CN103537038A - 煤岩体防灭火材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤岩体防灭火材料，属于一种矿用灭火材料和高温控制材料。该材料由水玻璃、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、羟乙基纤维素或羟丙基甲基纤维素构成，使用时加50-200倍重量份水而形成胶体，用于防灭火喷涂作业。该材料具有高含水、抗煤体氧化、干燥成膜致密性优、和煤体粘附力强、耐高温等优异性能，能有效实现对煤体密封隔氧、降温、阻止煤体氧化、隔热和灭火的目的。

Description

煤岩体防灭火材料

技术领域

本发明涉及一种煤岩体防灭火材料，具体而言，属于一种矿用灭火材料和高温控制材料。

背景技术

矿井火灾是直接威胁矿井安全生产的主要灾害之一。按矿内火灾引起的热源不同，可分为外源火灾和煤的自燃火灾两类。外源火灾是指由外来热源——明火(吸烟、灯火)、放炮、机械摩擦、电流短路等引燃可燃物造成的火灾。而自燃火灾是指由破碎状态存在的煤炭接触空气，氧化发热，热量集聚而导致着火的火灾。我国煤矿自然发火非常严重，有56％的煤矿存在自然发火问题，而我国统配和重点煤矿中具有自然发火危险的矿井约占47％，矿井自然发火又占总发火次数的94％，其中采空区自燃则占内因火灾的60％。

煤矿井下条件恶劣，如温度高、湿度大、散热差等环境条件，对井下生产安全构成严重威胁。特别是一些矿区的煤质具有内在水分高、挥发分高的特点，容易自燃，对井下采煤作业生产构成了很大的威胁。因此，煤的自燃火灾是当今煤矿防灭火技术研究的重点所在。

在矿井救灾过程中，因密闭不及时、密闭范围过大，控制火势时间较长，和快速密闭无法实现延时自动密闭，引起二次事故发生的事例也不胜枚举。造成这些事故及损失的主要原因是我国煤矿整体防灭火技术水平和装备能力与生产发展不相适应。

为了加强煤矿防灭火安全技术，我国从50年代起就在煤矿推广了黄泥灌浆防火技术，60年代至70年代又研究出了阻化剂防火、均压通风、高倍数泡沫灭火等技术，80年代至90年代则研究了矿井自然发火预测系统、惰气防灭火、快速高效堵漏风、带式输送机火灾防治等技术，并逐步形成适应普通采煤法和高产高效采煤法的综合防灭火技术。

时至今日，我国煤矿的自然发火形势依然严峻，矿井火灾防治工作仍然是矿井安全生产所面临的一项艰巨任务，因此，伴随技术的不断发展，煤岩体防灭火材料仍有待进一步完善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤岩体防灭火材料。

本发明所述的煤岩体防灭火材料由无机物和有机物两部分组成。使用时加50-200倍重量份水而形成胶体，用于防灭火喷涂和注胶等作业。

其中，无机物组分为水玻璃；所述的有机物包括聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、羟乙基纤维素(HEC)或羟丙基甲基纤维素(HPMC)；所述的煤岩体防灭火材料具有如下重量份配比：

1.水玻璃：0-50重量份；

2.聚丙烯酸钠：10-40重量份；

3.聚丙烯酰胺：5-20重量份；

4.羟乙基纤维素或羟丙基甲基纤维素：10-50重量份。

所述的重量份可以是吨、Kg、斤等常用的重量/质量单位。

水玻璃俗称泡花碱，是一种水溶性硅酸盐。其化学式为R₂O·mSiO₂，式中R₂O为碱金属氧化物，常用的水玻璃中R₂O为氧化钠或氧化钾两类。m为二氧化硅与碱金属氧化物摩尔数的比值，称为水玻璃的模数。本发明中的水玻璃可使用硅酸钠或硅酸钾。

