一种煤矿矿井巷道喷涂材料及其制备方法与流程

本发明涉及矿井用新材料技术领域，尤其是涉及一种煤矿矿井巷道喷涂材料及其制备方法。

背景技术：

煤矿矿井地层多为煤岩、泥岩、沙岩或黏土岩等，力学性能差，稳定性不好，容易风化，而且极易吸水潮解或膨胀，若不经处理容易导致巷道失稳破坏；而且一些巷道需要穿过煤层采空区，采空区中有大量的ch4、co等有害气体，巷道通风容易导致采空区气体涌出，因此还需要治理巷道的漏风问题；另外巷道煤层含硫量较高，自燃倾向性高，因此大多数的矿井巷道都会进行壁面喷涂，主要的喷涂材料有混凝土材料和化学喷涂材料，混凝土材料主要成分是混凝土以及粉煤灰等，混凝土材料支护作用比较强，使用成本比较低，而且填充强度高，耐久性比较高，但是在巷道复杂环境中，混凝土内游离碱易析出表面易出现返碱腐蚀的情况，而且防水性能比较差，韧性不高，水分流失后容易出现裂缝，漏风风险比较大；化学喷涂材料常用的是高分子树脂材料，其堵风效果比较好，粘结性高，有一定的形变性，但是其使用成本比较高，防水性能差，涂层受壁面灰尘影响比较大。因此目前新型的巷道喷涂材料多为复合浆体材料，将其喷涂在巷道煤岩表面，固化后形成密闭层，起到防水、防腐蚀、防止瓦斯泄漏的作用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种煤矿矿井巷道喷涂材料，支护性能优异，防腐蚀防泄漏，能进一步确保煤矿安全生产。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种煤矿矿井巷道喷涂材料，包括基层和表层两层，所述基层由以下重量份数的原料制成：硅酸盐水泥25-35份、粉煤灰25-35份、黏土8-12份、乳胶粉4-8份、纤维增强材料10-15份、苯丙乳液0.2-0.3份、聚乙烯醇0.1-0.2份、水玻璃1-2份和水35-42份，所述表层为聚氨酯层。

进一步的，所述聚氨酯层由以下重量份数的原料制成：聚醚多元醇100份、甲苯二异氰酸酯17-18份、酚醛树脂3-6份、二甲基硅油8-10份、一缩二乙二醇1-2份、催化剂1-2份、三羟甲基丙烷1-1.5份、空心玻璃微珠10-15份、纤维增强材料8-12份、水玻璃5-8份和去离子水3-5份。

进一步的，所述催化剂为二丁基二月桂酸锡和三乙烯二胺按重量比为2：1混合而成。

进一步的，所述纤维增强材料是由以下步骤制备而成：

将十水四硼酸钠和zn（no3）2·6h2o分别溶解在适量水中，搅拌同时将zn（no3）2·6h2o溶液逐滴滴入十水四硼酸钠溶液中，70-80℃搅拌1h，调节ph值为8.0，加入纤维材料，继续搅拌反应7-8h，过滤后水洗至中性，然后加入kh550的乙醇溶液，继续搅拌0.5-1h，烘干得产品；

所述十水四硼酸钠、zn（no3）2·6h2o、纤维材料、kh550重量比为1：3：5-8：0.5。

进一步的，纤维材料为玻璃纤维和聚丙烯纤维按重量比1：1混合而成。

一种煤矿矿井巷道喷涂材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硅酸盐水泥、粉煤灰、黏土、乳胶粉混合均匀后，加入纤维增强材料、苯丙乳液、聚乙烯醇、水玻璃和水搅拌均匀，采用喷涂泵将其涂覆在巷道壁，形成基层；

（2）将聚醚多元醇、甲苯二异氰酸酯和5%催化剂混合后在80℃下反应4h，得到预聚体；预聚体中依次加入二甲基硅油、一缩二乙二醇、三羟甲基丙烷、酚醛树脂，搅拌均匀后，加入空心玻璃微珠、纤维增强材料和水玻璃继续搅拌，最后加入去离子水和剩余的催化剂，搅拌均匀后吸入喷涂泵，加压喷涂在基层表面，形成表层。

