一种趋温性注浆材料及制备方法与流程

本发明属于煤炭开采水资源保护与利用，涉及注浆材料，具体涉及一种趋温性注浆材料及制备方法。

背景技术：

1、煤矿地下水库是使用采空区储水，利用煤柱和人工坝体连接形成的坝体挡水，并配备调水设施的新型水工构筑物。部分煤柱坝体为区段煤柱留设而成，开采过程中受超前支撑压力影响存在初始损伤破坏，储水后受水浸蚀、覆岩压力等作用而持续产生损伤破坏，危害煤矿地下水库安全运行。对于大采高开采工艺，煤柱受超前支撑压力大幅度增强，初始损伤破坏范围更大。同时，煤矿地下水库及采空区周边温度分布不均匀，部分区域受地热影响温度较高，部分区域因通风、水体影响温度较低，形成复杂温度环境，进一步加剧传统注浆材料性能劣化，影响加固防渗效果。为减少大采高开采工艺煤柱坝体在采前、采后的损伤程度，保障煤矿地下水库运行过程中煤柱坝体安全稳定性，亟需提出一种适配复杂温度环境的煤矿地下水库煤柱坝体加固防渗方法。

2、现有技术中，如中国专利文件cn107237651b公开了一种煤矿地下水库及水库坝体的多层次注浆防渗加固方法，在地下水库两侧巷道和回撤巷道壁上先后喷射混凝土浆液和硅溶胶，形成混凝土和硅溶胶喷层。然后施工多个浅注浆孔及深注浆孔并封孔注浆，注浆材料为纳米级无机材料；中国专利文件cn114033489b公开了一种煤矿地下水库坝体的防渗系统，提出通过在煤柱坝体临采空区侧构筑阻水层，用于隔离地下水库与采空区。并在阻水层内设置集水层及抽吸装置，用于将集水层内的积水抽吸至采空区外侧，以解决煤矿地下水库坝体防渗效果较差的问题；中国专利文件cn102767395b公开了一种矿井地下水库的防渗方法，提出用水泥护壁层、防渗土工布和水泥防渗层组合在一起构成防渗墙来进行防渗。

3、这些专利可能涉及不同的技术方案和方法，但存在不足，一是多层次注浆防渗加固方法不适用于大采高开采工艺煤矿地下水库煤柱坝体防渗，无法针对煤柱坝体临采空区侧上方进行有效防渗；二是在煤柱坝体临采空区侧构筑阻水层工程量大且工艺复杂，不能满足现场实际需求；三是所使用的水泥，混凝土本身就是一种微孔材料，存在着裂缝和裂隙。黑黏土不仅存在微裂缝，微裂隙而且随着时间推移，裂缝和裂隙还会发育扩展；四是防渗土工布由于施工的限制，不可能铺满整个巷道面，另外土工布施工完成后，或多或少总会存在一些缺陷，包括拼接质量不好形成的接缝、施工时被刺破、被下填层顶破、巷道壁面不均匀撕裂土工布等这些缺陷直接影响坝体的防渗性能；五是传统注浆材料不具备温度响应能力，在煤矿地下水库复杂温度环境中，低温下流动性急剧下降，难以填充微小裂隙，高温下易性能劣化、强度降低，无法长期保障加固防渗效果。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种趋温性注浆材料及制备方法，解决现有技术中的注浆材料的温度响应能力有待进一步提高的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现。

3、一种趋温性注浆材料，所述的趋温性注浆材料，以重量份数计，由以下原料制成：基础胶凝材料为45%～60%，温敏聚合物为11%～23%，温度响应型添加剂为5%～11%，阻燃剂为5%～10%，抗渗剂为3%～7%，减水剂为1%～3%，余量为水，原料的重量份数之和为100%；所述的基础胶凝材料包括硫铝酸盐水泥；所述的温敏聚合物包括接枝改性的聚n-异丙基丙烯酰胺和纳米复合改性的温敏性聚氨酯；所述的接枝改性的聚n-异丙基丙烯酰胺由聚乙二醇接枝改性聚n-异丙基丙烯酰胺制得，所述的聚n-异丙基丙烯酰的末端含羧基或羟基，接枝改性的聚n-异丙基丙烯酰胺的低临界溶解温度为25～40℃；所述的纳米复合改性的温敏性聚氨酯在制备时所用的纳米材料为纳米tio2颗粒；所述的温度响应型添加剂包括低温促进剂和高温调节剂。

4、本发明还保护一种如上所述的趋温性注浆材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤。

5、步骤一，原材料预处理。

6、将基础胶凝材料、阻燃剂以及抗渗剂分别研磨至粒径小于等于100μm，得到处理后的基础胶凝材料、处理后的阻燃剂以及处理后的抗渗剂。

7、步骤二，混合搅拌。

8、将水与步骤一得到的处理后的基础胶凝材料、处理后的阻燃剂以及处理后的抗渗剂加入行星式搅拌机，以200～300r/min的速度搅拌5～8min；再加入减水剂继续搅拌3～5min；然后依次加入接枝改性的聚n-异丙基丙烯酰胺、纳米复合改性的温敏性聚氨酯、低温促进剂以及高温调节剂，提高搅拌速度至400～500r/min，搅拌15～20min，得到趋温性注浆材料。

