CN117866172A - 一种井下矿岩加固材料及其使用方法 - Google Patents
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- Consolidation Of Soil By Introduction Of Solidifying Substances Into Soil (AREA)
Abstract
本发明涉及一种井下矿岩加固材料及其使用方法，涉及矿山注浆加固材料技术领域，所述井下矿岩加固材料包括A组分和B组分；以重量份数计，所述A组分包括：水玻璃80‑85份和催化剂15～20份；以重量份数计，所述B组分包括：聚合MDI55‑65份、聚醚25～30份和增塑剂10～15份。本发明提供的井下矿岩加固材料中聚合MDI与体系中的水发生反应产生气相二氧化碳，然后二氧化碳再与硅酸钠水溶液反应生成原硅酸，在催化剂的作用下，原硅酸与聚合MDI、预聚体反应生成高分子聚合体形成了树型结构，含有Si‑O‑Si链段、聚氨酯柔性嵌段、扩链段、刚性链段相互交错，从而有效地起到加固的作用。
Description
技术领域
本发明涉及矿山注浆加固材料技术领域，尤其涉及一种井下矿岩加固材料及其使用方法。
背景技术
目前在各种矿山井下开采时，无论是巷道掘进还是采空区开采，顶板矿体或岩体节理裂隙发育会导致矿岩体松散，从而导致巷道失稳或采空区失稳，严重时会发生安全事故，造成人员伤亡和财产损失。为了加固巷道或采空区顶板，一般采用预先注浆的方式密封孔隙裂隙，将节理裂隙发育的松散矿岩体连接成为整体。一般采用的浆液为水泥浆或水泥为主要材料的无机浆液。而传统的以水泥砂浆为代表的无机黏聚物浆液主要依靠水泥浆体相互渗透、交织和凝结，对节理裂隙发育的矿体或岩体形成包裹握裹从而加固矿体或岩体。而这种无机浆液黏结的方式，其内部交织连接较短，并未形成长链条连接。在爆破振动或机械振动影响下，极易产生脆性断裂；而且此类无机浆液，其流动性很差，对于细小孔隙裂隙往往很难渗透密封，从而也无法对节理裂隙发育的松散矿体或岩体形成有效密闭连接，这些都容易导致密封或黏结的矿岩失稳，从而塌陷崩落产生安全事故。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种井下矿岩加固材料及其使用方法，该井下矿岩加固材料具体为一种可以黏结加固井下节理裂隙发育的松散矿体或岩体的有机高分子聚合材料。
第一方面，本发明提供了一种井下矿岩加固材料，所述井下矿岩加固材料包括A组分和B组分；
以重量份数计，所述A组分包括：水玻璃80-85份和催化剂15～20份；
以重量份数计，所述B组分包括：聚合MDI55-65份、聚醚25～30份和增塑剂10～15份。
进一步地，所述A组分和所述B组分的体积比为1:(0.85～1.15)。
进一步地，以重量份数计，所述A组分包括：水玻璃85份和催化剂15份。
进一步地，以重量份数计，所述B组分包括：聚合MDI65份、聚醚20份和增塑剂15份。
进一步地，所述催化剂包括硅酸钾和CUCAT-WNT中的至少一种。
进一步地，所述增塑剂包括异氰酸酯和甲基异氰酸酯中的至少一种。
进一步地，所述聚合MDI的理化参数包括：
中文名称：4，4`-二苯基甲烷二异氰酸酯；亚甲基双(4-苯基异氰酸酯)；二苯甲烷-4，4`-二异氰酸酯；
英文名称：4，4`-diphenylmethane diisocyanate；
结构或分子式如下所示：
化学式：C15H10N2O2；
相对分子量或原子量：250.26；
密度：1.19(50℃)；
熔点(℃)：36～39；
沸点(℃)：190(667帕)；
闪点(℃)：202。
