一种用于高压大流量岩溶突涌水治理的膨胀高分子注浆材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于高压大流量岩溶突涌水治理的膨胀高分子注浆材料的制备方法，属于地下工程封堵材料技术领域。所述方法包括：1)在丙烯酸中加入交联剂；然后加入高分子吸水树脂共聚单体进行聚合反应，得到前驱体；2)在步骤1)中得到的前驱体中加入引发剂，升温，反应后得到水凝胶，将水凝胶绞碎，得到初级高分子吸水树脂；3)将表面交联剂喷洒到步骤2)得到的初级高分子吸水树脂表面，再将产物烘干；4)将无机导水剂制备成悬浊液，将该悬浊液喷洒到步骤3)得到的产物上，烘干，即得膨胀高分子注浆材料。本发明专利技术的高分子注浆材料有效解决了注浆材料在涌水条件下难以留存的技术难题；且绿色无污染、膨胀时间可调，膨胀倍率高达304倍。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高压大流量岩溶突涌水治理的膨胀高分子注浆材料及制备方法
本专利技术属于地下工程封堵材料
，尤其涉及一种用于封堵高压大流量岩溶突涌水的膨胀高分子注浆材料及制备方法。
技术介绍
涌突水是地下工程的主要地质灾害之一，我国地下工程建设越来越受到重视，面临的地质条件也逐渐复杂起来，在地下工程的建设过程中，极易遇到富水断层等不良地质构造，容易发生塌方、突涌水及围岩大变形等地质灾害。特别是富水破碎带区域，围岩比较破碎，涌水量较大。实践表明，注浆是治理涌突水的有效技术手段，例如，中国专利文献201610770793.4公开了一种环保型弹性丙烯酸盐灌浆材料及使用方法，所述环保型弹性丙烯盐酸灌浆材料包括A组份：丙烯酸酯、交联剂I、交联剂II、促进剂；B组份：水、引发剂。该环保型弹性丙烯酸盐灌浆材料具有注浆粘度低，固结物延伸率可达200％以上，环保等优点，可用于长期有水环境伸缩移动缝的防渗堵漏。然而，该灌浆材料具有环保无毒的优点，适用于伸缩缝的防渗堵漏，但不适宜在高压大流量水流下作业，易被稀释，难以胶凝，且双组份灌浆材料限制了其使用与发展。中国专利文献201711475087.8公开了一种丙烯酸盐水溶液灌浆材料及其制备方法，该灌浆材料包括：A组份为丙烯酸盐水溶液、交联剂和促进剂；B组份为水、水性高分子乳液和引发剂。该丙烯酸盐水溶液灌浆材料具有注浆粘度低，强度高，干燥环境收缩率低等特点，显著提高堵漏风险。然而，这种丙烯酸盐灌浆料主要用于控制下水道水渗透、稳固和凝固疏松的土壤，并不适用于封堵高压大流量突涌水，因为B组分易在动水冲刷下被稀释而无法使得A组分胶凝，其双组份灌浆材料的形式限制了在涌水封堵方面的使用。中国专利文献201010172263.2公开了一种速凝高强膨胀性矿山封孔材料,它由原料高铝水泥、柠檬酸、石灰、石膏、十二烷基硫酸钠配制而成。该材料可在高水灰比的条件下快速凝固、凝固过程中体积膨胀(1天最大自由膨胀率可达10％以上)，且固结体强度较高(1天强度达3～4MPa)。但该速凝高强膨胀性矿山封孔材料属于无机化学材料，主要用作对矿山围岩的加固及注浆孔的封堵，具有一定的膨胀效果，但膨胀倍率仅为10％，并不能实现对岩溶管道及破碎带突涌水的封堵治理。中国专利文献201110007241.5公开了一种地下工程用高分子聚合加固堵水注浆材料及其施工工艺，该注浆材料由树脂和催化剂两种低粘度液态物组成，该注浆材料由树脂和催化剂两种低粘度液态组分组成，反应后生成惰性泡沫，有很高的膨胀率。然而，这种高分子聚合加固堵水注浆材料属于聚氨酯类灌浆材料，由聚醚多元醇与多异氰酸酯反应而来，具有发泡膨胀的特点，适用于煤岩体加固、裂缝填补及渗漏水的防治，但该高分子聚合加固堵水注浆材料易在大流量突涌水条件下被稀释，沿水流前进方向形成条带状凝胶体，被携带至地层深处，不具有突涌水封堵的效果。中国专利文献201711162326.4公开了一种膨胀性软岩巷道注浆材料，该注浆材料由基体组分和外掺组分组成，基体组分包括超细水泥、粉煤灰、硅粉，外掺组分包括高效减水剂、石墨粉稳定剂。