的差别可分为涂覆法、偶联剂法、煅烧 法和水沥滤法具体来说有包覆处理改性、沉淀反应改性、表面化学改性、 机械力化学改性、高能处理改性和胶囊化改性，本研究主要涉及表面化学改 性，高速混合机，于法，使用药剂为硅烷偶联剂和钛酸酯，因此重点了解 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 3 5 2 改性药剂及作用机理 偶联剂是具有两性结构的物质。按其化学结构可分为硅烷类、钛酸酯类、 锆铝酸盐及络合物等几种。其分子中的一部分基团与颗粒表面的各种官能团 反应，形成强有力的化学健：另一部分基团右与有机高聚物发生某些化学反 应或物理缠结t 从而将两种性质差异很大的材料牢固地结合起来，使无机填 料和有机高聚物分子之间产生具有特殊功能的分子桥。偶联剂适用于各种不 同的有机高聚物和无机填科的复合材料体系。用偶联剂进行表面处理后的无 机填料，抑制了填料体系”相”的分离，增大填充量，并可较好地保持分散均匀， 从而改善了制品的综合性能，特别是