0118 收稿日期:20210118
修回日期:20210401
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LIU Shaowei，HE Yafei，FU Mengxiong,et al. Study on the relationship between catalyst-resin mastic ratio and anchoring performance of mineral resin grout[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(12):3819-3832.
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[1-2]。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[3-4]。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[5-6]。
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[7-10]。
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[11-14]；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[15-16]；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[4,17]；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[18-21]。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[22-27]。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。
笔者拟通过数值模拟与实验室试验相结合的方法，以左旋无纵筋螺纹钢锚杆树脂锚固为研究对象，在现有树脂锚固剂研究的基础上，通过改变树脂锚固剂中固胶比的比例，分析树脂锚固效果，得到不同种类树脂锚固剂的最佳固胶比，为树脂锚固剂的改进及应用提供有益的参考及指导。
目前，在岩土工程以及巷(隧)道锚杆支护锚固时，常用树脂锚固剂的搭配有超快+中速、超快+快速和快速+中速等3种组合，如图1所示。树脂锚固剂通常由2种物料组成，即树脂胶泥(胶泥里含有树脂、白云石粉、白炭黑及促进剂等)和固化剂(固化剂里含有过氧化苯甲酰、轻钙及水等)。目前，矿用树脂锚固剂主要是通过钻机带动锚杆转动，使锚固剂里2种物料在螺纹钢锚杆以及锚杆间横肋的挤压推动下，在钻孔内迅速搅拌均匀，进而达到锚固的效果。
图1 树脂锚固剂常用搭配方式
Fig.1 Common collocation method of resin grout
在搅拌树脂锚固剂过程中，由于不饱和聚酯树脂分子链上存在不饱和双键与单体(如苯乙烯)的混合物(即树脂)，在加入固化剂和促进剂的作用下形成线性高聚物，分解出大量的自由基。树脂锚杆在井下安装是在常温条件下进行的，所以采用常温的氧化-还原体系[5]。为了使树脂锚固剂在常温下快速发生固化，必须加入加速剂以及过氧化物引发剂(又称固化剂)，还需加入还原剂组成氧化还原体系，通过电子转移反应，生成中间产物自由基而引发聚合，在较短时间内得到较高转化率和较高分子量，使树脂锚固剂2种物料快速发生固化，达到预期锚固的效果[28]。
自由基聚合速率与引发速率方程式[28-29]为
(1)
(2)
将引发速率式(2)代入聚合速率(1)，可以得到
(3)
式中，RP为聚合速率；KP为链增长速度常数；Ri为引发速率；t为反应时间；Kd为分解速率常数；Kt为链终止速率常数；I为引发剂浓度；M为单体浓度；f为引发效率。
