超高强度树脂锚杆材料的研究与应用

超高强度树脂锚杆材料的研究与应用

随着井井深度的增加和地质条件的复杂性，世界上先进的采矿业家正在研究锚杆支护技术。他们不仅坚持以树脂锚固定金属锚杆为主导方向，而且从桅杆材料的角度来看，它们越来越接近高强度和厚材料。其技术途径:一是应用强度高和具有较好延伸率的材料;二是加大锚杆直径。例如,澳大利亚锚杆材料的屈服强度σs一般均在400~600MPa,近年又在研究屈服强度σs达800MPa的更高强度的锚杆;英国使用的锚杆材料的屈服强度σs达640MPa;美国达到520MPa。关于锚杆直径,国外最早使用小直径的低碳钢锚杆,而目前大多数使用ϕ20~22mm,也有使用ϕ24mm直径的。由于钻孔直径一般为ϕ28mm,因而加大锚杆直径受到一定限制。从锚杆材料强度和直径综合考虑,锚杆破断载荷一般在200kN以上,以后又发展到300kN以上,近年来还在开发400kN以上的锚杆,英国还研制出ϕ32mm的“大锚杆”(BigBolt),其屈服载荷达到500kN。我国从1956年开始在煤矿岩巷中使用锚杆支护,至今已有50年的历史。锚杆的种类由最初的砂浆钢丝绳锚杆、木锚杆逐步发展到圆钢锚杆、管缝锚杆、水力膨胀锚杆、建筑螺纹钢锚杆、全螺纹等强锚杆、左旋无纵筋螺纹钢锚杆、可切割锚杆等。就锚杆的强度来讲,逐步向高强度、高刚度方向发展。目前,我国金属锚杆杆体的材质(按屈服强度)主要有以下几种类型:235MPa,335MPa,400MPa,500MPa。锚杆的直径从ϕ14~22mm。根据不同的地质和生产条件选用不同强度和直径的锚杆。但随着开采条件日益复杂化、开采深度不断加大,上述锚杆在深井高应力软岩巷道支护中越来越不能满足要求,深井巷道普遍出现初期变形量大、蠕变严重等现象,严重干扰了煤矿的正常生产和安全。为此,2005年煤科总院和有关厂家合作,开发了屈服强度超过600MPa的锚杆,从根本上缓解我国高地压深井巷道的支护难题。虽然超高强度树脂锚杆钢材的开发在国内外取得了显著的成就,但在螺纹钢锚杆钢材的质量、横肋外形、肋间距、尾部螺纹的加工精度、配套构件的合理性、预紧力的施加方法等方面缺乏深入研究,致使锚杆的使用效果受到一定程度的影响,针对以上问题展开讨论。1高强锚杆钢力学性能及理化性能螺纹钢锚杆钢材和建筑螺纹钢不同,不仅要求钢材有较高的强度,同时也要求钢材具有较好的延伸性能。通常,随着拉伸强度的提高,伸长率降低。因而,强度水平的提高受到塑性需求的制约;塑性降低还导致缺口敏感性增加,冲击韧性随拉伸强度提高而降低。因此,设计合理的化学成分和生产工艺才能生产出成本低、质量优良的产品。近年来,随着500MPa及更高强度的锚杆在深井高地压及复杂困难条件下巷道的推广应用,巷道支护效果有了明显改善,取得了显著的技术经济效益。但在深井高地压和强烈动压影响的巷道中,经常出现锚杆杆尾螺纹发生脆断的现象,破断处没有明显的拉伸“颈缩”(图1),严重影响了支护效果,危及人身安全。为此,对目前生产高强度锚杆钢材厂家的产品进行了详细的力学性能、理化性能测试,表1为目前生产的锚杆用高强度螺纹钢的性能指标。从表1中可以看出,各厂家生产的高强度锚杆钢材虽然从强度上均能达到要求,但质量存在较大差异,特别是常温冲击吸收功、晶粒度和延伸率。