CN107936218A - 一种井下采空区弹性固化泡沫材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种井下采空区弹性固化泡沫材料，属于井下采空区防火灭火技术领域。本发明提供的井下采空区弹性固化泡沫材料由包括以下重量份数的原料制备得到：多异氰酸酯30～50份，多元醇化合物2～10份，发泡剂1～5份，扩链剂2～6份，交联剂1～6份，阻燃剂0～10份，泡沫稳定剂1～4份，防老剂0～3份，填料0～6份，催化剂0.1～2份，软化剂0～5份。本发明提供的井下采空区弹性固化泡沫材料伸缩率大、抗压能力强、密闭性能好；而且成泡快、固化时间短、老化时间长。

Description

一种井下采空区弹性固化泡沫材料及其应用
技术领域
本发明涉及井下采空区防火灭火技术领域，尤其涉及一种井下采空区弹性固化泡沫材料及其应用。
背景技术
井下采空区密闭墙是封堵工作面采空区技术中应用最为广泛、效果最为明显的一种技术，该技术通过隔断通往采空区的漏风通道，减少向采空区供氧，达到预防采空区遗煤自燃的目的。目前，井下采空区密闭墙主要有：无机材料密闭墙、有机材料密闭墙和混合材料密闭墙三种形式。
传统的无机材料密闭墙采用人工砌筑砖石、浇筑混凝土、水泥沙喷构筑等方式。这种密闭墙施工工艺简单、材料成本低、技术成熟、实践经验丰富，被广大设计人员熟识，该密闭墙所用材料属于刚性材料，不具备塑性变形特点，当受顶板、底板运动及工作回采强烈动压冲击影响时，很容易造成密闭墙体的破裂；有机材料密闭墙是利用高聚物聚合原理，将高分子预聚体注入待封堵区域，原材料混合后发生交联反应，堵住漏风通道，常用的有机材料主要包括罗克休、马丽散、艾格劳尼、米诺华、膨胀水泥充填剂等，有机材料密闭墙抗压效果较差，矿井一旦发生瓦斯爆炸，这些密闭墙根本无法承受几千帕，甚至是几兆帕的冲击压力；混合材料密闭墙是将上述2种密闭方式相结合，墙体下方采用砖石混凝土等无机材料，接顶部位采用有机材料，同样存在井下采空区抗压性能差的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种井下采空区弹性固化泡沫材料及其应用。本发明提供的井下采空区弹性固化泡沫材料抗压能力强，能满足不同井下采空区环境的需要。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种井下采空区弹性固化泡沫材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：多异氰酸酯30～50份，多元醇化合物2～10份，发泡剂1～5份，扩链剂2～6份，交联剂1～6份，阻燃剂0～10份，泡沫稳定剂1～4份，防老剂0～3份，填料0～6份，催化剂0.1～2份，软化剂0～5份。
优选地，所述多异氰酸酯包括多苯基多亚甲基多异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯和二甲苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或几种的混合物。
优选地，所述多元醇化合物为聚酯多元醇和/或聚醚多元醇。
优选地，所述发泡剂为氢化氟烷烃、正戊烷或液态CO2。
优选地，所述催化剂为有机锡类或叔胺类催化剂。
优选地，所述有机锡类催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡；所述叔胺类催化剂为三亚乙基二胺或三乙醇胺。
优选地，所述扩链剂为二元胺或二元醇。
优选地，所述交联剂为三官能度或四官能度有机醇类化合物。
本发明还提供了上述技术方案所述井下采空区弹性固化泡沫材料在井下采空区密闭墙中的应用。
优选地，采用充填模版施工方法制备井下采空区密封墙，包括以下步骤：
在井下采空区预定密闭墙位置设置两道填充模版，所述填充模版之间形成待填充空间，所述模版与井下采空区巷道高度相同，在模版上方沿井下采空区巷道顶板最高点设置注浆孔，将所述井下采空区弹性固化泡沫材料经注浆孔注满待填充空间，得到井下采空区密封墙。
