CN111944277A - 一种用于再生顶板的自愈型封堵材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于再生顶板的自愈型封堵材料及其制备方法，该封堵材料包括注浆用封堵材料和喷涂用封堵材料；该封堵材料采用以下步骤制得：将石墨烯加入到蒸馏水中搅拌均匀，往混合液中加入聚乙烯醇树脂搅拌后加入水玻璃和碳酸氢钠搅拌均匀，最后滴入环氧树脂搅拌制备成A料；将环氧树脂和二亚乙基三胺均匀混合制备为B料；A料和B料以一定比例混合形成注浆用封堵材料；将环氧树脂、乙二醇、纳米硅、二亚乙基三胺和水混合制备为喷涂用封堵材料。采用本发明注浆封堵后的再生顶板能承受煤矿开采过程中顶板煤岩应力场的变化，长久有效封堵顶板裂隙，并且在加固后能对新产生的次生裂隙进行自愈修复，最终有效保证再生顶板的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种封堵材料及其制备方法，具体是一种用于再生顶板的自愈型封堵材料及其制备方法。
背景技术
再生顶板是由矸石、泥岩和未完全开采遗留下的碎煤在地下压力和岩层应力的共同作用下胶结形成强度较低的顶板。再生顶板形成初期，在顶板内部存在大量的原生裂隙，顶板煤岩应力场处于平衡状态。但是在煤炭后续开采过程中会导致再生顶板的煤岩应力场重新分布，应力的变化不仅导致再生顶板中原生裂隙扩展或闭合，还使顶板在原生裂隙的基础上产生大量次生裂隙，形成庞大的裂隙网络，最终使得再生顶板破碎垮落，给煤炭开采带来极大的安全隐患。为了营造出安全的开采环境，必须对顶板破碎问题提出有效的治理措施。
目前针对顶板破碎情况已出现许多防治措施，例如公开号为CN109608143A的中国发明专利，其发明了一种速凝早强水泥-水玻璃双液注浆材料，具有凝结时间短、早期强度高等特点，主要应用于破碎顶板围岩的超前注浆加固，以防止巷道掘进时冒顶，可提高巷道掘进效率；公开号为CN110566226A的中国发明专利，其发明了一种破碎顶板大断面巷道快速掘进的浅固深注支护方法，该方法先使用浅部注胶加固工艺加固浅部破碎顶板，再对深部用注浆锚索和注浆锚杆进行注浆加固，主要应用于破碎顶板大断面巷道的快速掘进支护作业，增加巷道的支护强度和可靠性，实现对巷道的安全掘进施工作业。
上述这些防治措施均对防治再生顶板破碎垮落起到一定作用，可以短时间内加固再生顶板，防止再生顶板进一步破碎。但是现有的防治材料均为一次将顶板加固，未考虑到顶板在采煤工作面持续推进的情况下，煤岩应力场在持续发生变化，当防治材料的强度无法承受应力场时，将会与顶板一起再次破碎。因此需要一种材料可以承受顶板煤岩应力场的变化，长久有效封堵顶板裂隙，并且在加固过程中能对新产生的次生裂隙进行自愈修复，最终有效保证再生顶板的稳定性。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于再生顶板的自愈型封堵材料及其制备方法，采用本发明注浆封堵后的再生顶板能承受煤矿开采过程中顶板煤岩应力场的变化，长久有效封堵顶板裂隙，并且在加固后能对新产生的次生裂隙进行自愈修复，最终有效保证再生顶板的稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于再生顶板的自愈型封堵材料，所述封堵材料包括注浆用封堵材料和喷涂用封堵材料，其中注浆用封堵材料由A料和B料组成，喷涂用封堵材料由C料组成；
所述A料按照质量份数包括以下组分：石墨烯1～10份、聚乙烯醇树脂20～30份、水玻璃1～10份、碳酸氢钠3～40份、环氧树脂0.7～2份、二亚乙基三胺0.1～0.2份以及水100～150份；
所述B料按照质量份数包括以下组分：环氧树脂100～120份以及二亚乙基三胺12～16份；
所述C料按照质量份数包括以下组分：环氧树脂80～120份、二亚乙基三胺10～16份、乙二醇5～20份、纳米硅1～10份以及水20～100份。
进一步，所述石墨烯粒径为0.1～2μm。
