介绍一种瓦斯抽采封孔最新材料

     作者：郑晓蒙

    笔者研究了具有力学强度高，抗收缩性强，粘结力大，渗透性低等特征的聚氨酯聚脲新型封孔材料，并应用于焦煤公司九里山矿的工业性试验，以完善相关工艺技术。

    1  实验部分

    1.1  主要原材料

    多异氰酸酯( PAPI)：工业级，烟台万华生产；聚醚多元醇：工业级，河北亚东化工集团生产；催化剂、发泡剂、匀泡剂：工业级，上海科新建材生产；扩链剂：工业级，广州吴毅化工科技有限公司生产；聚天冬氨酸酯Desmophen NH  1420：工业级，山东邦迪生产；辅料：市售。

    1.2聚氨酯聚脲封孔材料的制备

    将聚醚、辅料和匀泡剂加入到清洁、干燥的大容器中，搅拌均匀得到备用样品。将一定量的上述半成品倒入烧杯中，再称量一定量的发泡剂、催化剂、聚醚多元胺，倒人烧杯并搅拌均匀；按照1：1的体积比例，将PAPI缓慢倒入烧杯中，并用搅拌棒快速搅拌，使其充分混合并发生反应。

    1.3  测试依据及试样尺寸

    抗压性能：依据标准为《GB/T 8813-2008硬质泡沫塑料压缩性能的测定》。试件应平整，表面光滑，采用边长(100 +1) mm的正方体，两平行面的平行公差不超过1%，整个实验过程共选择5个试件。

    尺寸稳定性：是指材料在特定条件下放置一定时间后，互相垂直的三维方向上产生的不可逆尺寸变化。测量依据标准为《GB/T 8811-2008硬质泡沫塑料尺寸稳定性试验方法》。根据3个试样的长度、宽度和厚度的变化值取平均值，最后求取尺寸变化率。

    2结果与讨论

    2.1  聚氨酯聚脲新型注浆材料的反应原理

    聚氨酯／聚脲复合材料利用了聚氨酯封孔材料膨胀倍数大，密封性好及聚脲所具有的优异力学强度，耐水，耐老化，耐交变温度和不收缩，而且对水分、湿气不像聚氨酯那样敏感，施工时不易受环境温度、湿度的影响，解决了单纯聚氨酯材料在封孔效果上不稳定的问题。

    聚氨酯聚脲封孔材料的反应属于官能团之间的反应，分子链逐步增长，每步反应后都能得到稳定的中间加成产物，聚合物分子质量随反应时间的延长而增大，但是在聚脲生成的聚合过程中没有小分子副产物产生。

    多异氰酸酯和聚醚多元醇的羟基的反应生成聚氨酯，如反应式(1)所示。多元醇的活泼氢原子转移到异氰酸酯基团的N原子上，C原子与羟基结合生成聚氨酯，使相对分子质量增加，反应链增长。多异氰酸酯和聚醚多元胺的氨基的反应生成聚脲，如反应式(2)所示。多元胺上的活泼氢原子转移到异氰酸酯基团上的N原子上，C原子与氨基结合而生成聚脲，使相对分子质量增加，反应链增长。

    2.2  聚氨酯聚脲新型注浆材料的抗压性能

    试件的相对形变是试件高度的缩减量与其初始高度之比，一般情况下测试试件相对形变为10%时的抗压强度，此时，抗压强度为试件相对形变小于10%时的最大压力除以试件的初始横截面积。根据以上实验所测数据计算试件的相对形变、抗压强度，如表1所示。

    由表1可以看出，试件的最低抗压强度为884.1 kPa，抗压强度远大于《煤矿充填密闭用高分子发泡材料》（标准号：AQ 1090-2011）所规定的产生10%压应变时抗压强度≥10 kPa的要求。

