CN115181241A - 一种煤岩体用有机高分子超低温加固材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤岩体用有机高分子超低温加固材料，所述加固材料由三种组分构成，包括：A组分材料，用于作为主反应材料之一来提供形成凝胶体的软段部分和泡沫形成部分，使得材料具有韧性；B组分材料，用于作为主反应材料之一来提供形成凝胶体的硬段部分，使得材料具有物理强度；C组分材料，用于促进材料快速反应、增加材料的物理强度并且降低材料反应时释放的温度。采用本发明所述的加固材料能够降低反应温度，实现常温固态转化，并加强固结体的物理强度。

Description

一种煤岩体用有机高分子超低温加固材料

技术领域

本发明高分子加固材料领域，尤其涉及一种煤岩体用有机高分子超低温加固材料。

背景技术

目前，我国道路建设突飞猛进，高速公路已经通往各个省区、地级市、县，修建地铁也已经在各大城市兴起，在道路以及地铁修建过程中，隧洞掘进机应用于硬黏土、页岩等地质层的隧洞施工，在掘进过程中，遇到破碎岩层，容易引起高冒、片帮等地质构造，导致掘进机无法正常推进。此外，在金属矿以及煤矿开采中，遇到断层、软基等构造时，采掘机无法正产推进，以及在支架回撤时，容易引起破碎岩层、破碎煤层冒顶的事故。针对以上情况，在遇到软基构造时，采用本发明材料，提前进行预注浆，能够有效避免由于塌方、冒顶等地质灾害造成的工期延迟、人员伤亡等事故。

目前，高分子加固材料在应用过程中，存在许多问题，例如，高分子材料反应温度过高，实验室200mL反应温度在120-140℃，实际注浆过程中，单孔注浆量超过1吨，由于注浆量大，反应剧烈，导致热量聚集，中心反应温度超过200℃甚至更高，容易引爆瓦斯等气体以及引燃煤矿井下的煤层。

发明内容

本申请实施例通过提供一种煤岩体用有机高分子超低温加固材料，由三种组分材料构成，包括A组分材料，用于作为主反应材料之一来提供形成凝胶体的软段部分和泡沫形成部分，使得材料具有韧性；B组分材料，用于作为主反应材料之一来提供形成凝胶体的硬段部分，使得材料具有物理强度；C组分材料，用于促进材料快速反应、增加材料的物理强度并且降低材料反应时释放的温度。

优选的，A组分材料由聚醚多元醇与聚酯多元醇的混合物、稀释剂、水、水解稳定剂组成，所述B组分材料由多异氰酸酯、二异氰酸酯、动物油脂、高效阻燃剂组成，优选的，所述C组分材料由链增长、开孔剂、催化剂、三乙醇胺和抗氧剂组成。

优选的，所述A、B、C三种组分材料的配比为1：1:0.2

本申请实施例还提供一种加固方法，包括以下步骤：S1，分别配置三种组分加固材料；S2，在待加固的岩体中预打孔；S3，将三种组分加固材料注入所述预先打好的孔中。

优选的，所述待加固的岩体包括但不限于煤岩体、硬黏土、页岩。

优选的，所述在待加固的岩体中预打孔的方法为：根据岩体环境选定需要注浆加固的区域；在待加固区域按照2~6米的孔距打孔；孔深度为2~7米。

优选的，通过专用注浆泵将所述将三种组分加固材料注入孔中，形成凝胶体。

优选的，所述专用注浆泵为气动注浆泵，所述气动注浆泵使用气源作为动力来源，可精确调节液体组分配比。

实施本发明，具有如下有益效果：采用本发明所述的加固方法能够降低反应温度，实现常温固态转化，并加强固结体的物理强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一个实施例所述的岩体加固方法的示意图；

图2是本发明提供的一个实施例所述气动注浆泵的示意图；

附图标记说明：10、气动马达；11、换向阀；12、马达活塞；13、马达活塞杆；14、气源附件；20、工作缸；21、柱塞；22、柱塞杆；30、料桶；31、单向吸管。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

