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(yōu)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(fā)性物質，阻燃性優(yōu)良。

③凝結時間可以調節(jié)，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(huán)保，符合職業(yè)衛(wèi)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(wěn)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(xù)加大，沒有反應完全時就會發(fā)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(xù)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(guī)則》測試標準制作了6 個樣塊進行試驗。試驗中發(fā)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(yè)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(guī)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(yè)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(wěn)固松散煤巖體，大大提高了采掘工作面圍巖穩(wěn)定性，確保煤礦采掘空間的穩(wěn)定和安全程度，避免頂板冒落事故的發(fā)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(yè)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(huán)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.