聚氨酯灌浆材料的运用与发展

张文凯

（上海麦豪新材料科技有限公司，上海 201507）

由于我国社会经济的逐步发展，对能源的需求也越来越大，进而促进了我国煤矿开采、建筑修建等多个行业的发展。但是地下水害、动压增大下冒顶、断裂带等却威胁着煤矿工人的生命安全。在这个背景下，灌浆技术得到了飞速的发展，还能够较好地解决地质条件下煤岩体塌方、渗漏水的快速处理、顶板的稳定控制等内容。聚氨酯灌浆材料具有防渗堵漏能力强、可带水施工、固化物无毒、固结体强度高、弹性好的优势，极大的增加了化学注浆的使用范围，它是化学灌浆材料中使用最多的一种，多种施工建设都会使用到该材料[1]。

1 聚氨酯灌浆材料的性质与特点

该种材料是1970年后出现的一种高效的灌浆材料，比如矿用聚氨酯材料是通过一步法获得的，也就是把多异氰酸酯与组合聚醚通过一定比例搅拌获得。它会因为外发泡剂受热反应而立即气化，或者通过水与异氰酸酯的反应产生CO2，进而使得反应物料中气体浓度大大提升，如果气体浓度提升到了某个饱和程度后，溶液中就会慢慢出现微小的气泡，使得材料的体积变大，并最后变成一种强度高、不溶于水的凝胶体。

作为一种硬质聚氨酯泡沫，聚氨酯灌浆材料拥有工艺简单、性能稳定、适合煤矿井下作业等特点，一般用于井下喷涂防漏风、堵漏水、强化破碎煤岩体等。它有以下几种优势：1）不污染环境，安全可靠；2） 投资费用少，注浆作业、工艺较为简单；3）浆液的固化速度能够有效的进行调节，施工简单；4）非水溶性聚氨酯浆液固结体拥有较好的耐久性、且表面不长霉、光滑耐磨，耐盐、耐碱、耐酸，化学稳定性强，固结体拥有较好的疏水性；5） 因为出现交联反应，因此反应物的黏度会越来越强，形成的固结体拥有抗渗性强、密度小的优点，呈网络结构[2]；6）随着压力的影响，浆液进入缝隙，向裂缝周围渗透，因为浆液中具有没有反应的异氰酸酯基团，和水相遇时就产生反应，释放了较多的二氧化碳并发泡，发泡产生的压力使得浆液出现二次压力，把浆液压向缝隙的渗出，让缝隙被填充密实，形成体积较大不溶于水的聚合物固结体；7）在处理具有较多水的地层中，能够挑选固化较快的浆液，确保其不会被水冲走，形成弹性固结体，进而较好的适应地基与裂缝的变形；8）浆液是一种黄色透明的液体，不与水相遇较为稳定，遇水后会出现反应，因此受到外部水或水蒸气的影响较大，在作业或者存贮时需要防止水进入浆液内，这样进行存储能够保持6个月以上。

除此之外，聚氨酯灌浆材料还有一个特点是它的固结体由于组成不同所以拥有多种形态，它既能够是延伸性较好的橡胶体，也能够是硬性的塑胶体。由于大部分的化学浆液固结体拥有低温反应活性小、弹性韧性差的问题，因此只能够在稳定的裂缝中使用；但是聚氨酯灌浆材料拥有优异的强度与弹性，是化解这种问题的最佳材料。所以，聚氨酯材料的使用拓展了化学灌浆材料的使用范围[3]。

2 聚氨酯灌浆材料的应用

现在在煤炭矿井中聚氨酯灌浆材料得到了大量的使用，常常用于处理煤岩体裂缝渗漏、加固或者强化煤岩体断层破碎带等。

2.1 冒顶充填

聚氨酯材料拥有优异的黏结性能、抗压性能以及较好的膨胀率，能够对矿井下硐室高冒区展开填充，能够把高冒区中的破碎岩体、支撑物、矸石等胶结成强度较高的密实体，让填充材料较好的占有冒落空间，并把冒落空间中的瓦斯置换出来，进而形成预防瓦斯堆积的效果，在增强工作效率的同时，除去安全隐患，并降低人工作业的危险性。