本发明提供了一种井下采空区弹性固化泡沫材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：多异氰酸酯30～50份，多元醇化合物2～10份，发泡剂1～5份，扩链剂2～6份，交联剂1～6份，阻燃剂0～10份，泡沫稳定剂1～4份，防老剂0～3份，填料0～6份，催化剂0.1～2份，软化剂0～5份。本发明中多异氰酸酯和多元醇化合物中的羟基基团发生链增长反应，得到聚氨酯，能够使泡沫材料具有弹性；多异氰酸酯中的氨基基团与原料中残余的少量水进行气体发生反应，生成脲基聚合物和CO2，发泡剂可以对气体发生反应中产生气泡的大小进行控制，从而实现成型泡沫中存在致密的微泡，最终使泡沫具有伸缩率大的特点，压缩率提高至10％左右、拉伸率提高至5％；多异氰酸酯与聚氨酯中的氨基甲酸酯基团中的氮原子在催化剂作用下发生交联反应，生成脲基甲酸酯，多异氰酸酯与脲基中的氮原子上的氢在催化剂作用下反应，形成缩二脲。填料形成骨架结构，能够提高抗压能力，抗压强度提高至10MPa，最大冲击强度可达15KJ/m2；发泡剂、交联剂可实现对交联反应、气体发生反应的控制，保证井下采空区弹性固化泡沫材料的密闭性能，使井下采空区弹性固化泡沫材料具有良好的致密闭孔结构和交联骨架，结构性能稳定，受井下采空区弱酸弱碱环境影响小，老化时间提高50年；而且，该井下采空区弹性固化泡沫材料的粘结性优良，能保证井下采空区弹性固化泡沫材料应用与制备密封墙时与四周围岩的密闭性，从而能实现整体的密闭性好，漏风率降低至1％；催化剂能够加快链增长、气体发生反应和交联反应的速度，成泡时间降低至1min，固化时间降低至10min，达到了成泡时间快、固化时间短的效果；同时本发明提供的井下采空区弹性固化泡沫材料具有致密闭孔结构和交联骨架，结构性能稳定。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明采用充填模版施工方法制备井下采空区密封墙的施工方法示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种井下采空区弹性固化泡沫材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：多异氰酸酯30～50份，多元醇化合物2～10份，发泡剂1～5份，扩链剂2～6份，交联剂1～6份，阻燃剂0～10份，泡沫稳定剂1～4份，防老剂0～3份，填料0～6份，催化剂0.1～2份，软化剂0～5份。
在本发明中，制备所述井下采空区弹性固化泡沫材料的原料包括30～50份重量份数的多异氰酸酯，优选为35～45份。在本发明中，所述多异氰酸酯和多元醇化合物中的羟基基团发生链增长反应，得到聚氨酯，聚氨酯是一种弹性材料，使得本发明提供的井下采空区弹性固化泡沫材料具有优良的承压性能和抗冲击能力；多异氰酸酯中的氨基基团与原料中残余的少量水发生气体发生反应，生成脲基聚合物和CO2；多异氰酸酯与聚氨酯中的氨基甲酸酯基团中的氮原子在催化剂作用下发生交联反应，生成脲基甲酸酯，多异氰酸酯与脲基中的氮原子上的氢在催化剂作用下反应，形成缩二脲，本发明通过添加其他原料实现对这些反应过程的控制，能够提高井下采空区弹性固化泡沫材料的抗压强度、最大冲击强度、成泡时间、固化时间、老化时间以及漏风率。
在本发明中，所述多异氰酸酯优选包括多苯基多亚甲基多异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯和二甲苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或几种的混合物。当所述多异氰酸酯为混合物时，本发明对所述混合物中各物质的用量没有特殊的限定，采用任意比例的混合物即可。本发明对所述多异氰酸酯的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，制备所述井下采空区弹性固化泡沫材料的原料包括2～10份重量份数的多元醇化合物，优选为5～8份。在本发明中，所述多元醇化合物优选为聚酯多元醇和/或聚醚多元醇。本发明对所述多元醇化合物的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备方法制得或市售商品即可，具体的，如由多官能团醇类或胺类与环氧丙烷制得。