进一步地，所述聚醚的理化参数包括：沸点>200℃(lit.)，闪点>230°F，折射率n20/D 1.466，蒸气压121KPa，蒸气密度>1(vs air)。
第二方面，本发明提供了一种第一方面任一项所述的井下矿岩加固材料的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：
将所述A组分和所述B组分进行混合，得到混合浆液；
将混合浆液于90秒内注入井下矿岩中待加固位置。
本发明实施例提供的上述技术方案与现有技术相比至少具有如下优点：
1)本发明提供的井下矿岩加固材料用于密封井下矿岩孔隙裂隙，黏结不连续的矿岩体形成整体，形成对井下节理裂隙发育的松散岩体的加固作用。具体来说：B组分中聚合MDI与体系中的水发生反应产生气相二氧化碳，然后二氧化碳再与硅酸钠水溶液反应生成原硅酸，在催化剂的作用下，原硅酸与聚合MDI、预聚体反应生成高分子聚合体形成了树型结构，含有Si-O-Si链段、聚氨酯柔性嵌段、扩链段、刚性链段相互交错，从而有效地起到加固的作用。
2)本发明提供的井下矿岩加固材料中各组分不含挥发性溶剂，也不产生任何有毒、有害气体，安全环保。材料反应前粘度较低，流动性和渗透性好，遇水不发泡，能很好的渗入矿岩层细小的孔隙和裂隙中发挥作用，材料反应时间可以调控。反应后生成的高强度聚合体有较好的粘结力，在井下裂隙中渗透充填孔隙裂隙后与矿岩黏结，形成高抗压强度、高抗剪强度的矿岩结合体，且耐冲击、抗疲劳，耐酸、碱性好，能够长期保持井下矿岩体的黏结稳定。
3)本发明提供的井下矿岩加固材料使用时，将A组分和B组分按照体积比1:(0.85～1.15)进行混合，混合后需在90秒内将混合浆液注入至矿体或岩体的孔隙或裂隙中。可以通过调节A组分和B组分的体积比来实现对反应时间的调控，当A组分与B组分的体积比较大时，则反应时间较短，而当A组分与B组分的体积比较小时，则反应时间较长。但为了保证材料正常反应起到良好效果，体积比必须在1:1.15～1：0.85的范围之内，在此范围之内，材料最长反应时间和最短反应时间相差约60s。
4)本发明的井下矿岩注浆加固材料，流动性好，可以在几十秒内快速渗透至几十米半径范围内的矿体岩体的孔隙裂隙中，而且对于细小至毫米级的孔隙裂隙仍然具有很好的流动性和渗透能力，可以对节理裂隙发育的矿体和岩体实现快速和深度密闭和封闭。
5)本发明的井下矿岩注浆加固材料，在5℃以下的低温环境下仍然具备很好的搅拌性能和反应作用，在低温环境下仍然能对节理裂隙发育的不稳定矿体或岩体起到密封黏结加固作用。
6)本发明的井下矿岩注浆加固材料，在井下潮湿多水环境下，其流动渗透性能和材料组分之间的反应不受多水环境影响，仍能正常发生反应并流动渗透进矿体和岩体的孔隙裂隙进行密闭密封。
7)本发明的井下矿岩注浆加固材料，反应凝结后形成的高聚体内为树型结构，有机长链搭接交错，相对传统的无机注浆加固材料，黏结性能更好，密封黏结的松散矿岩体也更加稳固安全。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
第一方面，所述井下矿岩加固材料包括A组分和B组分；
以重量份数计，所述A组分包括：水玻璃80-85份和催化剂15～20份；
以重量份数计，所述B组分包括：聚合MDI55-65份、聚醚25～30份和增塑剂10～15份。
本发明实施例提供了一种井下矿岩加固材料用于密封井下矿岩孔隙裂隙，由上述原料进行复配而成，通过各组分的协同作用，黏结不连续的矿岩体形成整体，形成对井下节理裂隙发育的松散岩体的加固作用。具体来说：B组分中聚合MDI与体系中的水发生反应产生气相二氧化碳，然后二氧化碳再与硅酸钠水溶液反应生成原硅酸，在催化剂的作用下，原硅酸与聚合MDI、预聚体反应生成高分子聚合体形成了树型结构，含有Si-O-Si链段、聚氨酯柔性嵌段、扩链段、刚性链段相互交错，从而有效地起到加固的作用。