本发明的有益效果是：

1、由于煤矿矿井巷道煤层结构比较复杂，表面平整度差，因此本申请中的煤矿矿井巷道喷涂材料包括两层，其中基层主要成分水泥复合材料的强度高，支护性好，防腐蚀防灭火；表层是聚氨酯泡沫，聚氨酯粘结性比较好，与基层结合牢固，而且韧性和弹性大，能够适应煤层的形变以及外界作用力，两层结构能够确保本申请矿井巷道密封性好，防泄漏防灭火，支护强度高。

2、基层为水泥复合材料，流动性好，喷涂在矿井巷道表面，能够迅速在覆盖煤岩表面，并且进入煤岩空隙中，与煤岩牢固粘合，从而对煤岩中的空隙进行密封，防止瓦斯泄漏。其中添加有粉煤灰和黏土，不仅能够降低成本，而且黏土的粘结性和可塑性好，与煤层粘结性能优异；另外添加少量乳胶粉能够起到增加韧性的作用，另外水泥复合材料中添加有苯丙乳液和聚乙烯醇，能够增加表层的防水性、附着性和机械性能。

水泥浆中还添加有少量的水玻璃，表层的聚氨酯材料中也添加有水玻璃作为粘结剂，水玻璃能增加涂层的强度，而且采用同一种粘结剂，能进一步增加两层之间的粘结力，从而增强整体强度。

3、表层为聚氨酯发泡材料，有韧性，耐腐蚀耐磨，会有一定的弹性形变。本申请为增强聚氨酯发泡材料的性能，还对其配方进行优化，其中采用有机硅和丙烯酸对聚氨酯进行改性，有机硅接枝能改善聚氨酯的网络致密性，增加强度和疏水性；另外还添加有酚醛树脂，与有机硅-聚氨酯共聚物形成立体互穿结构，大大增强涂层体系强度和机械性能，而且还能进一步的改善树脂的韧性和耐腐蚀性能，增加其疏水能，减少巷道潮湿环境对基层涂层的影响。

聚合发泡过程中采用的催化剂为二丁基二月桂酸锡和三乙烯二胺的混合物，其中二丁基二月桂酸锡能够加速链增长聚合反应，而三乙烯二胺主要是促进发泡反应，因此将其复合使用能协同增强本申请的反应速率。

4、聚氨酯中还添加有空心玻璃微珠、纤维增强材料、水玻璃，其中纤维增强材料为玻璃纤维和聚丙烯纤维混合，纤维结构分布在聚氨酯网络结构中，纤维/树脂的连接能够增强树脂的强度和韧性；再者纤维结构能够起到异相成核的作用，使其周围的气泡变小，分布更均匀；另外在聚氨酯侧边界面处，树脂含量相对减少，泡沫附在纤维表面，容易变形破裂，形成开孔结构，有助于其与水泥基层紧密粘合。而且其中的空心玻璃微珠也能起到异相成核的作用，有助于使气泡成核在其表面发生，起到均匀气泡的作用。

再者，本申请中的纤维增强材料负载有阻燃剂硼酸锌，即硼酸锌以纤维为核生长成晶须，分布在聚氨酯材料中，起到阻燃作用；且空心玻璃微珠表面能低，燃烧时能迁移至碳结构外表面没形成保护膜，起到阻燃作用，本申请中空心玻璃微珠和纤维增强材料具有协同阻燃的作用。

5、本申请的纤维增强材料经过kh550的表面改性，能与纤维表面的羟基进行脱水缩合，形成硅氧键，其与树脂或硅酸盐水泥浆料均可以通过氢键或化学键粘结，从而提高复合材料的粘结强度，进而提高基层和表层的机械性能。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

一种煤矿矿井巷道喷涂材料，包括基层和表层两层，所述基层由以下重量份数的原料制成：42.5硅酸盐水泥25份、粉煤灰35份、黏土8份、乳胶粉4份、纤维增强材料15份、苯丙乳液0.2份、聚乙烯醇0.2份、水玻璃1份和水35份，所述表层为聚氨酯泡沫层。

聚氨酯层由以下重量份数的原料制成：聚醚多元醇100份（2000）、甲苯二异氰酸酯17.5份、酚醛树脂3份、二甲基硅油8份、一缩二乙二醇1份、催化剂1份、三羟甲基丙烷1.5份、空心玻璃微珠10份、纤维增强材料12份、水玻璃5份和去离子水3份。

