聚氨酯灌漿材料的運(yùn)用與發(fā)展

張文凱

（上海麥豪新材料科技有限公司，上海 201507）

由于我國社會經(jīng)濟(jì)的逐步發(fā)展，對能源的需求也越來越大，進(jìn)而促進(jìn)了我國煤礦開采、建筑修建等多個行業(yè)的發(fā)展。但是地下水害、動壓增大下冒頂、斷裂帶等卻威脅著煤礦工人的生命安全。在這個背景下，灌漿技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，還能夠較好地解決地質(zhì)條件下煤巖體塌方、滲漏水的快速處理、頂板的穩(wěn)定控制等內(nèi)容。聚氨酯灌漿材料具有防滲堵漏能力強(qiáng)、可帶水施工、固化物無毒、固結(jié)體強(qiáng)度高、彈性好的優(yōu)勢，極大的增加了化學(xué)注漿的使用范圍，它是化學(xué)灌漿材料中使用最多的一種，多種施工建設(shè)都會使用到該材料[1]。

1 聚氨酯灌漿材料的性質(zhì)與特點

該種材料是1970年后出現(xiàn)的一種高效的灌漿材料，比如礦用聚氨酯材料是通過一步法獲得的，也就是把多異氰酸酯與組合聚醚通過一定比例攪拌獲得。它會因為外發(fā)泡劑受熱反應(yīng)而立即氣化，或者通過水與異氰酸酯的反應(yīng)產(chǎn)生CO2，進(jìn)而使得反應(yīng)物料中氣體濃度大大提升，如果氣體濃度提升到了某個飽和程度后，溶液中就會慢慢出現(xiàn)微小的氣泡，使得材料的體積變大，并最后變成一種強(qiáng)度高、不溶于水的凝膠體。

作為一種硬質(zhì)聚氨酯泡沫，聚氨酯灌漿材料擁有工藝簡單、性能穩(wěn)定、適合煤礦井下作業(yè)等特點，一般用于井下噴涂防漏風(fēng)、堵漏水、強(qiáng)化破碎煤巖體等。它有以下幾種優(yōu)勢：1）不污染環(huán)境，安全可靠；2） 投資費(fèi)用少，注漿作業(yè)、工藝較為簡單；3）漿液的固化速度能夠有效的進(jìn)行調(diào)節(jié)，施工簡單；4）非水溶性聚氨酯漿液固結(jié)體擁有較好的耐久性、且表面不長霉、光滑耐磨，耐鹽、耐堿、耐酸，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，固結(jié)體擁有較好的疏水性；5） 因為出現(xiàn)交聯(lián)反應(yīng)，因此反應(yīng)物的黏度會越來越強(qiáng)，形成的固結(jié)體擁有抗?jié)B性強(qiáng)、密度小的優(yōu)點，呈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]；6）隨著壓力的影響，漿液進(jìn)入縫隙，向裂縫周圍滲透，因為漿液中具有沒有反應(yīng)的異氰酸酯基團(tuán)，和水相遇時就產(chǎn)生反應(yīng)，釋放了較多的二氧化碳并發(fā)泡，發(fā)泡產(chǎn)生的壓力使得漿液出現(xiàn)二次壓力，把漿液壓向縫隙的滲出，讓縫隙被填充密實，形成體積較大不溶于水的聚合物固結(jié)體；7）在處理具有較多水的地層中，能夠挑選固化較快的漿液，確保其不會被水沖走，形成彈性固結(jié)體，進(jìn)而較好的適應(yīng)地基與裂縫的變形；8）漿液是一種黃色透明的液體，不與水相遇較為穩(wěn)定，遇水后會出現(xiàn)反應(yīng)，因此受到外部水或水蒸氣的影響較大，在作業(yè)或者存貯時需要防止水進(jìn)入漿液內(nèi)，這樣進(jìn)行存儲能夠保持6個月以上。

除此之外，聚氨酯灌漿材料還有一個特點是它的固結(jié)體由于組成不同所以擁有多種形態(tài)，它既能夠是延伸性較好的橡膠體，也能夠是硬性的塑膠體。由于大部分的化學(xué)漿液固結(jié)體擁有低溫反應(yīng)活性小、彈性韌性差的問題，因此只能夠在穩(wěn)定的裂縫中使用；但是聚氨酯灌漿材料擁有優(yōu)異的強(qiáng)度與彈性，是化解這種問題的最佳材料。所以，聚氨酯材料的使用拓展了化學(xué)灌漿材料的使用范圍[3]。

2 聚氨酯灌漿材料的應(yīng)用

現(xiàn)在在煤炭礦井中聚氨酯灌漿材料得到了大量的使用，常常用于處理煤巖體裂縫滲漏、加固或者強(qiáng)化煤巖體斷層破碎帶等。

2.1 冒頂充填

聚氨酯材料擁有優(yōu)異的黏結(jié)性能、抗壓性能以及較好的膨脹率，能夠?qū)ΦV井下硐室高冒區(qū)展開填充，能夠把高冒區(qū)中的破碎巖體、支撐物、矸石等膠結(jié)成強(qiáng)度較高的密實體，讓填充材料較好的占有冒落空間，并把冒落空間中的瓦斯置換出來，進(jìn)而形成預(yù)防瓦斯堆積的效果，在增強(qiáng)工作效率的同時，除去安全隱患，并降低人工作業(yè)的危險性。

