聚氨酯灌漿材料的運用與發展

張文凱

（上海麥豪新材料科技有限公司，上海 201507）

由于我國社會經濟的逐步發展，對能源的需求也越來越大，進而促進了我國煤礦開采、建筑修建等多個行業的發展。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，灌漿技術得到了飛速的發展，還能夠較好地解決地質條件下煤巖體塌方、滲漏水的快速處理、頂板的穩定控制等內容。聚氨酯灌漿材料具有防滲堵漏能力強、可帶水施工、固化物無毒、固結體強度高、彈性好的優勢，極大的增加了化學注漿的使用范圍，它是化學灌漿材料中使用最多的一種，多種施工建設都會使用到該材料[1]。

1 聚氨酯灌漿材料的性質與特點

該種材料是1970年后出現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。它會因為外發泡劑受熱反應而立即氣化，或者通過水與異氰酸酯的反應產生CO2，進而使得反應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微小的氣泡，使得材料的體積變大，并最后變成一種強度高、不溶于水的凝膠體。

作為一種硬質聚氨酯泡沫，聚氨酯灌漿材料擁有工藝簡單、性能穩定、適合煤礦井下作業等特點，一般用于井下噴涂防漏風、堵漏水、強化破碎煤巖體等。它有以下幾種優勢：1）不污染環境，安全可靠；2） 投資費用少，注漿作業、工藝較為簡單；3）漿液的固化速度能夠有效的進行調節，施工簡單；4）非水溶性聚氨酯漿液固結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，化學穩定性強，固結體擁有較好的疏水性；5） 因為出現交聯反應，因此反應物的黏度會越來越強，形成的固結體擁有抗滲性強、密度小的優點，呈網絡結構[2]；6）隨著壓力的影響，漿液進入縫隙，向裂縫周圍滲透，因為漿液中具有沒有反應的異氰酸酯基團，和水相遇時就產生反應，釋放了較多的二氧化碳并發泡，發泡產生的壓力使得漿液出現二次壓力，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，形成彈性固結體，進而較好的適應地基與裂縫的變形；8）漿液是一種黃色透明的液體，不與水相遇較為穩定，遇水后會出現反應，因此受到外部水或水蒸氣的影響較大，在作業或者存貯時需要防止水進入漿液內，這樣進行存儲能夠保持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體由于組成不同所以擁有多種形態，它既能夠是延伸性較好的橡膠體，也能夠是硬性的塑膠體。由于大部分的化學漿液固結體擁有低溫反應活性小、彈性韌性差的問題，因此只能夠在穩定的裂縫中使用；但是聚氨酯灌漿材料擁有優異的強度與彈性，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灌漿材料的使用范圍[3]。

2 聚氨酯灌漿材料的應用

現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、加固或者強化煤巖體斷層破碎帶等。

2.1 冒頂充填

聚氨酯材料擁有優異的黏結性能、抗壓性能以及較好的膨脹率，能夠對礦井下硐室高冒區展開填充，能夠把高冒區中的破碎巖體、支撐物、矸石等膠結成強度較高的密實體，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，進而形成預防瓦斯堆積的效果，在增強工作效率的同時，除去安全隱患，并降低人工作業的危險性。

聚氨酯材料在反應后產生的填充體擁有較高的強度且密度較小，是一種輕質泡沫材料。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，泡沫反應速度很快，在15s中之內就能夠形成反應，并且在60s中之內就能夠硬化，同時還擁有較強的抗壓度，能夠進行快速施工。

2.2 煤巖加固

在進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，頂板冒落的規模與次數也會漸漸增加，從而產生較大的安全問題。我國目前有16%的綜采工作面因為頂板控制狀態較差而處于低產，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，在煤巖體中聚氨酯材料就會因為出現膨脹性固化反應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度。其對煤巖體產生的作用機理一般能夠分為轉變破壞機制作用、充填壓密作用、黏接補強作用、網絡骨架作用等多個方面。

聚氨酯材料在承受壓力后能夠產生一定的形變但是并不會脆裂，因此彈塑性較強。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，并不能夠讓已經被破壞的巖體恢復到原有的強度，只能夠讓沒有內聚力的巖體之間產生相互連接、摩擦的效果，進而降低較大巖塊從連接帶中掉落的幾率。

2.3 噴涂防漏風

煤礦在井下的自燃，對礦工的生命財產安全產生著較大的威脅。煤炭出現自燃一般是由于漏風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構，所以防漏風的性能較好，因此能夠在巷道高冒區域進行噴涂從而隔絕空氣。同時，因為聚氨酯材料擁有較強的塑性與黏接性，因此在噴涂防漏風時不會由于巷道圍巖出現形變而出現脫落，依然形成較好的隔風效果[5]。

3 聚氨酯灌漿材料的發展前景

聚氨酯灌漿材料在堵漏、防水中的大量使用，讓人們認識到了它的優點。但因為受原材料自身的局限，再加上結構上的限制，它的不足之處也開始顯現出來。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境中，就會出現降解；親水型聚氨酯灌漿材料產生的凝膠穩定性不足，十分容易出現復漏；作業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，但是因為它的發展歷史較短，隨著時間的推移，一定能夠發現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、異氰酸酯與相關助劑的應用、性能得到逐步的開發，會促使聚氨酯灌漿材料得到長足的發展。同時，由于異氰酸酯的相關技術逐步成熟，其生產成本也會越來越低，這會大大減小聚氨酯灌漿材料的成本，從而促進其使用[6]。

4 結語

綜上所述，為了化解建筑生產、煤礦井下作業安全等存在的問題，使用高分子化學注漿材料已經成為了一種趨勢。但是我國現在還沒有對應的標準，相關的注漿材料質量參差不齊。有關部門為了增強產品的使用安全與質量，從有毒物質、阻燃性能、膨脹倍數、抗壓能力等多個內容來評價化學注漿材料。由此可見，隨著高分子技術的逐步發展，使用高阻燃、低毒性甚至無毒性的化學灌漿材料已經近在咫尺。