煤矿井下用高分子塑性封闭材料研究及其应用
时间：2023-05-24 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 煤矿安全 ★
煤矿井下用高分子塑性封闭材料研究及其应用
0 引言
在相当长的时期内，煤炭仍是能源经济安全稳定供应的“压舱石”，支撑能源结构调整和转型发展的“稳定器”[1]，煤矿安全高效生产是保证能源有效利用的重要环节。而煤矿开采过程中常出现漏风、煤柱自燃、有害气体泄露等问题，严重危害煤矿正常生产。因此，降低掘进巷道有害气体的泄露、漏风、漏水等灾害对矿井安全生产意义重大[2-10]。
现阶段，为了防治掉渣、防水及阻气隔风，煤矿井下常采用喷涂封闭的方式对其进行治理。煤矿井下喷涂材料主要有无机矿物封堵材料和高分子类材料[11-12]。传统的封闭方式多采用水泥混凝土、木板、砖石等无机矿物材料密封，施工时间长、成本高、粉尘产生量大、密封性差，同时，由于封闭时间长，在井下恶劣环境中长期作业容易造成人员伤亡事故的发生[13]。聚酰胺类材料具有密封性好、喷射粘结性好等优点，但其阻燃性差、施工成本高，并且喷涂后缓慢释放出有毒有害气体[14]。
为有效解决传统喷涂材料无法有效防止瓦斯泄露问题，有必要研发煤矿井下用高分子塑性封闭材料。
1 工程背景
1.1 工作面概况
石圪台煤矿22上102综采工作面位于22上煤层一盘区，南侧为实体煤，北侧为22上103工作面，西侧、东侧为实体煤。22上102工作面回采分为前后两段，工作面走向长度1 261.8 m，倾角1°～3°，埋深89 m，煤层平均厚度2.0 m，巷道尺寸为4.2 m×2.5 m。工作面直接顶为砂质泥岩，平均厚度1.2 m；基本顶为中粒砂岩、细粒砂岩，平均厚度9.2 m；直接底为中粒砂岩，平均厚度6.7 m。工作面布置情况如图1所示。
图1 工作面布置情况
1.2 原封闭方案
22上102工作面巷道采用柔模混凝土连续墙体支护，正常回采推进浇筑墙体厚度1 m，沿空留巷段混凝土强度为C 40。为提高混凝土强度，在柔性模板上预留锚栓孔，挂好模后将锚栓穿过模板，锚栓两端上托盘及螺母，柔模锚栓间排距不大于1 m。在沿空留巷施工过程中，顶板与模袋之间、模袋与模袋之间及加强锚栓处存在密封不严、漏风、漏水等现象，现场采用的柔模混凝土密闭方式如图2所示。
传统采空区密闭方式多采用单层混凝土墙体密闭，墙体易受压开裂，漏风现象严重，在矿山压力、高温火源等因素下存在墙体施工时间长的问题，同时喷射混凝土施工成本高、作业环境粉尘产生量大，难以满足高产高效矿井的要求。混凝土破坏情况如图3所示。
针对采用喷射混凝土封闭存在的问题，为保证井下封闭安全作业施工，笔者所在课题组研发了煤矿井下用高分子塑性封闭材料。此材料具有让压、阻燃、韧性好等优良性能，可有效提高密封墙密封效果，防止瓦斯等有毒气体溢入巷道，降低材料施工时粉尘浓度。该材料具有高阻燃性与韧性，避免其在高温、高压条件下开裂、脱落，保证工程安全。现场应用该材料可有效减少施工成本、降低施工人员劳动强度、提高施工效率。
图2 柔模混凝土密闭方式
图3 混凝土破坏情况
2 煤矿井下用高分子塑性封闭材料
2.1 主要原料
煤矿井下用高分子塑性封闭材料由A组分、B组分组成。A组分是无色或淡黄色透明均一液体，为有机混合物，该材料主要成分为聚醚多元醇。B组分是一种棕褐色清亮液体，为有机混合物，该材料主要成分为聚合MDI。A组分、B组分按体积比1∶1混合固化后生成的固结体是黏结强度高、封堵漏风功能好的塑性封闭材料。
2.2 主要反应原理
煤矿井下用高分子塑性封闭材料主要涉及的化学反应如下：
(1)异氰酸酯与羟基化合物：
R-NCO+HO-R'→R-NH-
-R'
(1)
(2)异氰酸酯与水：
(3)异氰酸酯与氨基甲酸酯或脲健：
2.3 高分子塑性封闭材料研发
新研发的型号为KA-GK的煤矿井下用高分子塑性封闭材料，这是一种双组分、多用途、汽胶结合的改性复合材料。其技术指标能满足当前煤矿安全的多项要求，且具有操作方便、提高工效、降低成本等优点。
(1)材料采用无毒、无味复合材料配制而成，使用过程无甲醛释放；不用酸作催化剂，无强酸腐蚀。
(2)产品反应时间短、速度快、膨胀系数高(25～30倍)，反应产物粘结性好，克服了传统材料遇水剥落的缺点。
(3)固化后气密性好、闭孔率高、有韧性、不开裂、不脱落、高阻燃，因此可承受一定的围岩变形。
(4)粘合力强，密闭封堵，喷涂密闭后与松散的煤体结为一体，有效起到防水、防潮、防气体泄露的作用。
3 室内性能测试试验
为明确高分子塑性封闭材料KA-GK的优良性能，开展了新材料的室内测试试验，材料性能测试指标包括起发时间、拉丝时间、不粘时间、最高反应温度测定、材料阻燃性能、氧指数测定、粘结强度测试。