本发明提供了一种岩体加固方法，包括以下步骤：

步骤1，分别配置三种组分加固材料，在本发明的一种实施例中，所述三种组分的加固材料由两种主反应材料和一种反应促进材料构成。

岩体加固材料的属性之一是材料的韧性，在本发明的实施例中，由A组分材料通过形成凝胶体的软段部分和泡沫形成部分来提供。

在本发明的一个实施例中，所述A组分材料由醇类混合物、稀释剂、水和水解稳定剂组成。

优选的，所述醇类混合物是聚醚多元醇与聚酯多元醇的混合物。进一步优选的，所述聚醚多元醇为用氨基作为聚醚端基而形成的活性聚醚多元醇，再进一步优选的，所述聚醚多元醇为GEP-551C。相比传统的聚醚多元醇，由所述活性聚醚多元醇所构成的加固材料具有更强的回弹特性和韧性。

进一步优选的，所述聚酯多元醇为芳香族聚酯多元醇，在本发明的一个实施例中，所述芳香族聚酯多元醇是苯酐聚酯多元醇，在本发明的一个实施例中，所述聚酯多元醇是PS-3152，相比于传统的聚酯多元醇，采用所述芳香族聚酯多元醇能够提高加固材料的韧性的同时还能提升整个材料的阻燃性，降低事故率。

在本发明的一个实施例中，所述水解稳定剂为液态碳化二亚胺，进一步优选的，所述水解稳定剂为四异丙基二苯基碳化二亚胺，进一步优选的，所述四异丙基二苯基碳化二亚胺为HyMax1010，采用所述碳化二亚胺作为水解稳定剂能够进一步提升材料水解过程的稳定性。

在本发明的一个实施例中，所述聚醚多元醇、聚酯多元醇、水和水解稳定剂的组分配比为（20~30）：（50~60）：（5~15）：（0.1~1）。在本发明一个优选的实施例中，所述组分配比为25：54：11：0.2。

在本发明的一个实施例中，将上述材料全部加入反应釜中，所述反应釜为常压反应釜，优选的为碳钢反应釜。然后将反应釜升温至反应温度，在本发明的一个实施例中，所述反应温度为40-50℃，所述升温的速度为5~15℃/分钟。当反应釜温度达到设定的反应温度后，对反应釜内的材料进行搅拌，优选的所述搅拌时间为15~25分钟。搅拌完成后，待反应釜冷却后，对所述材料进行包装，通常所述包装规格为15~30公斤/包。每次操作完，需用清洗液对反应釜进行清洗，清洗釜体及密封面的残留物，保证不对下次使用造成影响。

岩体加固材料的属性之一是材料的物理强度，在本发明的实施例中，由B组分材料通过形成凝胶体的硬段部分来提供。

在本发明的一个实施例中，所述B组分材料由多异氰酸酯、二异氰酸酯、动物油脂、高效阻燃剂组成。

优选的，所述多异氰酸酯的NCO含量质量分数为30.0-32.0%，采用所述多异氰酸酯具有高的耐水解性能够提高贮存的稳定性，此外，在反应过程中比较温和，降低反应热。

在本发明的一个实施例中，所述二异氰酸酯优选的为万华pm200，巴斯夫M20s，Bayer公司44v20等，所述二异氰酸酯与优选位为聚氧化丙烯二醇的所述聚醚多元醇混合反应，其原理为在所述二异氰酸酯分子中接枝一部分软段分子链，增加材料的韧性，同时，提前反应生成一部分聚氨基甲酸酯释放一部分热量，后期在注浆过程中能够降低中心反应温度。

