發(fā)布時間：2020-11-19 02:49

　　 伴隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,越來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定的情形越來越多,利用聚氨酯作為順層鉆孔瓦斯壓力測定過程中的封孔材料是近年來發(fā)展起來的一種實用方法。一方面聚氨酯材料可以起到加固順層鉆孔周邊煤體松動層的作用,另一方面可以封堵煤體裂隙,為測壓過程創(chuàng)造良好條件。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),聚氨酯原料粘度較大,對煤層的滲透性能不足;若采用較高的注入壓力,聚氨酯材料會順著煤體松動層裂隙跑到較遠的地方,最接近穿層鉆孔的煤體松動層反而沒有得到有效加固。此外,聚氨酯材料的安全性能不足,存在著固化過程溫度較高、阻燃性能較差等問題,每年因高分子材料應(yīng)用引發(fā)的礦井火災(zāi)也時有發(fā)生,嚴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,通過預(yù)注漿的工藝,起到加固松動層的作用;其次新材料必須有較為合適的固化反應(yīng)完成時間,保證在材料注入煤層過程中擁有足夠的時間;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,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定的實際需要。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/異氰酸酯為目標體系(基礎(chǔ)配方),后利用該復(fù)合材料體系基礎(chǔ)配方進行阻燃、力學改性實驗,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、更強的煤體滲透能力、較為合適的固化過程完成時間、更低的固化溫度以及更高的阻燃等級。研究發(fā)現(xiàn)隨著體系內(nèi)聚丙交酯多元醇量的加入,新材料的固化過程峰值溫度隨之降低,固化過程完成時間逐漸變長。在不影響材料發(fā)泡性能的前提下,實驗最終選定基礎(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)配方進行后續(xù)研究。此外,作者同時分析了新材料體系低溫固化機理,指出了羥基濃度對固化過程的重要影響。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驗研究。熱重實驗、熱降解動力學和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。通過垂直燃燒實驗、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,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性能,利用中空玻璃微球?qū)ψ枞疾牧象w系進行了力學改性實驗研究。相關(guān)實驗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。論文同時考察了新材料在煤體中的滲透能力和粘結(jié)性能。實驗室條件下表明,新材料具有優(yōu)于傳統(tǒng)材料聚氨酯的滲透能力。為了對新材料與煤體粘結(jié)性能進行分析,考察了新材料與煤體粘結(jié)形成固結(jié)體的力學性能。實驗結(jié)果表明,新材料與煤體的粘結(jié)性能強于聚氨酯與煤體的粘結(jié)強度。針對實驗過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)對無機粒子與聚合物基體之間相互作用進行了新的解釋,并對“粒徑作用參數(shù)”的合理性進行了驗證。最后,利用本煤層“高分子材料預(yù)注漿全孔段封閉測壓”方法,分別采用新材料和聚氨酯材料進行了現(xiàn)場對比性實驗。實驗結(jié)果表明,采用新材料的測壓鉆孔在加固松散煤層、最終測得壓力兩方面均優(yōu)于聚氨酯材料鉆孔。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：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，用水泥砂漿封孔時候，需在四分管最前面位置處設(shè)置小孔。在對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，且在擋板后方通過纏繞方式棉絮。施工測壓鉆孔成型后，退出鉆桿，在退鉆桿的同時，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】

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本文編號：2889583