聚氨酯材料在反应后产生的填充体拥有较高的强度且密度较小，是一种轻质泡沫材料。它膨胀后的体积是之前的25倍以上，膨胀率较大，并且运输工作量小，填充时使用的固体较少，单位体积空间所使用的材料较少，泡沫反应速度很快，在15s中之内就能够形成反应，并且在60s中之内就能够硬化，同时还拥有较强的抗压度，能够进行快速施工。

2.2 煤岩加固

在进行长壁采煤的过程中，工作面煤壁由于具有较大的压力，因此媒体会受到多种压力从而产生裂缝，在挖掘时，常常因为围岩蠕变、顶板冒落、煤炭滑落、煤壁片帮等对挖掘形成阻碍，由于煤层厚度越来越大，顶板冒落的规模与次数也会渐渐增加，从而产生较大的安全问题。我国目前有16%的综采工作面因为顶板控制状态较差而处于低产，使用聚氨酯灌浆材料就能够有效的化解这种问题[4]。

通过专门的注浆泵把聚氨酯的两种浆液添加到煤岩体内，在煤岩体中聚氨酯材料就会因为出现膨胀性固化反应从而使得松散的岩体变成坚固的整体，从而提升煤岩体的整体性与强度。其对煤岩体产生的作用机理一般能够分为转变破坏机制作用、充填压密作用、黏接补强作用、网络骨架作用等多个方面。

聚氨酯材料在承受压力后能够产生一定的形变但是并不会脆裂，因此弹塑性较强。在添加浆液予以固化时，聚氨酯材料硬化后虽然受到岩层的挤压，但是移动时并不会失去内聚力，所以能够较好的把离层的岩体与缝隙黏接成一个整体。但是需要注意的是，使用聚氨酯材料对煤岩体予以加固，并不能够让已经被破坏的岩体恢复到原有的强度，只能够让没有内聚力的岩体之间产生相互连接、摩擦的效果，进而降低较大岩块从连接带中掉落的几率。

2.3 喷涂防漏风

煤矿在井下的自燃，对矿工的生命财产安全产生着较大的威胁。煤炭出现自燃一般是由于漏风而提供了充足的氧气。因为聚氨酯材料的气泡大部分都是闭孔结构，所以防漏风的性能较好，因此能够在巷道高冒区域进行喷涂从而隔绝空气。同时，因为聚氨酯材料拥有较强的塑性与黏接性，因此在喷涂防漏风时不会由于巷道围岩出现形变而出现脱落，依然形成较好的隔风效果[5]。

3 聚氨酯灌浆材料的发展前景

聚氨酯灌浆材料在堵漏、防水中的大量使用，让人们认识到了它的优点。但因为受原材料自身的局限，再加上结构上的限制，它的不足之处也开始显现出来。例如，油溶性聚氨酯灌浆材料的固体如果长时间处于碱性环境中，就会出现降解；亲水型聚氨酯灌浆材料产生的凝胶稳定性不足，十分容易出现复漏；作业中聚氨酯材料中沸点较低的TDI对人的身体有害等等。虽然聚氨酯灌浆材料拥有这些问题，但是因为它的发展历史较短，随着时间的推移，一定能够发现解决这些问题的方法，它也一定会得到大量的使用。例如，聚酯多元醇、聚醚多元醇、异氰酸酯与相关助剂的应用、性能得到逐步的开发，会促使聚氨酯灌浆材料得到长足的发展。同时，由于异氰酸酯的相关技术逐步成熟，其生产成本也会越来越低，这会大大减小聚氨酯灌浆材料的成本，从而促进其使用[6]。

4 结语

综上所述，为了化解建筑生产、煤矿井下作业安全等存在的问题，使用高分子化学注浆材料已经成为了一种趋势。但是我国现在还没有对应的标准，相关的注浆材料质量参差不齐。有关部门为了增强产品的使用安全与质量，从有毒物质、阻燃性能、膨胀倍数、抗压能力等多个内容来评价化学注浆材料。由此可见，随着高分子技术的逐步发展，使用高阻燃、低毒性甚至无毒性的化学灌浆材料已经近在咫尺。