CN103113865A - 矿用延缓发泡型聚合物封孔材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用延缓发泡型聚合物封孔材料，该封孔材料A组分按照质量份计包括：聚四氢呋喃醚多元醇35~55份、甘油15~25份、蓖麻油15~25份、水玻璃5~10份、延迟催化剂0.01~3.0份、泡沫稳定剂1.5~3.0份、发泡剂1.0~6.0份、阻燃剂5~20份；B组分按照质量份计包括：多亚甲基多苯基多异氰酸酯75~90份、无机粒子10~25份；A组分与B组分质量份配比为100份:100~200份。克服了传统材料反应速度过快密封长度短的缺点，较之常规聚氨酯封孔材料，可提高抽采浓度23%以上、提高抽采纯量15.5%以上，提高矿井瓦斯抽采率，降低的抽采成本，减轻的工作人员劳动强度。

Description

矿用延缓发泡型聚合物封孔材料

技术领域

本发明涉及一种煤矿用的聚合物封孔材料及其制备方法。

背景技术

近年来随着煤矿开采深度的增加，为了提高瓦斯（煤层气）的抽采效率，防治瓦斯灾害的发生，必须延长瓦斯的抽采时间，或采取有效的增透措施，提高抽采系统负压，加大封孔深度、保证封孔质量。因此，钻孔封孔深度是关键，如果封孔深度太浅封孔长度不能超过巷道的应力集中带，在负压作用下钻孔可以通过裂隙与外部空间形成回路循环导致空气经裂隙进入钻孔内进而使瓦斯抽放浓度降低钻孔瓦斯抽放时间缩短更甚者抽不到瓦斯；其次是封孔材料的性能。现有采用硬质聚氨酯材料作为瓦斯抽采钻孔的封堵材料，具有下述缺点：1）煤矿井下高湿的环境会影响反应时间，造成发泡倍数增大并且反应时间快，严重影响瓦斯抽采钻孔封孔质量；2）现有的聚氨酯材料的反应速度过快，材料在到达封孔位置前就已开始反应甚至反应结束，导致封孔深度不够。外界空气易在抽放负压的作用经孔周边松动圈的裂隙通道进入瓦斯抽采钻孔，影响了钻孔密封效果；3）现有聚氨酯封孔材料在煤矿的成本偏高，价格在2万元/吨左右。

参考文献：[1] 孙文标、张建国、赵广兴、李风琴、田坤云、郭兵兵、郑瑞娜的“速凝高强膨胀性矿山封孔材料”，专利号201010172263.2。[2] 林柏泉、郝志勇、张连军、翟成、吴海进的“一种钻孔密封材料”，专利号200810019493.8。

发明内容

为了克服公知的矿用硬质聚氨酯材料反应速度过快、成本偏高的缺陷，本发明提供一种矿用延缓发泡型聚合物封孔材料，该矿用延缓发泡型聚合物封孔材料反应较慢、成本低。

本发明的技术方案是：该矿用延缓发泡型聚合物封孔材料有聚醚多元醇为主的A组分和异氰酸酯类的B组分，其中A组分按照质量份计包括：聚四氢呋喃醚多元醇35~55份、甘油15~25份、蓖麻油15~25份、水玻璃5~10份、延迟催化剂0.01~3.0份、泡沫稳定剂1.5~3.0份、发泡剂1.0~6.0份、阻燃剂5~20份；B组分按照质量份计包括：多亚甲基多苯基多异氰酸酯75~90份、无机粒子10~25份；A组分与B组分质量份配比为100份：100~200份。

所述的聚四氢呋喃醚多元醇的官能度为3~6，分子量250~3000。

所述的水玻璃的波美度为39~42，模数为2.2~2.5。

所述的蓖麻油的羟值为163~170mgKOH/g。

所述的延迟催化剂为三乙烯二胺、二月桂酸二丁基锡、1，8-二氮杂环十一烯的混合物。

所述的发泡剂包括1,1,1,3,3-五氟丙烷、1,1-二氟乙烷、1,1,1,3,3-五氟丁烷中一种或几种的混合物。

所述的阻燃剂为磷酸三氯乙酯。

所述的无机粒子为轻质沉淀碳酸钙、二氧化硅、滑石粉中的一种或几种混合物。

本发明的制备方法包括下述步骤：步骤1、在室温下，将配制好的水玻璃加入搅拌罐中（必要时可加入适量的NaOH），搅拌均匀。然后把预先混好的聚醚多元醇组合料（包括聚四氢呋喃醚多元醇、蓖麻油、延迟催化剂、有机硅泡沫稳定剂、发泡剂、阻燃剂等），在20 分钟左右加入搅拌罐中，滴加时速度要缓慢，以防止出现局部凝胶。滴加完毕后搅拌15~30分钟至物料混合均匀后得到A组分；步骤2、称取无机粒子和多亚甲基多苯基多异氰酸酯加入搅拌容器中，在常温下（利用超声波等手段）混合均匀后得到B组分；步骤3、按照A组分与B组分的配比进行混合发泡。

