新型玻璃钢锚杆生产关键技术

1 新型玻璃钢锚杆结构
为适应煤帮支护要求, 中国矿业大学(北京校区)对玻璃钢锚杆进一步深入地研究, 经过大量的反复试验, 总结提出了一种全新结构的玻璃钢锚杆,新型玻璃钢锚杆使用了专利/压痕金属套管式玻璃钢柔性锚杆0和/ 左-旋螺纹式玻璃钢锚杆0的结构如图1。
图1 新型玻璃钢锚杆结构
它的杆体材料为玻璃钢, 玻璃纤维纵向排列, 这样最大限度的发挥了玻璃纤维抗拉强度高的优势, 满足了杆体的抗拉强度要求; 抗扭加强筋由浸胶玻璃纤维束在杆体周围缠绕制成, 呈左侧旋方向分布, 不仅可以增加锚杆的抗扭强度, 使锚杆安装时能够充分搅拌树脂锚固剂, 有效地将锚杆与煤帮钻孔孔壁胶结一起, 获得较大的锚固力; 锚尾带有金属套管, 其上加工有螺纹如图2。
金属套管锚尾的套管与玻璃钢杆体的连接采用一段或几段带有锥度的凹槽, 将金属套管压入到玻璃钢杆体中, 形成二者的相互嵌接, 使二者形成一个图2 锚尾结构放大整体, 提高连接强度。杆体长度根据需要而定(其中锚尾部分为120mm) , 除锚尾部分外, 杆体直径为15. 6 mm。这种锚杆具有强度高、锚固力大、重量轻、安装方便、耐腐蚀、易切割等诸多优点, 适于煤帮加固。
锚杆尾部的连接性能是衡量玻璃钢锚杆结构优劣最重要指标, 通过实验研究, 得出直径为16 mm的压痕式金属套管锚尾玻璃钢锚杆的延伸量与抗拉拔力关系的典型曲线, 如图3。这种锚杆的工作状态可以分为急增阻和降阻两个工作阶段。
( 1)在急增阻工作阶段, 在变形很小时抗拉拔力上升很快, 直至达到其极限抗拉峰值, 这一阶段锚杆主要发生弹性变形。
( 2)在降阻工作阶段, 锚杆的抗拉拔力从峰值强度115 kN 开始抗拉拔强度逐渐降低, 同时在产生一定的延伸量, 最后锚杆完全破坏。
锚杆出现上述2种工作状态, 是压痕式金属套管锚尾玻璃钢锚杆的特殊结构决定的, 这一结构是依靠间歇式拉挤锚尾后固化成型工艺实现的, 在金属套管锚尾与玻璃钢杆体未发生相对滑动之前, 锚杆的抗拉拔力可以一直保持上升状态, 直至达到峰值抗拉拔力; 一旦外部载荷超过该峰值, 金属套管锚尾与玻璃钢杆体之间就会发生相对滑动, 同时使它们之间的固结强度遭到一定程度的损失, 但由于金属套管锚尾与玻璃钢杆体之间的连接关系较好, 锚杆的抗拉拔力在发生下降后, 还可使锚杆的强度保持在一个较高的水平。
2 新型玻璃钢锚杆配方
2. 1 新型玻璃钢锚杆性能要求
玻璃钢杆体是玻璃钢锚杆的主体, 它对锚杆性能和支护效果有着决定性的影响, 而用来制造杆体的玻璃钢材料又直接影响着杆体的强度和其他方面的性能。因此, 对杆体材料的研究就显得尤为重要了。
为了满足矿山行业的要求, 需要选择合适的原材料, 包括基体、增强材料及填料、颜料和其它添加材料。为此, 针对神华神东公司康家滩矿和上湾矿地质技术条件和煤帮变形破坏的要求, 选用原材料时, 重点考虑了以下几点: ①制品的机械性能; ②制品的热性能; ③制品的阻燃性能; ④ 制品的耐化学性; ⑤制品的电性能; ⑥制品必须符合行业使用标准。
2. 2 新型玻璃钢锚杆基体材料
在复合材料中, 基体材料的主要作用是将所承受应力传递并且分配到各根纤维上, 以及把纤维粘结成一个整体, 来抵抗负荷下的破坏和变形。此外,基体材料还保护纤维避免磨损, 并使纤维避免与潮湿环境接触。因此, 基体材料除了使增强材料的力学性能得以发挥外, 还决定了复合材料的耐湿性和化学稳定性等其他性能。
通用型不饱和聚酯树脂价格便宜, 具有较高的机械强度, 中等的反应性, 被广泛用于制造一般结构用的复合材料制品。玻璃钢锚杆作为加固煤帮的一般承力构件, 主要是对机械强度的要求, 使用环境对对物理和化学等其它性能也没什么特殊的要求, 适宜采用通用型不饱和聚酯树脂, 通用型不饱和聚酯树脂的性质如表1。