本发明优选的水玻璃为硅酸钠。

所述的硅酸钠进一步优选使用模数为2.2-2.5。

模数是硅酸钠的重要参数，一般在1.5-3.5之间。模数越大，固体硅酸钠越难溶于水，m为1时常温水即能溶解，m加大时需热水才能溶解，m大于3时，需四个大气压以上的蒸汽才能溶解。硅酸钠模数越大，氧化硅含量越多，硅酸钠粘度增大，易于分解硬化，粘结力增大，因此不同模数的硅酸钠有着不同的用处。

本发明所述的硅酸钠还可以优选速溶粉状硅酸钠，又称速溶泡花碱、水合硅酸钠。其产品外观洁白，呈粉末状，均匀性好。运输、储存和使用非常方便。广泛应用于冶金、电力、石化及建材工业中。被用来做为不定形耐火材料中的粘结剂、工业清洗剂、防腐剂，在制皂和耐酸水泥、精细陶瓷工业以及精密铸造业的快干剂和增强剂等。速溶粉状硅酸钠产品还具有液体泡花碱所具有的一切性能和应用。

速溶粉状硅酸钠分子式Na₂O·mSiO₂·nH₂O，是硅酸钠的水合物，式量一般在280-350之间。与通过机械粉碎的无水粉末状硅酸钠相比，速溶粉状硅酸钠在水溶速度、纯净程度等方面，具有优势。速溶粉状硅酸钠属于精细化工产品，系对干法(芒硝法、纯碱法)泡花碱经过化料、过滤、调模、喷雾干燥等加工过程制得的。

上述水玻璃的加入量为0-50重量份。

聚丙烯酸钠，CAS号为9003-04-7，英文名Sodium polyacrylate，缩写PAAS或简称PAA-Na，是一种水溶性直链高分子聚合物。商品形态的聚丙烯酸钠，相对分子质量一般为10³-10⁷数量级，随着相对分子质量增大，聚丙烯酸钠可以无色稀溶液，透明弹性胶体，乃至固体形态存在。性质、用途也随相对分子质量不同而有明显区别。

固体商品为白色粉末或颗粒，无臭无味，遇水膨胀，易溶于苛性钠水溶液。吸湿性极强。具有亲水和疏水基团的高分子化合物。缓慢溶于水形成极粘稠的透明液体，粘性并非吸水膨润(如羧甲基纤维素CMC，海藻酸钠)产生，而是由于分子内许多阴离子基团的离子现象使分子链增长，表现粘度增大而形成高粘性溶液。其粘度约为CMC、海藻酸钠的15-20倍。加热处理、中性盐类、有机酸类对其粘性影响很小，碱性时则粘性增大。不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂。强热至300度不分解。久存粘度变化极小，不易腐败。因系电解质，易受酸及金属离子的影响，粘度降低。遇足量二价以上金属离子(如铝、铅、铁、钙、镁、锌)形成其不溶性盐，引起分子交联而凝胶化沉淀。但是二价金属离子量少时仍为溶液，因此可作为洗涤助剂，起到防止污垢再沉积的作用。pH＝4.0以下时可能产生沉淀。

本发明使用的聚丙烯酸钠选用高分子量产品作为原料，分子量优选为10⁶-10⁷。

所述的聚丙烯酸钠加入量为10-40重量份。

聚丙烯酰胺(PAM)为水溶性高分子聚合物，不溶于大多数有机溶剂，具有良好的絮凝性，可以降低液体之间的磨擦阻力，按离子特性分可分为非离子、阴离子、阳离子和两性型四种类型。物理性质对比如下：

本发明优选使用阳离子型聚丙烯酰胺。

阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)是线型高分子化合物，由于它具有多种活泼的基团，可与许多物质亲和、吸附形成氢键。主要是絮凝带负电荷的胶体，具有除浊、脱色、吸附、粘合等功能，适用于染色、造纸、食品、建筑、冶金、选矿、煤粉、油田、水产加工与发酵等行业有机胶体含量较高的废水处理，特别适用于城市污水、城市污泥、造纸污泥及其它工业污泥的脱水处理。