由式(3)可得，假设各个参数是定值，单一的只考虑引发剂物质的量浓度对聚合速率的影响，可发现树脂锚固剂的聚合速率与引发剂物质的量浓度的平方根成正比。为此，通过改变引发剂(固化剂)物质的量浓度的大小，可使线性高聚物分解出大量自由基，达到快速固化的目的。因此，固胶比的大小对树脂锚固剂性能的发挥会有一定的影响，其量化关系需要研究。
分别建立了锚杆、树脂锚固剂、钢管的三维模型，如图2所示。
图2 锚杆示意
Fig.2 Schematic diagram of bolt
图2(a)为锚杆拉拔的物理模型，图2(b)为简化后的数值模拟计算模型，数值计算模型包括直径20 mm、长度140 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，内径20 mm、外径28 mm、长度140 mm的环形树脂锚固剂和内径28 mm、外径42 mm、长度140 mm的钢管。要求锚固剂在140 mm锚固长度内与锚杆、钢管密切配合并且不产生互相渗透作用。锚杆、树脂锚固剂采用四面体网格划分，钢管用六面体网格划分。为了保证网格质量及模拟效果，网格生成时对锚杆横肋、锚杆杆体与锚固剂接触面、锚固剂与钢管接触面进行网格的局部细化。
模拟中假设锚固剂与钢管接触面不发生破坏，接触类型定义为Bonded[30-31]，其他属性选择自动控制；锚杆与锚固剂的接触类型定义为Frictional，设接触面间摩擦因数为0.2。数值模拟过程中，在孔口锚杆所在位置的端面上施加轴向的拉力，使用0～150 kN线性递增的方式逐步进行加载，孔口钢管端面施加固定约束。为了保证计算更容易收敛，将求解器设为直接求解器进行求解，且在锚杆杆体表面以及树脂锚固剂内表面布置2条测线，实时监控相应的等效应力与位移的变化规律。
由于篇幅所限，模拟选用煤矿常用的中速树脂锚固剂为例。根据煤炭行业标准MT 146.1—2011《树脂锚杆第1部分》[32]：锚固剂中固胶比应不小于4%。为此，总共模拟了5种固胶比下的拉拔试验，即固胶比为2%(对照组),4%,6%,8%和10%时的拉拔试验。根据实验室测试得出锚杆、钢管以及不同固胶比树脂锚固剂的力学参数，见表1。
表1 拉拔试验模拟的力学参数
Table 1 Mechanical parameters simulated by pullout test
材料抗拉强度/MPa抗压强度/MPa屈服强度/MPa弹性模量/GPa泊松比密度/(kg·m-3)锚杆502—650200.000.307 850钢管250—460206.000.307 850固胶比2%—32.24—3.490.281 980固胶比4%—33.35—4.730.302 108固胶比6%—52.05—7.050.342 114固胶比8%—54.50—7.220.482 189固胶比10%—44.73—6.660.452 120
2.3.1 不同固胶比锚固段锚杆体轴向应力分布
以孔口锚杆受力端为原点，孔底方向为正方向，分别模拟锚固长度为140 mm情况下5种不同固胶比时锚杆的拉拔试验。拉力为60 kN时锚杆的等效应力分布如图3所示。
图3 60 kN时不同固胶比锚杆杆体应力云图
Fig.3 Stress cloud diagram of bolt with different catalyst-resin mastic ratios at 60 kN
由图3可知，树脂锚固剂固胶比为2%时，锚杆的等效应力为388.11 MPa。固胶比为4%,6%,8%,10%的应力值分别为391.85,417.48,429.54,420.74 MPa。与固胶比2%的应力相比，其应力值分别提高了0.96%,7.57%,10.67%,8.41%。固胶比为8%的最大应力高于其他。在锚杆横肋侧均出现了不同程度的应力集中现象，在锚杆受力端横肋处应力集中现象最为明显；由于拉拔力传递至锚固段底部的力越来越小，远离锚杆受力端横肋侧应力集中范围相应的减小。
锚固段锚杆杆体横肋侧等效应力沿轴向分布曲线以及位移分布曲线如图4所示。
图4 5种固胶比下锚杆工作时力学特征
Fig.4 Mechanical characteristics of bolts with 5 catalyst-resin mastic ratios
