CN103242023A

CN103242023A - 一种黄泥浆添加凝胶防遗煤自燃材料

Info

Publication number: CN103242023A
Application number: CN2013101806788A
Authority: CN
Inventors: 黄志安; 高玉坤; 张英华; 周佩玲; 王辉; 黄梦钰
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: CN103242023B

Abstract

本发明公开了一种黄泥浆添加凝胶防遗煤自燃材料，结合了黄泥灌浆的广泛性和胶体的防灭火性，研制了一种低成本并且灭火性能好的矿井采空区防灭火材料,由黄泥浆、基料、促凝剂、高分子添加剂组成，黄泥浆水土比为4：1，外加3～5wt%的基料，4.5～5.5wt%的促凝剂和0.72～0.78wt‰的高分子添加剂。促凝剂选用碳酸氢钠，高分子添加物为聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺。本发明材料含水量高、阻化效果良好、使用安全，成本比纯硅酸凝胶的低25%以上，而且需要的成胶时间越长，用的材料会越少，成本越低，是一种低成本高性能的新型矿井防灭火材料。

Description

一种黄泥浆添加凝胶防遗煤自燃材料

技术领域：

本发明属于防灭火材料领域，涉及一种预防矿井下采空区遗煤自燃的新型防灭火材料。

背景技术：

随着煤炭开采技术的高速发展，煤层自燃火灾防治形势越来越严峻，只要是易自燃工作面，就盲目地采取所有的现有防灭火技术措施，缺乏针对性和科学性。注氮技术在防灭火工作中发挥了很好的作用，但从长远看氮气在空气中占78%，高浓度的氮气防灭火效果才好，但在采空区密封高浓度的氮气存在效率低、运行成本高、技术复杂等问题，需要对惰气（氮气、二氧化碳）进行进一步优化；液态黄泥灌浆是较早的防灭火技术，那时工作面较小，而今面对二、三百米长的工作面和超大采空区，要想用黄泥浆覆盖浮煤十分困难，一旦产生火情，液体往低处流动的特点使得该技术很难派上用场，反应迟钝，可靠性差；均压防灭火技术应用的前提是有效的密封，堵漏风技术很多，聚氨酯泡沫材料、氨类胶体材料和泡沫水泥材料等成本相差很大、效果不同，需要进一步优化。

发明内容：

本发明的目的在于结合黄泥灌浆的广泛性和凝胶的防灭火性，研制一种预防矿井采空区遗煤自燃的新型防灭火材料，具有适用性强、可靠性高、成本低、针对性好等特点。

本发明旨在对固液两态防灭火材料进行实验室优化研究，最终研制出最佳材料配比，全面提高采空区的防灭火水平，大幅度降低防灭火成本，提高防灭火技术的可靠性、针对性、有效性，具有巨大的经济效益和社会效益。

黄泥浆添加凝胶材料防灭火机理：黄泥浆添加凝胶材料是一种向泥浆中加入一定量的凝胶基料，再加入一定比例的促凝剂即可通过化学反应形成的复合胶体。复合胶体中的主体骨架为网状结构的二氧化硅，泥浆中的土则主要以混合物杂质的形态充填于网状结构骨架之间。由于黄泥浆添加凝胶材料的水被固定在凝胶网状结构内，因而其蒸汽压较低，在高温下失水速度较慢。自由水在100℃附近吸收热能使分子运动平均能量增加，部分能量高的水分子脱离分子间的相互作用而成为气态。由于复合胶体中的水分与网状结构的骨架间作用力大于水分子间力，所以其脱水速度比水慢得多。

黄泥浆添加凝胶材料是将黄泥灌浆的广泛性和凝胶的防灭火性有效的结合在了一起，凝胶由水、基料和促凝剂组成。对于化学反应形成的凝胶，成胶原料是牛顿流体，其黏度很小，因此流动方便，但是如果成胶时间掌控不好，造成煤体仅被原料溶液湿润，不能在需要的地方形成足够的凝胶，因此考虑在原料中还加入一种高分子材料，保证灌注胶体进入煤层裂隙后，渗流速度减慢，黏度增加，最终滞留在煤层中合适的位置。同时，加入的高分子材料还能够在高分子链段控制大量水分子的同时与泥浆颗粒物间发生架桥作用的结果，泥浆颗粒物填充在高分子网状胶体结构之间，还能起填充和增加强度的作用。

一种黄泥浆添加凝胶防遗煤自燃材料，其特征在于：由黄泥浆、基料、促凝剂、高分子添加剂组成，黄泥浆水土比为4：1，外加3～5wt%的基料，4.5～5.5wt%的促凝剂和0.72～0.78wt‰的高分子添加剂。

所述基料为水玻璃，促凝剂为碳酸氢钠，高分子添加剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺。

以最终确定的组分配置的黄泥浆凝胶材料无毒、无味，使用安全，对工作环境和工人健康不会造成影响；成胶过程是吸热过程，故具有吸热降温功能，含水量在80%以上，最高可达86%；成胶前易于流动，成胶后成固态胶体状，具有液体的渗透堵漏功能；黄泥浆添加凝胶材料的成本比纯硅酸凝胶的低25%以上，而且需要的成胶时间越长，用的材料会越少，成本越低，奠定了其推广使用的基础。

