基于聚氨酯泡沫的煤礦采空區(qū)貫通面封堵材料試驗(yàn)研究

霍雷敏

（國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)源電力公司三道溝煤礦）

我國(guó)煤礦井下開(kāi)采過(guò)程中，受臨近小煤礦超層越界開(kāi)采的影響，導(dǎo)致國(guó)有煤礦在采掘過(guò)程中，易與小煤礦遺留采空區(qū)貫通，造成采空區(qū)內(nèi)有毒有害氣體涌入工作面，對(duì)工作面安全生產(chǎn)造成威脅［1-3］。為此，對(duì)煤礦工作面與采空區(qū)貫通面有害氣體實(shí)施有效控制是實(shí)現(xiàn)工作面安全回采的重要保障［4-5］。在這方面研究中，谷民帥等［6］針對(duì)采空區(qū)貫通面風(fēng)速大小，提出了聚氨酯封堵與NR氣囊封堵相結(jié)合的封堵工藝，解決了采空區(qū)意外貫通后有毒有害氣體及水涌入的問(wèn)題；閆談便［7］針對(duì)柳灣煤礦采掘工作面遇小窯破壞區(qū)貫通形成漏風(fēng)及有害氣體涌入問(wèn)題，提出了礦井巷道裂隙漏風(fēng)、一氧化碳異常涌出的災(zāi)害防治技術(shù)，為安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障；向劍飛等［8］針對(duì)整合礦井采空區(qū)有害氣體泄入鄰近掘進(jìn)巷道引發(fā)氣體超限的問(wèn)題，提出“設(shè)計(jì)—探測(cè)—隔絕—增壓”綜合性氣體防治技術(shù)，確保掘進(jìn)巷道氣體安全。通過(guò)上述文獻(xiàn)分析，對(duì)于采空區(qū)有害氣體的封堵防治，多集中于綜合性防治技術(shù)方面，對(duì)于封堵材料本身性能的研究提及較少。為此，本文以三道溝煤礦實(shí)際生產(chǎn)為工程背景，對(duì)井下開(kāi)采空區(qū)貫通面所用封堵材料進(jìn)行綜合試驗(yàn)研究，以實(shí)現(xiàn)礦山采掘工作面與小煤礦采空區(qū)貫通后對(duì)有毒有害氣體的有效防治，保障工作面安全高效開(kāi)采。

1 工程背景

三道溝煤礦位于煤炭資源豐富的陜西省榆林市，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力900萬(wàn)t/a，回采工作面采用綜采一次采全高、長(zhǎng)壁式布置，全部垮落法管理頂板，采用綜掘機(jī)和連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)。由于礦井周邊小煤礦越界開(kāi)采、濫挖盜采嚴(yán)重，破壞和浪費(fèi)資源的情況屢禁不止，搶奪資源的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給三道溝煤礦的安全生產(chǎn)造成了極大影響。

由于煤礦井下是半封閉的空間，采空區(qū)經(jīng)常會(huì)積聚大量的有毒有害氣體。周邊小煤礦不科學(xué)地開(kāi)采使得該礦掘進(jìn)工作面在掘進(jìn)過(guò)程中容易與小煤礦采空區(qū)貫通，導(dǎo)致有毒有害氣體涌入井下巷道，威脅礦山安全生產(chǎn)及人員安全。因此，研究采用聚氨酯泡沫封堵材料對(duì)貫通面實(shí)施有效封堵，以解決有毒有害氣體的問(wèn)題。

2 聚氨酯泡沫封堵材料性能分析

2.1 膨脹性能分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，獲取現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)參數(shù)，以預(yù)聚體MDI 50份，H2O20.2份，三亞乙基二胺0.2份，Ca-CO36份為基礎(chǔ)定量，對(duì)聚醚多元醇、水進(jìn)行膨脹性能試驗(yàn)。對(duì)聚醚多元醇梯度40、35、30、25、20份與水的梯度5、4、3、2、1份進(jìn)行正交試驗(yàn)，膨脹試驗(yàn)前后結(jié)果見(jiàn)圖1。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，蒸餾水為聚氨酯預(yù)聚體的發(fā)泡劑，當(dāng)其用量較少時(shí)，不足使其聚氨酯發(fā)泡理想或發(fā)泡較慢；當(dāng)其用量較多時(shí)，蒸餾水與聚氨酯中的異氰酸根反應(yīng)，迅速產(chǎn)生氣體，形成泡沫體；當(dāng)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較多氣體時(shí)，會(huì)造成聚氨酯基體短期迅速膨脹，從而對(duì)聚氨酯結(jié)構(gòu)造成一定的影響。隨著時(shí)間的推移，氣體會(huì)脫出，最終形成坍塌。最終確定配方MDI 50份，H2O20.2份，三亞乙基二胺0.2份，CaCO36份，聚醚多元醇35份，水2份，此時(shí)封堵材膨脹時(shí)間2 min，膨脹倍率可達(dá)10倍。

