一种适用于深部地下工程围岩支护的钢纤维树脂锚固剂及其制备方法

本发明属于地下工程围岩支护黏结剂领域，具体涉及一种适用于深部地下工程围岩支护的钢纤维树脂锚固剂及其制备方法。

背景技术：

1、树脂锚固剂固化快、强度高，能够实现矿山和基坑现场快速支护，且施工工艺简单，被广泛应用。其一般是由不饱和聚酯树脂、高强填料、固化剂及促进剂构成。作为矿山支护的主要材料，树脂锚固剂能进行金属和非金属材料同种间或相互间粘结，具有胶结锚固剂对基孔无膨胀挤压力，锚固深度不受限制等优点。

2、树脂锚固剂以不饱和聚酯树脂为粘结剂，粗细石粉为骨料，加入促进剂二甲基苯胺，最后加入固化剂过氧化苯甲酰(bpo)或过氧化苯甲酰(bpo)与2.4-二氯过氧化苯甲酰(dc)混合物组成。由于促进剂二甲基苯胺的氮原子上有一对未成键的电子对，首先与过氧化苯甲酰发生反映，使其非均裂分解，反应热效应很高，放出的热足以使过氧化苯甲酰热分解转变为大量自由基，这些自由基能再与不饱和聚酯树脂和苯乙烯反应。将线性不饱和聚酯树脂引发共聚合，产生固化得到三向交联的网状结构。经过凝胶、硬化、和完全固化三个阶段，不饱和树脂锚固剂就由胶状塑性体变为坚硬固体，最终把杆体与孔壁围岩粘结在一起。

3、通过树脂锚固剂将锚杆与围岩相互黏结，其中常用的锚杆有金属锚杆、树脂锚杆，每种锚杆的表面均不光滑(表面存在肋)，从力学传递角度说，锚杆与围岩的间的应力通过树脂锚固剂与层锚固体锚固界面传递，锚固界面与树脂锚固剂层内始终存在剪切力作用。随着深部地层煤炭的开挖，深部地层高地温、高地压环境降低了树脂锚固体的强度，为适应深部地层的锚固支护工程的需要通过提高树脂锚固剂自身强度。众所周知，树脂锚固剂的抗剪强度随锚固剂自身强度的升高也提高。

4、树脂锚固界面上存在黏结力、机械咬合力等，树脂锚固体破坏多位于锚固界面处，界面上树脂锚固剂层被剪切破坏，本发明计划采用钢纤维改进树脂锚固剂现有配比，从而实现其抗剪强度增加的目的。增强树脂锚固体的锚固力，优化深部树脂锚固支护工程的稳定性。

5、现有的在用全长锚固树脂锚固剂通过优选骨料(强度较高的石灰岩)，调整树脂与骨料的比例达到增强树脂锚固剂自身强度。从而增加其抗剪强度。但是其性能的提高幅度是有限的，并且树脂锚固剂自身强度增强的同时，其剪切破坏会出现脆性破坏。高强物质的脆性破坏使得锚固体失锚时会出现剧烈破坏的情况，不利于深部巷道围岩支护安全。

6、公布号为cn111499259a的中国专利申请文献，公开了钢纤维树脂混凝土制备方法及强度测试方法和喷层工艺，提供了钢纤维树脂混凝土制备方法及强度测试方法和喷层工艺，利用树脂代替水泥制作成混凝土，其内部含有钢纤维。通过改变磁场强度来研究钢纤维在磁场作用下的偏转、位移的条件下，研究树脂钢纤维混凝土强度的变化，同时掺入磁粉，研究磁粉在磁场作用下形成不同的排列顺序和产生的磁吸力对钢纤维树脂混凝土强度的影响。对钢纤维树脂混凝土使用喷层技术对其表面进行加固从而增强其防冻，防冲击和抗裂等性能。然而，发明针对的混凝土性能的改造，其本身与树脂锚固剂的应用场景不同，并且混凝土中的粗细骨料的粒径远大于树脂锚固剂中骨料，其配方不能直接用于树脂锚固剂增强。

7、公告号为cn2623749y的中国专利申请文献，公开了钢纤维树脂硂斜面组合井盖与井箅，该实用新型并没有针对钢纤维树脂硂配比加以权利要求，主要针对斜面的组合井盖等的配合与组成进行了权利要求的表达，与本发明的关注点差异较大。

8、公布号为cn111499259a的中国专利申请文献，公开了一种超高强钢纤维混凝土的制备方法，涉及混凝土领域，混凝土由以下重量份的原料制备所得：硅酸盐水泥100～150份、石英砂300～500份、镀铜钢纤维40～50份、高活性氟钛物-玄武岩纤维珠串5～10份、丙烯酸乳液20～30份、硅灰10～15份、sf-4000系列聚羧酸系高性能减水剂1～3份、多元醇1～2份、纳米结晶纤维素5～8份、聚二甲基硅氧烷0.5～1.5份、水50～80份。通过配方的优化和工艺的调整，大大提高了混凝土的抗折强度和抗压强度，28d抗压强度达到c150强度等级。发明主要针对混凝土强度问题，通过添加钢纤维等材料增强其性能。问题依然围绕在混凝土，其与本文专利的树脂锚固剂材料的用途差异较大。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有的锚固剂所存在的抗剪切能力差的问题。(注：因为树脂锚固剂作为深部地下工程的主要支护黏结材料，而黏结后，黏结剂层受剪切力作用，通过提高其抗剪强度来实现)

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、一种适用于深部地下工程围岩支护的钢纤维树脂锚固剂，其组成成分及质量配比包括：混合树脂胶泥100份和固化剂3～5份；