在本发明中，制备所述井下采空区弹性固化泡沫材料的原料包括1～5份重量份数的发泡剂，优选为2～3份。在本发明中，所述发泡剂优选为氢化氟烷烃(HFCs)、正戊烷或液态CO2。在本发明中，所述发泡剂可以对气体发生反应中产生气泡的大小进行控制，从而实现成型泡沫中存在致密的微泡，最终使泡沫具有伸缩率大的特点，且所述发泡剂为环保型发泡剂，臭氧消耗能值(ODP)为零，无有毒有害物质产生，可实现零排放。
在本发明中，制备所述井下采空区弹性固化泡沫材料的原料包括0.1～2份重量份数的催化剂，优选为0.5～1.5份。在本发明中，所述催化剂能够加快链增长、气体发生反应和交联反应的速度，缩短成泡时间和固化时间。
在本发明中，所述催化剂优选为有机锡类或叔胺类催化剂。在本发明中，所述有机锡类催化剂优选为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡；所述叔胺类催化剂优选为三亚乙基二胺或三乙醇胺。在本发明中，所述催化剂为弱碱性催化剂。
在本发明中，制备所述井下采空区弹性固化泡沫材料的原料包括2～6份重量份数的扩链剂，优选为3～5份。在本发明中，所述扩链剂能够加强链增长反应。在本发明中中，所述扩链剂优选为二元胺或二元醇，所述二元醇更优选为1,4-丁二醇或乙二醇，所述二元胺更优选为3,5-二甲硫基甲苯二胺(DMTDA)。
在本发明中，制备所述井下采空区弹性固化泡沫材料的原料包括1～6份重量份数的交联剂，优选为3～5份。在本发明中，所述交联剂能够加强交联反应形成交联骨架。在本发明中，所述交联剂优选为三官能度或四官能度有机醇类化合物，更优选为一缩二乙二醇、三羟甲基丙烷或季戊四醇。
在本发明中，制备所述井下采空区弹性固化泡沫材料的原料包括0～10份重量份数的阻燃剂，优选为3～5份。在本发明中，所述阻燃剂能够调节井下采空区弹性固化泡沫材料的抗燃烧能力。在本发明中，所述阻燃剂优选为磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)、三氯乙基磷酸酯(TCEP)或甲基磷酸二甲酯(DMMP)。
在本发明中，制备所述井下采空区弹性固化泡沫材料的原料包括1～4份重量份数的泡沫稳定剂，优选为2～3份。在本发明中，所述泡沫稳定剂用于控制泡沫孔径的大小及稳定时间。在本发明中，所述泡沫稳定剂优选为有机硅类泡沫稳定剂，更优选为聚二甲基硅氧烷-氧化烯烃共聚物。
在本发明中，制备所述井下采空区弹性固化泡沫材料的原料包括0～3份重量份数的防老剂，优选为1～2份。在本发明中，所述防老剂能够改变井下采空区弹性固化泡沫材料使用过程中的老化时间。在本发明中，所述防老剂优选为受阻酚类化合物，更优选为4,4,-双(α,α-二甲基苄基)二苯胺或1,3,5-三甲基-2,4,6-三(3,5,-二叔丁基)-4-羟基苄基苯。
在本发明中，制备所述井下采空区弹性固化泡沫材料的原料包括0～6份重量份数的填料，优选为2～5份。在本发明中，所述填料能够进一步提高井下采空区弹性固化泡沫材料的抗压、抗拉性能。在本发明中，所述填料优选为纳米SiO2、CaCO3、玻璃纤维或亚麻织物。本发明对所述填料的来源没有特殊的现限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
本发明提供的井下采空区弹性固化泡沫材料由包括0～5份重量份数的软化剂制备得到，优选为1～2份。在本发明中，所述软化剂优选为磺化聚丁二烯、戊二醛或邻苯二醛。
本发明对上述技术方案所述井下采空区弹性固化泡沫材料的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的组合物制备方法制得即可，具体的，如将上述技术方案所述组分按照重量份数混合即可。本发明对所述混合的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如机械搅拌。
本发明还提供了上述技术方案所述井下采空区弹性固化泡沫材料在井下采空区密闭墙中的应用。
在本发明中，所述井下采空区弹性固化泡沫材料在井下采空区密闭墙中的应用优选采用充填模版施工方法制备井下采空区密封墙，包括以下步骤：
在井下采空区预定密闭墙位置设置两道填充模版，所述填充模版之间形成待填充空间，所述模版与井下采空区巷道高度相同，在模版上方沿井下采空区巷道顶板最高点设置注浆孔，将所述井下采空区弹性固化泡沫材料经注浆孔注满待填充空间，得到井下采空区密封墙。