在本发明的一个实施例中，所述动物油脂为猪油、羊油以及牛油等，优选的是精炼猪油，采用精炼猪油的有益效果是，在常温下为固态，在反应过程中，可以吸收热量，变成液态，反应结束后释放热量形成固态，起到骨架作用，能够提供一定的物理强度，相当于一个热量储存空间。在本发明的一个实施例中，所述精炼猪油采用如下方法制备获得：首先将猪油完全清洗干净，优选的用纯净水清洗3~5遍，然后放入加热容器中进行熬制，最后过滤掉上层固体，将剩余的精炼猪油，冷却包装备用。

在本发明的一个实施例中，阻燃剂为芳香族磷酸酯阻燃剂，优选的是异丙基化三苯基磷酸酯（IPPP）、磷酸三苯酯（TPP）、间苯二酚双（二苯基磷酸酯）（RDP），此类芳香族磷酸阻燃剂具有阻燃效果优良、无卤、低挥发特点对环境影响小，更符合环保要求。

在本发明的一个实施例中，所述多异氰酸酯、二异氰酸酯、动物油脂、高效阻燃剂的组分配比为（25~35）：（35~45）：（10~20）：（10~20）。在本发明一个优选的实施例中，所述组分配比为29：41：14：16。

在本发明的一个实施例中，将上述材料全部加入反应釜中，所述反应釜为常压反应釜，优选的为碳钢反应釜。然后将反应釜升温至反应温度，在本发明的一个实施例中，所述反应温度为45-55℃，所述升温的速度为5~15℃/分钟。当反应釜温度达到设定的反应温度后，对反应釜内的材料进行搅拌，优选的所述搅拌时间为20~30分钟。搅拌完成后，待反应釜冷却后，对所述材料进行包装，通常所述包装规格为15~30公斤/包。每次操作完，需用清洗液对反应釜进行清洗，清楚釜体及密封面的残留物，保证不对下次使用造成影响。

岩体加固材料的属性之一是反应过程的时间和反应过程中释放的温度，在本发明的实施例中，由C组分材料来促进材料快速反应、增加材料的物理强度并且降低材料反应时释放的温度。

在本发明的一个实施例中，所述C组分材料由链增长剂、开孔剂、催化剂、三乙醇胺和抗氧剂组成。

在本发明的一个实施例中，所述链增长剂选用大分子链的聚合物多元醇，采用上述大分子链聚合物多元醇的有益效果是，此类链增长剂在反应过程中比较缓和，不易引起过高的反应热，优选的是H303系列，进一步优选的所述H303、H304、H305、H310。

在本发明的一个实施例中，所述开孔剂含疏水性和亲水性基团或链段，其主要作用是降低泡沫的表面张力使得水发泡形成的脲分散，促使泡沫破裂，提高泡沫的开孔率，减低泡沫形成后由于闭孔率过高导致的塌泡和收缩。此外，开孔泡沫有利于反应过程中热量的快速导出，避免因反应剧烈造成的内部温度过高。上述开孔剂优选Ortegol 500系列，或者Niax L-6164系列。

在本发明的一个实施例中，所述催化剂是胺类催化剂与延迟性催化剂复配，优选的胺类催化剂为双吗啉基二乙基醚，此类催化剂属于水固化体系催化剂，优选的延迟性催化剂为Polycat SA-1、SA-102，采用此类延迟性催化剂具有优异的后期固化性能，而前期反应比较缓和，不至于因反应激烈而导致的反应热过高。

在本发明的一个实施例中，所述抗氧剂为抗氧剂245、抗氧剂1010和抗氧剂1035中的任意一种或两种以上的混合物。采用所述抗氧化剂在反应过程中可以防止聚酯热氧降解，形成过氧化物，而造成的烧芯等高热现象。

在本发明的一个实施例中，所述链增长剂、开孔剂、催化剂、三乙醇胺和抗氧剂的组分配比为（1~10）：（3~12）：（1~3）：（1~10）：（0.1~0.5）。在本发明一个优选的实施例中，所述组分配比为5：6：1.6：5：0.1。