催化剂为二丁基二月桂酸锡和三乙烯二胺按重量比为2：1混合而成。

纤维增强材料是由以下步骤制备而成：

将十水四硼酸钠溶解在8倍重量水中，zn（no3）2·6h2o溶解在5倍重量的水中，搅拌同时将zn（no3）2·6h2o溶液逐滴滴入十水四硼酸钠溶液中，70-80℃搅拌1h，调节ph值为8.0，加入纤维材料，继续搅拌反应7h，过滤后水洗至中性，然后加入kh550的乙醇溶液（浓度5%），继续搅拌0.5-1h，烘干得产品；所述十水四硼酸钠、zn（no3）2·6h2o、纤维材料、kh550重量比为1：3：5：0.5。

其中纤维材料为玻璃纤维和聚丙烯纤维按重量比1：1混合而成，其中玻璃纤维直径为9-10μm，长度为1-2mm；聚丙烯纤维直径1-3μm，长度1-2mm，空心玻璃微珠的平均粒径为60μm。

一种煤矿矿井巷道喷涂材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硅酸盐水泥、粉煤灰、黏土、乳胶粉混合均匀后，加入纤维增强材料、苯丙乳液、聚乙烯醇、水玻璃和水搅拌均匀，得基层材料，采用喷涂泵将其涂覆在巷道壁，形成基层，喷涂厚度为15-20mm；

（2）聚醚多元醇在110℃真空脱水1.5h，之后与甲苯二异氰酸酯和5%催化剂混合后在80℃下反应4h，得到预聚体；预聚体中依次加入二甲基硅油、一缩二乙二醇、三羟甲基丙烷、酚醛树脂，搅拌均匀后，加入空心玻璃微珠、纤维增强材料和水玻璃继续搅拌，最后加入去离子水和剩余的催化剂，搅拌均匀后得表层材料，将其吸入喷涂泵，加压喷涂在基层表面，形成表层。

实施例2

一种煤矿矿井巷道喷涂材料，包括基层和表层两层，所述基层由以下重量份数的原料制成：硅酸盐水泥28份、粉煤灰32份、黏土9份、乳胶粉5份、纤维增强材料14份、苯丙乳液0.22份、聚乙烯醇0.18份、水玻璃1.2份和水38份，所述表层为聚氨酯层。

聚氨酯层由以下重量份数的原料制成：聚醚多元醇100份（2000）、甲苯二异氰酸酯17.5份、酚醛树脂4份、二甲基硅油8.5份、一缩二乙二醇1.2份、催化剂1.2份、三羟甲基丙烷1.4份、空心玻璃微珠11份、纤维增强材料11份、水玻璃6份和去离子水3.5份。

催化剂为二丁基二月桂酸锡和三乙烯二胺按重量比为2：1混合而成。

纤维增强材料是由以下步骤制备而成：

将十水四硼酸钠溶解在8倍重量水中，zn（no3）2·6h2o溶解在5倍重量的水中，搅拌同时将zn（no3）2·6h2o溶液逐滴滴入十水四硼酸钠溶液中，70-80℃搅拌1h，调节ph值为8.0，加入纤维材料，继续搅拌反应7h，过滤后水洗至中性，然后加入kh550的乙醇溶液，继续搅拌1h，烘干得产品；所述十水四硼酸钠、zn（no3）2·6h2o、纤维材料、kh550重量比为1：3：6：0.5。

其他原材料和工艺与实施例1相同。

实施例3

一种煤矿矿井巷道喷涂材料，包括基层和表层两层，所述基层由以下重量份数的原料制成：硅酸盐水泥30份、粉煤灰30份、黏土10份、乳胶粉6份、纤维增强材料13份、苯丙乳液0.25份、聚乙烯醇0.15份、水玻璃1.5份和水30份，所述表层为聚氨酯层。

聚氨酯层由以下重量份数的原料制成：聚醚多元醇100份（2000）、甲苯二异氰酸酯17.5份、酚醛树脂5份、二甲基硅油9份、一缩二乙二醇1.5份、催化剂1.5份、三羟甲基丙烷1.2份、空心玻璃微珠12份、纤维增强材料10份、水玻璃6.5份和去离子水4份。

