在煤矿采掘过程中，经常会遇到松软岩层、破碎带等特殊工况，这些煤岩层可能形成力学性能最差的软弱夹层而严重影响煤矿的安全、高效生产。实践证明，采用聚氨酯加固材料对煤岩体进行注浆加固，是一种科学、安全、有效的技术手段。 

１． １　 主要原料

    多异氰酸酯，ＰＭ２００，工业级，万华化学集团股 份有 限 公 司；聚 醚 多 元 醇 ＳＨ － ３０５ （ 羟 值３５０ ｍｇＫＯＨ ／ ｇ），工业级，河北亚东化工集团有限公 司；植物油基聚醚多元醇，ＺＷ － Ａ，ＺＷ － Ｂ、ＺＷ － Ｃ，工业级；增塑剂（ＰＡ），工业级，苏州伊格特化工有限公司；阻燃剂（ ＦＲ）、稳定剂（ ＦＡ）均为工业级，扬州 晨化科技有限公司；催化剂，自制。

１． ２　 实验仪器

    旋转黏度计，ＮＤＪ － ５Ｓ，上海昌吉地质仪器有限 公司；凝胶渗透色谱仪，Ｂｒｅｅｚｅ２，美国 Ｗａｔｅｒｓ 公司；

    电子 万 能 试 验 机 （ ＣＭＦ － ２０ ）、 压 力 试 验 机（ＹＡＷ － ３００Ｂ），济南联工测试技术有限公司；

１． ３　 植物油多元醇改性煤矿加固材料的制备

    煤矿加固材料为双组分的注浆材料，使用时为１∶ １等体积配比使用。Ａ、Ｂ 组分的主要成分分别为 多元醇组分、多异氰酸酯组分。Ａ 组分的制备：将植物油基多元醇／ 聚醚多元醇 与催化剂、阻燃剂、增塑剂等按比例搅拌、混合均匀 制得植物油基多元醇改性煤矿加固材料 Ａ 组分。Ｂ 组分的制备：将 ＰＭ２００ 与阻燃剂等添加剂按 比例搅拌、混合均匀制得植物油基多元醇改性煤矿 加固材料 Ｂ 组分。

    加固材料的制备：将 Ａ、Ｂ 组分按体积比 １∶ １混合，经搅拌器混合均匀，倒入适宜的模具中制得植物油基 多元醇改性煤矿加固材料。本实验合成的煤矿加固材 料，采用的催化剂类型、用量一致，活性官能团之比（—ＮＣＯ／ —ＯＨ）相同，即异氰酸酯指数固定为１． ０５。

１． ４　 性能测试

    （１）植物油基多元醇羟值按照 ＧＢ ／ Ｔ １２００８． ３— ２００９ 中的邻苯二甲酸酐酯化法测定；（２）植物油基多元醇酸值按照 ＧＢ ／ Ｔ １２００８． ５— ２０１０ 方法测定；（３）植物油基多元醇分子量采用凝胶渗透色谱 法（ＧＰＣ）测试；（４）植物油基多元醇、加固材料黏度按照 ＧＢ ／ Ｔ １２００８． ７—２０１０ 中的旋转黏度计法测定；（５） 加固材料凝胶时间，参照 ＧＢ ／ Ｔ ３３３１５— ２０１６，以 Ａ、Ｂ 组分在 ２５ ℃下，搅拌均匀后由液态变 为不再有树脂细丝带出的时间计为煤矿加固材料的凝胶时间；（６ ） 加 固 材 料 抗 压 强度、 抗 拉 强 度 按 照ＡＱ １０８９—２０１１《煤矿加固煤岩体用高分子材料》规 定进行测试。 

２． １　 植物油基多元醇的测试分析

    植物油基多元醇的分子量及官能度对制备聚氨酯材料的性能至关重要，它们直接决定了植物油基多元醇的反应活性及生成聚氨酯煤矿加固材料的软段结构。本研究采用 ＧＰＣ 研究了几种植物油基多元醇数均分子量 Ｍｎ 及分散度，结果如图 １ 所示。 

    从图 １ 可以看出，植物油基多元醇分子结构复杂，不同型号分子量也差别较大。为此，实验测试了植物油基多元醇的其它性能参数，综合分析其分子 量、羟值和平均官能度等指标，进而考察其对加固材料性能的影响更有意义。同时，植物油基多元醇的平 均官能度（ｆ）与羟值、分子量存在式（１）的关系。