该注浆材料制成的浆液流动性和稳定性好、早后期强度高、抗渗性和耐久性好，能够抑制膨胀性软岩巷道注浆过程围岩吸水膨胀产生的变形，避免浆液注入引起的围岩裂隙闭合，应用后能显著提高膨胀性软岩巷道围岩裂隙的可注性和堵水加固性能。但该注浆材料属于无机化学材料，主要由水泥粉煤灰组成，用作提高膨胀性软岩巷道围岩裂隙的可注性和堵水加固性能，主要解决的工程问题是围岩裂隙引起的渗漏水灾害，并不适用于岩溶管道中高压大流量的突涌水地质灾害。另外，对于隧道及煤矿开挖过程中存在的突涌水灾害而言，其涉及的不仅是如何封堵的问题，还必须考虑封堵材料的环保性、封堵效果、封堵方式等问题，但在大裂隙突涌水工况下，以水泥为主体的注浆材料虽然具有价格便宜、环保且加固断层破碎带的效果，但这类材料不仅初终凝时间较长，而且抗水冲刷性较差，在富水地层中易被冲刷，导致这类材料在涌水封堵时在地层中留存率低，每米单耗水泥几吨仍然达不到封堵结束标准，注浆封堵效果不理想。而普通化学类注浆材料，如聚氨酯灌浆材料，虽然具有胶凝时间可控的优势，但是在动水冲刷下，容易顺水流形成线状固结体被水冲出。为此，针对隧道及煤矿开挖过程中存在的突涌水灾害，急需研发胶凝时间可控、堵水能力强、具有膨胀性能的绿色化学注浆材料。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术旨在提供一种用于高压大流量岩溶突涌水治理的膨胀高分子注浆材料及制备方法。本专利技术的高分子注浆材料在吸水膨胀后可有效地卡在富水破碎带岩块之间，不断积聚，增加裂隙中水的粘滞力，减少富水破碎带的过水断面，有效降低涌水流量，实现富水破碎带的突涌水治理。本专利技术的高分子注浆材料有效地解决了注浆材料在涌水条件下难以留存的技术难题；同时，本专利技术的注浆堵水材料具有绿色无污染、膨胀时间在1-60分钟可调，膨胀倍率高达101-304倍的特点。本专利技术的第一目的，提供用于高压大流量岩溶突涌水治理的膨胀高分子注浆材料的制备方法。本专利技术的第二目的，提供上述方法制备的膨胀高分子注浆材料。本专利技术的第三目的，提供上述方法制备的膨胀高分子注浆材料的组合物。本专利技术的第四目的，提供上述膨胀高分子注浆材料的制备方法及其制备的产品以及该产品的组合物的应用。为实现上述目的，具体的，本专利技术公开了下述技术方案：首先，本专利技术公开一种用于高压大流量岩溶突涌水治理的膨胀高分子注浆材料的制备方法，包括如下步骤：(1)在丙烯酸中加入交联剂；然后加入高分子吸水树脂共聚单体进行聚合反应，得到前驱体；通过聚合反应可以将高分子吸水树脂共聚单体接枝到丙烯酸单体表面，进一步增加丙烯酸单体的吸水性，提高注浆材料的封堵性能。另外，本专利技术采用的前驱体的合成方法为静态溶液聚合法，这种方法是将聚合单体和交联剂等添加剂配成溶液，再置于一定温度下反应，操作简单、成本低；(2)在步骤(1)中得到的前驱体中加入引发剂，升温，反应后得到水凝胶，将水凝胶绞碎，得到初级高分子吸水树脂；(3)将表面交联剂喷洒到步骤(2)得到的初级高分子吸水树脂表面，再将产物烘干，备用；在表面喷洒表面交联剂可以有效调控初级高分子吸水树脂表面的交联度，从而使初级高分子吸水树脂具备延迟膨胀以及高胶凝强度的特性；(4)将无机导水剂制备成悬浊液，将该悬浊液喷洒到步骤(3)烘干得到的产物上，烘干，即得颗粒状的膨胀高分子注浆材料。步骤(1)中，所述丙烯酸的质量浓度为25-45％。试验表明：随着单体浓度的增加，高分子吸水树脂吸水倍率有不同程度的下降，当单体浓度低于25％时，难以聚合形成凝胶，并且由于过量水溶性物质的存在，不能准确地测定高吸水树脂的吸水倍率。另外，可用去离子水将丙烯酸稀释至设定浓度，既方便也不会引入杂质。步骤(1)中，所述高分子吸水树脂共聚单体包括聚乙烯醇、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或丙烯腈。