催化剂为二丁基二月桂酸锡和三乙烯二胺按重量比为2：1混合而成。

纤维增强材料是由以下步骤制备而成：

将十水四硼酸钠溶解在8倍重量水中，zn（no3）2·6h2o溶解在5倍重量的水中，搅拌同时将zn（no3）2·6h2o溶液逐滴滴入十水四硼酸钠溶液中，70-80℃搅拌1h，调节ph值为8.0，加入纤维材料，继续搅拌反应7h，过滤后水洗至中性，然后加入kh550的乙醇溶液，继续搅拌0.5-1h，烘干得产品；所述十水四硼酸钠、zn（no3）2·6h2o、纤维材料、kh550重量比为1：3：7：0.5。

实施例4

一种煤矿矿井巷道喷涂材料，包括基层和表层两层，所述基层由以下重量份数的原料制成：硅酸盐水泥32份、粉煤灰28份、黏土11份、乳胶粉7份、纤维增强材料12份、苯丙乳液0.28份、聚乙烯醇0.12份、水玻璃1.8份和水40份，所述表层为聚氨酯层。

聚氨酯层由以下重量份数的原料制成：聚醚多元醇100份（2000）、甲苯二异氰酸酯17.5份、酚醛树脂5份、二甲基硅油9.5份、一缩二乙二醇1.8份、催化剂1.8份、三羟甲基丙烷1.0份、空心玻璃微珠14份、纤维增强材料9份、水玻璃7份和去离子水4.5份。

催化剂为二丁基二月桂酸锡和三乙烯二胺按重量比为2：1混合而成。

纤维增强材料是由以下步骤制备而成：

将十水四硼酸钠溶解在8倍重量水中，zn（no3）2·6h2o溶解在5倍重量的水中，搅拌同时将zn（no3）2·6h2o溶液逐滴滴入十水四硼酸钠溶液中，70-80℃搅拌1h，调节ph值为8.0，加入纤维材料，继续搅拌反应7h，过滤后水洗至中性，然后加入kh550的乙醇溶液，继续搅拌0.5-1h，烘干得产品；所述十水四硼酸钠、zn（no3）2·6h2o、纤维材料、kh550重量比为1：3：8：0.5。

实施例5

一种煤矿矿井巷道喷涂材料，包括基层和表层两层，所述基层由以下重量份数的原料制成：硅酸盐水泥35份、粉煤灰25份、黏土12份、乳胶粉8份、纤维增强材料10份、苯丙乳液0.3份、聚乙烯醇0.1份、水玻璃2份和水42份，所述表层为聚氨酯层。

聚氨酯层由以下重量份数的原料制成：聚醚多元醇100份（2000）、甲苯二异氰酸酯17.5份、酚醛树脂6份、二甲基硅油10份、一缩二乙二醇2份、催化剂2份、三羟甲基丙烷1份、空心玻璃微珠15份、纤维增强材料8份、水玻璃8份和去离子水5份。

催化剂为二丁基二月桂酸锡和三乙烯二胺按重量比为2：1混合而成。

纤维增强材料是由以下步骤制备而成：

将十水四硼酸钠溶解在8倍重量水中，zn（no3）2·6h2o溶解在5倍重量的水中，搅拌同时将zn（no3）2·6h2o溶液逐滴滴入十水四硼酸钠溶液中，70-80℃搅拌1h，调节ph值为8.0，加入纤维材料，继续搅拌反应7h，过滤后水洗至中性，然后加入kh550的乙醇溶液，继续搅拌0.5-1h，烘干得产品；所述十水四硼酸钠、zn（no3）2·6h2o、纤维材料、kh550重量比为1：3：6：0.5。

其他原材料和工艺与实施例1相同。

性能检测

分别将实施例1-5制备的表层材料混合后倒入磨具中发泡制备成试样，然后检测其性能，其中拉伸性能按gb/t9641-88进行测试，压缩性能参照gb8813-88，氧指数按gb/t2406.2-2009进行测试。

基层材料倒入磨具中，固化后参照gb/t16777-2008《建筑防水涂料实验方法》检测抗渗性和粘结强度。具体检测结果参见表1。

表1性能测试结果

由表1可以看出，本申请的基层材料粘结强度高，抗渗性能好，与煤层粘附性好，能够起到防止煤层泄漏的作用，而且强度高，支护性好，防护效果好；表层材料机械强度高，氧指数＞30%，阻燃性能优异。分别将实施例1-5的发泡聚氨酯切成直径60mm、厚度3mm试样分别浸入10%盐水、10%盐酸以及10%氢氧化钠中14d，无颜色和形状明显变化，而且无裂纹或膨胀情况，可见其耐腐蚀性能优异。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。