伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,越來(lái)越多的高分子材料被應(yīng)用到了煤炭工業(yè)領(lǐng)域。就瓦斯防治工作而言,高分子材料應(yīng)用于礦井瓦斯壓力測(cè)定的情形越來(lái)越多,利用聚氨酯作為順層鉆孔瓦斯壓力測(cè)定過(guò)程中的封孔材料是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種實(shí)用方法。一方面聚氨酯材料可以起到加固順層鉆孔周邊煤體松動(dòng)層的作用,另一方面可以封堵煤體裂隙,為測(cè)壓過(guò)程創(chuàng)造良好條件。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),聚氨酯原料粘度較大,對(duì)煤層的滲透性能不足;若采用較高的注入壓力,聚氨酯材料會(huì)順著煤體松動(dòng)層裂隙跑到較遠(yuǎn)的地方,最接近穿層鉆孔的煤體松動(dòng)層反而沒(méi)有得到有效加固。此外,聚氨酯材料的安全性能不足,存在著固化過(guò)程溫度較高、阻燃性能較差等問(wèn)題,每年因高分子材料應(yīng)用引發(fā)的礦井火災(zāi)也時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重限制了聚氨酯材料在礦山的應(yīng)用,因此,有必要研發(fā)一種新型低粘度高滲透的預(yù)注漿封孔材料,新材料首先要滿足低粘度這一特性,在常壓或較低壓力條件下表現(xiàn)出優(yōu)于聚氨酯材料的滲透能力,高滲透的特性使得新材料可以在更深范圍內(nèi)與煤體相互粘結(jié)作用,通過(guò)預(yù)注漿的工藝,起到加固松動(dòng)層的作用;其次新材料必須有較為合適的固化反應(yīng)完成時(shí)間,保證在材料注入煤層過(guò)程中擁有足夠的時(shí)間;最后新材料必須擁有較高的安全性能,做到較低的反應(yīng)固化溫度和較高的阻燃等級(jí),確保其在煤炭工業(yè)的安全應(yīng)用;擁有這些特性的新材料可以更好地滲透到煤層裂隙當(dāng)中,起到封堵裂隙、粘結(jié)煤體的作用,從而滿足順層鉆孔瓦斯壓力測(cè)定的實(shí)際需要。本論文以聚丙交酯多元醇/聚乙二醇200/聚乙二醇600、聚醚多元醇4110、異氰酸酯為主要原料,復(fù)配出三種復(fù)合材料體系。最終通過(guò)優(yōu)選,確定聚丙交酯多元醇/聚醚多元醇4110/異氰酸酯為目標(biāo)體系(基礎(chǔ)配方),后利用該復(fù)合材料體系基礎(chǔ)配方進(jìn)行阻燃、力學(xué)改性實(shí)驗(yàn),最終制備出新型低粘度高滲透預(yù)注漿封孔材料。與聚氨酯相比,新材料具有更低的粘度、更強(qiáng)的煤體滲透能力、較為合適的固化過(guò)程完成時(shí)間、更低的固化溫度以及更高的阻燃等級(jí)。研究發(fā)現(xiàn)隨著體系內(nèi)聚丙交酯多元醇量的加入,新材料的固化過(guò)程峰值溫度隨之降低,固化過(guò)程完成時(shí)間逐漸變長(zhǎng)。在不影響材料發(fā)泡性能的前提下,實(shí)驗(yàn)最終選定基礎(chǔ)配方的最優(yōu)質(zhì)量配比為聚丙交酯多元醇:聚醚多元醇4110:異氰酸酯=4:6:10(即2:3:5),并利用該基礎(chǔ)配方進(jìn)行后續(xù)研究。此外,作者同時(shí)分析了新材料體系低溫固化機(jī)理,指出了羥基濃度對(duì)固化過(guò)程的重要影響。為了提高新材料的阻燃性能,利用自行合成的新型成炭劑:生物基苯并噁嗪(Boz-F),復(fù)配成膨脹型阻燃劑用于新材料的阻燃實(shí)驗(yàn)研究。熱重實(shí)驗(yàn)、熱降解動(dòng)力學(xué)和DSC分析表明,Boz-F具有很高的成炭率和合適的分解活化能,適宜作為膨脹阻燃劑成炭劑使用。通過(guò)垂直燃燒實(shí)驗(yàn)、熱失重分析、拉曼光譜和X光衍射光譜分析,綜合確定了成炭劑、紅磷、三聚氰胺質(zhì)量比為2:1:2時(shí),復(fù)合材料的阻燃性能最為優(yōu)異。為了提高新材料的力學(xué)性能,利用中空玻璃微球?qū)ψ枞疾牧象w系進(jìn)行了力學(xué)改性實(shí)驗(yàn)研究。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明加入中空玻璃微球后,改善了新材料的抗壓縮性能和抗彎曲性能。論文同時(shí)考察了新材料在煤體中的滲透能力和粘結(jié)性能。實(shí)驗(yàn)室條件下表明,新材料具有優(yōu)于傳統(tǒng)材料聚氨酯的滲透能力。為了對(duì)新材料與煤體粘結(jié)性能進(jìn)行分析,考察了新材料與煤體粘結(jié)形成固結(jié)體的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新材料與煤體的粘結(jié)性能強(qiáng)于聚氨酯與煤體的粘結(jié)強(qiáng)度。針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用了中空玻璃微球改性復(fù)合材料體系,利用粒徑作用參數(shù)對(duì)無(wú)機(jī)粒子與聚合物基體之間相互作用進(jìn)行了新的解釋,并對(duì)“粒徑作用參數(shù)”的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。最后,利用本煤層“高分子材料預(yù)注漿全孔段封閉測(cè)壓”方法,分別采用新材料和聚氨酯材料進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用新材料的測(cè)壓鉆孔在加固松散煤層、最終測(cè)得壓力兩方面均優(yōu)于聚氨酯材料鉆孔。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

圖 1-2 水泥砂漿封孔示意圖Figure 1-2 Diagram of sealing borehole with cement mortar與黃泥（粘土）砂漿封孔相類似，用水泥砂漿封孔時(shí)候，需在四分管最前面位置處設(shè)置小孔。在對(duì)孔口部分完成封閉后，用帶有止回閥的結(jié)頭連接出槳管路

圖 1-1 黃泥砂漿封孔示意圖Figure 1-1 Diagram of sealing borehole with clay具體操作過(guò)程如下：四分管最前面位置處設(shè)置小孔（設(shè)置小孔的目的是防止時(shí)發(fā)生管路堵塞），緊跟在小孔后面有一擋板，且在擋板后方通過(guò)纏繞方式棉絮。施工測(cè)壓鉆孔成型后，退出鉆桿，在退鉆桿的同時(shí)，將黃泥（粘土）

圖 1-3 膠囊黏液封孔示意圖Figure 1-3 Diagram of sealing borehole with capsule-mucus.3.4 聚氨酯材料封孔
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2889583