在本发明的一个实施例中，将上述材料全部加入反应釜中，所述反应釜为常压反应釜，优选的为碳钢反应釜。然后对反应釜内的材料在常温下进行搅拌，优选的所述搅拌时间为5~15分钟。搅拌完成后，待反应釜冷却后，对所述材料进行包装，通常所述包装规格为1~10公斤/包。每次操作完，需用清洗液对反应釜进行清洗，清除釜体及密封面的残留物，保证不对下次使用造成影响。

S2，在待加固的岩体中预打孔，所述待加固岩体包括但不限于煤岩体、硬黏土、页岩，本领域技术人员可根据实际应用场景来判断。

在本发明的一个实施例中，在待加固的岩体中预打孔的流程，首先要根据具体的岩体环境情况来选定需要注浆加固的区域；然后在所述选定的待加固区域根据实际情况按照2~6米的孔距打孔；孔深度为2~7米；孔径为30~50mm；封孔深度为0.5~2m。优选的，按照4米的孔距打孔；孔深度为5米；孔径为42mm；封孔深度为1m。

优选的，考虑到待加固岩体通常是具有陡峭角三维结构面，为了优化加固效果，在本发明的一个实施例中，不采用预设加固孔的方式，而用计算机模拟待加固岩体的多层架构面，然后通过计算找到最优的打孔位置、打孔方向和打孔深度。

S3，将三种组分加固材料注入所述预先打好的孔中，具体的，通过专用注浆泵将所述三种组分加固材料注入孔中，形成凝胶体。

参照附图2所示，所述专用注浆泵为气动注浆泵，所述气动注浆泵使用气源作为动力来源，可精确调节液体组分配比。优选的，所述气动注浆泵的气源提供的压缩空气由不小于φ13通径的高压胶管引入气动泵，经过气源附件14，进入气动马达10，马达活塞12向上运动，通过马达活塞杆13带动工作缸20内的柱塞21向上运动，浆液通过单向吸管31从料桶30进入工作缸20内，同时排出上一循环柱塞杆22与工作缸20环形面内的浆液；马达活塞12运动到顶部，推动换向阀11切换，带动工作缸20内的柱塞21向下运动，排出空气。马达活塞12运动到底部，换向阀11再次换向，马达活塞12带动柱塞21再向上运动，完成一个循环。如此往复，进行吸排浆。气源附件14控制进气总量和分别进入三个气动马达的进气量和进气压力，气源附件14选用截止阀。优选的，所述三个工作缸20内的柱塞21面积相等，所述气源附件14的大小可调节，进而控制相应柱塞21的快慢达到输出体积比的变化。三种液体分别通过高压软管压送到混合枪里混合，混合物通过一根软管送到目的位置。

优选的，为了优化加固效果，在对待加固岩体进行操作注入前，可预先实验得到注浆过程中的渗透系数、浆液流量、注浆压力、渗透系数等参数，通过上述参数建立渗透注浆流体模型，然后将待注浆的加固孔位置、待加固岩体的弹塑性参数等代入该模型得到具体环境下最优的注浆模式。

在本发明的一个实施例中，对煤矿井下某综采工作面推采1600米处的岩体实施所述加固方法，工作面80#至87#架发生冒顶高度5米，旁边支架处均有不同程度的片帮。该矿井煤属于长焰煤自燃等级二级。使用本发明低温加固材料进行井下地质灾害治理。所述加固方法的施工方案为：在83#至87#处在每个架间布设一个注浆孔，角度朝向煤壁30度左右，孔深5米，注浆孔间距为3000mm,开孔位置为支架前梁向下0.5米处，孔径ø42mm，封孔深度1.0m左右，采用水钻打眼方式。