图1为采用充填模版施工方法制备井下采空区密封墙的施工方法示意图，其中1为井下采空区巷道顶板，2为注浆管，3为井下采空区巷道底板，4为充填模版，5为井下采空区弹性固化泡沫材料。在井下采空区预定密闭墙位置设置两道填充模版，所述填充模版之间形成待填充空间，所述模版与井下采空区巷道高度相同，在模版上方沿井下采空区巷道顶板最高点设置注浆孔，将所述井下采空区弹性固化泡沫材料经注浆孔注满待填充空间，得到井下采空区密封墙。
本发明对所述待填充空间的大小没有特殊的限定，可根据实际需要通过限定两道填充模版的距离以及填充模版的大小进行调整。在本发明中，所述两道填充模版的距离优选为1～3m。
下面结合实施例对本发明提供的采空区弹性固化泡沫材料及其应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
图1为采用充填模版施工方法制备井下采空区密封墙的施工方法示意图，其中1为井下采空区巷道顶板，2为注浆管，3为井下采空区巷道底板，4为充填模版，5为井下采空区弹性固化泡沫材料。在井下采空区预定密闭墙位置设置两道填充模版，所述填充模版之间形成待填充空间，所述模版与井下采空区巷道高度相同，在模版上方沿井下采空区巷道顶板最高点设置注浆孔，将所述井下采空区弹性固化泡沫材料经注浆孔注满待填充空间，得到井下采空区密封墙。
实施例1
一种井下采空区弹性固化泡沫材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：多苯基多亚甲基多异氰酸酯30份，聚酯多元醇2份，氢化氟烷烃1份，乙二醇2份，一缩二乙二醇1份，磷酸三(2-氯丙基)酯10份，聚二甲基硅氧烷-氧化烯烃共聚物1份，4,4,-双(α,α-二甲基苄基)二苯胺3份，CaCO36份，二月桂酸二丁基锡0.1份，磺化聚丁二烯5份。将上述原料混合，得到井下采空区弹性固化泡沫材料。经测试，实施例1制得的井下采空区弹性固化泡沫材料的发泡时间为1min，固化时间为10min，老化时间提高50年。
采用充填模版施工方法制备井下采空区密封墙的施工方法，在井下采空区预定密闭墙位置设置两道填充模版，两道填充模版之间的距离为1m，模版与井下采空区巷道高度相同，在模版上方沿井下采空区巷道顶板最高点设置注浆孔，将所述井下采空区弹性固化泡沫材料经注浆孔注满待填充空间，得到井下采空区密封墙。经测试，井下采空区密封墙的压缩应变为10％，拉伸应变为5％，承压力可达10MPa，冲击强度可达15KJ/m2，可承受密闭墙两侧气压差、采空区矿山压力及采煤设备采动时的冲击载荷，保证密闭墙的密封性，漏风率为1％。
实施例2
一种井下采空区弹性固化泡沫材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：甲苯二异氰酸酯50份，聚酯多元醇10份，正戊烷5份，1,4-丁二醇6份，一缩二乙二醇6份，聚二甲基硅氧烷-氧化烯烃共聚物4份，辛酸亚锡2份。将上述原料混合，得到井下采空区弹性固化泡沫材料。经测试，实施例1制得的井下采空区弹性固化泡沫材料的发泡时间为1min，固化时间为10min。
采用充填模版施工方法制备井下采空区密封墙的施工方法，在井下采空区预定密闭墙位置设置两道填充模版，两道填充模版之间的距离为1m，模版与井下采空区巷道高度相同，在模版上方沿井下采空区巷道顶板最高点设置注浆孔，将所述井下采空区弹性固化泡沫材料经注浆孔注满待填充空间，得到井下采空区密封墙。经测试，井下采空区密封墙的压缩应变为10％，拉伸应变为5％，承压力可达10MPa，冲击强度可达12KJ/m2，可承受密闭墙两侧气压差、采空区矿山压力及采煤设备采动时的冲击载荷，保证密闭墙的密封性，漏风率为1％。
实施例3
一种井下采空区弹性固化泡沫材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：二甲苯基甲烷二异氰酸酯35份，聚醚多元醇5份，液态CO22份，3,5-二甲硫基甲苯二胺3份，三羟甲基丙烷3份，三氯乙基磷酸酯(TCEP)3份，聚二甲基硅氧烷-氧化烯烃共聚物2份，4,4,-双(α,α-二甲基苄基)二苯胺1份，纳米SiO25份，三亚乙基二胺0.5份，戊二醛1份。将上述原料混合，得到井下采空区弹性固化泡沫材料。经测试，实施例1制得的井下采空区弹性固化泡沫材料的发泡时间为2min，固化时间为10min。