本发明的优点和有益效果：解决了聚氨酯灌浆材料作为瓦斯抽采钻孔的在井下高湿环境下发泡不稳定（发泡倍率过高、发泡时间过快），导致封孔压缩强度低导致的封孔效果的稳定性差等问题，克服了传统材料反应速度过快密封长度短的缺点，使得材料的反应时间满足了封孔工艺的需求；

本发明封孔材料按照封孔工艺封堵，经检测：反应时间可控（1~8分钟发泡）、遇水发泡倍率变化小（≤1.5倍）等良好的施工性能，不受井下湿度的影响；固化后具有闭孔率高（≥97%）、力学性能好（压缩强度≥5MPa，剪切强度≥1MPa）等优异性能；

本发明封孔材料确保了一次封孔的有效性，材料与煤岩壁黏结更加紧密，为二次封孔的实施奠定了坚实的基础。煤矿钻孔封孔用高分子材料在4~5分钟后才开始发泡，这样有利于操作。膨胀率控制恰当，闭孔率和机械强度满足抽采负压的要求。在神华宁夏煤业集团乌兰煤矿的局部试验结果表明，使用该新型材料进行钻孔封堵，较之常规聚氨酯封孔材料，可提高抽采浓度23%以上、提高抽采纯量15.5%以上，提高矿井瓦斯抽采率，降低的抽采成本，减轻的工作人员劳动强度。

具体实施方式

实施例1：在200L不锈钢干燥的搅拌容器内，分别称取聚四氢呋喃醚多元醇44.79份、甘油17.5份、蓖麻油17.5份、水玻璃6.0份、延时催化剂（三乙烯二胺）0.51份、泡沫稳定剂1.7份、发泡剂（1,1,1,3,3-五氟丙烷）2.0份、阻燃剂10.0份。并将其依次加入搅拌容器内，在常温下搅拌30~60分钟即可得到A组分。在200L不锈钢干燥的搅拌容器内，分别称取多亚甲基多苯基多异氰酸酯75份、无机粒子（轻质沉淀碳酸钙）25份。并将其依次加入到搅拌容器内，在常温下搅拌20~40分钟即可得到B组分。将A组分与B组分分别按照100:100、100:150、100:200的质量份配比，采用手动注浆泵混合发泡成型得到样品1、样品2、样品3。其性能检测结果见下表。

项  目	单位	样品1	样品2	样品3
					发泡开始时间	秒	180	182	178
发泡结束时间	秒	261	260	257
					膨胀倍数	—	3.0	3.2	3.5
泡沫闭孔率	%	97.5	97.1	97.6
					压缩强度10%形变	MPa	5.2	5.1	5.3
剪切强度	MPa	2.1	2.0	2.3

实施例2：在200L不锈钢干燥的搅拌容器内，分别称取聚四氢呋喃醚多元醇35.8份、甘油18.0 份、蓖麻油19.0 份、水玻璃7.5 份、延时催化剂（二月桂酸二丁基锡）2.0份、泡沫稳定剂2.2 份、发泡剂（1,1-二氟乙烷）3.0 份、阻燃剂12.5份。并将其依次加入搅拌容器内，在常温下搅拌30~60分钟即可得到A组分。在200L不锈钢干燥的搅拌容器内，分别称取多亚甲基多苯基多异氰酸酯80份、 无机粒子（二氧化硅）20份。并将其依次加入到搅拌容器内，在常温下搅拌20~40分钟即可得到B组分。将A组分与B组分分别按照100:100、100:150、100:200的质量份配比，采用手动注浆泵混合发泡成型得到样品1、样品2、样品3。其性能检测结果见下表。

项  目	单位	样品1	样品2	样品3
					发泡开始时间	秒	233	226	220
发泡结束时间	秒	327	325	310
					膨胀倍数	—	3.6	3.9	4.1
泡沫闭孔率	%	97.2	98.2	98.1
					压缩强度10%形变	MPa	6.0	5.7	6.0
剪切强度	MPa	2.5	2.5	2.7