(1)起发时间。试验测定材料从混合胶枪口喷出开始到材料颜色变白并开始膨胀升起的时间为4 s，≤10 s，满足规范要求。
(2)拉丝时间。试验测定材料从混合胶枪口喷出开始计时，用玻璃棒在泡沫中间位置插入1～2 cm深，拔出时可以拉出丝状材料的时间为13 s，≤15 s，满足规范要求。
(3)不粘时间。试验测定材料从混合胶枪口喷出开始到泡沫表面开始不粘手的时间为24 s，≤35 s，满足规范要求。
(4)最高反应温度测定。将K型热电偶布置在材料形心处并做好固定。开始注浆时连接好热电偶与温度采集仪，每10 s采集一次温度数据，记录反应过程中的温度随时间变化情况，持续采集不低于72 h的温度数据，最终测得最高反应温度为88.6 ℃，≤100.0 ℃，满足规范要求。
(5)材料阻燃性能。高分子塑性封闭材料酒精喷灯燃烧试验中，材料有焰燃烧时间平均值为0 s，≤3 s，最大值0 s，≤10 s；无焰燃烧时间平均值为0 s，≤10 s，最大值0 s，≤30 s；最大火焰扩展长度68 mm，≤280 mm，满足规范要求。
(6)氧指数测定。高分子塑性封闭材料的氧指数试验测定为28.4，≥28，满足规范要求。
(7)粘结强度测试。煤矿喷涂堵漏风用聚氨酯材料拉伸强度为2.05 MPa，断裂伸长率为27.16%，力学性能测试试验曲线如图4所示。
图4 材料力学性能试验曲线
4 现场应用
4.1 实验设备
混凝土喷射是将预先配好的水泥、砂、石子、水和一定数量的外加剂装入喷射机，利用高压空气将其送到喷头和速凝剂混合后，以高速喷向岩石或混凝土的表面而形成。
为更有效地进行井下喷涂作业，研发了配套的煤矿专用高压喷涂设备，如图5所示。在井下进行喷涂作业时，将材料设备及施工现场准备布置好，检查各设备管线连接状态，符合要求即可喷涂。喷涂时A、B料按照1∶1比例进料，通过静态混合器自动混合，即可实现施工。将注液泵固定好，接好气源，分别将2根吸液管连好插入A、B料桶(或配备的箱)内，2根输排管连在喷枪上，从喷枪接出输液管至喷涂地点。
4.2 现场结果分析
22上103工作面回风巷采用混凝土喷涂材料密闭，22上102工作面回风巷采用高分子塑性封闭材料密闭。在22上102工作面回风巷和22上103工作面回风巷布置瓦斯泄露量监测仪器，2021年5月1-15日，对2个工作面回风巷和回风隅角进行监测，得到工作面回风巷及回风隅角处瓦斯体积监测曲线，如图6所示。
1—输浆液管；2—喷枪；3、5—输液管；4—压风管；6—进气源；7—气压表；8—水分过滤器；9—油雾器；10—液压缸；11—吸液管；12—过滤器；13—料桶；14—液压表
图5 煤矿专用高压喷涂设备
由图6可知，22上102工作面回风巷快速喷涂KA-GK材料相比，22上103工作面回风巷使用混凝土喷涂材料，瓦斯泄露量相比减小；22上102工作面回风巷瓦斯监测最大值为0.000 6%，回风隅角处瓦斯监测最大值为0.001 2%。22上103工作面回风巷瓦斯监测最大值为0.000 9%，回风隅角处瓦斯监测最大值为0.002 2%。可以看出，喷涂新材料后巷道瓦斯体积分数比喷涂前降低59.1%。现场瓦斯量监测满足《煤矿安全规程》中规定的采掘工作面、回风隅角及回风巷风流中瓦斯浓度低于1.0%的要求。表明喷涂新材料封堵了表面裂隙，降低了巷道周围的透气性系数，延缓了煤体瓦斯的涌出量，封堵效果比较明显。现场22上102工作面采空区应用高分子塑性封闭材料进行试验，应用效果如图7所示。
图6 不同喷涂材料瓦斯体积分数变化曲线
图7 现场应用效果
现场试验得到快速喷涂材料相比混凝土施工量大幅减小，快速喷涂材料现场施工人数为2人，而混凝土喷涂需要3～4人以上，大大降低了施工成本。
5 结论
(1)研发了型号为KA-GK的加强型巷道高分子塑性封闭材料，室内试验证实了新材料具有固化后气密性好、闭孔率高、高阻燃，可承受一定的围岩变形，粘合力强，密闭封堵，有效起到防水防潮，防气体泄露的作用。
(2)研发的高分子塑性封闭材料为井下安全密封提供了可靠的材料支撑，配套的喷涂设备提供了良好的技术基础。
(3)通过现场瓦斯监测数据，对比分析了高分子塑性封闭材料和混凝土喷涂材料瓦斯体积分数变化，得出新型塑性材料能提高密封墙密封效果、延缓煤体瓦斯的涌出。
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Study and application of polymer plastic sealing material for underground coal mine
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