附图说明

图1为各因素和成胶时间的关系，

图2为程序升温实验一氧化碳浓度随温度变化曲线，

图3为程序升温实验氧浓度随温度变化曲线，

图4为程序升温实验甲烷浓度随温度变化曲线。

具体实施方式：

实施例1：黄泥浆添加凝胶材料的配比确定

黄泥浆添加凝胶材料主要由黄泥浆、水、促凝剂、高分子添加物组成。选择影响黄泥浆添加凝胶材料成胶时间的主要因素为：A—水土比，B—基料的用量%（占浆液质量），C—促凝剂的用量%（占浆液质量），D—高分子添加物的用量‰（占浆液质量），每个因素取三个水平，具体如表1所示。

表1黄泥浆添加凝胶材料的影响因素及因素水平

根据表1黄泥浆添加凝胶材料成胶时间的影响因素及各因素水平，选择L₉(3⁴)正交实验表安排实验，实验顺序安排和各实验的最终结果如下表2所示。

表2黄泥浆添加凝胶材料配比安排及试验结果

黄泥浆添加凝胶材料配比与成胶时间关系的试验结果见表2。采用数理统计中的正交设计方法安排试验，用极差分析方法分析试验结果，如下表3和图1所示。

表3极差分析结果

注：K₁K₂K₃分别表示各因素水平的均值，表示极差R。

综合分析表4-9和图4-3，可以看出：

1）比较极差值，C＞B＞D＞A，即黄泥浆添加凝胶各因素对成胶时间的影响主次顺序及强弱为：C—B—D—A，即：促凝剂—基料—高分子—水土比。

2）促凝剂对黄泥浆添加凝胶成胶时间的影响最大。促凝剂的用量大，凝胶成胶时间短，反之则成胶时间长。促凝剂的用量在3%～5%时对凝胶成胶时间影响最大，当促凝剂的用量大于5%时，其用量变化对成胶时间的影响减弱。

3）基料用量大小对黄泥浆添加凝胶成胶时间的影响次之。随着基料用量增大，凝胶成胶时间减少。基料用量在2%～4%时对凝胶成胶时间影响最大，当基料用量大于4%时，其用量变化对成胶时间的影响减弱。

4）水土比在3:1～5:1时对黄泥浆添加凝胶成胶时间的影响不明显。

实施例2：成本分析

黄泥浆添加凝胶材料的成本跟使用时对成胶时间的要求有关，成胶时间不同，材料配比不一样，所用材料成本也不一样。根据最后实验得到的最佳配比成胶时间为3.24min时，将纯硅酸凝胶和黄泥浆添加凝胶的原材料的使用量和成本进行对比分析，见表4。

由表4中数据计算可知，在成胶时间相同的情况下，最佳配比的黄泥浆添加凝胶材料的成本比纯凝胶低了25%以上。

表4胶体原材料成本对比分析

应用实例：

利用程序升温程序和气相色谱仪，通过对比分析，对黄泥浆添加凝胶材料在抑制煤炭氧化自燃过程的作用效果进行分析验证。

实验对比材料和配比如表5：

表5对比试验材料和配比方式

下面分别对表5中的材料进行升温程序实验，并使用气相色谱仪分析一氧化碳、氧气及甲烷浓度的变化：

由图2、图3、图4可以看出：

（1）黄泥浆添加无机和有机材料处理的煤样的一氧化碳产生率增长比纯黄泥浆处理的慢，证明它们的保水能力比纯黄泥浆要好，最佳配方处理的煤样的一氧化碳产生率增长更为缓慢，说明其保水能力最好。

（2）四种固液两态材料对煤的耗氧速率的影响和一氧化碳产生量的影响一致，都具有一定的抑制作用，其中最佳配方的抑制效果最好。

（3）最佳配方等固液两态材料在130℃以上明显降低了甲烷的产生量，对煤体氧化升温起到了减缓阻化作用。

Claims

1.一种黄泥浆添加凝胶防遗煤自燃材料，其特征在于：由黄泥浆、基料、促凝剂、高分子添加剂组成，黄泥浆水土比为4：1，外加3～5wt%的基料，4.5～5.5wt%的促凝剂和0.72～0.78wt‰的高分子添加剂。

2.根据权利要求1所述的黄泥浆添加凝胶材料，其特征在于：基料为水玻璃，促凝剂为碳酸氢钠。

3.根据权利要求1所述的黄泥浆添加凝胶材料，其特征在于：高分子添加剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺。

4.根据权利要求1所述的黄泥浆添加凝胶材料，其特征在于：在水土比和基料用量一定时，促凝剂用量与成胶时间的关系符合回归方程式t=aC_B ^-b，其中C_B—促凝剂的用量wt%，t—初凝时间min，a，b为系数，使用时可根据需要的成胶时间计算出促凝剂的用量。