采用充填模版施工方法制备井下采空区密封墙的施工方法，在井下采空区预定密闭墙位置设置两道填充模版，两道填充模版之间的距离为1m，模版与井下采空区巷道高度相同，在模版上方沿井下采空区巷道顶板最高点设置注浆孔，将所述井下采空区弹性固化泡沫材料经注浆孔注满待填充空间，得到井下采空区密封墙。经测试，井下采空区密封墙的压缩应变为10％，拉伸应变为5％，承压力可达9MPa，冲击强度可达10KJ/m2，可承受密闭墙两侧气压差、采空区矿山压力及采煤设备采动时的冲击载荷，保证密闭墙的密封性，漏风率为1％。
实施例4
一种井下采空区弹性固化泡沫材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：多苯基多亚甲基多异氰酸酯30份，聚醚多元醇8份，氢化氟烷烃3份，乙二醇5份，季戊四醇份，甲基磷酸二甲酯5份，聚二甲基硅氧烷-氧化烯烃共聚物3份，1,3,5-三甲基-2,4,6-三(3,5，-二叔丁基)-4-羟基苄基苯2份，玻璃纤维2份，三乙醇胺1.5份，邻苯二醛2份。将上述原料混合，得到井下采空区弹性固化泡沫材料。经测试，实施例1制得的井下采空区弹性固化泡沫材料的发泡时间为3min，固化时间为10min。
采用充填模版施工方法制备井下采空区密封墙的施工方法，在井下采空区预定密闭墙位置设置两道填充模版，两道填充模版之间的距离为1m，模版与井下采空区巷道高度相同，在模版上方沿井下采空区巷道顶板最高点设置注浆孔，将所述井下采空区弹性固化泡沫材料经注浆孔注满待填充空间，得到井下采空区密封墙。经测试，井下采空区密封墙的压缩应变为9％，拉伸应变为4％，承压力可达8MPa，冲击强度可达10KJ/m2，可承受密闭墙两侧气压差、采空区矿山压力及采煤设备采动时的冲击载荷，保证密闭墙的密封性，漏风率为1％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种井下采空区弹性固化泡沫材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：多异氰酸酯30～50份，多元醇化合物2～10份，发泡剂1～5份，扩链剂2～6份，交联剂1～6份，阻燃剂0～10份，泡沫稳定剂1～4份，防老剂0～3份，填料0～6份，催化剂0.1～2份，软化剂0～5份。
2.根据权利要求1所述的井下采空区弹性固化泡沫材料，其特征在于，所述多异氰酸酯包括多苯基多亚甲基多异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯和二甲苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求2所述的井下采空区弹性固化泡沫材料，其特征在于，所述多元醇化合物为聚酯多元醇和/或聚醚多元醇。
4.根据权利要求1所述的井下采空区弹性固化泡沫材料，其特征在于，所述发泡剂为氢化氟烷烃、正戊烷或液态CO2。
5.根据权利要求1所述的井下采空区弹性固化泡沫材料，其特征在于，所述催化剂为有机锡类或叔胺类催化剂。
6.根据权利要求5所述的井下采空区弹性固化泡沫材料，其特征在于，所述有机锡类催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡；
所述叔胺类催化剂为三亚乙基二胺或三乙醇胺。
7.根据权利要求1所述的井下采空区弹性固化泡沫材料，其特征在于，所述扩链剂为二元胺或二元醇。
8.根据权利要求1所述的井下采空区弹性固化泡沫材料，其特征在于，所述交联剂为三官能度或四官能度有机醇类化合物。
9.权利要求1～8任意一项所述井下采空区弹性固化泡沫材料在井下采空区密闭墙中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，采用充填模版施工方法制备井下采空区密封墙，包括以下步骤：
在井下采空区预定密闭墙位置设置两道填充模版，两道填充模版之间形成待填充空间，所述填充模版与井下采空区巷道高度相同，在所述任意一道填充模版沿井下采空区巷道顶板最高点设置注浆孔，将所述井下采空区弹性固化泡沫材料经注浆孔注满待填充空间，得到井下采空区密封墙。
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