一种煤矿堵漏风仿生自愈合材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤矿堵漏风材料技术领域，尤其涉及一种煤矿堵漏风仿生自愈合材 料。
【背景技术】
[0002] 煤炭自燃是我国煤矿安全生产的重大隐患之一。煤炭自燃引发的火灾不但造成大 量的人员伤亡和严重的经济损失，还会引起大面积的环境污染，植被破坏，土壤沙漠化等问 题。漏风是造成煤炭自燃的重要原因之一，充填堵漏风是防治煤层自燃的关键技术。因此， 研发经济实用、绿色环保的封堵风材料，对于提高煤炭防灭火水平，保证煤炭安全生产具有 重要意义。
[0003] 目前，国内外煤矿堵漏风材料主要包括石灰-石膏轻质充填材料、水玻璃凝胶、复 合胶体、胶体泥浆、高分子凝胶、泡沫水泥、粉煤灰泡沫、浆体喷涂材料、聚氨酯泡沫(马丽 散)、酚醛泡沫(罗克休)、脲醛泡沫(艾格劳尼)和聚氨酯弹性体等材料。这些充填堵漏风材料 对保证矿井安全生产起到重要作用，但还存在一些问题：如石膏浆液脱水后体积收缩，易造 成封堵不严；水玻璃-铵盐凝胶在使用过程中会放出有毒气体，对井下环境造成污染；无氨 凝胶、复合胶体、胶体泥浆等材料虽解决了氨气的污染问题，但这些凝胶材料的密闭效果具 有时限性，材料失水后体积收缩，产生裂隙，不能实现永久密闭；泡沫水泥、固化粉煤灰等材 料成本低廉，但其抗压能力弱，容易产生裂隙，形成漏风通道。聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、脲醛 泡沫和聚氨酯涂层等高分子材料具有施工速度快，硬化时间短，粘结强度高，气密性好，整 体抗压能力强等特点，但这些材料普遍存在成本高、产热多、安全隐患大等问题。由此可见， 现有的堵漏风材料均存在不同程度的缺陷，为保障煤矿通风安全，防止火灾的发生，迫切需 要跳出现有的理论和技术框架，寻找更为有效的堵漏风材料。
[0004] 堵漏风材料在矿压作用下不可避免地会产生大量微裂隙，如果不能及时发现并修 复这些裂隙，将会连通采空区，形成漏风通道，进而较易引发采空区煤层自燃。因此，如何有 效快速修复这些微裂隙就成为本领域内面临的一个亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005] 为了解决目前煤矿堵漏风材料存在的问题，本发明创新性的提出了一种煤矿堵漏 风仿生自愈合材料，具有自动检测、自动愈合，适度膨胀、快速凝结，输送性好、固结性强等 特点，改变传统的被动式堵漏风为主动式堵漏风，提高了材料的堵漏效果和使用寿命。
[0006] 本发明采取的技术方案是： 一种煤矿堵漏风仿生自愈合材料，其特点在于所述的仿生自愈合材料是由快凝膨胀材 料、内含愈合剂的微胶囊、催化剂和骨料组成，所述煤矿堵漏风仿生自愈合材料的重量百分 比组成是：快凝膨胀材料60-90 %、内含愈合剂的微胶囊10-30 %、催化剂0-3 %、骨料含量 30-70%〇
[0007] 以上所述的快凝膨胀材料由水泥熟料、粉煤灰、钢渣、石粉、盐泥、电石渣、膨胀剂、 减水剂、沙子中的几种在掺水条件下混匀制成。
[0008] 以上所述的微胶囊由高分子树脂壁材和愈合剂芯材构成，壁材包覆芯材，呈微胶 囊形状，其中微胶囊的高分子树脂壁材为脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、三聚氰胺脲醛树脂 和聚氨酯中的一种或几种制成。
[0009] 以上所述的愈合剂为聚氨酯预聚体、异氰酸酯、酚醛树脂、环氧树脂、苯乙烯、丙烯 酸酯类、烯烃、正丁基缩水甘油醚中一种或几种，其中烯烃可为双环戊二烯（DCPD)。
[0010] 以上所述催化剂为格拉布（Grubbs)催化剂、二月桂酸二丁基锡和胺类中的一种或 几种。
[0011] 以上所述的膨胀剂为铝粉。
[0012] 以上所述的减水剂为木质素磺酸钙、多环芳香族磺酸盐甲醛缩合物、萘系高效减 水剂中的一种或几种。