根据国家钢铁材料测试中心测试化验结果,超高强树脂锚杆钢在顶端加工螺纹处发生的断裂是由于锚杆钢端部螺纹表面受到较高的弯曲力矩而导致的瞬间脆性断裂。锚杆钢硅酸盐夹杂多,晶粒较粗,冲击韧性值低是发生脆性断裂的材质内在因素。因此,今后应针对高强锚杆钢材,结合世界上先进采煤国家有关的锚杆钢材标准,提出我国高强锚杆钢材质量控制标准,特别是将影响高强锚杆脆断的因素,如冲击吸收功、晶粒度、夹杂物含量等纳入质量控制标准中,从根本上解决高强锚杆脆断的问题。2锚杆支护的缺陷目前,我国煤矿使用的螺纹钢锚杆钢筋主要有精轧螺纹钢筋、建筑螺纹钢筋、左旋无纵筋螺纹钢筋3种。精轧螺纹钢筋在钢筋的全长表面轧制出连续不断的螺纹形,可以容许在钢筋的任意一点进行锚固和螺纹连接,而且与混凝土之间有较好的握裹力。作为煤矿巷道支护用树脂锚杆杆体,这种全螺纹等强锚杆对顶板及煤帮的适应性强,特别是围岩破碎、局部凸凹不平时,可顺利实现贴帮贴顶。同时在巷修时,将锚杆截断后,仍可上托盘螺母护帮,而且锚杆的加工也比较方便。由于这些优点,使得全螺纹等强锚杆在个别矿区得到大面积推广。但这种锚杆存在严重的缺陷,主要表现在:右旋螺纹在使用锚杆机搅拌树脂药卷时容易造成“倒药”现象,致使锚固剂在孔内充填不密实,影响锚固效果,使锚固剂的粘结强度和弹性模量大幅度降低;全螺纹等强锚杆的螺距较大,虽然上螺母速度快,但锚杆的预紧力偏小。根据现场实测,扭矩为300N·m时,预紧力仅为10kN左右,预紧力偏低,极易导致对围岩的加固效果差,特别是强度低的层状复合顶板,致使岩层过早出现破碎现象,加大了支护难度;等强锚杆螺母为精铸件,由于铸造精度不够,经常造成锚杆出现“退帽”现象。另外在炮掘施工巷道,由于放炮震动,普遍发生锚杆螺帽被震松的现象,严重影响支护效果。建筑螺纹钢筋建筑行业最常用的钢筋类型,通常带有2道纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋,横肋的外形分为螺旋形、人字形、月牙形3种。由于肋的作用,和混凝土有较大的粘结能力。但用于煤矿巷道和硐室支护的锚杆用钢,由于纵肋的存在或横肋的人字形外形,存在树脂锚固剂搅拌不充分的问题,影响锚固效果。左旋无纵筋螺纹钢筋在建筑螺纹钢的基础上,结合树脂锚杆的施工工艺和锚固性能而开发的锚杆专用钢材,是目前国内外广泛采用的锚杆钢材形式。它不仅和树脂锚固剂具有良好的粘结能力,同时可有效保障锚固剂搅拌的均匀性和密实性,确保锚固效果。从以上分析可以看出,我国应大力推广左旋无纵筋螺纹钢锚杆,逐渐摒弃锚固效果差、影响锚杆支护效果充分发挥的锚杆类型,有效避免巷道顶板事故的发生,同时加大螺纹钢锚杆外形的合理化研究,使锚杆的施工和锚固效果达到最佳匹配。3锚杆锚固结构左旋无纵筋螺纹的几何参数包括横肋高度、横肋宽度、横肋间距与螺旋角等,这些参数都不同程度地影响锚固剂粘结力和搅拌阻力。由于左旋无纵筋锚杆螺纹钢是在建筑螺纹钢的基础上改进而来的,锚杆钢筋的外形以及横肋均是沿用建筑螺纹钢的标准而轧制的。而建筑螺纹钢的外形、横肋尺寸及肋间距是在和混凝土粘结的基础上进行的研究和合理化设计,而锚杆主要是靠树脂锚固剂进行粘结,树脂锚固剂固化后无论从抗压强度、粘结强度、弹性模量等方面均显著高于混凝土。因此,必须针对树脂锚固剂的性能对锚杆杆体外形、横肋及肋间距进行详细研究,以研制出更加合理的、适合树脂锚固的锚杆杆体外形。