煤矿用高分子化学煤岩体加固剂的研究与应用

许丽丽

0 引言

煤炭生产中，矿井开拓巷道、准备巷道和回采巷道都会有不同程度的变形甚至破坏，同时采掘动压的影响导致巷道变形加剧，影响到矿井的正常安全生产。为此，巷道支护、煤体加固在采用强力锚杆、强力锚索支护系统的基础上，对巷道破碎围岩、松软煤体进行注浆超前加固是确保矿井安全生产的基础[1-2]。因此，研制出具有渗透性强、抗压强度高、反应热较低和阻燃优良等特性的高分子加固材料是新时期井下采煤工作的迫切需要[3-6]。

1 研究目标

①黏度低，可注性和渗透性强。

②不含挥发性物质，阻燃性优良。

③凝结时间可以调节，一般为2 min～3 min，可实现1 s～10 s 或30 min～40 min。

④抗压强度高(80 MPa 以上)，压缩变形大(大于50%)，粘结力强(大于5 MPa)。

⑤最高反应温度小于100 ℃，使用安全。

⑥无毒、无害，安全环保，符合职业卫生要求。

2 关键技术

①通过调整聚醚多元醇的选型、配比，设计合理反应路线，筛选出合适的多元醇原料及配伍比例，使最终加固材料的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度满足要求。

②通过增加长链聚醚的含量和调整聚醚、聚酯多元醇的配比，提高聚合材料粘结性，使最终材料粘结强度满足要求。

③通过选择热稳定性高的多元醇，控制聚醚多元醇中低沸物等杂质含量，确定合适异氰酸酯指数R，催化剂复合体系的选择加量及体系中引入硅酸盐降低反应热，使最终加固材料反应温度满足要求，确保煤矿安全使用。

3 研制过程

3.1 样品配制的工艺流程及参数

A 组分的配制：将几种聚醚多元醇在搅拌下依次加入反应釜，室温下混合均匀后再依次加入催化剂、抗氧剂、阻燃剂等，搅拌1 h 左右，直到这些原料全部溶解混合均匀，停止搅拌，静置0.5 h（见图1）。

图1 A 组分工艺流程

B 组分的配制：原料直接分装即可。

3.2 不同催化剂加量对材料力学性能的影响

催化剂用量加大，固结体的压缩强度呈先上升后下降的变化趋势，在0.1%的用量时达到最大值。拉伸强度呈先下降后上升的变化趋势，在0.05%用量时达到最大值。催化剂用量加大，交联反应的速度变快，固结体中网状结构增多，刚性增强，韧性下降。若催化剂的用量继续加大，没有反应完全时就会发生交联反应，导致反应的均匀性变差，力学性能随之降低。综合考虑，催化剂选择0.1%的加量（见图2）。

图2 催化剂用量对材料力学性能的影响

3.3 聚醚多元醇的不同配比对材料力学性能的影响

比例降低时，固结体的压缩强度为下降趋势，拉伸强度则为缓慢上升趋势。试验可得，当m∶n 为7∶1时，压缩强度、拉伸强度都有一个符合标准的较高值（见图3）。

图3 聚醚多元醇m：n 的配比对固结体力学性能的影响

3.4 异氰酸酯指数的变化对材料力学性能的影响

异氰酸酯指数为1.1 时抗压、拉伸强度达到最大值（见图4）。

图4 异氰酸酯指数的变化对材料力学性能的影响

4 成果分析

4.1 测试最高反应温度

用量筒量取200 mL 指定配比的材料，搅拌15 s～25 s 至外观呈透明状。将电子温度计的热电偶极插入试样中心，测试反应温度。最高反应温度值为3 次测得数据的平均值（精确到1℃），且连续3 次温度测定的时间差要小于10%。测定时间与反应温度的关系见图5。

图5 最高反应温度测试

试验中测出，40 s～90 s 内反应温度迅速升至98 ℃，120 s 以后反应温度小幅度降低，但始终低于煤矿允许最高反应温度140 ℃。

4.2 阻燃性试验

按MT 113-1995《煤矿井下聚合物制品阻燃抗静和判定规则》测试标准制作了6 个样块进行试验。试验中发现：酒精喷灯加热样品时只有一些水汽产生，没有明火，燃烧后样品只有轻微炭化，内部没有变化，测试结果见表1。

表1 阻燃性试验

4.3 其他质量指标测试

对加固剂A 组分进行了其他质量指标测试，经过对成品进行检测，各项指标全部符合煤矿加固煤岩体用高分子材料AQ 1089-2011 质量标准，完全合格，见质量检测表2。

表2 煤矿用高分子化学煤岩体加固剂A 组分质量检验

5 应用情况

5.1 试验室模拟加固应用

在工业性使用之前，课题组在试验室进行了模拟加固应用试验。试验用煤岩体为大同煤矿集团公司塔山、晋华宫等生产矿井的不同种类围岩、煤块。

仿松软煤岩体注浆加固法：制作规格为35 cm×23 cm×23 cm 的模具，将大小不一的煤块或岩石块随意放入模具并堆满，用气动打胶枪从预留口将加固剂的A、B 两组分等体积注入，24 h 后测其抗压强度。结果为：煤体试块为68 MPa；岩体试块为85 MPa。

5.2 煤矿井下工业应用效果

该研究成果已在塔山矿、煤峪口矿、永定庄矿、同家梁矿、晋华宫矿、王村矿、四台矿、燕子山矿等井下巷道围岩加固中使用，长久稳固松散煤岩体，大大提高了采掘工作面围岩稳定性，确保煤矿采掘空间的稳定和安全程度，避免顶板冒落事故的发生，为实现煤矿安全有序、高产高效提供保障。

[1]盖相森.煤矿化学灌浆技术新进展[J].科技资讯，2009 (26)：27-28.

[2]杨绍斌，郑扬，陈芳芳.矿业工程用聚氨酯注浆材料的研究进展[J].应用化工，2010，39 (1)：111-115.

[3]范兆荣，刘运学，谷亚新，等.水性单组分聚氨酯灌浆材料的研制[J].中国胶粘剂，2007，16 (12)：36-38.

[4]常海，王吉贵，甘孝贤.国外含磷系、卤素系阻燃聚氨酯材料的研究进展[J].火炸药学报，2004，27 (2)：56-59.

[5]张志耕，张亚峰，邝健政，等.聚氨酯改性环氧丙烯酸酯灌浆材料的制备[J].新型建筑材料，2006 (4)：56-59.

[6]赵晖，何凤，刘益军，等.水溶性聚氨酯化学灌浆材料的研制[J].化工新型材料，2005，33 (8)：61-63.