煤矿用高安全性聚氨酯注浆加固材料的制备及其性能研究

摘要

本论文采用一步法合成双组份聚氨酯注浆加固材料(polyurethane GroutingReinforcement Material, PUGRM)，分析了聚氨酯注浆加固材料综合性能的影响因素。为满足煤矿井下对于高分子类注浆材料低放热与高强度的要求，分别制备了低温改性聚氨酯注浆加固材料以及环氧树脂改性聚氨酯注浆加固材料，对所制得浆材的性能进行了研究，具体的实验内容与实验结果如下:
　　 实验通过基本配方的设计，制备不同体系的PUGRM，并对其综合性能进行研究与分析。结果表明，分子链结构中的软段及硬段部分对于PUGRM综合注浆性能的影响较大，提高异氰酸根指数、使用高羟值的聚合物多元醇以及小分子扩链剂均可以提高材料固结体的压缩强度，但同时反应温度也随之上升; PUGRM浆液的固化时间受到催化剂种类及用量的影响，添加阻燃剂可提高浆材的阻燃性能，而泡沫稳定剂则可以在浆液遇水发泡后，使浆材基体中的泡孔结构更加均匀与稳定，降低了浆材发泡后产生局部性能缺陷的几率。
　　 同时使用两种不同种类、不同羟值的聚合物多元醇制备PUGRM，结果表明，在低羟值聚醚多元醇330与高羟值聚醚多元醇303的混合体系中，随着聚醚330用量的增加以及聚醚303用量的降低，浆材的反应温度与压缩强度同时降低，当混合聚醚多元醇中聚醚303的用量为30phr，聚醚330的用量为70phr时，固化反应温度比单组份聚醚多元醇303体系降低了32％，浆材固化后的固结体压缩强度为2.7MPa;聚酯多元醇PF-2011与聚醚多元醇303的混合体系中，随着聚酯PF-2011用量的增加以及聚醚303用量的降低，浆材的反应温度及压缩强度也随之下降，当PF-2011的用量为60phr时，反应温度比单组份聚醚多元醇303体系降低了9.4％，压缩强度由纯303体系的57MPa下降至45MPa。
　　 为降低高放热性PUGRM的反应温度，采用无毒、不挥发的惰性稀释剂改性PUGRM，制备了低温型聚氨酯注浆加固材料，并分析了惰性稀释剂的添加对PUGRM综合性能的影响。实验结果显示，随着惰性稀释剂的用量从0phr增大至200phr，固化反应前多元醇组份浆液的粘度由600mpa·s降低至350mpa·s，固化反应过程中的反应温度由137℃降低至85℃，固化时间由40s延长至90s，同时由于小分子惰性稀释剂的增塑作用，固化后固结体的压缩强度逐渐降低;当惰性稀释剂的含量为125phr时，反应温度降低至102℃，温度相对较低，同时固结体的压缩强度约8MPa，可满足井下非承重区域煤岩体加固的需求。
　　 为提高低放热性PUGRM的抗压强度，以经过环氧活性稀释剂稀释后的环氧树脂作为增强改性剂，制备了环氧树脂改性聚氨酯注浆加固材料，并研究了环氧树脂添加量对其综合注浆性能的影响。结果表明，随着体系中环氧树脂的含量从0phr增加至40phr，PUGRM固结体的压缩强度由2.76MPa增至17.40MPa，然而体系固化反应过程中的反应时间以及固化反应温度基本不变;当环氧树脂组份的含量大于30phr时，浆材固结体具有较高的压缩强度，同时保持了纯聚氨酯浆液的低温特性，具有较佳的综合注浆性能。

目录

声明

摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 注浆材料概述

1．2．1 注浆技术简介

1．2．2 注浆材料简介

1．2．3 注浆材料的发展方向

1．2．4 注浆技术在煤矿中的应用

1．3 煤矿用聚氨酯注浆加固材料概述

1．3．1 聚氨酯注浆加固材料体系的构成

1．3．2 聚氨酯注浆加固材料的作用机理

1．3．3 煤矿用聚氨酯注浆加固材料存在的安全性问题

1．3．4 煤矿用聚氨酯注浆加固材料的改性

1．4 本文的研究内容与目的

第二章 实验原料及方法

2．1 实验原料

2．2 实验仪器

2．3 实验原理

2．4 PUGRM的制备方法

2．5 性能测试

2．5．1 测试条件

2．5．2 测试内容及方法

第三章 聚氨酯注浆加固材料的制备及其性能研究

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 聚合物多元醇对PUGRM综合性能的影响

3．2．2 异氰酸根指数对PUGRM综合性能的影响

3．2．3 小分子交联剂对PUGRM综合性能的影响

3．2．4 催化剂对PUGRM固化反应时间的影响

3．2．5 添加型阻燃剂对PUGRM性能的影响

3．2．6 泡沫稳定剂对PUGRM浆液遇水发泡性的影响

3．2．7 聚醚303／聚醚330混合多元醇体系PUGRM的性能研究

3．2．8 聚醚303／聚醚330混合多元醇体系PUGRM的增强改性

3．3 本章小结

第四章 煤矿用高安全性聚氨酯注浆加固材料的制备及其性能研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 惰性稀释剂改性PUGRM的制备

4．2．2 环氧树脂改性PUGRM的制备

4．2．3 环氧树脂改性PUGRM固化过程中涉及的主要反应

4．2．4 PUGRM反应温度安全值的分析方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 惰性稀释剂改性PUGRM综合注浆性能的研究

4．3．2 惰性稀释剂改性PUGRM固结体SEM分析

4．3．3 惰性稀释剂改性PUGRM的抗老化性能

4．3．4．环氧树脂改性PUGRM综合注浆性能的研究

4．3．5 煤矿用注浆加固材料反应温度安全值的初步评价

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文