煤礦用高分子化學煤巖體加固劑的研究與應用

許麗麗

0 引言

煤炭生產中，礦井開拓巷道、準備巷道和回采巷道都會有不同程度的變形甚至破壞，同時采掘動壓的影響導致巷道變形加劇，影響到礦井的正常安全生產。為此，巷道支護、煤體加固在采用強力錨桿、強力錨索支護系統的基礎上，對巷道破碎圍巖、松軟煤體進行注漿超前加固是確保礦井安全生產的基礎[1-2]。因此，研制出具有滲透性強、抗壓強度高、反應熱較低和阻燃優良等特性的高分子加固材料是新時期井下采煤工作的迫切需要[3-6]。

1 研究目標

①黏度低，可注性和滲透性強。

②不含揮發性物質，阻燃性優良。

③凝結時間可以調節，一般為2 min～3 min，可實現1 s～10 s 或30 min～40 min。

④抗壓強度高(80 MPa 以上)，壓縮變形大(大于50%)，粘結力強(大于5 MPa)。

⑤最高反應溫度小于100 ℃，使用安全。

⑥無毒、無害，安全環保，符合職業衛生要求。

2 關鍵技術

①通過調整聚醚多元醇的選型、配比，設計合理反應路線，篩選出合適的多元醇原料及配伍比例，使最終加固材料的抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度滿足要求。

②通過增加長鏈聚醚的含量和調整聚醚、聚酯多元醇的配比，提高聚合材料粘結性，使最終材料粘結強度滿足要求。

③通過選擇熱穩定性高的多元醇，控制聚醚多元醇中低沸物等雜質含量，確定合適異氰酸酯指數R，催化劑復合體系的選擇加量及體系中引入硅酸鹽降低反應熱，使最終加固材料反應溫度滿足要求，確保煤礦安全使用。

3 研制過程

3.1 樣品配制的工藝流程及參數

A 組分的配制：將幾種聚醚多元醇在攪拌下依次加入反應釜，室溫下混合均勻后再依次加入催化劑、抗氧劑、阻燃劑等，攪拌1 h 左右，直到這些原料全部溶解混合均勻，停止攪拌，靜置0.5 h（見圖1）。

圖1 A 組分工藝流程

B 組分的配制：原料直接分裝即可。

3.2 不同催化劑加量對材料力學性能的影響

催化劑用量加大，固結體的壓縮強度呈先上升后下降的變化趨勢，在0.1%的用量時達到最大值。拉伸強度呈先下降后上升的變化趨勢，在0.05%用量時達到最大值。催化劑用量加大，交聯反應的速度變快，固結體中網狀結構增多，剛性增強，韌性下降。若催化劑的用量繼續加大，沒有反應完全時就會發生交聯反應，導致反應的均勻性變差，力學性能隨之降低。綜合考慮，催化劑選擇0.1%的加量（見圖2）。

圖2 催化劑用量對材料力學性能的影響

3.3 聚醚多元醇的不同配比對材料力學性能的影響

比例降低時，固結體的壓縮強度為下降趨勢，拉伸強度則為緩慢上升趨勢。試驗可得，當m∶n 為7∶1時，壓縮強度、拉伸強度都有一個符合標準的較高值（見圖3）。

圖3 聚醚多元醇m：n 的配比對固結體力學性能的影響

3.4 異氰酸酯指數的變化對材料力學性能的影響

異氰酸酯指數為1.1 時抗壓、拉伸強度達到最大值（見圖4）。

圖4 異氰酸酯指數的變化對材料力學性能的影響

4 成果分析

4.1 測試最高反應溫度

用量筒量取200 mL 指定配比的材料，攪拌15 s～25 s 至外觀呈透明狀。將電子溫度計的熱電偶極插入試樣中心，測試反應溫度。最高反應溫度值為3 次測得數據的平均值（精確到1℃），且連續3 次溫度測定的時間差要小于10%。測定時間與反應溫度的關系見圖5。

圖5 最高反應溫度測試

試驗中測出，40 s～90 s 內反應溫度迅速升至98 ℃，120 s 以后反應溫度小幅度降低，但始終低于煤礦允許最高反應溫度140 ℃。

4.2 阻燃性試驗

按MT 113-1995《煤礦井下聚合物制品阻燃抗靜和判定規則》測試標準制作了6 個樣塊進行試驗。試驗中發現：酒精噴燈加熱樣品時只有一些水汽產生，沒有明火，燃燒后樣品只有輕微炭化，內部沒有變化，測試結果見表1。

表1 阻燃性試驗

4.3 其他質量指標測試

對加固劑A 組分進行了其他質量指標測試，經過對成品進行檢測，各項指標全部符合煤礦加固煤巖體用高分子材料AQ 1089-2011 質量標準，完全合格，見質量檢測表2。

表2 煤礦用高分子化學煤巖體加固劑A 組分質量檢驗

5 應用情況

5.1 試驗室模擬加固應用

在工業性使用之前，課題組在試驗室進行了模擬加固應用試驗。試驗用煤巖體為大同煤礦集團公司塔山、晉華宮等生產礦井的不同種類圍巖、煤塊。

仿松軟煤巖體注漿加固法：制作規格為35 cm×23 cm×23 cm 的模具，將大小不一的煤塊或巖石塊隨意放入模具并堆滿，用氣動打膠槍從預留口將加固劑的A、B 兩組分等體積注入，24 h 后測其抗壓強度。結果為：煤體試塊為68 MPa；巖體試塊為85 MPa。

5.2 煤礦井下工業應用效果

該研究成果已在塔山礦、煤峪口礦、永定莊礦、同家梁礦、晉華宮礦、王村礦、四臺礦、燕子山礦等井下巷道圍巖加固中使用，長久穩固松散煤巖體，大大提高了采掘工作面圍巖穩定性，確保煤礦采掘空間的穩定和安全程度，避免頂板冒落事故的發生，為實現煤礦安全有序、高產高效提供保障。

[1]蓋相森.煤礦化學灌漿技術新進展[J].科技資訊，2009 (26)：27-28.

[2]楊紹斌，鄭揚，陳芳芳.礦業工程用聚氨酯注漿材料的研究進展[J].應用化工，2010，39 (1)：111-115.

[3]范兆榮，劉運學，谷亞新，等.水性單組分聚氨酯灌漿材料的研制[J].中國膠粘劑，2007，16 (12)：36-38.

[4]常海，王吉貴，甘孝賢.國外含磷系、鹵素系阻燃聚氨酯材料的研究進展[J].火炸藥學報，2004，27 (2)：56-59.

[5]張志耕，張亞峰，鄺健政，等.聚氨酯改性環氧丙烯酸酯灌漿材料的制備[J].新型建筑材料，2006 (4)：56-59.

[6]趙暉，何鳳，劉益軍，等.水溶性聚氨酯化學灌漿材料的研制[J].化工新型材料，2005，33 (8)：61-63.