煤矿用聚氨酯材料应用现状与发展.pdf

收稿日期 ２ ０ １ ９ － １ １ － ２ ２ 作者简介 袁 聪（ １ ９ ８ ７ ） ， 女， 河南洛阳人， ２ ０ １ ２年毕业于郑州大 学物理化学专业， 硕士， 工程师， 现从事聚氨酯合成开发工作。 煤矿用聚氨酯材料应用现状与发展 袁 聪， 李 欣， 王燕周， 杨晨晨， 李应平 （ 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ６ ５ ） 摘 要 综述了几类聚氨酯产品煤矿上的应用情况。包括聚氨酯弹性体耐磨材料、 聚氨酯弹性体密 闭堵漏材料、 以及聚氨酯灌浆材料在煤矿上的应用。重点阐述了聚氨酯灌浆材料的灌浆机理、 国内 外发展现状和目前市场现有品牌， 以及煤岩层加固聚氨酯灌浆材料在煤矿上的应用情况， 最后提出 了煤矿用聚氨酯产品未来发展趋势在于降低成本、 多功能化和复合化。 关键词 煤矿； 聚氨酯； 灌浆材料； 煤岩层加固 中图分类号 Ｔ Ｄ ７ ５ ２ ； Ｔ Ｄ ２ ６ ５ ． ４ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １ ６ ７ １ － ７ ４ ９ Ｘ （ ２ ０ ２ ０ ） ０ ２ ′－ ０ ２ ０ ６ － ０ ３ Ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ａ ｎ ｄｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｐ ｒ ｏ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｐ ｏ ｌ ｙ ｕ ｒ ｅ ｔ ｈ ａ ｎ ｅｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｆ ｏ ｒｃ ｏ ａ ｌ ｍｉ ｎ ｅ ｓ Ｙ Ｕ Ａ ＮＣ ｏ ｎ ｇ ， Ｌ Ｉ Ｘ ｉ ｎ ， ＷＡ Ｎ ＧＹ ａ ｎ  ｚ ｈ ｏ ｕ ， Ｙ Ａ Ｎ ＧＣ ｈ ｅ ｎ  ｃ ｈ ｅ ｎ ， Ｌ Ｉ Ｙ ｉ ｎ ｇ  ｐ ｉ ｎ ｇ （ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙＫ ｅ ｙＬ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙｏ ｆ Ｃ ｌ ｅ ａ ｎＣ ｏ ａ ｌ Ｇ ｒ ａ ｄ ｉ ｎ ｇＣ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ， Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｃ ｏ ａ ｌ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙＲ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ Ｃ ｏ ．， Ｌ ｔ ｄ ．， Ｘ ｉ ’ ａ ｎ７ １ ０ ０ ６ ５ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ 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因此聚氨酯弹性体相比于天然橡胶和丁 腈橡胶具有更优良的耐磨性能） ， 是目前最符合煤 矿及矿山使用要求的非金属材料， 完全可取代部分 金属材料。 