阳离子型聚丙烯酰胺的分子量通常为800万-1200万。其水溶性好，在冷水中也能完全溶解。添加少量阳离子聚丙烯酰胺产品，即可得到极大的絮凝效果。一般只需添加0.01～10ppm(0.01～10g/m3)，即可充分发挥作用。

所述的阳离子型聚丙烯酰胺优选使用超高分子量产品，分子量为1000万-1200万。

所述的阳离子型聚丙烯酰胺优选加入量为5-20重量份。

羟乙基纤维素(HEC)是一种白色或淡黄色，无味、无毒的纤维状或粉末状固体，由碱性纤维素和环氧乙烷(或氯乙醇)经醚化反应制备，属非离子型可溶纤维素醚类。由于HEC具有良好的增稠、悬浮、分散、乳化、粘合、成膜、保护水分和提供保护胶体等特性，已被广泛应用在石油开采、涂料、建筑、医药食品、纺织、造纸以及高分子聚合反应等领域。

羟乙基纤维素作为一种非离子型的表面活性剂，除具有增稠、悬浮、粘合、浮化、成膜、分散、保水及提供保护胶体作用外，还可溶于热水或冷水，高温或煮沸不沉淀，具有大范围的溶解性和粘度特性，及非热凝胶性；非离子型可与大范围内的其他水溶性聚合物、表面活性剂、盐共存，是含高浓度电解质溶液的一种优良的胶体增稠剂；保水能力比甲基纤维素高出一倍，具有较好的流动调节性；HEC的分散能力与公认的甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素相比分散能力最差，但保护胶体能力最强。

本发明所述的羟乙基纤维素优选经端基修饰后的羟乙基纤维素。

所述的端基修饰是指对纤维素端羟基进行碱化、醚化、交联缩醛等反应，处理后的纤维素同等条件下水溶液粘度有所提高、溶解速度加快。对羟乙基纤维素进行端基修饰改性的处理过程，可参照《速溶型羧甲基纤维素的制备研究》(《河南化工》，2002年，第6期)。

所述的羟乙基纤维素可以用羧甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素替代。

羧甲基纤维素，是纤维素的羧甲基团取代产物。根据其分子量或取代程度，可以是完全溶解的或不可溶的多聚体，后者可作为弱酸型阳离子交换剂，用以分离中性或碱性蛋白质等。羧甲基纤维素可形成高粘度的胶体、溶液、有粘着、增稠、流动、乳化分散、赋形、保水、保护胶体、薄膜成型、耐酸、耐盐、悬浊等特性，且生理无害，因此在食品、医药、日化、石油、造纸、纺织、建筑等领域生产中得到广泛应用。

羧甲基纤维素钠(CMC)属阴离子型纤维素醚类，外观为白色或微黄色絮状纤维粉末或白色粉末，无嗅无味，无毒；易溶于冷水或热水，形成具有一定粘度的透明溶液。溶液为中性或微碱性，不溶于乙醇、乙醚、异丙醇、丙酮等有机溶剂，可溶于含水60％的乙醇或丙酮溶液。有吸湿性，对光热稳定，粘度随温度升高而降低，溶液在PH值2～10稳定，PH低于2，有固体析出，PH值高于10粘度降低。

羟丙基甲基纤维素(HPMC)，别名为羟丙甲纤维素、纤维素羟丙基甲基醚。为非离子型纤维素醚，外观为白色的粉末，无嗅无味。采用高度纯净的棉纤维素作为原料，在碱性条件下经专门醚化而制得，不含任何动物器官和油脂等活性成分。

HPMC溶于水及大多数极性溶剂，以及适当比例的乙醇/水、丙醇/水、二氯乙烷等，在乙醚、丙酮、无水乙醇不溶，在冷水中溶胀成澄清或微浊的胶体溶液。水溶液具有表面活性，透明度高、性能稳定。