4、所述混合树脂胶泥包括不饱和聚酯树脂100～150份、促进剂0.8-1.1份、石粉450～550份和钢纤维0.5～1.5份；所述固化剂包括过氧化苯甲酰(bpo)和2.4-二氯过氧化苯甲酰(dc)；其中过氧化苯甲酰(bpo)的含量为固化剂总质量的7％，2.4-二氯过氧化苯甲酰(dc)的含量为固化剂总质量的3～5％；

5、所述石粉为石灰石颗粒或玄武岩颗粒；所述石粉的颗粒大小为10-325目；

6、所述钢纤维为大头形钢纤维、平直形钢纤维或弯钩形钢纤维；所述钢纤维的直径为0.1～0.26mm，长度为3～6mm。

7、有益效果：本发明通过特殊的原料及配比，制备的钢纤维树脂锚固剂，自身强度高，尤其是钢纤维在其中大大提高了树脂锚固剂固化后的抗剪强度，其中钢纤维的直径、长度的选择恰到好处，由于树脂锚固剂中骨料颗粒大小较小，细小的钢纤维才能较好的分布在树脂锚固剂骨料中，从而更好的控制锚固剂的强度(抗剪强度)。

8、说明：石粉不能选用河沙、石英砂、水泥、膨润土等材料作为骨料，应选用含ca量高的岩石，cao含量大于45％且金属氧化物，尤其是fe2o3含量小于1％。配制时对粗、细石粉颗粒进行干燥箱内干燥，保证含水率极小(主要是有水会降低树脂锚固剂固化后强度，且含水后其中的钢纤维可能会产生氧化)。

9、优选的，所述不饱和聚酯树脂为邻苯二甲酸聚酯树脂、间苯二甲酸聚酯树脂、乙烯基树脂中的一种或多种。

10、优选的，所述促进剂为dma(n,n-二甲基苯胺)、dmt(n,n-二甲基对甲苯胺)中的一种或者多种的混合物。

11、优选的，所述促进剂为dma与dmt按照质量比3：2的混合物。

12、优选的，所述石粉为粗石粉与细石粉的混合物；所述粗石粉的颗粒大小组成及占比为：10-150目70％以上、50-100目3-10％和100-150目2-5％；所述细石粉的颗粒大小组成及占比为：10-50目10-15％、50-100目15-20％、100-150目10-15％、150-200目40-50％、200-325目15-20％。

13、优选的，所述粗石粉与细石粉的质量比为2:3～1:1。

14、优选的，所述钢纤维端头采用钝化处理。

15、优选的，所述钢纤维的制造材料中含有铬、镍金属元素，用于增强钢纤维自身的抗氧化能力。

16、说明：若树脂锚固剂胶泥中钢纤维氧化，其表明的三氧化二铁、氧化铁等对树脂锚固剂自身的热稳定性影响较大。

17、优选的，所述固化剂还包括硅粉、乙二醇和水。

18、说明：固化剂中硅粉、乙二醇和水的比例比较随意，根据实际情况，保持固化剂有一定流淌性即可。

19、优选的，所述钢纤维在混入树脂胶泥中前，要采用稀盐酸浸泡，消除钢纤维表面的氧化物后，对钢纤维进行清洗，并放置在干燥箱内干燥，干燥后密封保存。

20、本发明还提供一种适用于深部地下工程围岩支护的钢纤维树脂锚固剂的制备方法，包括以下步骤：

21、(1)制备混合树脂胶泥：按上述原料的配比称取各原料，先将不饱和聚酯树脂、促进剂按第一搅拌速度搅拌；然后加入钢纤维按第二搅拌速度搅拌；再将粗石粉、细石粉按比例放入，继续按照第一搅拌速度搅拌，待石粉与树脂混合均匀时，按照第三搅拌速度搅拌，得到混合树脂胶泥；其中第二搅拌速度>第三搅拌速度>第一搅拌速度；

22、(2)制备固化剂：将硅粉、乙二醇、水、过氧化苯甲酰(bpo)、2.4-二氯过氧化苯甲酰(dc)按上述比例混合制得固化剂；

23、(3)将步骤(1)制得的混合树脂胶泥与步骤(2)制得的固化剂按上述比例分别装入双层薄膜袋中，两端封口后即制作成钢纤维树脂锚固剂。

24、优选的，所述步骤(1)中第一搅拌速度均为200-300转/分钟。

25、优选的，所述步骤(1)中将不饱和聚酯树脂、促进剂按第一搅拌速度搅拌的时间为40-60s；将粗石粉、细石粉按比例放入后，继续按照第一搅拌速度搅拌的时间为2-3分钟。

26、优选的，所述步骤(1)中第二搅拌速度为1200转/分钟以上，搅拌的时间为8-10分钟。

27、优选的，所述步骤(1)中第三搅拌速度为350-500转/分钟，搅拌的时间为4-5分钟。

28、本发明的优点在于：

29、1.本发明的通过特殊的原料及配比，制备的钢纤维树脂锚固剂，自身强度高，尤其是钢纤维在其中大大提高了树脂锚固剂固化后的抗剪强度，其中钢纤维的直径、长度的选择恰到好处，由于树脂锚固剂中骨料颗粒大小较小，细小的钢纤维才能较好的分布在树脂锚固剂骨料中，从而更好的控制锚固剂的强度(抗剪强度)。

30、2.在地下工程快速支护工艺中树脂锚固剂使用量巨大，而这种锚固剂自身热稳定性好，并能较好的提高锚固体结构的锚固强度，增大锚固体自身锚固力，尤其是在锚固体界面受剪后界面产生脆性裂纹时给予较强的拉应力，较小延缓脆性裂纹的发育，从而锚固固件破坏难度更大，失锚时的残余强度更高。为煤矿的深部煤炭安全高效开采提供强有力的施工质量和安全保证。