目前聚氨酯弹性体耐磨筛网、 矿用聚氨酯输送 带、 聚氨酯清扫器刮刀刮板、 聚氨酯水力旋流器、 浮 选机叶轮、 高强度高耐磨聚氨酯粘合剂、 设备电缆 Ｔ Ｐ Ｕ护套、 防尘圈、 减震块等聚氨酯产品早已取代钢 材、 氯丁胶等材料应用在煤矿生产上［ １ ］。表 １为大 用量聚氨酯耐磨制品在煤矿上的应用。 表 １ 聚氨酯耐磨制品在煤矿上的应用 聚氨酯耐 磨制品件 取代材料优势 聚氨酯筛网 金属筛网、 橡胶筛网 使用寿命长、 耐磨、 耐腐蚀、 耐冲击、 自洁性好、 低噪、 可 局部更换方便维修 矿用聚氨酯 输送带 氯丁胶 耐磨、 抗静电、 耐冲击、 耐扎 刺 聚氨酯清 扫器刮刀 合金 耐磨、 耐腐蚀、 防断裂、 耐水 解、 不损伤胶带 旋流器衬里 金属、 橡胶、 玻璃等 强度高、 耐磨 聚氨酯粘合剂普通粘合剂修补时间短、 强度高 １ ． ２ 聚氨酯弹性体密闭堵漏材料 矿井漏风是煤矿通风工作的一大隐患， 会使工 作面有效风量减少， 造成瓦斯积聚、 气温升高， 从而 引发瓦斯爆炸； 采空区、 留有浮煤的封闭巷道以及被 压碎煤柱等的漏风， 可能促使煤炭自然发火， 严重威 胁矿井安全生产。因此一定要采取有效手段来控制 漏风， 预防风险。与黄泥灌浆材料、 水玻璃、 水泥砂 浆喷涂材料等传统的堵漏风材料相比， 聚氨酯弹性 体密闭堵漏材料在做抗静电处理和阻燃处理后具有 黏度、 反应固化速度、 强度、 硬度等可调节范围大； 耐 磨、 耐油、 耐老化、 耐臭氧； 涂层致密、 无漏点； 施工方 便快捷； 适用温度范围宽； 粘接力强等多种优点［ ２ ］。 因此将聚氨酯弹性体密闭堵漏材料的 ２种组分按照 一定比例混合， 经加压喷涂到巷道壁上， 固化后即可 形成无裂缝、 完整性好、 能满足井下防漏风要求的聚 氨酯涂层。 ２ 聚氨酯灌浆材料 ２ ． １ 聚氨酯灌浆材料机理 聚氨酯灌浆材料［ ３ ］是以多异氰酸酯与多羟基 化合物聚合反应制备的预聚体为主剂， 通过灌浆注 入基础或结构， 与水反应生成不溶于水的具有一定 弹性或强度固结体的浆液材料。产品按原材料组成 可分为水溶性聚氨酯灌浆材料和油溶性聚氨酯灌浆 材料。 当用灌浆设备将由多异氰酸酯（ 二苯基甲烷二 异氰酸酯、 甲苯二异氰酸酯等） 和多羟基化合物（ 聚 醚多元醇、 聚酯多元醇等） 合成含有端异氰酸基（ Ｎ Ｃ Ｏ ） 的预聚体， 再加入阻燃剂等助剂， 配置成的单 液型或者双液型灌浆材料注入裂隙或渗漏中时， Ｎ Ｃ Ｏ与水交联反应形成的具有很强粘接力的整体 结构的凝胶状固结体［ ４ ］， 可粘接裂隙防止渗漏。 ２ ． ２ 国外发展现状及产品市场 国外聚氨酯灌浆材料发展现状 聚氨酯树脂用 于化学注浆以日本、 西德较多。大都用于煤层等固 结注浆、 锚固工程、 混凝土裂缝处理。前西德自 １ ９ ６ ５年以来， 在鲁尔地区煤矿研究应用聚氯酯浆材 料来加固松动的煤层， 采用压浆法与药包法施工， 所 用聚氨酯药有 ３种即 Ｍ ｉ ｔ Ｂ ｅ ｖ ｅ ｄ ｏ ｌ Ｎ 、 Ｍ ｉ ｔ Ｂ ｅ ｖ ｅ ｄ ｏ ｌ Ｓ 及 ＷＦ 。日本商业产品有竹中的 Ｔ Ａ Ｃ Ｓ Ｓ 等。前苏联 产品有 Ｍ ｂ  １ ３ Ｈ和 Ｍ ｂ  ３ ０ ４ Ｈ型发泡聚氨酯等。 产品简介 目前国内使用的进口产品主要是 Ｂ Ａ Ｓ Ｆ的美固系列产品［ ５ ］。该系列注射支护材料是 利用树脂的连接、 粘固、 支撑作用， 使破碎的岩石 （ 包括各岩层） 连接成一个整体， 增加岩层的固性和 支撑力。该材料己在欧洲、 澳洲、 印度和南非等煤矿 成功使用。