2.2 封堵材料與煤塊附著性能分析

將封堵材料混合均勻倒在煤塊之上，等固化之后對(duì)其附著力進(jìn)行試驗(yàn)，見(jiàn)圖2。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，由于聚氨酯封堵層所使用的原料中添加了固化劑的成分，當(dāng)固化劑與聚氨酯中的活性官能團(tuán)反應(yīng)后，聚氨酯分子鏈會(huì)形成三維網(wǎng)絡(luò)，使得材料性能得到增強(qiáng)。最終試驗(yàn)結(jié)果為脫落面積4%，達(dá)到4B級(jí)，測(cè)試結(jié)果符合井下使用要求。

2.3 封堵材料發(fā)泡性能分析

在試驗(yàn)室對(duì)井下條件進(jìn)行模擬，將風(fēng)扇開(kāi)至最大功率，在封堵材料整個(gè)發(fā)泡過(guò)程進(jìn)行鼓吹，觀察其對(duì)封堵過(guò)程的影響（圖3）。

由圖3可以看出，在有風(fēng)的條件下，將提前配好、經(jīng)過(guò)攪拌的物料倒入兩煤塊的中間（圖3（a）），讓其自由發(fā)泡。經(jīng)過(guò)120 s左右，發(fā)泡基本停止（圖3（b））?？芍?，風(fēng)速對(duì)封堵材料的發(fā)泡和附著性能影響不大。這是因?yàn)榫郯滨榉艧岱磻?yīng)，當(dāng)風(fēng)吹過(guò)來(lái)時(shí)，帶走一部分熱量，根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理，反應(yīng)向發(fā)泡方向移動(dòng)。

2.4 封堵材料抗靜電性能分析

以MDI 50份，二月桂酸二正丁基錫0.2份，三亞乙基二胺0.2份，CaCO36份，水泥10份，硅油0.1份，水15份為基礎(chǔ)配方，加入抗靜電劑導(dǎo)電炭黑，做梯度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

?

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著導(dǎo)電炭黑添加量的增多，封堵材料的表面電阻均有所降低，表明材料導(dǎo)電性能變好。當(dāng)添加份數(shù)為1.5份時(shí)，表面電阻數(shù)量級(jí)可降低到107，導(dǎo)電炭黑對(duì)材料表面電阻有一定的影響，這是因?yàn)槠鋾?huì)在聚氨酯內(nèi)部形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，聚氨酯為聚合物，屬于絕緣體，在內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有利于表面電荷的傳導(dǎo)，從而防止電荷的積累，最終確定導(dǎo)電炭黑添加量為1.5份。

2.5 封堵材料阻燃性能分析

在基礎(chǔ)配方上，加入阻燃劑8316，對(duì)封堵材料阻燃性能進(jìn)行測(cè)試。阻燃劑8316為無(wú)鹵膨脹型阻燃劑，阻燃效率高，添加量小，其與聚合物及樹(shù)脂的相容性好，在材料中不遷移、不析出；同時(shí)，其熱穩(wěn)定性好，易加工，耐水性能優(yōu)異；加工的阻燃材料低煙無(wú)鹵無(wú)毒，可完全替代傳統(tǒng)的溴銻阻燃劑。在燃燒過(guò)程中，一方面由于8316熱分解吸收大量的熱量，阻止了熱量的快速大量聚集，從而減慢了燃燒；另一方面會(huì)形成含磷的炭化保護(hù)層，減緩聚氨酯彈性體材料中的氨基甲酸酯、酯基、脲基等基團(tuán)的分解。本次試驗(yàn)8316添加量分別為空白樣，5%，9%，13%，17%，21%，25%，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

?