由图4(a)可知，由于不同固胶比树脂锚固剂力学参数相差不大，所以应力值相差不大。但整体可明显看出，不同固胶比锚杆体等效应力在锚杆横肋处应力较大。靠近锚杆受力端处锚杆前4个横肋处应力集中现象最为明显。在固胶比为2%,4%,6%,8%,10%，与固胶比2%的应力峰值相比，拉力相同时，锚杆杆体横肋侧出现的应力峰值与固胶比呈正相关。但固胶比为8%时，锚杆杆体横肋侧的应力峰值明显大于其他固胶比下的应力峰值。且每种情况下应力值均由受力端向自由端方向逐渐减小。若把60 kN的拉力看作锚杆预应力，当锚固剂固胶比为8%时，对预应力向钻孔深处的扩散越有利。由图4(b)可知，随距锚杆受力端距离的增大，其轴向位移均出现不同程度的减小。固胶比为2%时锚杆轴向位移减小幅度最大，而固胶比为8%时锚杆位移减小幅度最小。
2.3.2 不同固胶比时锚固剂剪应力分布
锚固时围岩向自由空间移动，力的传递先由岩体到黏结材料，再由黏结材料到锚杆，涉及3种介质和两个界面的复杂传递过程，其中界面剪应力分布规律尤为重要[33]。锚固剂应力分布如图5所示。
图5 60 kN时不同固胶比锚固剂剪应力云图
Fig.5 Stress cloud diagram of anchoring agent with differentcatalyst-resin mastic ratio at 60 kN
由图5可知，树脂锚固剂固胶比为2%时，其剪应力为30.83 MPa。固胶比为4%,6%,8%,10%时为34.60,44.08,68.65,61.18 MPa。与固胶比为2%相比，剪应力值分别提升了12.23%,42.98%,122.67%,98.44%，固胶比为8%时树脂锚固剂的剪应力最大。
树脂锚固剂内壁剪应力、位移沿轴向分布规律如图6所示。
图6 5种固胶比下锚固剂工作时力学特征
Fig.6 Mechanical characteristics of resin grout at work with 5 catalyst-resin mastic ratios
由图6(a)可知，在锚杆杆体横肋作用下，不同固胶比时，树脂锚固剂内壁均出现不同程度的剪应力集中区域，剪应力值均由受力端向锚固端底部方向逐渐递减。由图6(b)可知，固胶比在2%,4%时，锚固剂位移变化幅度较大；而固胶比在6%,8%,10%时，锚固剂位移变化幅度较小。固胶比为8%时位移变化幅度相较于其他情况下变化幅度最小。说明固胶比在8%时，锚固效果更好，锚杆与锚固剂间不易发生大的滑移破坏，能够确保锚固质量与锚固效果。
综合以上分析可得，中速树脂锚固剂在固胶比为8%时，锚杆杆体以及锚固剂所对应的应力值最大，相对应的位移最小，是有效提升锚固系统锚固力的最佳比例。
3.1.1 螺纹钢锚杆
选用目前煤矿上常用的φ20 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，将其用切割机切割成长为240 mm，共加工45根锚杆。为了锚杆与模拟试验设备中的钻头夹持装置相匹配，使试验所用锚杆与钻孔垂直并居中，将切割后的锚杆的一端铣出一个长度为60 mm、直径为18.6 mm的圆柱。试验所用部分锚杆如图7所示。
图7 试验所用锚杆
Fig.7 Bolt used in the test
3.1.2 试验钢管
YAZICI等[34]先将厚壁理论引入到灌浆的锚固力学研究领域，CAO等[35]运用厚壁理论在不同的边界条件下对锚固力场进行了分析研究，研究将厚壁理论应用于巷道锚杆支护中。其中为了更加真实的模拟井下巷道围岩锚固孔，用钢管来替代；将锚杆锚固于钢管中进行拉拔试验，钢管在试验过程中的受力与变形，可近似的等价为巷道围岩锚固孔的受力与变形。且在试验过程考虑“三径匹配”的要求[20]以及试验设备的条件，选用内径28 mm、外径42 mm、高度140 mm的钢管来替代巷道围岩锚固孔。为了保证钢管在锚固过程中保持稳定不动，在钢管表面中间两侧位置处，各铣一个深约为2 mm的平面，以确保试验所用夹具更好的夹紧钢管，以防晃动；在锚固过程中为了保证树脂锚固剂不从钢管底部露出，在钢管内腔底部均匀的涂抹一层厚度为2 mm的环氧树脂封堵。如图8所示。
图8 试验钢管
Fig.8 Test steel pipe