这些树脂类高吸水性树脂原料来源丰富、价格低廉，而且具有防腐防变，能够长期保存、综合吸水性能优良的特点；但也不排除淀粉系及纤维素系高分子吸水树脂作为超高膨胀注浆堵水材料的原料，例如：用淀粉、羟乙基纤维素、甲基纤维素或羧甲基纤维素等作为高分子吸水树脂共聚单体。步骤(1)中，所述高分子吸水树脂共聚单体的添加比例为步骤(1)中丙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高压大流量岩溶突涌水治理的膨胀高分子注浆材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)在丙烯酸中加入交联剂；然后加入高分子吸水树脂共聚单体进行聚合反应，得到前驱体；(2)在步骤(1)的前驱体中加入引发剂，升温，反应后得到水凝胶，将水凝胶绞碎，得到初级高分子吸水树脂；(3)将表面交联剂喷洒到步骤(2)的初级高分子吸水树脂表面，将得到的产物烘干，备用；(4)将无机导水剂制备成悬浊液，将该悬浊液喷洒到步骤(3)烘干得到的产物上，烘干，即得膨胀高分子注浆材料。

【技术特征摘要】
1.一种用于高压大流量岩溶突涌水治理的膨胀高分子注浆材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)在丙烯酸中加入交联剂；然后加入高分子吸水树脂共聚单体进行聚合反应，得到前驱体；(2)在步骤(1)的前驱体中加入引发剂，升温，反应后得到水凝胶，将水凝胶绞碎，得到初级高分子吸水树脂；(3)将表面交联剂喷洒到步骤(2)的初级高分子吸水树脂表面，将得到的产物烘干，备用；(4)将无机导水剂制备成悬浊液，将该悬浊液喷洒到步骤(3)烘干得到的产物上，烘干，即得膨胀高分子注浆材料。2.一种用于高压大流量岩溶突涌水治理的膨胀高分子注浆材料的制备方法，其特征在于：如权利要求1所述的制备方法中，步骤(1)中制备前驱体时，首先用碱液对丙烯酸进行不完全中和，得到含有丙烯酸的不完全中和液，然后将该不完全中和液与交联剂混合后，再与高分子吸水树脂共聚单体进行聚合反应，得到前驱体，后续步骤与权利要求1所述的制备方法中步骤(2)-(4)一致；优选地，所述不完全中和液的中和度保持在40％-90％之间；或者，所述碱液包括氢氧化钠、氢氧化钙或两者的混合液；优选地，所述碱液的质量浓度为20-50％。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述丙烯酸的质量浓度为25-45％；或者，步骤(1)中，所述高分子吸水树脂共聚单体的添加比例为步骤(1)中丙烯酸质量的0.5-20％；或者，步骤(1)中，所述交联剂的添加比例为步骤(1)中丙烯酸质量的0.5-2％；或者，步骤(2)中，所述引发剂的添加比例为步骤(1)中丙烯酸质量的0.1-0.7％；或者，步骤(3)中，所述表面交联剂的添加比例为步骤(2)中初级高分子吸水树脂质量的3-6％；或者，步骤(4)中，所述无机导水剂的添加比例为初级高分子吸水树脂质量的0.5-1.5％。4.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述高分子吸水树脂共聚单体包括聚乙烯醇、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或丙烯腈；或者，步骤(1)中，所述交联剂包括N,N-亚甲基双丙烯酰胺、双季戊四醇六丙烯酸酯、季戊四醇四酯、季戊四醇三烯丙基醚、季戊四醇三丙烯酸酯、聚乙二醇二缩水甘油醚、乙氧基化甘油三丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种或多种的组合物；或者，步骤(2)中，所述引发剂包括：无机过氧化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，刘人太，马晨阳，刘衍凯，王振军，张春雨，周恒，陈熠熠，李修浩，周志敏，张常东，李福霜，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37