以上各组分通过专用三组分气动注浆泵，注入到预先打好的孔中，单孔注浆量为1吨，注浆完成后进行回采，注浆第一刀回采后，80-87#支架段无掉顶现象，能够正常回采，88#-92#支架段，有5架支架初撑力达不到24Mpa的要求。80#支架前方煤壁能看到浆液与煤壁胶结后形成的白色丝网状凝固体。90#-99#支架顶梁处存在掉顶现象，注浆第二刀回采后，80-87#支架段初撑力基本能达到要求。88#支架前方仍然能清楚看到注浆胶结物。90#-99#支架顶梁处仍存在掉顶现象。注浆第七刀回采后， 80#-87#支架顶梁处存在掉顶现象，注浆胶结物煤壁找不到。通过注浆本发明材料基本能够达到预期目标，解决综采面冒顶事故。

在本发明的一个实施例中，所述A组分材料的配方为，27份GEP-551C、54份PS-3152、10份水、0.5份四异丙基二苯基碳化二亚胺。所述A组分材料加入反应釜中，升温至40-50℃，搅拌20分钟，24公斤包装。所述B组分材料的配方为，多异氰酸酯30份，二异氰酸酯40份，精炼猪油15份，IPPP 15份，所述B组分材料加入反应釜中，升温至40-50℃，搅拌20分钟26公斤包装。所述精炼猪油的制作方法为，将猪油清洗干净，放入加热容器中，进行熬制，过滤上层固体，冷却包装备用。所述C组分材料的配方为，5份H305、6份Ortegol 500、0.5份双吗啉基二乙基醚、1.1份Polycat SA-1、5份三乙醇胺、0.1份抗氧剂245，所述C组分材料加入反应釜中，常温搅拌10分钟，5公斤桶包装。所述A、B、C三种组分材料按照1:1:0.2比例混合均匀，总体积200ml，测得中心反应温度为76℃，发泡倍数为3倍，三天期抗压强度为41MPa，氧指数32%。

在本发明的另一个实施例中，在煤矿井下某综采工作面推采1100米处采用所述方法加固。使用本发明低温加固材料进行施工。以上各组分通过专用三组分气动注浆泵，注入到预先打好的孔中，单孔注浆量为1吨，注浆完成后进行回采。通过注浆本发明材料基本能够达到预期目标，加固了综采工作面。

在本发明的一个实施例中，所述A组分材料的配方为，31份GEP-330N、62份PS-2002、4份水、2份亚丙基碳酸酯、1份Stabilizer 9000。所述A组分材料加入反应釜中，升温至40-50℃，搅拌20分钟，24公斤包装。所述B组分材料的配方为，多异氰酸酯42份，二异氰酸酯38份，精炼猪油10份，IPPP 10份，所述B组分材料加入反应釜中，升温至40-50℃，搅拌20分钟26公斤包装。所述精炼猪油的制作方法为，将猪油清洗干净，放入加热容器中，进行熬制，过滤上层固体，冷却包装备用。所述C组分材料的配方为，10份H303、10份Niax L-6164、1.2份双吗啉基二乙基醚、0.8份Polycat SA-2、15份三乙醇胺、0.2份抗氧剂1010，所述C组分材料加入反应釜中，常温搅拌10分钟，5公斤桶包装。所述A、B、C三种组分材料按照1:1:0.2比例混合均匀，总质量200克，测得中心反应温度为82℃，发泡倍数为1.5倍，三天期抗压强度为45MPa，氧指数31%。

在本发明的另一个实施例中，隧道穿越一脊状山梁，入口500米至700米处，由于施工原因使得隧道偏压，导致围岩压力出现不均匀，在开挖断面发生局部坍塌，影响围岩压力的稳定性，直接威胁到施工的安全性。施工方案为：注浆孔采用梅花桩排式布置，注浆孔呈现等边三角形，孔径φ28mm，孔距1米，孔深3.0m、倾角为仰角15°。注浆时观察周边翻浆情况，有翻浆现象及时关闭阀门，等待翻浆液凝固后，继续开动阀门，如此反复，确保岩土层裂隙灌满浆液。通过注浆本发明加固材料，围岩压力得到明显改善，未发现有新的坍塌事故发生。