3.1.3 树脂锚固剂
锚杆试件锚固长度la为125 mm，根据锚杆锚固长度理论计算公式[36]为
(4)
得到试验所用树脂锚固剂长度为
(5)
式中，la为锚固长度，m；dr为锚固剂直径，mm；D为钻孔直径，mm；d为锚杆杆体直径，mm；lr为锚固剂长度，m。
通过式(5)计算可得，试验应选用直径23 mm、长度为90 mm的树脂锚固剂。且在整个试验过程中尽可能保证试验所处环境温度为(22±1)℃，以防温度过低或过高影响树脂锚固剂的粘稠度，造成试验数据的不准确。
3.1.4 模拟锚固试验设备
锚杆锚固试验在CX-15035重型液压自动钻孔机上进行，如图9所示。该试验设备伺服电机可实现转速与钻速的无级调节，可设定钻机转速、推进速度以及推进距离，能够实现试件居中且自动连续推进。试验设定搅拌速度为500 r/min，推进速度为21 mm/s，推进距离为135 mm(确保锚杆端部恰好至钻孔底部)。
图9 CX-15035试验自动钻孔机
Fig.9 CX-15035 test automatic drilling machine
3.2.1 试验目的
实验室试验选用3种常用的树脂锚固剂进行锚固性能试验，即超快、快速、中速3种类型。
3.2.2 试验方案
先选用散装超快、快速和中速3种树脂锚固剂，通过试验要求进行配制。在试验过程中为了避免树脂胶泥与固化剂2者之间快速反应，使用聚酯薄膜双孔包装袋将2者进行隔开。固化剂的用量按照煤炭行业标准，即固胶比不小于4%为基准进行添加。配制试验所用树脂锚固剂时，为了保证固化剂与树脂胶泥的质量比不小于4%，设置一组对照组(即固胶比为2%)，以便与其他各组形成对比。固胶比依次按2%,4%,6%,8%,10%共5组进行配制，每组3个试件，3种类型锚固剂，共进行45次试验。
3.2.3 配制方法
根据前面计算结果，试验所用树脂锚固剂的长度为90 mm。取一支完整树脂锚固剂截取90 mm并将其剖开，称取所含树脂胶泥的质量约为80 g。为此，试验过程中树脂胶泥的用量以80 g为基准进行称取，而固化剂的质量按照固胶比为2%,4%,6%,8%和10%进行量取，配比方案见表2。
表2 固胶比配比方案
Table 2 Catalyst-resin mastic ratios proportioning scheme
锚固剂型号固化剂质量/g树脂胶泥质量/g固胶比/%CK1.63.24.86.48.080.280.280.079.780.080.180.080.380.079.980.180.079.980.180.1246810K1.63.24.86.48.080.279.880.480.279.980.080.380.280.180.380.080.080.180.380.3246810
续表
锚固剂型号固化剂质量/g树脂胶泥质量/g固胶比/%Z1.63.24.86.48.079.279.880.580.180.280.380.380.479.679.780.080.380.279.880.1246810
为了确保试验准确性以及减小试验误差等，在称取锚固剂中树脂胶泥与固化剂的质量时，先对聚酯薄膜双孔包装袋进行去皮处理，借助注射器(削去头部)往聚酯薄膜双孔包装袋中倒取胶泥，直至达到80 g左右为止。固化剂称取用细小的注射器完成，依次称取试验所用固化剂的质量。每次注射完相应的固化剂后，反复用清水清洗注射器，以保证试验过程重复使用以及减少试验误差等。如图10,11所示。
图10 试验配制过程
Fig.10 Test preparation process
图11 配制好的树脂锚固剂
Fig.11 Prepared resin grout
依次将配制完成后的超快、快速、中速3类树脂锚固剂，根据煤炭行业标准MT 146.1—2011《树脂锚杆第1部分》要求[32]进行搅拌锚固，具体见表3。
表3 树脂锚固剂使用执行标准
Table 3 Executive standards of resin grout s
注：采用煤电钻或其他搅拌装置，其转速不低于300 r/min。
型号特性凝胶时间搅拌时间等待时间CK超快速8～2510～1510～30K快速41～9020～2590～180Z中速91～18020～25480