2. 3 新型玻璃钢增强材料
玻璃钢锚杆作为一种承力结构物, 主要用于煤层两帮的加固, 在使用中要求玻璃钢杆体具有一定的轴向承载能力且具有良好的截割性能。因此, 适宜选用无捻粗纱作为增强材料。由于煤壁本身强度较低, 对锚杆的粘结力低, 其单向抗压强度一般< 20MPa, 抗剪强度也较小, 所以锚杆的轴向承载力不是很高, 现场试验表明, 其承载力最大276 t。因此,对玻璃钢杆体轴向承载能力的要求不是很高, 5 t左右即可满足要求。经过现场试验, 选用中碱玻璃纤维无捻粗纱作为玻璃钢杆体的增强材料就能满足实际需要。
2. 4 新型玻璃钢锚杆阻燃及抗静电配方
玻璃钢锚杆作为一种矿用产品, 其主要成分是不饱和聚酯树脂, 一种重要的热固性树脂。不饱和聚酯树脂具有优良的综合性能, 但易燃, 且燃烧时产生大量有害浓烟, 同时影响锚杆的支护强度。煤矿生产是一种特殊的行业, 特别是在煤巷中, 由于煤本身是可燃物质, 引起火灾的可能性更大, 易引极端危险。
因此, 通过玻璃钢锚杆阻燃机理的研究, 以及按照添加阻燃剂后不影响制品的其它性能的配方设计原则, 发现锑- 卤协效体系的阻燃效果最佳, 设计出了以氯化石蜡和三氧化二锑为主要阻燃剂的阻燃配方。取氯化石蜡和三氧化二锑配比为1B3制作试件, 并进行燃烧试验研究, 试验结果如表2。
玻璃钢锚杆作为矿用产品, 必须满足抗静电要求, 因此必须进行抗静电配方优化。添加抗静电剂是提高高分子材料表面电导率的有效方法, 而提高高聚物体积电导率可采用添加导电填料或与其它导电分子共混的技术。
通过大量的实际试验可知, 采用氯化石蜡为主阻燃剂, 三氧化二锑为副阻燃剂, 乙炔碳黑为主抗静电剂, Sn为副抗静电剂, 能够取得较好的阻燃、抗静电效果, 并且能够保证玻璃钢杆体的其他机械性能。
具体鉴定结果见表3、表4( 2002年1月24日国家采煤机械质量监督检验中心送样检验结果)。
3 新型玻璃钢成型工艺
3. 1 新型玻璃钢锚杆成型工艺确定
生产复合材料制品的特点是材料的形成与制品的成型是同时完成的, 玻璃钢锚杆的生产自不例外。
在确定成型工艺时, 主要考虑了以下3个方面:
( 1)玻璃钢锚杆的外型构造和尺寸大小。
( 2)玻璃钢锚杆的性能和质量要求, 如锚杆的物化性能、强度等。
( 3)综合经济效益。
因为新型玻璃钢锚杆的杆体部分为等直径的实心棒材, 而锚尾部分为楔锥体, 整体为变截面实心棒材, 其主要力学性能指标为轴向抗拉强度和抗剪切能力, 以免搅拌锚固时杆体破坏, 保证有效安装和支护。采用了间歇式拉挤成型工艺。
3. 2 间歇式拉挤成型工艺原理
间歇式成型工艺的原理是浸胶后的玻璃纤维无捻粗纱在牵引装置的作用下, 被牵引经预成型后进入蒸汽加热成型模具, 如图4所示。两模具间留有100 mm 间距作为锚尾, 从而使锚尾易于加工, 故成型后的制品即可满足新型玻璃钢锚杆的外型结构设计要求。模具加热5 m in, 模具内杆体固化, 然后牵引出模, 定长切割。接下来锚杆尾部套上铁套管, 通过锁紧机构使铁套管与杆体形成一个整体, 最后将杆体放置于80 e 的烤箱中, 从而使未固化的锚尾部分得到固化。
图4 模具示意图
4 结 论
通过对新型玻璃钢锚杆生产中的锚杆结构、配方、成型工艺及关键设备进行了研究。提出了压痕金属套管式玻璃钢锚杆新结构; 配方中基体材料宜选用通用型不饱和聚酯树脂, 增强材料宜选用中碱玻璃纤维无捻粗纱, 采用氯化石蜡为主阻燃剂, 三氧化二锑为副阻燃剂, 乙炔碳黑为主抗静电剂, Sn 为副抗静电剂, 能够取得较好的阻燃、抗静电效果, 并且能够保证玻璃钢杆体的其他机械性能; 提出了新的成型工艺方法) 间歇式拉挤成型工艺。

新型锚杆产品介绍：http://www.jlf-frp.cn/product-35.html