在本发明的一个实施例中，所述A组分材料的配方为，29份GEP-828、58份POL-3195、6份水、5份亚丙基碳酸酯、1份Stabilizer 11000。所述A组分材料加入反应釜中，升温至40-50℃，搅拌20分钟，24公斤包装。所述B组分材料的配方为，多异氰酸酯45份，二异氰酸酯37份，精炼猪油13份，RDP 5份，所述B组分材料加入反应釜中，升温至40-50℃，搅拌20分钟26公斤包装。所述精炼猪油的制作方法为，将猪油清洗干净，放入加热容器中，进行熬制，过滤上层固体，冷却包装备用。所述C组分材料的配方为，7份H310、6份Niax L-6164、2份双吗啉基二乙基醚、0.9份Polycat SA-1、5份三乙醇胺、0.5份抗氧剂1010，所述C组分材料加入反应釜中，常温搅拌10分钟，5公斤桶包装。所述A、B、C三种组分材料按照1:1:0.2比例混合均匀，总质量200克，测得中心反应温度为79℃，发泡倍数为1.5倍，三天期抗压强度为43MPa，氧指数29%。

通过采用本发明所述的加固方法，将各组分通过专用三组分气动注浆泵，进行施工，可用于矿产资源开采过程中加固，堵水等地质条件，亦可用于屋面、大坝等的防水工程。能够降低反应温度，实现常温固态转化，并加强固结体的物理强度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种煤岩体用有机高分子超低温加固材料，所述加固材料由三种组分构成，包括：

A组分材料，用于作为主反应材料之一来提供形成凝胶体的软段部分和泡沫形成部分，使得材料具有韧性，所述A组分材料由聚醚多元醇与聚酯多元醇的混合物、稀释剂、水、水解稳定剂组成；

B组分材料，用于作为主反应材料之一来提供形成凝胶体的硬段部分，使得材料具有物理强度，所述B组分材料由多异氰酸酯、二异氰酸酯、动物油脂、高效阻燃剂组成；

C组分材料，用于促进材料快速反应、增加材料的物理强度并且降低材料反应时释放的温度，所述C组分材料由链增长剂、开孔剂、催化剂、三乙醇胺和抗氧剂组成。

2.根据权利要求1所述的加固材料，所述A组份材料中，所述聚醚多元醇、聚酯多元醇、水和水解稳定剂的组分配比为（20~30）：（50~60）：（5~15）：（0.1~1），所述B组分材料中，所述多异氰酸酯、二异氰酸酯、动物油脂、高效阻燃剂的组分配比为（25~35）：（35~45）：（10~20）：（10~20），所述C组分材料中，所述链增长剂、开孔剂、催化剂、三乙醇胺和抗氧剂的组分配比为（1~10）：（3~12）：（1~3）：（1~10）：（0.1~0.5），所述A、B、C三种组分材料的配比为1:1:0.2。

3.一种基于权利要求1所述加固材料的加固方法，包括以下步骤：

S1 分别配置三种组分加固材料；

S2 在待加固的岩体中预打孔；

S3 将三种组分加固材料注入所述预先打好的孔中。

4.根据权利要求3所述的方法，所述待加固的岩体包括但不限于煤岩体、硬黏土、页岩。

5.根据权利要求3所述的方法，所述在待加固的岩体中预打孔的方法为：

根据岩体环境选定需要注浆加固的区域；

在待加固区域根据实际情况按照2~6米的孔距打孔；

孔深度为2~7米。

6.根据权利要求3所述的方法，通过专用注浆泵将所述A、B、C三种组分加固材料注入孔中，形成凝胶体。

7.根据权利要求6所述的方法，所述专用注浆泵为气动注浆泵，所述气动注浆泵使用气源作为动力来源，可精确调节液体组分配比。

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