3.2.4 锚固试件
将加工好的锚杆，分别锚固于上述对应的不同种类不同固胶比的树脂锚固剂中，严格控制锚杆的居中度，确保锚固质量与锚固效果。待树脂胶泥完全固化后，将试件放置在恒温箱中，设置温度(22±1)℃，静置24 h；然后取出养护好的锚固试件进行拉拔试验。锚固后的试件如图12所示。
图12 锚固后的部分试件
Fig.12 Part of the specimen after anchoring
试验主要研究锚杆在不同种类不同固胶比树脂锚固剂中的黏结性能和抗剪性能的优劣。试验在YNS300型微机控制电液伺服万能试验机上进行，如图13所示。试验机最大试验力300 kN，试验所用试件采用液压夹持，夹持范围φ26～46 mm，通过试验机测控系统，对试件进行拉伸，实现全程连续测量。
图13 YNS300型微机控制电液伺服万能试验机
Fig.13 YNS300 type microcomputer controlled electro-hydraulic servo universal testing machine
取每组试件峰值锚固力的平均值作为最终组的锚固力，若每组试件中有些数据偏差过大，即最大值或者最小值与中间值的差超过10%，则将该数据舍弃，仅保留中间值数据并将其作为最终组的锚固力。
根据表2中超快树脂锚固剂固胶比配比方案，得到固胶比为2%,4%,6%,8%,10%时的试件锚固力与位移关系曲线，如图14所示。
图14 CK型树脂锚固剂不同固胶比下试件锚固力-位移曲线
Fig.14 Anchor force-displacement curve of test piece under differentcatalyst-resin mastic ratio of CK type resin grout
由图14可知，随着拉拔位移量的增大，锚杆锚固力均呈先迅速增大，后逐渐减小的趋势。随着固胶比的增大，锚杆达到锚固力峰值时产生的平均位移量，由10.52 mm(2%)逐渐增大至17.69 mm(6%)，然后迅速减小至13.01 mm(10%)，锚杆试件达到锚固力峰值的位移量在10.5～17.7 mm。
试验所设对照组(即固胶比为2%)的锚杆锚固力峰值为66 kN，当树脂锚固剂固胶比依次为4%,6%,8%,10%时，锚杆锚固力峰值平均值分别为87.55,102.71,108.62,87.58 kN，相较于对照组锚杆锚固力峰值，固胶比为4%时，锚固力峰值平均值增加了24.61%；固胶比为6%时，锚固力峰值平均值增加了35.74%；固胶比为8%时，锚固力峰值平均值增加了39.24%；固胶比为10%时，锚固力峰值平均值增加了24.64%。
综上所述，CK型树脂锚固剂不同固胶比时，锚杆锚固力峰值及其平均值如图15所示。
图15 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
Fig.15 Peak value and average value of anchoring force of CK-type resin grout with different catalyst-resin mastic ratio
由图15可知，CK型树脂锚固剂不同固胶比下各组试件锚固力峰值平均值呈先迅速增大再逐渐减小的趋势，并明显产生了一个极大值，即GCK-D组。固胶比为8%的锚固力峰值平均值明显高于其他固胶比的锚固力峰值平均值，锚固质量与锚固系统的承载能力较高。因此，CK型树脂锚固剂最佳固胶比为8%。
根据表2中快速树脂锚固剂固胶比配比方案，得到固胶比为2%,4%,6%,8%,10%时的试件锚固力与位移关系曲线，如图16所示。
图16 K型树脂锚固剂不同固胶比下试件锚固力-位移曲线
Fig.16 Anchor force-displacement curves of test piece under differentcatalyst-resin mastic ratio of K-type resin grout