进一步，所述纳米硅粒径为2～100nm。
进一步，所述环氧树脂为水性环氧树脂。
一种用于再生顶板的自愈型封堵材料的制备方法，具体步骤为：
A、按照所需质量份数将石墨烯加入到蒸馏水中搅拌均匀，向混合液中加入聚乙烯醇树脂在90℃温度下搅拌30min，然后加入水玻璃和碳酸氢钠搅拌均匀，此时水玻璃和碳酸氢钠反应形成凝胶，最后滴入环氧树脂搅拌至出现颗粒，加入二亚乙基三胺搅拌均匀，此时搅拌产生的离心力使环氧树脂将凝胶表面包裹，并经过二亚乙基三胺对环氧树脂的固化作用，从而形成微米级微胶囊颗粒，放置1h后过滤制备成A料；使每个微米级微胶囊颗粒的囊壁厚度为1～3μm、直径为10～40μm；
B、按照所需质量份数将环氧树脂和二亚乙基三胺均匀混合制备为B料；
C、将A料与刚制备好的B料以(1～1.3):1的比例均匀混合制备成注浆用封堵材料；
D、按照所需质量份数将环氧树脂、乙二醇、纳米硅、二亚乙基三胺和水混合均匀后制备成C料，作为喷涂用封堵材料。
与现有技术相比，本发明采用注浆用封堵材料和喷涂用封堵材料相结合方式，具有如下优点：
(1)本发明将水玻璃和碳酸氢钠反应形成水玻璃凝胶，再利用搅拌产生的离心力使环氧树脂将水玻璃凝胶包裹在内，凝胶水分不易流失，增强了凝胶的保水能力，使其在微胶囊颗粒破坏前长久有效。
(2)本发明采用的环氧树脂本身具有良好的力学性能，因此注浆用封堵材料注入再生顶板裂隙内后，其中的微米级微胶囊颗粒能抵消大部分应力场对再生顶板的影响，从而实现对再生顶板裂隙封堵。随着煤矿开采继续进行，当应力场发生较大变化时，会导致再生顶板开裂并产生次生裂隙，作为囊壁凝固的环氧树脂随着再生顶板一起开裂，进而使微米级微胶囊颗粒的囊壁破碎，胶囊中的水玻璃凝胶受毛细管力影响渗流到次生裂隙中，修复封堵新产生的次生裂隙，防止裂隙进一步发育。
(3)本发明利用聚乙烯醇树脂将石墨烯分散在水玻璃凝胶中，增加了水玻璃凝胶的强度和柔韧性，使水玻璃凝胶不易断裂。
(4)本发明的喷涂用封堵材料是一种纳米喷涂材料，层与层之间有较强的界面粘结力，喷涂封堵再生顶板表面的局部网络化裂隙，防止再生顶板膨胀变形和裂隙发生反向滑移；其与注浆用封堵材料注入裂隙内后形成协同作用，最终保证再生顶板的稳定性。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
实施例1：具体制备过程为：
A、按照质量份数将1份石墨烯加入到110份蒸馏水中搅拌均匀，向混合液中加入21份聚乙烯醇树脂在90℃温度下搅拌30min，然后加入3份水玻璃和10份碳酸氢钠搅拌均匀，此时水玻璃和碳酸氢钠反应形成凝胶，最后滴入0.7份环氧树脂搅拌至出现颗粒，加入0.1份二亚乙基三胺搅拌均匀，此时搅拌产生的离心力使环氧树脂将凝胶表面包裹，并经过二亚乙基三胺对环氧树脂的固化作用，从而形成微米级微胶囊颗粒，放置1h后过滤制备成A料；每个微米级微胶囊颗粒的囊壁厚度为1～3μm、直径为10～40μm；
B、按照质量份数将100份环氧树脂和12份二亚乙基三胺均匀混合制备为B料；
C、将A料与刚制备好的B料以1:1的比例均匀混合制备成注浆用封堵材料；
D、按照质量份数将80份环氧树脂、6份乙二醇、2份纳米硅、11份二亚乙基三胺和20份水混合均匀后制备成C料，作为喷涂用封堵材料。
实施例2：具体制备过程为：
A、按照质量份数将3份石墨烯加入到120份蒸馏水中搅拌均匀，向混合液中加入23份聚乙烯醇树脂在90℃温度下搅拌30min，然后加入4份水玻璃和10份碳酸氢钠搅拌均匀，此时水玻璃和碳酸氢钠反应形成凝胶，最后滴入1份环氧树脂搅拌至出现颗粒，加入0.2份二亚乙基三胺搅拌均匀，此时搅拌产生的离心力使环氧树脂将凝胶表面包裹，并经过二亚乙基三胺对环氧树脂的固化作用，从而形成微米级微胶囊颗粒，放置1h后过滤制备成A料；每个微米级微胶囊颗粒的囊壁厚度为1～3μm、直径为10～40μm；
B、按照质量份数将110份环氧树脂和13份二亚乙基三胺均匀混合制备为B料；
C、将A料与刚制备好的B料以1.3:1的比例均匀混合制备成注浆用封堵材料；
