新型化学建材在煤炭行业中的应用Word文档格式.docx

1、充填和灌浆作为煤炭开采行业中建材用量最大的领域，也是化学建材研究和应用最为深入广泛的领域，本文将针对这两个领域中常用的化学建材的研究应用情况和发展方向做主要介绍。1 化学充填材料充填技术是绿色开采的重要组成部分1-2。发展充填开采技术不仅可以解决煤矿开采带来的环境破坏问题，同时还能最大程度地提高“三下”压煤采出率。充填材料强度是充填技术的核心，对充填质量的优劣、充填成本的高低以及充填开采控制地表沉陷的效果起着决定性作用，发展充填技术的关键是研究成本低廉、性能可靠的充填材料。水泥目前仍是矿山胶结充填的主导胶凝材料。适用于矿山胶结充填的水泥品种一般为标号325的普通水泥、矿渣水泥及火山灰质水泥，其

2、中应用普通水泥最为广泛。在胶结充填中，水泥材料费用一般占充填成本的6070以上，因此减小水泥用量或者寻求廉价胶结剂是节约充填成本的主要途径。随着矿山充填技术的发展，充填材料和工艺在不断改进和创新的过程中得到了发展。在水砂充填基础上发展起来的胶结充填技术经历了低浓度胶结充填、高浓度胶结充填和膏体泵送充填及高水速凝材料固结充填2个主要阶段3-6。1.1高水固化胶凝材料5高水固化材料是以铝矾土为主料，以多种无机原料和添加剂等经过破碎、烘干、配料、均化，烧制以及粉磨等工艺制成甲乙两种固体粉料主甚包括高铝水泥、石灰、石膏、速凝刺、解凝剂、悬浮剂等，一般加入全尾砂作为填料。高水材料具有高水性能、速凝早强性

3、能、悬浮性、流动性和可泵性，再生强度性能，材料无薄、无害、无腐蚀性等优点。村料成本低于水泥成本。是替代水泥的矿山充填优势胶结材料。1.2新型矿渣胶凝材料北京矿冶研究总院与加拿矿物能源技术中心（CANMET）合作研究，正在开发矿山新型充填胶结材料，这种胶结剂是利用矿山废料和冶金废渣制成，是完全可以替代水泥的胶结充填材料，且成本低廉，能减少废料排放和环境破坏。新型矿渣胶凝材料属于资源节约、环境友好型新材料，具有广阔的应用前景。1.3其他胶凝材料粉煤灰在部分替代部分水泥时能有效改善充填料活性及流动性，同时也环保节约，正逐渐得到推广应用。冶炼炉渣已广泛应用于水泥工业制造矿渣水泥，目前国内矿山用炉渣作为

4、填充料主要是利用没有经过磨细的高炉炉渣和铜、镍冶炼炉渣作为填充骨料的一部分，能有改善充填料浆活性和提高充填料浆浓度7，如大冶有色金属公司利用铜绿矿山利用铜水淬渣作为充填骨料，云南会泽铅锌矿利用全尾砂-水淬渣进行膏体充填。地质聚合物8是一类新型的胶凝材料，合成的原料以无机非金属矿物和工业废渣为主，主要有效成分为铝硅酸盐，具有早期强度高，耐酸碱腐蚀，耐热耐高温、吸收及固定重金属离子等性能，可替代水泥广泛应用于井下胶结充填。2 化学灌浆材料化学灌浆是化学与工程相结合，应用化学科学、化学浆材和工程技术进行基础和混凝土缺陷处理，保证工程的顺利进行或借以提高工程质量的一项技术。该技术最早出现于19世纪末9