    将测试的羟值和平均分子量带入式（１），计算出的植 物油基多元醇的平均官能度所示结果如表 １。 

    式中：Ｍｎ 为植物油基多元醇分子量；ＯＨ 为植物油基多元醇的羟值。 

    由表 １ 可知，（１）植物油多元醇的黏度相差较 大，一般而言，分子量越大，黏度越大，故ＺＷ － Ａ 具 有较大黏度，ＺＷ － Ｂ 黏度较小。另一方面，黏度还 与植物油基多元醇分子结构有关，ＺＷ － Ａ 结构中虽 然具有较长链段，但分子量分布较 ＺＷ － Ｃ 更宽，小 分子量的组成起到稀释大分子链段作用，使得其最终黏度要小于 ＺＷ － Ｃ。因植物油基多元醇的黏度直接影响了加固材料产品的最终黏度，这也制约了 其在加固材料中的替代量。（２）计算得出的ＺＷ － Ａ和 ＺＷ － Ｃ 的平均官能度非常接近，但二者分子量 的相差接近一倍，说明含有单位羟基的植物油基多元醇中，ＺＷ － Ａ 分子结构中包含更长的分子链段，而 ＺＷ － Ｃ 具有更短的分子链段。（３） ＺＷ － Ｂ 具有

２． ２ 的官能度，容易与 ＰＭ２００ 结合成长链的大分子 结构，而较少的交联网状大分子结构。

２． ２　 植物油多元醇对材料黏度／ 凝胶时间的影响

    为了保证煤矿加固材料在煤岩层中具有较好的补强加固效果，加固材料需具有较好的渗透扩散性。加固材料的黏度过大、凝胶时间过小将影响加固材料 的渗透扩散性，也将影响最终加固效果。以 ３ 种不同 型号植物油基多元醇替代 ３０％ 的聚醚多元醇合成煤 矿加固材料，材料的黏度及凝胶时间如表 ２ 所示。 

    由表 ２ 可知，（１）因 ＺＷ － Ｃ 具有较多的活性基 团，且本身分子量适中，位阻效应不明显，表现出活性强，凝胶时间最短；（２） ＺＷ － Ａ 合成的加固材料凝胶时间最长，主要因为其本身虽然有较多的活性基团—ＯＨ，但本身长链结构及由此产生的位阻效应，显著降低了材料的反应活性；（３）虽然植物油基多元醇ＺＷ － Ｂ 活性—ＯＨ 基团少，但本身分子量 小，分子结构的短链结构使得其扩散性好，反应活性 居中。

    从加固材料的黏度可以看出：受植物油基多元 醇本身黏度的影响，３０％ 植物油基多元醇制备的加固材料 Ａ 组分的黏度大小趋势与植物油多元醇的黏度大小趋势一样。上述 ３ 种植物油基多元醇制备 的加固材料的黏度在 ２００ ～ ５００ ＭＰａ·ｓ，均符合使用要求。

２． ３　 植物油多元醇对材料力学性能的影响

２． ３． １　 不同型号植物油多元醇对力学性能的影响
    以 ３ 种不同型号植物油基多元醇替代 ３０％ 的聚醚多元醇合成煤矿加固材料，考察了煤矿加固材 料的抗压强度、抗拉强度，结果如表 ３ 所示。 

    由表 ３ 可知，（１）因植物油基多元醇 ＺＷ － Ｃ 具有适宜的分子结构，能形成较好的交联密度和硬段链段，表现出最接近石化基加固材料的力学性能；（２）植物油基多元醇 ＺＷ － Ａ 虽然具有较多的官能度，但分子本身的链段较长，造成交联密度不够，影响 了力学性能，尤其对抗拉强度的负面影响较大。同样由于 ＺＷ － Ｂ 分子结构中官能度的不足，不能形成足 够多的交联结构，也影响了加固材料的力学性能。

２． ３． ２　 植物油多元醇不同替代量对力学性能的影响
    由于 ＺＷ － Ｃ 植物油基多元醇制备加固材料具有较好的综合性能，以 １０％ ～ ９０％ 比例的 ＺＷ － Ｃ植物油基多元醇替代石化基聚醚多元醇合成煤矿加固材料，考察了煤矿加固材料的抗压强度、抗拉强度，结果如图 ２ 所示。 

    从图 ２ 可以看出，（１） 随着植物油基多元醇替 代比例的增加，加固材料的抗压强度、抗拉强度呈逐 渐降低趋势。这主要由于植物油基多元醇本身来自 含不同羧酸甘油酯的植物油，具有不规整、复杂的化 学结构，使得制备的加固材料结构的不规整性，进而 影响了加固材料的力学性能。（２）当植物油基多元醇 替代比例小于 ５０％ 时，加固材料的抗压强度和抗拉 强度较高，而且加固材料的黏度较低，注浆渗透扩散性更好。当替代比例超过 ５０％ 时，力学性能降低较 多，并且加固材料的黏度增加较多，会影响其渗透性，在实际应用中将进一步影响加固材料的加固效果。（３）综合分析加固材料的性能，植物油基多元醇ＺＷ － Ｃ 在煤矿加固材料中的适宜质量分数为 ３０％左右。