[0013] 以上所述的骨料为河沙、湖砂、山砂中的一种或几种。
[0014] 将本发明的煤矿堵漏风仿生自愈合浆体充填各类裂隙或漏风通道后，其具有自动 检测、自动愈合，适度膨胀、快速凝结，输送性好、固结性强等特点，改变传统的被动式堵漏 风为主动式堵漏风，提高了材料的堵漏效果和使用寿命。该材料的优势主要体现在以下几 个方面： (1)自动检测、自动愈合。该材料能模仿"人体伤口由破裂一流血一凝结一愈合的过程 (图1)"，通过在快凝膨胀材料中添加特殊组分(含愈合剂的微胶囊)，形成仿生自愈合系统， 当材料受外力作用出现裂纹时，微胶囊随之开裂，愈合剂溢出至裂纹处把裂纹面粘结在一 起，封堵漏风通道，提高材料强度，从而实现各类裂隙或漏风通道的自动检测、自动愈合，提 高材料的堵漏效果和使用寿命，堵漏率达80%以上，可自修复3次以上，比普通堵漏材料寿 命多出1-3倍。
[0015] (2)适度膨胀，快速凝结。该材料固化过程中伴随5-10%的体积膨胀，能与顶板、围 岩主动接顶，封闭严实；凝结时间较快，60-90 min固化。材料的膨胀特性与膨胀剂铝粉有 关，铝粉在碱性条件下与水反应生成氢气，当氢气达到一定量时，铝粉颗料表面就会形成一 个或数个气泡核，由于氢气的逐渐积累，气泡内压力就会随着逐渐加大，当内压力克服上层 料浆对它的重力和料浆的极限剪应力以后，气泡越来越大推动料浆向上膨胀；气泡长大后 内压力降低，膨胀就会接近停止。普通堵漏材料一般没有膨胀，不能够主动结顶。
[0016] (3)输送性好，固结性强。该材料具有良好流动性，可实现2 km左右的长距离输 送；能与河砂、尾砂等集料凝结固化，形成较高抗压强度，不容易产生裂隙。
[0017] (4)绿色环保，价格低廉。该材料可消耗大量电石渣、盐泥、芒硝、粉煤灰、水渣、钢 渣等固体废弃物，保护生态环境；利用的微胶囊技术简单成熟，采用的原材料成本低廉，具 有广泛的应用前景。
[0018] 综上所述，"煤矿堵漏风仿生自愈合材料"不同于传统的堵漏风材料，该材料使用 后体积不会收缩，无有毒气体放出，阻燃性好，抗静电，成低廉、绿色环保，是一种的理想堵 漏风材料。其产生自愈合效果的机理为：模仿"人体伤口由破裂一流血一凝结一愈合的过 程"，通过在胶凝材料中添加微胶囊(含愈合剂的微胶囊图1 )，形成仿生自愈合系统，当材料 受外力作用出现裂纹时，微胶囊随之开裂，愈合剂溢出至裂纹处把裂纹面粘结在一起，封堵 漏风通道，提高材料强度，从而达到自愈合的目的，消除漏风隐患。
【附图说明】
[0019] 图1为微胶囊结构示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。
[0021] 1.实施例： (1)脲-甲醛预聚体的制备：将尿素和甲醛溶液（质量分数为37%)按摩尔比1:1混合， 用三乙醇胺调节pH值为9-10,加热温度到60°C保温Ih。
[0022] (2)微胶囊的制备：将脲-甲醛预聚体冷却到室温，加入表面活性剂十二烷基氨 基丙酸钠〇. 5-1%或十二烷基苯磺酸钠0. 5-1%、或壬基酚聚氧乙烯0. 5-1% ;再加入质量为 脲-甲醛预聚体质量50-60%的囊芯材料（环氧树脂和正丁基缩水甘油醚混合物，环氧树脂 和正丁基缩水甘油醚配比为5:1、或酚醛树脂）；加入消泡剂正辛醇（占脲-甲醛预聚体质量 0. 2-1. 5%)，乳化25min，用稀硫酸调节pH值至2左右，升温到50-60°C之间保温2h，待反应 结束，冷却到室温，加入蒸馏水，真空抽滤，如此反复3次，得到的产品自然风干。
[0023] 将脲-甲醛预聚体溶解于乳液的连续相中，通过改变条件使脲-甲醛预聚体沉积 在两相的界面，最终形成包裹了分散相的微胶囊。在这个过程中，乳化剂的用量，搅拌速度， 酸性催化剂的种类、以及乳液的PH值等因素对微胶囊的形成有显著的影响作用。
[0024] (3)快凝膨胀材料的制备：将水泥熟料30%，石粉10%，钢渣20%，粉煤灰30%，盐泥 5%，电石渣1-3%，石膏5