HPMC具有热凝胶性质，产品水溶液加热后形成凝胶析出，冷却后又溶解，不同规格的产品凝胶温度不同。溶解度随粘度而变化，粘度越低，溶解度越大，不同规格的HPMC其性质有一定差异，HPMC在水中溶解不受PH值影响。HPMC具有增稠能力，排盐性、pH稳定性、保水性、尺寸稳定性、优良的成膜性以及广泛的耐酶性、分散性和粘结性等特点。

本发明使用的HPMC颗粒度为100目，通过率大于98.5％，堆密度为0.25～0.70g/cm³，优选0.4g/cm³，比重为1.26～1.31。其变色温度为180～200℃，炭化温度为280～300℃，甲氧基值19.0％～30.0％，羟丙基值4％～12％；黏度为5～200000mPa·s(22℃，2％)。

所述的羟乙基纤维素或羧甲基纤维素的加入量为10-50重量份。

本发明所述的重量份可以是吨、Kg、斤等常用的重量/质量单位。

本发明所述的煤岩体防灭火材料在使用时，加入50-200倍重量的水，搅拌混合均匀，即可使用喷枪将混合均匀的胶体喷射至需要隔氧阻火控制的煤岩体上，或加压泵送至着火区。具有如下特点：

1.高吸水率；

2.速溶不结块(加入水中搅拌不易结块，溶解方式为先溶胀后溶解，而后形成稳定胶体)；

3.保水时间长(室温条件下一周时间失重率＜15％)

4.粘度大附着力强(1％浓度的胶体粘度大于1000cP，2％浓度的胶体粘度可达5000cP以上)；

5.无毒无污染。

本发明所述的煤岩体防灭火材料使用时的操作步骤如下：

1.在专用气动搅拌釜中加入50～200份水，开启搅拌，撒入粉料。

2.待产生一定粘度后逐渐降低搅拌速率。

3.5～10min后形成稳定凝胶，使用气动喷枪将胶体喷洒到需要隔氧阻火控制煤岩体上或加压泵送至着火区。

在使用时，煤岩体防灭火材料通过搅拌混合装置进行预混，混合均匀后，通过搅拌釜料液出口进入喷枪的料液入口，然后由喷枪进行防灭火作业。

所述的煤岩体防灭火材料是一种矿用高效灭火和高温控制材料，应用时直接与水按适当配比混合，经专用泵进行施工。产品具有高含水、抗煤体氧化、干燥成膜致密性优、和煤体粘附力强、耐高温等优异性能，能有效实现对煤体密封隔氧、降温、阻止煤体氧化、隔热和灭火的目的。施工工艺简便易行。

当煤岩体防灭火材料(防灭火I号)被喷涂在煤岩体后，能迅速反应并凝固，生成高强度、高韧性的树脂材料，隔绝空气，降低热传递的速度和效率，实现防灭火的目的。

上述煤岩体防灭火材料也可采用连续注胶的方式使用。使用时，开启螺杆式电动注浆泵，调节水流量，并按照确定比例由加料口匀速加入防灭火材料(粉料)，与水经螺杆混合，形成胶体，再经螺杆加压泵送至需处理区域即可。

该材料(防灭火I号)具有含水量高的特点，保水性优，耐高温，无毒、无味、无污染、无腐蚀性；而且绝对阻燃，使用安全，施工快捷简单。材料技术参数如下表：

产品特性	性能指标
		使用水料比/(重量比)	(25-150)/1(根据黏度需要变更浓度)
凝胶时间(25℃)/min	＜10min
		pH值	7～8
阻燃性	满足煤矿井下用聚合物MT113-1995技术标准