由图16可得，随着拉拔位移量的增大，锚杆锚固力均呈先迅速增大，后逐渐减小的趋势。随着树脂锚固剂固胶比的增大，锚杆达到锚固力峰值时产生的平均位移量，由9.41 mm(2%)逐渐增大至13.59 mm(4%)，然后迅速减小至9.13 mm(10%)，锚杆试件达到锚固力峰值的位移量在8.17～13.59 mm。
试验所设对照组(即固胶比为2%)的锚杆锚固力峰值为84.39 kN，当锚固剂固胶比依次为4%,6%,8%,10%时，锚杆锚固力峰值平均值分别为91.08,90.25,71.34,81.06 kN，相较于对照组锚杆锚固力峰值而言，固胶比为4%时，锚固力峰值平均值增加了7.35%；固胶比为6%时，锚固力峰值平均值增加了6.49%；固胶比为8%时，锚固力峰值平均值减小了15.46%；固胶比为10%时，锚固力峰值平均值减小了3.95%。
综上所述，K型树脂锚固剂不同固胶比时，锚杆锚固力峰值及其平均值如图17所示。
图17 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
Fig.17 Peak value and average value of anchoring force of K-type resin grout with differentcatalyst-resin mastic ratio
由图17可知，K型树脂锚固剂不同固胶比下各组试件锚固力峰值平均值整体上呈先迅速增大再逐渐减小的趋势，并明显产生了一个极大值，即GK-B组。固胶比为4%的锚固力峰值平均值明显高于其他固胶比的锚固力峰值平均值，锚固质量与锚固系统的承载能力较高。因此，K型树脂锚固剂最佳固胶比为4%。
根据表2的中速树脂锚固剂固胶比配比方案，可分别得到固胶比为2%,4%,6%,8%,10%时的试件锚固力与位移关系曲线，如图18所示。
图18 Z型树脂锚固剂不同固胶比下试件锚固力-位移曲线
Fig.18 Anchor force-displacement curve of test piece under differentcatalyst-resin mastic ratio of Z-type resin grout
由图18可知，随着锚杆拉拔位移量的增大，锚杆锚固力均呈先迅速增大，后逐渐减小的趋势。随着固胶比的增大，锚杆达到锚固力峰值时产生的平均位移量，由11.96 mm(2%)逐渐增大至18.04 mm(6%)，然后迅速减小至10.62 mm(10%)，锚杆试件达到锚固力峰值位移量在10.15～18.04 mm。
试验所设对照组(即固胶比为2%)的锚杆锚固力峰值为79.46 kN，当锚固剂固胶比依次为4%,6%,8%,10%时，锚杆锚固力峰值平均值分别为79.77,97.57,104.14,99.54 kN，相较于对照组锚杆锚固力峰值，固胶比为4%时，锚固力峰值平均值增加了0.38%；固胶比为6%时，锚固力峰值平均值增加了18.56%；固胶比为8%时，锚固力峰值平均值增加了23.70%；固胶比为10%时，锚固力峰值平均值增加了20.17%。
综上所述，Z型树脂锚固剂不同固胶比时，锚杆锚固力峰值及其平均值如图19所示。
图19 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
Fig.19 Peak value and average value of anchoring force of Z-type resin grout with different catalyst-resin mastic ratio
由图19可知，Z型树脂锚固剂不同固胶比下各组试件锚固力峰值平均值呈先迅速增大再逐渐减小的趋势，并明显产生了一个极大值，即GZ-D组。固胶比为8%的锚固力峰值平均值明显高于其他固胶比的锚固力峰值平均值，锚固质量与锚固系统的承载能力较高。因此，Z型树脂锚固剂最佳固胶比为8%。
考虑巷(隧)道施工现场树脂锚固剂的使用情况以及固胶比对树脂锚固效果的影响，以实验室试验结果为基础，得出满足现场要求的树脂锚固剂最佳固胶比参数，见表4。
表4 工程现场树脂锚固剂使用参考
Table 4 Reference of resin grout parameters on engineering site