由表2可以看出，隨著阻燃劑用量的增加，材料的氧指數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，任何燃燒在較短的時(shí)間所放出的熱量是有限的，如果能在較短的時(shí)間吸收火源所放出的一部分熱量，那么火焰溫度就會(huì)降低，輻射到燃燒表面和作用于將已經(jīng)氣化的可燃分子裂解成自由基的熱量就會(huì)減少，燃燒反應(yīng)就會(huì)得到一定程度的抑制。當(dāng)添加量為21%時(shí)，氧指數(shù)達(dá)到最大值29.2%，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的封堵及阻燃效果。

3 聚氨酯泡沫封堵材料試驗(yàn)研究

3.1 封堵材料制備過(guò)程

聚氨酯泡沫封堵材料采用雙組份制備技術(shù)，以聚酯多元醇和MDI預(yù)聚體為主要原料，加入相應(yīng)的滲透劑、阻燃劑與催化劑等材料，隨后將填料、織物及膨脹發(fā)泡劑等溶入其中，形成封堵材料半成品，待熟化后，形成井下使用成品。該封堵材料具有強(qiáng)度高、密封性好、固化快等優(yōu)點(diǎn)，材料制備流程見(jiàn)圖4。

煤礦井下的封堵泡沫設(shè)備主要由注漿泵、混合槍體和出料管道三部分組成。封堵材料的注漿泵類(lèi)似于手動(dòng)雙液注漿泵，由手壓桿、氣缸、注漿管等幾部分組成。雙液注漿泵采用壓縮空氣做動(dòng)力，不需要額外的電力動(dòng)力源，接地后又防止了靜電火花，安全性好，適合井下使用要求。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

為了更好體現(xiàn)聚氨酯泡沫材料封堵效果，共進(jìn)行2組試驗(yàn)：第一組試驗(yàn)主要測(cè)試封堵材料與煤的黏結(jié)性，將封堵材料倒在煤塊上，通風(fēng)鼓吹，觀測(cè)效果。第二組為孔洞模擬封堵試驗(yàn)，選用直徑400 mm、長(zhǎng)1 000 mm塑料管道（圖5），在管道中放入模擬支撐骨架，此骨架最終成品由塑料制品制成，可分為收緊及張開(kāi)2種狀態(tài)，平時(shí)如傘收緊狀態(tài)，使用時(shí)撐開(kāi)，呈圓柱燈籠骨架狀，中間桿中空，桿壁四周開(kāi)孔，作為噴頭，使用時(shí)直接將噴涂機(jī)管道接入就可直接對(duì)孔洞進(jìn)行噴涂封堵，試驗(yàn)倒料從管道上方開(kāi)孔處倒入；在封堵材料倒入管道過(guò)程中，使用空壓機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，保持最低風(fēng)速15 m/s，在10 min內(nèi)完成封堵。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

第一組試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，封堵材料與煤黏結(jié)性好，在15 m/s風(fēng)速下，少量聚氨酯泡沫封堵材料在下降過(guò)程中被風(fēng)吹走，但大量聚氨酯泡沫封堵材料可迅速黏結(jié)在煤壁之上，且可承受25 m/s風(fēng)速吹動(dòng)。此時(shí)，發(fā)泡膨脹部分會(huì)被強(qiáng)風(fēng)吹動(dòng)形成平面，但并不會(huì)被吹離煤壁，整體效果較好。

第二組試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。可以看出，模擬管道被完全封堵，封堵材料與管壁黏結(jié)牢固，并不會(huì)被風(fēng)吹走。封堵后，在管道前端使用最低23 m/s風(fēng)速鼓吹，對(duì)封堵情況無(wú)影響，在封堵后端測(cè)試風(fēng)速為0 m/s，證明完全封堵后不透風(fēng)，封堵效果良好。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)聚氨酯泡沫封堵材料性能進(jìn)行分析，封堵材料膨脹時(shí)間為2 min，膨脹倍率可達(dá)10倍，脫落面積僅為4%，當(dāng)封堵材料導(dǎo)電炭黑添加份數(shù)為1.5份，8316添加量為21%時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的封堵及阻燃效果。

（2）通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M分析，在15 m/s風(fēng)速下，大量聚氨酯泡沫封堵材料迅速黏結(jié)在煤壁上，可承受25 m/s風(fēng)速吹動(dòng)，發(fā)泡膨脹部分會(huì)被強(qiáng)風(fēng)吹動(dòng)形成平面，封堵材料與煤黏結(jié)性好。

（3）孔洞模擬封堵試驗(yàn)表明，封堵材料與管壁黏結(jié)牢固，在管道前端使用最低23 m/s風(fēng)速鼓吹，封堵后端測(cè)試風(fēng)速為0 m/s，封堵效果良好，可用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。