在一些具体实施例中，所述A组分和所述B组分的体积比为1:(0.85～1.15)，优选为82:18。
在一些具体实施例中，以重量份数计，所述A组分包括：水玻璃82份和催化剂18份。
在一些具体实施例中，以重量份数计，所述B组分包括：聚合MDI60份、聚醚27份和增塑剂13份。
在一些具体实施例中，所述催化剂包括硅酸钾和CUCAT-WNT中的至少一种。
在一些具体实施例中，所述增塑剂包括异氰酸酯和甲基异氰酸酯中的至少一种。
在一些具体实施例中，所述聚合MDI的理化参数包括：
中文名称：4，4`-二苯基甲烷二异氰酸酯；亚甲基双(4-苯基异氰酸酯)；二苯甲烷-4，4`-二异氰酸酯；
英文名称为4，4`-diphenylmethane diisocyanate；
结构或分子式如下所示：
相对分子量或原子量：250.26；
密度：1.19(50℃)；
熔点(℃)：38.5。
在一些具体实施例中，所述聚醚的理化参数包括：沸点210℃(lit.)，闪点250°F，折射率n20/D 1.466，蒸气压121KPa，蒸气密度1.15(vs air)。
需要说明的是，本发明实施例提供的井下矿岩加固材料中所涉及的组分原料，若无特殊的限定或说明，各组分均可直接采用市售产品或者根据现有制备工艺进行自制。
第二方面，基于一个总的发明构思，本发明提供了一种第一方面任一项所述的井下矿岩加固材料的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：
将所述A组分和所述B组分进行混合，得到混合浆液；
将混合浆液于90秒内注入井下矿岩中待加固位置。
本发明实施例提供的井下矿岩加固材料使用方法操作简单，无需额外的特定设备，适合批量工业化生产。同时，该使用方法是基于第一方面任一项所述的井下矿岩加固材料所实现的，因此至少具有第一方面任一项所述的技术方案的有益效果，在此不再一一赘述。
在一些具体实施例中，使用时，将A组分和B组分按照体积比1:(0.85～1.15)进行混合，混合后需在90秒内将混合浆液注入至矿体或岩体的孔隙或裂隙中。
需要说明的是，本发明实施例提供的井下矿岩加固材料的使用方法及使用方法中所涉及的操作步骤，若无特殊的限定或说明，均可按照本领域常规方式或采用现有设备进行，在此不再一一赘述。
下面结合具体的实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。
以下实施例及对比例中所涉及的主要原料信息如下：
水玻璃：购买自淄博京联硅材料有限公司。
催化剂：具体为DMAEE，购买自北京茵泰德科技有限公司。
聚合MDI：购买自上海享斯迈聚氨酯有限公司。
聚醚：购买自山东一诺威新材料有限公司。
增塑剂：具体为DBP，购买自新泰市润成化工有限公司。
实施例1
本例提供一种井下矿岩加固材料，所述井下矿岩加固材料包括体积比为1:1.1的A组分和B组分；
以重量份数计(每1重量份数为1kg)，所述A组分包括：水玻璃82份和催化剂18份；
以重量份数计(每1重量份数为1kg)，所述B组分包括：聚合MDI60份、聚醚28份和增塑剂12份。
上述井下矿岩加固材料的使用方法包括以下步骤：将A组分和B组分按照体积比进行混合，混合后在90秒内将混合浆液注入至矿体或岩体的孔隙或裂隙中。
实施例2
本例提供一种井下矿岩加固材料，所述井下矿岩加固材料包括体积比为1:1.05的A组分和B组分；
以重量份数计(每1重量份数为1kg)，所述A组分包括：水玻璃85份和催化剂15份；
以重量份数计(每1重量份数为1kg)，所述B组分包括：聚合MDI62份、聚醚26份和增塑剂12份。