注：以上参数取值以目前现场施工最常用的树脂锚固剂为研究对象，即采用CK型、K型、Z型树脂锚固剂长度分别为350,500,500 mm。
树脂锚固剂类型最佳固胶比/%搅拌速率/(r·min-1)搅拌时间/sCK850010～15K450020～25Z850020～25
在新郑煤电有限公司二1煤回采巷道试验3种树脂锚固剂使用情况：① 2根直径23 mm、长度350 mm超快速(CK-2335)树脂锚固剂；② 2根直径23 mm、长度500 mm快速(K-2350)树脂锚固剂；③ 2根直径23 mm、长度500 mm中速(Z-2350)树脂锚固剂。配制了不同固胶比(固胶比为2%,4%,6%,8%,10%)不同类型(CK,K，Z)的树脂锚固剂，利用气动锚杆钻机配以φ20 mm×2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆及其相关配套设备工具进行现场锚杆锚固试验。
锚固试验在14206综采工作面进风巷煤帮部进行，为了尽可能减少煤层赋存变化对试验数据所造成的影响，试验地点选在煤层赋存比较完整的一个区域完成全部试验。为减小施工对结果所造成的影响，在搅拌树脂锚固剂时严格按照表3进行施工。锚固试验共布置15个测站。其中测站1～5分别对应固胶比为2%,4%,6%,8%,10%的CK型树脂锚固剂，每个测站进行3次锚固试验，每次采用2根相同固胶比的树脂锚固剂。同理，测站6～10分别对应固胶比为2%,4%,6%,8%,10%的K型树脂锚固剂；测站11～15分别对应固胶比为2%,4%,6%,8%,10%的Z型树脂锚固剂。试验测站布置如图20所示。
图20 锚固试验测站布置
Fig.20 Anchor test station layout
依据上述试验方案与测站布置，按照表4所示现场使用参考参数进行锚杆锚固试验，在锚固结束2 h后对各测站位置处锚杆进行拉拔试验，结果如图21所示。
由图21可知，同一类型不同固胶比的树脂锚固剂，其锚固力大小不同。在测站1～5使用2根固胶比相同的超快树脂锚固剂(CK-2335)，分别对应固胶比2%,4%,6%,8%,10%，发现固胶比8%时的锚固力明显大于其余各组；同理，在测站6～10使用2根固胶比相同的快速树脂锚固剂(K-2350)，分别对应固胶比2%,4%,6%,8%,10%，发现固胶比4%时的锚固力明显大于其余各组；在测站11～15使用2根固胶比相同的中速树脂锚固剂(Z-2350)，分别对应固胶比2%,4%,6%,8%,10%，发现中速树脂锚固剂固胶比8%时的锚固力明显大于其余各组。
图21 不同类型不同固胶比树脂锚固剂锚固力分布
Fig.21 Anchor force distribution of different types of resingrouts with different catalyst-resin mastic ratios
(1)通过数值模拟研究得出，不同固胶比的树脂锚固剂工作时，锚杆与锚固剂受力状态有所不同，但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。
(2)通过数值模拟研究发现，5种不同固胶比树脂锚固剂工作时，锚杆以及锚固剂位移均有不同程度的变化，中速树脂锚固剂随着固胶比的增加，锚杆锚固力也逐渐增加，在固胶比为8%时锚杆锚固力最大。
(3)实验室试验发现，中速树脂锚固剂在不同固胶比下锚固力峰值平均值呈先迅速增大再逐渐减小的趋势，在固胶比为8%时，锚固力峰值平均值达到最大；超快、快速树脂锚固剂在固胶比为8%,4%时，锚固力峰值平均值达到最大。
(4)现场锚固力测试试验表明，使用不同固胶比的超快、快速以及中速树脂锚固剂锚固时，锚杆锚固力大小差异显著，不同类型树脂锚固剂采用最佳固胶比时，锚固力明显大于其他情况。
(5)虽然井下所用锚杆钻机与实验室钻机有所区别，但试验中所用树脂锚固剂与现场相同。因此，研究结果能够为锚固剂配制及选择具有一定的指导作用，对于保证树脂锚固工程质量具有一定理论参考价值。
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