D、按照质量份数将100份环氧树脂、8份乙二醇、5份纳米硅、12份二亚乙基三胺和30份水混合均匀后制备成C料，作为喷涂用封堵材料。
实施例3：具体制备过程为：
A、按照质量份数将7份石墨烯加入到110份蒸馏水中搅拌均匀，向混合液中加入28份聚乙烯醇树脂在90℃温度下搅拌30min，然后加入10份水玻璃和30份碳酸氢钠搅拌均匀，此时水玻璃和碳酸氢钠反应形成凝胶，最后滴入1.5份环氧树脂搅拌至出现颗粒，加入0.2份二亚乙基三胺搅拌均匀，此时搅拌产生的离心力使环氧树脂将凝胶表面包裹，并经过二亚乙基三胺对环氧树脂的固化作用，从而形成微米级微胶囊颗粒，放置1h后过滤制备成A料；每个微米级微胶囊颗粒的囊壁厚度为1～3μm、直径为10～40μm；
B、按照质量份数将120份环氧树脂和14份二亚乙基三胺均匀混合制备为B料；
C、将A料与刚制备好的B料以1:1的比例均匀混合制备成注浆用封堵材料；
D、按照质量份数将80份环氧树脂、6份乙二醇、2份纳米硅、11份二亚乙基三胺和20份水混合均匀后制备成C料，作为喷涂用封堵材料。
试验验证：
制作多个相同的直径为50mm，高度为100mm，含煤量为5％的圆柱形顶板试件；选择三个试件，将实施例1、实施例2和实施例3各自制备的注浆用封堵材料分别对三个试件的裂隙进行注浆封堵，完成后静置48h；然后依次对每个试件进行单轴压缩测试，加载速度为2mm/s，从而测得采用实施例1封堵的试件轴向应力峰值为50MPa；采用实施例2封堵的试件轴向应力峰值为55MPa；采用实施例3封堵的试件轴向应力峰值为57MPa。
通过上述试验数据可知，采用三个实施例分别封堵的试件轴向应力峰值均达到50MPa，因此说明本发明制备的注浆用封堵材料具有较好的封堵顶板裂隙，并且能保证再生顶板的长期稳定性；其中采用实施例3封堵的试件的测试数据最好，因此其为最优实施方案。
Claims (5)
1.一种用于再生顶板的自愈型封堵材料，其特征在于，所述封堵材料包括注浆用封堵材料和喷涂用封堵材料，其中注浆用封堵材料由A料和B料组成，喷涂用封堵材料由C料组成；
所述A料按照质量份数包括以下组分：石墨烯1～10份、聚乙烯醇树脂20～30份、水玻璃1～10份、碳酸氢钠3～40份、环氧树脂0.7～2份、二亚乙基三胺0.1～0.2份以及水100～150份；
所述B料按照质量份数包括以下组分：环氧树脂100～120份以及二亚乙基三胺12～16份；
所述C料按照质量份数包括以下组分：环氧树脂80～120份、二亚乙基三胺10～16份、乙二醇5～20份、纳米硅1～10份以及水20～100份。
2.根据权利要求1所述的用于再生顶板的自愈型封堵材料，其特征在于，所述石墨烯粒径为0.1～2μm。
3.根据权利要求1所述的用于再生顶板的自愈型封堵材料，其特征在于，所述纳米硅粒径为2～100nm。
4.根据权利要求1所述的用于再生顶板的自愈型封堵材料，其特征在于，所述环氧树脂为水性环氧树脂。
5.一种根据权利要求1所述用于再生顶板的自愈型封堵材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
A、按照所需质量份数将石墨烯加入到蒸馏水中搅拌均匀，向混合液中加入聚乙烯醇树脂在90℃温度下搅拌30min，然后加入水玻璃和碳酸氢钠搅拌均匀，此时水玻璃和碳酸氢钠反应形成凝胶，最后滴入环氧树脂搅拌至出现颗粒，加入二亚乙基三胺搅拌均匀，此时搅拌产生的离心力使环氧树脂将凝胶表面包裹，并经过二亚乙基三胺对环氧树脂的固化作用，从而形成微米级微胶囊颗粒，放置1h后过滤制备成A料；
B、按照所需质量份数将环氧树脂和二亚乙基三胺均匀混合制备为B料；
C、将A料与刚制备好的B料以(1～1.3):1的比例均匀混合制备成注浆用封堵材料；
D、按照所需质量份数将环氧树脂、乙二醇、纳米硅、二亚乙基三胺和水混合均匀后制备成C料，作为喷涂用封堵材料。
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