该系列产品技术先进， 使用方便， 可有效 简化施工流程， 节约施工时间并降低施工成本。 ２ ． ３ 国内发展现状及产品市场 国内聚氨酯灌浆材料发展现状 我国天津大学 于１ ９ ７ ３年首先研制成功氰凝灌浆材料（ 油溶性聚氨 酯灌浆材料） 。１ ９ ７ ４年， 水溶性聚氨酯灌浆材料由 华东水电勘察设计院科学研究所研制成功。氰凝具 有耐化学介质性能和耐高低温性能， 具有较好的防 ７０２第 ２ ′ 期袁 聪 李 欣 王燕周 等 煤矿用聚氨酯材料应用现状与发展 渗防腐蚀性能， 不仅可用作堵漏， 补强加固以及涂 层。但由于施工时对精密仪器的使用需求， 限制了 其广泛发展应用。 产品简介 目前国内市场上的聚氨酯灌浆材料 主要有中法合资兖州浩珂伟博矿业工程有限公司生 产的马丽散和罗休克系列产品， 石家庄国盛矿业科 技有限公司的马浮因 Ｔ Ｍ和固特珑 Ｔ Ｍ， 中国矿业大 学的赛瑞封孔材料、 瑞克充填材料、 赛瑞加固材料 等， 另外还有波雷因岩层加固材料、 德克因岩层加固 材料等牌号产品销售。 ２ ． ４ 煤岩（ 层） 加固用聚氨酯灌浆材料 煤矿井下环境复杂， 大的断裂带、 裂隙发育带、 冒顶等导致矿难灾害频发， 对煤矿安全高效生产产 生了很大阻碍， 因此煤岩层加固材料的研究非常重 要。常用的高分子煤岩层加固剂主要有聚氨酯类、 环氧树脂类、 丙烯酸盐类、 丙烯酰胺类等。聚氨酯加 固材料因其渗透性好， 粘结力强等特点得到了广泛 应用， 成为煤矿安全治理材料中的重要成员。 聚氨酯加固材料由 Ａ 、 Ｂ两个组分组成， 用于煤 岩层的加固和水流的封闭， 具有很好的机械性能， 且 与地层产生高度粘合可保持与地层一样的寿命。可 通过催化剂的加入量来控制反应速度， 其注入地层 后， 低粘度混合物液体状态可保持几秒到几分钟， 能 很好地渗透到细小的缝隙， 最终体积膨胀 ２倍左右， 能有效地加固和密封处理区域， 提高地层支撑力。 待注入 ３～ ４ｈ 后， 最终抗压强度可达 １ ０Ｍ Ｐ ａ 以上。 具有良好的柔韧性， 能承受随后的地层运动而不破 坏其结构。因此广泛应用于加固破碎的煤、 岩顶板， 防止冒顶； 加固沿空掘巷煤柱， 加固破碎煤柱， 提高 支撑力； 充填煤柱裂缝， 防止煤柱及采空区漏风、 发 火； 加固巷道交叉点等方面［ ６ ］。 ３ 结语 随着对煤矿安全高效生产的需求提升， 聚氨酯 因其优越的性能， 以及合成原料、 合成工艺和施工条 件的改进， 将会更广泛的应用于煤矿生产中。主要 发展方向有 ３个方面， 其一是降低成本， 对原料进行 改性， 比如硅酸盐改性组分油溶性聚氨酯灌浆材料， 由于引入了价格低廉的无机原料， 可大幅降低灌浆 材料的成本［ ７ ］； 其二是实现聚氨酯灌浆产品的多功 能化， 比如在加固的同时能具备堵水功能； 其三是聚 氨酯灌浆产品的复合化， 增加阻燃性和抗静电 性［ ８ ］， 增加产品的安全性能。 参考文献 ［ １ ］ 黎清宁， 卢德宏， 周荣． 聚氨酯弹性体在矿山中的 应用［ Ｊ ］ ． 昆明理工大学学报， ２ ０ ０ ３ ， ２ ８ （ １ ） ３ ６ － ３ ７ ． ［ ２ ］ 李伍成， 李宁， 付瑶． 聚氨酯材料在煤矿安全生产 中的应用［ Ｊ ］ ． 化学推进剂与高分子材料， ２ ０ １ １ ， ９ （ ６ ） ６ １ － ６ ３ ． ［ ３ ］ 中华人民共和国建材行业标准． Ｊ Ｃ ／ Ｔ ２ ０ ４ １ ２ ０ 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