摘要：为保证煤岩体裂隙充填用注浆材料的强度效果，向现有注浆材料中加入改良材料力学特性的催化剂，并通过对二亚乙基二胺（A33）、醋酸钾（KAc）、二甲氨基乙氧基乙醇（ZR-70）和二甲氨基甲基苯酚（DMP-30）等催化剂的特性研究，以相互配比混合的方法进行对比试验，最终选定由A33和DMP-30以1.5∶1质量比组成复合型催化剂，取得较好加固效果。

　　关键词：煤岩体加固；注浆材料；催化剂；聚氨酯

　　0引言

　　在煤矿生产过程中常遇到因应力集中造成的巷道围岩破碎，顶板开裂等现象，且煤巷内煤墙受力会导致煤墙结构强度和稳定性下降，不利于巷道支护，影响安全生产。通常采取注浆的方法进行围岩加固。矿用注浆材料主要分为有机注浆材料和无机注浆材料两类[1-2]。无机类主要以水泥、粉煤灰等材料为主，便于制配取用，但其弊端在于水泥颗粒较大，黏稠度高，固结时间较长，在细小裂隙内的充填流动性差，加固作用效果差，喷浆作业加固时，需要较长周期洒水养护以提高强度，操作繁琐，具有一定的限制性；有机类主要通过添加催化剂、速凝剂和其他脂类物质等组成混合物进行注浆，具有较好的流动性能，固化周期较短，但其反应过程产生化学放热，容易造成煤层内温度升高引发燃烧等事故，使用时具有一定安全风险[3-4]。因此，为提高矿用注浆材料的力学性能和安全使用性，结合有机、无机材料的性能优点，研究出符合煤矿注浆加固要求的注浆材料具有重要的现实意义。目前多数研究的主要方向在于材料成分之间的配比，化学反应期间的温度控制及阻燃性能，以及化学结构的稳定性和强度等方面，如何通过添加催化剂来提升注浆材料进入围岩和煤体裂隙后的力学特性，提升强度有待于深入研究。

　　1复合材料选取与试验方案制定

　　1.1复合注浆材料选取

　　为在实验室条件下，通过不同材料的试验配比，确定最佳复合注浆材料的用料选型，并对力学特性和化学结构稳定性等进行分析，选取的催化剂类型包括二亚乙基二胺（A33）、醋酸钾（KAc）、二甲氨基乙氧基乙醇（ZR-70）和二甲氨基甲基苯酚（DMP-30）等，其他材料包括聚合MDI、水玻璃、增溶剂、组合聚醚多元醇、乙二醇丁醚醋酸酯和甘油等。

　　1.2试验用样品配置方案

　　开始性能测试之前，先通过不同配比制配两组用于相互对比的试验样品，分为A组和B组。制作A组样品时先将复合催化剂和甘油倒入500 mL的烧杯容器中，使用搅拌装置设定250 r/min的转速均匀搅拌，同时倒入水玻璃混合搅拌，待10 min后停止动作，密封好后在干燥环境下密封静置。

　　制作B组样品时在反应器皿中均匀混合加入PM200和乙二醇丁醚醋酸酯，以300 r/min的速率搅拌同时对器皿进行加热，控制以4℃/min的升温速率从常温状态加热到70℃,在升温搅拌期间，以0.5滴/s速率向器皿中匀速滴加聚醚多元醇，该过程至加热升温结束同步停止，然后在70℃的恒定温度条件下继续匀速搅拌3 h，之后同A组样品一样，在干燥环境下密封保存。

　　待A、B两组样品都制作完成后，按照1∶1的体积比充分搅拌混合倒入内壁表面涂有脱模剂的标准模具内，待反应凝固10 min后倒模取出，在实验室条件下设定好恒温23℃±2℃,湿度在50%±5%环境中静置3 d，然后开始测试样品性能。复合注浆材料样品制作配比如表1所示。

　　1.3催化剂配置方案

　　根据预先选定的催化剂类型如二亚乙基二胺（A33）、醋酸钾（KAc）、二甲氨基乙氧基乙醇（ZR-70）和二甲氨基甲基苯酚（DMP-30）等进行配比，经过试验验证得出最佳的复合型催化剂配置方案，将4种配方按照编号F1、F2、F3和F4等进行标记，配比参数如表2所示。

　　2改良注浆材料化学反应机理

　　聚氨酯类注浆材料与水泥中的硅酸盐类成分在催化剂作用下发生化学反应，聚氨酯中的氢质子不断转移游离加剧酯类物质发生聚合反应；选型用的催化剂多属于叔胺型催化剂，其中含有的氮原子表面附着有大密度电子云，当遇到羟基基团化合物时产生活化反应生成正价铵根离子，与水泥中溶解的硅酸盐类负离子硅酸相结合，促进聚氨酯的聚合反应。加入水玻璃后容易和混合液中的异氰酸酯基（-NCO）产生化学反应，有助于硅醇键结合聚氨酯结构中的大分子链，增强混合注浆材料的力学特性和流动性，降低产品的黏稠度。