5、,德国人Jeziorsky通过向两个孔里分别注入浓硅酸钠和凝结剂第一次实现化学灌浆，并因此获得专利。我国对化学灌浆技术的研究始于上世纪50年代， 为解决长江三峡工程基础加固和混凝土裂缝处理的问题，由国家科委牵头，长江科学院、中国科学院广州化学研究所等部门对环氧树脂和甲基丙烯酸甲酯类材料进行了研究10-11，很快取得了成果并推广应用。国外常用的化学灌浆浆材品种，我国基本上都已开发出来，如环氧、甲凝、丙凝、丙烯酸盐、酸性和碱性水玻璃、水溶性和非水溶性及弹性聚氨酯、脲醛树脂、铬木素等。2.1 聚氨酯类灌浆材料聚氨酯（PU）灌浆材料是20世纪70年代发展起来的一种高效灌浆材料，基本原料为多异氰酸酯和含

6、羟基的化合物，可分为油溶性聚氨酯（PM）浆液和水溶性聚氨酯（SPM）浆液两大类。PM浆液，固结体力学性能优，抗渗透性好，是加固、堵漏兼具的材料，多用于地下工程的煤体和岩体加固12。该类材料用做加固用途时，可以迅速渗入岩体中的隙缝，包裹破碎岩块并固化，将破碎岩块重新粘结成一个整体，从而提高其负载能力达到加固的目的。SPM浆液具有环保性好、包水能力强、渗透半径大等优点，在煤炭行业中主要用于动水堵漏，土质表面的防护等。该类材料以环境水作为稀释剂和固结剂，遇水后膨胀率倍数高（可达3倍以上），即使在流水和涌水条件下也可实现快速封堵。目前，国内常用PU类的灌浆材料主要为玛丽散和罗克休泡沫等。但普通双液型P

7、U灌浆材料的反应过程过于激烈，容易引起氧化自燃，严重地制约了该类材料的推广和应用。国内外的大型化工企业针对现有产品缺陷，正着眼于开发环保性好且性能稳定的新型PU灌浆材料。波雷因是一种有机高分子双液型改性PU注浆材料，在灌浆过程中的最高反应温度不超过120，通过加入高效抗氧剂，将其反应生成物的抗氧化温度提高到135左右，有效地解决了PU灌浆材料自燃的难题。2.2 环氧树脂类灌浆材料环氧树脂泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。该类灌浆材料以热固性环氧树脂作为主要成分，通过交联固化形成牢固的立体网状结构。其主要优点是粘结力强并可常温固化，固结体的强度高，耐酸、碱和溶剂侵蚀。其缺陷

8、也较为明显：1）黏度过高，灌注能力不足；2）潮湿界面会导致其粘结强度显著降低；3）固结时间过长。为改善环氧材料的可灌性，常采用稀释或者改性的方法降低其黏度。长江科学院研制的CW环氧灌浆，能灌入微米级的裂缝，曾成功应用于三峡工程处理断层破碎带和泥化夹层，也曾应用在葛洲坝裂缝补强加固工程中。目前还有一种含特殊混合稀释剂的环氧树脂灌浆材料使用较广。混合稀释剂同时也是改性剂，其在一定条件下能反应生成呋哺。柔性的呋喃链段和刚性的环氧链段互穿形成网络结构，其固结体综合了呋喃树脂和环氧树脂的优良性能粘结力强，机械性能好，耐酸碱腐蚀，耐水和溶剂侵蚀，抗老化。随着化学技术的进步，新的固化剂和助剂层出不穷，由此产

9、生的新型环氧浆材更加令人期待。2.3 丙烯酰胺类丙烯酰胺渗透性优良，固化迅速且时间可调，持久性强，其吸水后膨胀，有一定的强度，特别适用于封堵止水。该类浆材曾广泛应用于水利工程、隧道、矿井及地下工程的防渗堵漏等。广州南方剧院假山池堵水工程使用中化-656进行了施工，效果良好12l。但是丙烯酰胺浆材并不适用于煤矿环境。其在室温下稳定，但熔融时则骤然聚合；易燃，受高热分解放出腐蚀性气体；毒性较大，其进入体内后，会在体内与DNA上的鸟嘌呤结合形成加合物，导致遗传物质损伤和基因突变。在日本曾因使用该类灌浆材料造成环境污染和人畜中毒，该类浆材也因此被限制使用。目前的研究方向主要着眼于丙烯酰胺浆液无毒化。我