澳大利亚N.J.Aziz等人分别对3种不同肋高、肋间距的锚杆钢筋进行了树脂锚固对比试验,锚固长度为75mm时,实验结果如表2和图2。从试验结果可以看出,锚杆钢筋表面的肋高、肋间距对锚杆的锚固性能均有显著的影响。因此,应对螺纹钢锚杆的外形及尺寸进行详细的研究,合理优化锚杆外形,以达到最佳的锚固效果。4加工锚杆的缺陷目前,国内加工锚杆尾部螺纹大多采用剥皮、车丝或滚丝工艺,强度损失比较明显,不仅使锚杆承载能力降低,而且杆体的延伸性能得不到充分发挥。此外,随着锚杆钢材强度不断提高,原有的用于锚杆螺纹加工的小功率滚丝机已远远不能满足生产要求,导致锚杆尾部螺纹加工粗糙,存在明显的缺陷和损伤(图3),如齿面剥离、牙底折叠、牙底裂纹与腐蚀等。这些缺陷不仅会造成螺旋副摩擦系数的增大,导致对锚杆施加预紧力时扭矩转换率低,更重要的是容易在损伤处造成应力集中而出现锚杆脆断现象。因此,应将锚杆螺纹的加工精度提到议事日程中,在相关的行业标准中,明确规定锚杆螺纹的加工精度,确保巷道支护安全。5为动压巷道锚杆支护提供合理的调心球垫和减摩垫片螺纹钢锚杆的配套构件主要包括托盘、调心球垫、减摩垫片、螺母等。这些构件对锚杆支护效果均有不同程度的影响。锚杆托盘的作用是通过螺母施加扭矩,压紧托盘给锚杆提供预应力,并使预应力扩散,同时围岩变形后载荷作用于托盘,通过托盘将载荷传递到锚杆杆体,增大锚杆工作阻力,进而控制围岩变形。目前,我国锚杆托盘种类较多,主要有平托板、拱形托盘、异形托盘等。其中拱形托盘受力状态较好,并有一定的变形能力,比较适合煤矿动压巷道锚杆支护的要求。针对锚杆托盘,今后的研究方向是进一步深入研究托盘的合理形状和尺寸,达到既能和锚杆杆体强度相匹配,很好地实现锚杆预应力扩散,达到理想的支护效果,同时又可降低材料消耗。调心球垫的作用是在巷道表面不平整或锚杆安装不垂直巷道表面时用于调节托盘和锚杆的角度,避免锚杆受较大的弯矩而恶化锚杆受力条件,影响支护质量。目前,国内锚杆支护技术较发达的矿区大部分采用调心球垫,但一些欠发达矿区基本不采用调心球垫。在采用调心球垫的某些矿区,由于调心球垫设计不合理,起不到有效的调心作用,经常造成在巷道表面不平处锚杆和球垫发生严重挤压,锚杆受到较大的弯矩,进而造成锚杆在螺纹处破断的现象(图4)。因此,应加强锚杆调心球垫的形式及合理尺寸的研究,使锚杆在安装时能适应不同的条件,顺利实现调心作用,避免锚杆受较大的弯矩,影响锚杆支护作用的发挥。减摩垫片是为了减小螺母与托盘或调心球垫之间的摩擦阻力和摩擦扭矩,最大限度地将锚杆安装扭矩转换为预应力,提高支护系统的刚度。根据实验室试验,加减摩垫片与不加减摩垫片相比,在同样的安装扭矩情况下,锚杆的预紧力可提高30%~50%。因此,应研究与试验不同减摩材料、不同形状与尺寸的垫圈的减摩效果,以确定合理的减摩垫片的材质与尺寸。6高效锚杆预紧力锚杆的预紧力是影响锚杆支护效果关键因素,国外锚杆施加的预紧力一般为锚杆杆体屈服载荷的50%~75%。采用何种施工机具,如何施加高的预紧力是我国锚杆支护质量提高的关键。目前,我国一些大型矿区采用风动扳手对锚杆施加较高的预紧力,但由于受煤矿井下风压和风量不稳定的影响,一般很难达到设计要求的预紧力,同时大功率风动扳手体积和重量大,工人劳动强度较大。研制开发轻便