聚氨酯材料在反應(yīng)后產(chǎn)生的填充體擁有較高的強(qiáng)度且密度較小，是一種輕質(zhì)泡沫材料。它膨脹后的體積是之前的25倍以上，膨脹率較大，并且運(yùn)輸工作量小，填充時使用的固體較少，單位體積空間所使用的材料較少，泡沫反應(yīng)速度很快，在15s中之內(nèi)就能夠形成反應(yīng)，并且在60s中之內(nèi)就能夠硬化，同時還擁有較強(qiáng)的抗壓度，能夠進(jìn)行快速施工。

2.2 煤巖加固

在進(jìn)行長壁采煤的過程中，工作面煤壁由于具有較大的壓力，因此媒體會受到多種壓力從而產(chǎn)生裂縫，在挖掘時，常常因為圍巖蠕變、頂板冒落、煤炭滑落、煤壁片幫等對挖掘形成阻礙，由于煤層厚度越來越大，頂板冒落的規(guī)模與次數(shù)也會漸漸增加，從而產(chǎn)生較大的安全問題。我國目前有16%的綜采工作面因為頂板控制狀態(tài)較差而處于低產(chǎn)，使用聚氨酯灌漿材料就能夠有效的化解這種問題[4]。

通過專門的注漿泵把聚氨酯的兩種漿液添加到煤巖體內(nèi)，在煤巖體中聚氨酯材料就會因為出現(xiàn)膨脹性固化反應(yīng)從而使得松散的巖體變成堅固的整體，從而提升煤巖體的整體性與強(qiáng)度。其對煤巖體產(chǎn)生的作用機(jī)理一般能夠分為轉(zhuǎn)變破壞機(jī)制作用、充填壓密作用、黏接補(bǔ)強(qiáng)作用、網(wǎng)絡(luò)骨架作用等多個方面。

聚氨酯材料在承受壓力后能夠產(chǎn)生一定的形變但是并不會脆裂，因此彈塑性較強(qiáng)。在添加漿液予以固化時，聚氨酯材料硬化后雖然受到巖層的擠壓，但是移動時并不會失去內(nèi)聚力，所以能夠較好的把離層的巖體與縫隙黏接成一個整體。但是需要注意的是，使用聚氨酯材料對煤巖體予以加固，并不能夠讓已經(jīng)被破壞的巖體恢復(fù)到原有的強(qiáng)度，只能夠讓沒有內(nèi)聚力的巖體之間產(chǎn)生相互連接、摩擦的效果，進(jìn)而降低較大巖塊從連接帶中掉落的幾率。

2.3 噴涂防漏風(fēng)

煤礦在井下的自燃，對礦工的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生著較大的威脅。煤炭出現(xiàn)自燃一般是由于漏風(fēng)而提供了充足的氧氣。因為聚氨酯材料的氣泡大部分都是閉孔結(jié)構(gòu)，所以防漏風(fēng)的性能較好，因此能夠在巷道高冒區(qū)域進(jìn)行噴涂從而隔絕空氣。同時，因為聚氨酯材料擁有較強(qiáng)的塑性與黏接性，因此在噴涂防漏風(fēng)時不會由于巷道圍巖出現(xiàn)形變而出現(xiàn)脫落，依然形成較好的隔風(fēng)效果[5]。

3 聚氨酯灌漿材料的發(fā)展前景

聚氨酯灌漿材料在堵漏、防水中的大量使用，讓人們認(rèn)識到了它的優(yōu)點。但因為受原材料自身的局限，再加上結(jié)構(gòu)上的限制，它的不足之處也開始顯現(xiàn)出來。例如，油溶性聚氨酯灌漿材料的固體如果長時間處于堿性環(huán)境中，就會出現(xiàn)降解；親水型聚氨酯灌漿材料產(chǎn)生的凝膠穩(wěn)定性不足，十分容易出現(xiàn)復(fù)漏；作業(yè)中聚氨酯材料中沸點較低的TDI對人的身體有害等等。雖然聚氨酯灌漿材料擁有這些問題，但是因為它的發(fā)展歷史較短，隨著時間的推移，一定能夠發(fā)現(xiàn)解決這些問題的方法，它也一定會得到大量的使用。例如，聚酯多元醇、聚醚多元醇、異氰酸酯與相關(guān)助劑的應(yīng)用、性能得到逐步的開發(fā)，會促使聚氨酯灌漿材料得到長足的發(fā)展。同時，由于異氰酸酯的相關(guān)技術(shù)逐步成熟，其生產(chǎn)成本也會越來越低，這會大大減小聚氨酯灌漿材料的成本，從而促進(jìn)其使用[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，為了化解建筑生產(chǎn)、煤礦井下作業(yè)安全等存在的問題，使用高分子化學(xué)注漿材料已經(jīng)成為了一種趨勢。但是我國現(xiàn)在還沒有對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的注漿材料質(zhì)量參差不齊。有關(guān)部門為了增強(qiáng)產(chǎn)品的使用安全與質(zhì)量，從有毒物質(zhì)、阻燃性能、膨脹倍數(shù)、抗壓能力等多個內(nèi)容來評價化學(xué)注漿材料。由此可見，隨著高分子技術(shù)的逐步發(fā)展，使用高阻燃、低毒性甚至無毒性的化學(xué)灌漿材料已經(jīng)近在咫尺。