    2.3  聚氨酯聚脲新型注浆材料尺寸稳定性的研究

    分别采用市售聚氨酯和聚氨酯聚脲材料进行模拟封孔，待模拟钻孔中的封孔材料完全凝固变干3个月后，用钢锯分别将模拟封孔的玻璃管截开，观察其断面封孔材料的密封情况，如图1所示。由图1可以发现：①采用聚氨酯封孔材料封孔后，随着时间延长，因聚氨酯收缩变形严重，在聚氨酯与玻璃管之间产生较大的空隙，造成密封不严；②采用聚氨酯聚脲封孔材料封孔后，材料与玻璃管粘合较好，没有出现任何的裂隙，密实程度较好。

    尺寸的测量计算结果：试样的变化率为0. 003%，符合《煤矿充填密闭用高分子发泡材料》（标准号：AQ  1090-2011）尺寸稳定性≤0.1%的规定。

    2.4聚氨酯聚脲新型注浆材料应用实例

    2.4.1  采用不同材料封孔抽采孔浓度对比

    在焦作煤业九里山矿14141运输巷，共完成聚氨酯聚脲两端自堵工艺封本煤层孔39个，同时完成了采用市售聚氨酯+高水充填甲、乙料所封的27个矿方对比孔，抽采质量分数对比分析如图2所示。

    由图2可知，连抽30 d后，聚氨酯聚脲封孔工艺平均瓦斯质量分数为55.8 010，聚氨酯+高水充填甲、乙料封孔工艺平均瓦斯质量分数为23.1%；连抽90 d后，聚氨酯聚脲封孔工艺平均瓦斯质量分数为49. 6%，聚氨酯+高水充填甲、乙料封孔工艺平均瓦斯质量分数为21.2%；连抽130 d后，聚氨酯聚脲封孔工艺平均瓦斯质量分数为54. 40/0，聚氨酯+高水充填甲、乙料封孔工艺平均瓦斯质量分数为17.4%。

    在相同条件下，采用聚氨酯聚脲封孔平均瓦斯抽采质量分数始终大于聚氨酯+高水充填甲、乙料封孔，充分表明采用聚氨酯聚脲封孔效果较好，钻孔密封更加严实。

    2.4.2  采用不同材料封孔抽采质量分数50%以上孔数比例对比

    采用不同材料封孔抽采质量分数50%以上孔数比例对比如表2所示。

    由表2可知，以瓦斯质量分数大于50%为界，连抽30、60、90 d及120 d后，采用聚氨酯聚脲新材料封孔远远高于采用聚氨酯+高水充填甲、乙料封孔数占总孔数的比例，说明采用聚氨酯聚脲封孔材料封孔效果好，抽采瓦斯浓度高，浓度衰减慢。

    2.4.3采用不同材料封孔效率对比

    在连抽90 d后，采用聚氨酯聚脲材料进行封孔后，所封39个孔中只有8个钻孔因水大、串孔或瓦斯抽采浓度较低关闭，其他钻孔均正常抽采，钻孔有效率为79.5%。而考察聚氨酯+高水充填甲、乙料所封27个钻孔中有17个钻孔已关闭，钻孔有效率为37. 0010，如图3所示。在连抽130 d内，聚氨酯聚脲封孔工艺明显优于聚氨酯+高水充填甲、乙料封孔工艺,封孔效率高。

    3结论

    (1)与传统化学封孔材料相比，新型聚氨酯聚脲封孔材料具有力学强度高及尺寸稳定性好的优点。

    (2)焦作煤业九里山矿14141运输巷进行的工程试验结果表明，在相同条件下，与采用聚氨酯加高水充填甲、乙料封孔对比，采用聚氨酯聚脲封孔材料进行封孔，平均瓦斯抽采质量分数较高，瓦斯质量分数大于50%的孔比率较大，封孔效果好。 

    4 摘要：与传统化学封孔材料相比，开发的新型聚氨酯聚脲封孔材料具有力学强度高及尺寸稳定性好的优点。并在焦作煤业九里山矿14141运输巷进行工程试验，结果表明，在相同条件下，与采用聚氨酯加高水充填甲、乙料封孔对比，采用聚氨酯聚脲封孔材料进行封孔，平均瓦斯抽采浓度较高，瓦斯浓度大于50%的孔比率较大，封孔效果好。