　　3复合型催化剂试验分析

　　3.1醋酸钾（KAc）催化剂性能分析

　　根据表2中F1、F2、F3三个复合型催化剂配比方案，F1中催化剂选用1:10质量比的A33和KAc混合物，F2中催化剂选用1:10质量比的ZR-70和KAc混合物，F3中催化剂选用1:1:20质量比的A33、ZR-70和KAc混合物，基本成分均含有醋酸钾（KAc）催化剂，经混合后分别对凝固时间、粘接强度、抗压强度和抗剪强度等力学特性进行测定，取得结果如表3所示。

　　由表3中的测试结果分析可知，由1:10质量比组成的ZR-70和KAc混合物催化剂凝固时长达到120 s，说明催化效果缓慢，没有F1和F3方案中催化剂反应剧烈，反应时长关系接近1倍；但粘接强度和抗压强度、抗剪强度测定结果比F1和F3方案中催化剂取得更好的效果，具有更高强度。通过F1与F3方案的比较，F3方案中将原质量为0.3 g的二亚乙基二胺（A33）进行减半，替换为等质量比的二甲氨基乙氧基乙醇（ZR-70）进行混合，然后作为整体质量同样以1:10的质量比与醋酸钾（KAc）进行混合试验，以此达到相同试验条件，此时得到的粘接强度、抗压强度和抗剪强度均稍高于F1中的试验结果。

　　3.2二亚乙基二胺（A33）催化剂性能分析

　　根据表2中F1、F3、F4三个复合型催化剂的配比方案，F1中的催化剂选用1:10质量比的A33和KAc的混合物，F3中催化剂选用1:1:20质量比的A33、ZR-70和KAc混合物，F4中催化剂选用1.5:1质量比的A33和DMP-30混合物，均有二亚乙基二胺（A33）催化剂作为主要成分。对三种复合型催化剂的力学特性进行测定，结果如表4所示。

　　由表4分析可知，三个方案中催化剂凝固时间基本相同，误差影响不大。在二亚乙基二胺（A33）和以二亚乙基二胺（A33）、二甲氨基乙氧基乙醇（ZR-70）混合物均为0.3 g的反应质量条件下，F1～F3方案中需要的醋酸钾（KAc）质量配比达到3 g，在同等质量比下方案F4中所需的二甲氨基甲基苯酚（DMP-30）仅需要0.2 g，凝固时长70 s，粘接强度3.14 MPa，抗压强度59.76 MPa和抗剪强度21.59 MPa的结果，优于F1和F3方案取得的效果，稍弱于F2方案的抵抗强度，但是具有更好的流动性和反应时间。

　　综上所述，经过分组实验和测试结果比对，由二亚乙基二胺（A33）和二甲氨基甲基苯酚（DMP-30）以1.5:1质量比组成的下4具有相对优势，即可减少材料成本的投入，以较少用量达到较高的抵抗强度，且能够产生快速剧烈的反应，尽快实现凝固粘接效果，具有较好的生产实用性。

　　4结论

　　1）在实验室条件下通过试验方法选取制配出用于试验用的复合型注浆材料，根据催化剂的种类按照一定质量比配制出4组不同的搭配组合，用于相互验证对比，以取得最佳效果的复合型催化剂产品。

　　2）通过实验测定，由二亚乙基二胺（A33）和二甲氨基甲基苯酚（DMP-30）以1.5:1质量比组成催化剂，凝固时长70 s，粘接强度3.14 MPa，抗压强度59.76 MPa和抗剪强度21.59 MPa的显著成果，在实际生产中能够较好地起到对煤岩体裂隙充填加固的效果。

　　参考文献

　　[1]蔡顺枝.隧道加固用聚氨酯复合注浆材料制备及性能试验分析[J].粘接，2023（3）：114-117.

　　[2]张超，潘旺，方宏远，等.聚氨酯泡沫注浆修复材料泡孔结构特征及抗压性能研究进展[J].材料导报，2023（3）：30.

　　[3]马晋琴.高性能无机注浆材料在强动压影响巷道加固中的应用[J].煤炭与化工，2022（12）：22-24.

　　[4]徐文超，何智颖，潘泓泽，等.水反应高聚物注浆材料扩散特性现场试验研究[J].广东土木与建筑，2023（1）：103-105.

　　[5]张增誉.安全型聚氨酯加固材料的制备及防火性能研究[J].煤炭科学技术，2020（12）：148-152.