实施例3：在200L不锈钢干燥的搅拌容器内，分别称取聚四氢呋喃醚多元醇50份、甘油15份、蓖麻油15份、水玻璃5份、延时催化剂（三乙烯二胺1.0份、二月桂酸二丁基锡1.0份、1，8-二氮杂环十一烯0.5份）2.5份、泡沫稳定剂3.0份、发泡剂（1,1,1,3,3-五氟丁烷）4.5份、阻燃剂5.0份。并将其依次加入搅拌容器内，在常温下搅拌30~60分钟即可得到A组分。在200L不锈钢干燥的搅拌容器内，分别称取多亚甲基多苯基多异氰酸酯90份、 无机粒子（滑石粉）10份。并将其依次加入到搅拌容器内，在常温下搅拌20~40分钟即可得到B组分。将A组分与B组分分别按照100:100、100:150、100:200的质量份配比，采用手动注浆泵混合发泡成型得到样品1、样品2、样品3。其性能检测结果见下表。

项  目	单位	样品1	样品2	样品3
					发泡开始时间	秒	245	247	243
发泡结束时间	秒	332	335	322
					膨胀倍数	—	4.3	4.4	4.6
泡沫闭孔率	%	98.0	97.6	98.0
					压缩强度10%形变	MPa	6.4	5.9	6.3
剪切强度	MPa	2.8	2.9	3.2

根据上述检测结果可知，按照实施例制备的封孔材料具有反应时间可控（1~8分钟发泡）等良好的施工性能；固化后具有闭孔率高（≥97%）、力学性能好（压缩强度≥5MPa，剪切强度≥1MPa）等优异性能。

Claims (9)

1.一种矿用延缓发泡型聚合物封孔材料，其特征在于：该矿用延缓发泡型聚合物封孔材料有聚醚多元醇为主的A组分和异氰酸酯类的B组分，其中A组分按照质量份计包括：聚四氢呋喃醚多元醇35~55份、甘油15~25份、蓖麻油15~25份、水玻璃5~10份、延迟催化剂0.01~3.0份、泡沫稳定剂1.5~3.0份、发泡剂1.0~6.0份、阻燃剂5~20份；B组分按照质量份计包括：多亚甲基多苯基多异氰酸酯75~90份、无机粒子10~25份；A组分与B组分质量份配比为100份:100~200份。

2.根据权利要求1所述的矿用延缓发泡型聚合物封孔材料，其特征在于：聚四氢呋喃醚多元醇的官能度为3~6，分子量250~3000。

3.根据权利要求1所述的矿用延缓发泡型聚合物封孔材料，其特征在于：水玻璃的波美度为39~42，模数为2.2~2.5。

4.根据权利要求1所述的矿用延缓发泡型聚合物封孔材料，其特征在于：蓖麻油的羟值为163~170mgKOH/g。

5.根据权利要求1所述的矿用延缓发泡型聚合物封孔材料，其特征在于：延迟催化剂为三乙烯二胺、二月桂酸二丁基锡、：1，8-二氮杂环十一烯的混合物。

6.根据权利要求1所述的矿用延缓发泡型聚合物封孔材料，其特征在于：发泡剂包括1,1,1,3,3-五氟丙烷、1,1-二氟乙烷、1,1,1,3,3-五氟丁烷中一种或几种的混合物。

7.根据权利要求1所述的矿用延缓发泡型聚合物封孔材料，其特征在于：阻燃剂为磷酸三氯乙酯。

8.根据权利要求1所述的矿用延缓发泡型聚合物封孔材料，其特征在于：无机粒子为轻质沉淀碳酸钙、二氧化硅、滑石粉中的一种或几种混合物。

9.一种用于权利要求1所述的矿用延缓发泡型聚合物封孔材料的制备方法，其特征在于：制备方法包括下述步骤：步骤1、在室温下，将配制好的水玻璃加入搅拌罐中，搅拌均匀必要时可加入适量的NaOH，然后把预先混好的聚醚多元醇组合料其中包括聚四氢呋喃醚多元醇、蓖麻油、延迟催化剂、有机硅泡沫稳定剂、发泡剂、阻燃剂，在20 分钟左右加入搅拌罐中，滴加时速度要缓慢，以防止出现局部凝胶，滴加完毕后搅拌15~30 分钟至物料混合均匀后得到A组分；步骤2、称取无机粒子和多亚甲基多苯基多异氰酸酯加入搅拌容器中，在常温下利用超声波等手段混合均匀后得到B组分；步骤3、按照A组分与B组分的配比进行混合发泡。