10、国的宋平安等人采用水溶性氧化还原体系，制备出无毒水溶性的聚丙烯酰胺灌浆。2.4 丙烯酸盐类丙烯酰胺的毒性限制其发展但也催生了丙烯酸盐类灌浆材料一种以丙烯酸盐为基础的亲水型凝胶物，它由二个组份组成：一种树脂和一种引发剂。和丙烯酰胺相比，该类浆液同样具有粘结力强，耐热性好，黏度低，固化时间短等优点，同时无毒无害、不可燃。美国和欧洲容许这类产品直接使用地下工程而不需要申请化学灌浆应用批准证书。其缺点是固结体无弹性，不能作柔性补强。美国的AC400即是以丙烯酸盐水溶液为主剂。我国也曾将丙烯酸盐浆材用于三峡工程挡水大坝、江西万安水电站坝基等防渗工程，取得了较为理想的效果。2.5 脲醛树脂类脲醛树脂是尿素

11、和甲醛反应形成的聚合物。该类浆液通常是以脲醛树脂或直接以尿素、甲醛为主要成分，加入一定量的酸性固化剂组成的。脲醛树脂价格便宜，固化后的树脂颜色比较浅，呈半透明状，耐弱酸、弱碱，绝缘性能好，耐磨性极佳，但遇强酸、强碱易分解，耐候性较差。它是开发较早的热固性树脂之一。该类浆液广泛应用于桥梁、隧道和建筑物的基础补强，煤矿采掘面的稳定及大坝、堤防和地下水道的堵漏防渗13。目前，日本已将其大量用于土质稳定、地基加固等方面。但是脲醛树脂中因含有甲醛所以环保性差，其固结体脆硬并常伴有收缩所以抗渗性能不佳。新型脲醛树脂常通过共混和接枝等手段进行改性，取长补短。哈斯浮是该类产品的代表。它是一种双液型的脲醛树脂改

12、性材料，其中A组份主要成分为高分子树脂，B组份为固化剂，A、B组分混合后可反应形成具有一定强度固态泡沫。哈斯浮的两个组分都以水作为溶剂，具有相容性好，黏度低，易于泵送等优点；发泡过程为吸热反应，固结体温度低于环境且不可燃。可用于井下密闭墙体快速构筑、高冒区充填、巷旁充填等。3 结语化学建材作为继钢铁、木材、水泥之后第四代新型建筑材料，虽然只有短短数十年的发展历史，但由于其优异的性能和合理的成本，广泛应用于各类土木工程，经常在关键环节发挥关键作用。国内对于化学建材的研究和应用起步较晚，目前与发达国家相比存在着较为明显的差距。在矿业工程中，虽然化学灌浆材料的用量巨大，但材料和施工技术仍然十分老旧，

13、远远落后于过程应用的需要，这一问题在煤炭行业中尤为严重。随着我国能源需求的不断增长，煤炭行业发展迅速，但不断增大的采深也导致开采条件愈加复杂、地质灾害频发。如何开发和利用新型化学建材，提高巷道支护能力，有效解决复杂地质条件带来安全生产问题成为亟待解决的课题。除了需要关注新型的化学建材的研发，还要通过吸收水利、隧道等工程中已有的经验，依据实践对材料的测试和应用提供科学评价体系，以促进该类技术规范、科学的发展。化学建材技术作为一个边缘交叉学科技术，它的发展需要依靠化学和工程领域的共同努力。参考文献1 施士虎，李浩宇，陈慧泉矿山充填技术的创新与发展J中国矿山工程，2010，39（5）：l0-192

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