上述井下矿岩加固材料的使用方法包括以下步骤：将A组分和B组分按照体积比进行混合，混合后在90秒内将混合浆液注入至矿体或岩体的孔隙或裂隙中。
对比例1
本例提供一种井下矿岩加固材料，具体为采用水泥黏土浆注浆。其中，水泥：黏土的重量比为3:7。
对比例2
本例提供一种井下矿岩加固材料，具体为采用单水泥浆注浆。其中，全部为水泥。
对比例3
本例提供一种井下矿岩加固材料，具体为采用水泥和水玻璃双液注浆。水泥：水的重量比1：1；水玻璃为5°Bé(玻美度)。
应用例1
本例考察实施例1、对比例1提供的井下矿岩加固材料的效果。
某地下煤矿，井下即时温度17～19℃,井下干燥，节理裂隙较发育，80％以上裂隙为密闭裂隙和微涨裂隙。采用上述材料对井下进行加固，测试结果如表1所示。
表1
应用例2
本例考察实施例2、对比例2提供的井下矿岩加固材料的效果。
某地下铅锌矿，井下即时温度0～2℃,井下干燥，节理裂隙发育，80％以上裂隙为微张裂隙和张开裂隙。采用上述材料对井下进行加固，测试结果如表2所示。
表2
应用例3
本例考察实施例2、对比例3提供的井下矿岩加固材料的效果。
某地下铜矿，井下即时温度15～18℃,井下节理裂隙有成股水流流出，节理裂隙发育，70％以上裂隙为张开裂隙。采用上述材料对井下进行加固，测试结果如表3所示。
表3
通过三组应用例井下工况下的实施例和对比例的抗压、抗剪和黏结强度对比可知，相对于传统的水泥黏土浆、单水泥浆以及水泥和水玻璃双液注浆等无机注浆材料，本发明的井下矿岩注浆加固材料密封黏结加固的矿体和岩体的抗压、抗剪和黏结强度均要高出很多。这是因为本发明的矿岩注浆加固材料相对于传统的无机注浆材料，可以生成交联交错的树型长链结构，导致其本身密封黏结的矿体岩体抗压、抗剪和黏结强度高，而且本发明的矿岩注浆加固材料渗透流动性好，对节理裂隙发育的松散矿体岩体的密封密闭及包裹更加有效，从而大大提高了对节理裂隙发育的松散矿体岩体的注浆加固能力，保证了矿山井下的安全掘进与开采。而且本发明的矿岩注浆加固材料可以通过A组分与B组分的体积比调节来调控反应时间，可满足多种工况要求。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种井下矿岩加固材料，其特征在于，所述井下矿岩加固材料包括A组分和B组分；
以重量份数计，所述A组分包括：水玻璃80-85份和催化剂15～20份；
以重量份数计，所述B组分包括：聚合MDI55-65份、聚醚25～30份和增塑剂10～15份。
2.根据权利要求1所述的井下矿岩加固材料，其特征在于，所述A组分和所述B组分的体积比为1:(0.85～1.15)。
3.根据权利要求1所述的井下矿岩加固材料，其特征在于，以重量份数计，所述A组分包括：水玻璃85份和催化剂15份。
4.根据权利要求1所述的井下矿岩加固材料，其特征在于，以重量份数计，所述B组分包括：聚合MDI65份、聚醚20份和增塑剂15份。
5.根据权利要求1～4任一项所述的井下矿岩加固材料，其特征在于，所述催化剂包括硅酸钾和CUCAT-WNT中的至少一种。
6.根据权利要求1～4任一项所述的井下矿岩加固材料，其特征在于，所述增塑剂包括异氰酸酯和甲基异氰酸酯中的至少一种。
7.一种权利要求1～6任一项所述的井下矿岩加固材料的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括以下步骤：
将所述A组分和所述B组分进行混合，得到混合浆液；
将混合浆液于90秒内注入井下矿岩中待加固位置。
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