9、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果。

10、（ⅰ）本发明中的注浆材料的趋温性使浆液在注入初期低温环境下保持良好流动性，易于填充采空区复杂裂隙；随着环境温度上升，如深部采空区高温环境，温敏聚合物与温度响应型添加剂协同作用，加速浆液固化；在温度跨度较大的采空区作业中，本发明的注浆材料的注浆效率较传统材料明显提升，兼顾了流动性与凝结时间，减少因浆液性能不稳定导致的返工与设备故障，显著提高施工效率。

11、（ⅱ）本发明中的注浆材料在低温段（-20～25℃）时，接枝改性的聚n-异丙基丙烯酰胺分子链舒展，为亲水态，结合低温促进剂中的丙三醇和纳米纤维素晶须抑制冰晶生长，维持注浆材料的流动性，纳米复合改性的温敏性聚氨酯的柔性链段和纳米tio2颗粒增强界面韧性，防止脆裂；在中温段（25～40℃）时，接枝改性的聚n-异丙基丙烯酰胺主导响应，在lcst附近发生亲水-疏水相变，精准调控浆液黏度与固化速率；纳米复合改性的温敏性聚氨酯网络缓冲相变应力，避免结构破坏；在高温段（40～60℃）时，纳米复合改性的温敏性聚氨酯交联网络抑制高温降解，高温调节剂中的羟丙基甲基纤维素和柠檬酸等调控水化速率，与接枝改性的聚n-异丙基丙烯酰胺的疏水收缩协同防止速凝。通过这种分段协作，两种聚合物覆盖全温域性能需求，解决单一材料在宽温域下的性能矛盾（如低温流动性与高温强度的失衡），实现对注浆材料性能的动态智能调控。

12、（ⅲ）本发明中的方法基于趋温性设计，低温时促进剂加速水泥水化，使注浆体在48小时内获得较佳的早期强度；高温时高温调节剂调控水化速率，避免因过快凝结产生内部应力，有效防止注浆体开裂，保障采空区长期支护稳定性，避免了现有材料在温度变化时，因水化进程不可控，易出现早期强度不足或后期结构开裂等问题。

13、（ⅳ）本发明中的阻燃剂在高温环境中与趋温性材料的快速固化特性结合，有效抑制火灾风险；减水剂与温敏聚合物协同，确保不同温度下材料的流动性优化；抗渗剂配合趋温性形成的密实结构，抵御地下水侵蚀。相比传统材料综合性能提升显著，满足复杂环境下的多重工程需求。

14、（ⅴ）本发明中的注浆材料能够使得煤矿采空区的注浆作业可能在不同季节和不同深度实施，本发明的25～40℃温敏区间的精准调控可确保浆液在常温施工时具有最佳流动性，而当浆液注入采空区后，若环境温度升至30～40℃，温敏体系通过黏度增加加速固化，避免浆液过度流淌；若注入低温区域（如-20℃），温敏体系与抗冻组分协同，防止浆液在流动过程中因温度过低而失去可塑性。

15、（ⅵ）本发明中的25～40℃温敏区间是注浆材料应对-20℃～60℃宽幅作业温度区间的智能中枢，通过与抗冻组分和耐高温组分的协同，既解决了传统材料在宽幅温度下性能“一刀切”的缺陷，也通过温敏性相变的动态调节，实现了注浆材料从施工到服役的全周期温度适配。

16、（ⅶ）本发明中的接枝改性的聚n-异丙基丙烯酰胺主导25～40℃中温区间的精准温敏响应，通过聚乙二醇接枝改性，将lcst从32℃拓宽至25～40℃，使接枝改性的聚n-异丙基丙烯酰胺的分子链在温度变化时发生可逆亲水-疏水构象转变；纳米复合改性的温敏性聚氨酯拓展注浆材料在极端温度（如-20℃和60℃）下的适应性，弥补了接枝改性的聚n-异丙基丙烯酰胺在非lcst区间的局限性。

17、（ⅷ）本发明中的注浆材料在低温时，经修饰的纳米tio2颗粒均匀分散在聚氨酯中，赋予注浆材料良好的柔韧性和延展性，使注浆材料能够在低温采空区复杂的空间结构中灵活流动，充分填充各个角落；高温时，经修饰的纳米tio2颗粒作为交联点，促进聚氨酯分子链间发生交联反应，大幅提高注浆材料的强度和刚性，有效支撑采空区顶板，防止垮落。经修饰的纳米tio2颗粒的高比表面积和活性表面，能够与聚氨酯分子链形成化学键或物理吸附作用，在不同温度下改变聚合物的分子聚集状态和网络结构，进而影响材料的力学性能。

18、以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细说明。