因此，该材料具有宽泛的使用范围：

1)井下煤体着火区灭火和高温煤层的降温处理；

2)易燃矿井工作面架后防自燃和高温控制处理；

3)停采线的浮煤高温控制，防自燃。

基于上述材料的特性，其储存与包装要求为：

1)本产品包装以防潮包装袋密封包装，包装物不回收。

2)产品储存需要存放在干燥、阴凉通风的地方，严禁暴晒和直接雨淋。储存温度范围为0～35℃。

3)产品保质期为6个月。

具体实施方式

实施例1

将硅酸钠45g、聚丙烯酸钠10g、阳离子聚丙烯酰胺5g和HPMC40g混合，混配成煤岩体防灭火材料；加入5Kg水，粘度测定如下：

时间(分)	粘度(mPa·s)
		10	78
20	103
		30	125
40	134
		50	156
60	162
		70	171
80	176
		90	179

粘度计：DV-1型旋转式智能数显粘度计(上海群昶科学仪器)

测试环境：温度20℃，相对湿度50％。

实施例2

将硅酸钠20g、聚丙烯酸钠10g、阳离子聚丙烯酰胺20g和HPMC50g混合，混配成煤岩体防灭火材料；分别加入5Kg倍、10Kg水，粘度测定如下：

粘度计：DV-1型旋转式智能数显粘度计(上海群昶科学仪器)

测试环境：温度20℃，相对湿度50％。

实施例3

将硅酸钠20g、聚丙烯酸钠15g、阳离子聚丙烯酰胺15g和HPMC50g混合，混配成煤岩体防灭火材料；分别加入5Kg倍、10Kg水，粘度测定如下：

粘度计：DV-1型旋转式智能数显粘度计(上海群昶科学仪器)

测试环境：温度20℃，相对湿度50％。

实施例4

将硅酸钠0g、聚丙烯酸钠25g、阳离子聚丙烯酰胺15g和HEC60g混合，混配成煤岩体防灭火材料；分别加入5Kg倍、10Kg、15Kg水，粘度测定如下：

粘度计：DV-1型旋转式智能数显粘度计(上海群昶科学仪器)

测试环境：温度20℃，相对湿度50％。

实施例5

将硅酸钠0g、聚丙烯酸钠30g、阳离子聚丙烯酰胺20g和HPMC50g混合，混配成煤岩体防灭火材料；分别加入5Kg倍、10Kg、15Kg水，粘度测定如下：

粘度计：DV-1型旋转式智能数显粘度计(上海群昶科学仪器)

测试环境：温度20℃，相对湿度50％。

Claims (7)

1.一种煤岩体防灭火材料，该材料由水玻璃和有机物组分构成，使用时加50-200倍重量份水而形成胶体，用于防灭火喷涂作业；所述的有机物包括聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、羟乙基纤维素或羟丙基甲基纤维素；所述的煤岩体防灭火材料具有如下重量份配比：

水玻璃：0-50重量份；

聚丙烯酸钠：10-40重量份；

聚丙烯酰胺：5-20重量份；

羟乙基纤维素或羟丙基甲基纤维素：10-50重量份。

2.根据权利要求1所述的煤岩体防灭火材料，其特征在于，所述的水玻璃为硅酸钠或硅酸钾。

3.根据权利要求2所述的煤岩体防灭火材料，其特征在于，所述的水玻璃模数为2.2-2.5。

4.根据权利要求1所述的煤岩体防灭火材料，其特征在于，所述的聚丙烯酸钠分子量为10⁶-10⁷。

5.根据权利要求1所述的煤岩体防灭火材料，其特征在于，所述的聚丙烯酰胺为阳离子型聚丙烯酰胺。

6.根据权利要求5所述的煤岩体防灭火材料，其特征在于，所述的阳离子型聚丙烯酰胺分子量为1000万-1200万。

7.根据权利要求1所述的煤岩体防灭火材料，其特征在于，所述的羟乙基纤维素为端基修饰的羟乙基纤维素。