CN106121711A - 一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料及制备方法，由新型添加剂、水玻璃和水组成；所述新型添加剂由氢氧化铝、碳酸氢钠、阴离子聚丙烯酰胺以及膨润土组成，其用量为本发明材料质量百分比6‑10%；本发明材料含有较高活性氢氧化铝，水玻璃中的不定型二氧化硅可提高氢氧化铝热稳定性，与氢氧化铝在高温下形成高熔点的硅酸铝（熔点为1500‑1900℃），阻滞了本材料高温熔融、提高了在高温下保水及高柔韧承压的功能。本材料从初凝到终凝时间可调可控，并延长了终凝过程，改变了原水玻璃凝胶容易堵管的缺点。本发明原材料成本低廉、来源广泛、产品绿色环保对环境无污染，产品制备方法简单适应煤矿井下防灭火的需要。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于煤矿防灭火的新型高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料及制备方法，属于防灭火材料技术领域。
背景技术
我国煤矿有58%以上的矿井煤自燃，且采空区火灾比例更高。矿井火灾是危害矿井安全、伤及人员与物资的重大隐患。多年来广大工程技术人员及科技工作者一直在研发多种防灭火材料（如黄泥、粉煤灰灌浆、高分子复合材料，水玻璃、高分子复合胶体材料等）与防灭火技术，取得了众多成果，为防治井下火灾及煤自燃作出了重大贡献。
但防灭火实践及理论研究皆证明，许多防灭火材料存在以下问题：
① 耐烧温度不够，一些材料在低燃烧温度（700℃以下）具有保水性、柔韧不干裂、并保有一定结构强度等功能，却在高温（>1000℃）下迅速烧失殆尽；
② 许多水玻璃胶体在注浆灭火时，常常因在没有到达预定的煤体内就在管道中突然终凝而堵管，使灭火工作停顿，造成复燃或更大火灾；
③ 按照一些发明专利和科技论文的要求，所用水玻璃复合胶体配制工艺太复杂、多种原料需要逐一按顺序下水溶解搅拌，费时费工，不适应井下灭火的实际需要。
发明内容
本发明目的之一，旨在克服上述许多防灭火材料不耐高温（>1000℃），内部结构易被高温烧坏，无法保水、失去强度和柔韧性的缺点，提出一种能提高材料抗高温（>1000℃）能力、阻滞结构被烧坏、延缓材料高温下失水、失去柔韧性和结构失去强度的速度，延长材料抗高温的有效时间，且能保持柔韧承压的水玻璃复合注浆材料。
本发明目的之二，调控水玻璃凝胶终凝状态、延长终凝过程，将水玻璃凝胶终凝过程从几秒钟做了适当延长，使得水玻璃凝胶从几乎瞬间终凝改为适当缓慢终凝，克服原水玻璃凝胶易堵管的缺点。
本发明目的之三，是提供能适应矿山井下空间狭小、运输不便、需要快速简便大批量生产出灭火材料、能快速投入到火灾现场的设备及工艺，如本发明高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料的井下制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的；一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，它是由新型添加剂、水玻璃和水组成，其质量百分比中：新型添加剂占6-10%，水玻璃占12-15%，水占75-80%；
所述新型添加剂质量百分比中：氢氧化铝占40-42%、碳酸氢钠占40-50%、阴离子聚丙烯酰胺占3-10%、膨润土占5-10%。
所述新型添加剂的质量百分比进一步优化为：氢氧化铝占42%、碳酸氢钠占50%、阴离子聚丙烯酰胺占3%、膨润土占5%。
根据煤矿井下水玻璃凝胶使用条件（距离远近、管路布置是否有起伏、拐弯等等）的不同，水玻璃水溶液的配置分为井下和井上两种；
a、水玻璃水溶液的配置选用井下的相应容器或注浆池，则一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，它是由新型添加剂、水玻璃和水组成，其质量百分比中：新型添加剂占10%、水玻璃占15%、水占75%；
所述新型添加剂的质量百分比中：氢氧化铝占42%、碳酸氢钠占50%、阴离子聚丙烯酰胺占3%、膨润土占5%。
b、水玻璃水溶液配置选用地面的相应容器或注浆池，则一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，它是由新型添加剂、水玻璃和水组成，其质量百分比中：新型添加剂占6%、水玻璃占14%、水占80%；
所述新型添加剂的优化质量百分比中氢氧化铝占42%、碳酸氢钠占50%、阴离子聚丙烯酰胺占3%、膨润土占5%。
所述水玻璃模数为2.2-3.5，波美度30-40；所述氢氧化铝粒径为200-325目；所述阴离子聚丙烯酰胺分子量为900-2500万，粒径140-400目；所述膨润土中二氧化硅含量为40-60%，粒径为300-800目；所述碳酸氢钠粒径为150-400目。
一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料的制备方法，必须适应井下扑灭火灾的紧急需要，原材料在地面选定精准，不在井下或地面容器中反复配料，工艺设备简单快速、注浆不堵管；
该方法按如下步骤制备：
步骤1）按配比称取氢氧化铝、碳酸氢钠、阴离子聚丙烯酰胺和膨润土等的干粉原料，经电动搅拌5分钟均匀混合，制成新型添加剂干粉料；然后装袋，每袋20公斤，备用；
步骤2）按要求选定新生产液态水玻璃，备用；
步骤3）将上述步骤1）制备的新型添加剂干粉料在井下或地面上的相应容器或注浆池中按比例配水，搅拌均匀，即制备出新型添加剂水溶液；
再将步骤2）备用水玻璃在井下或地面上的相应容器或注浆池中按比例配水，搅拌均匀即制备出水玻璃水溶液；
再经泵压将新型添加剂水溶液和水玻璃水溶液送入三通混合分流器中混合形成溶胶，并在其后输送管路中边输送边反应，直至输送到煤体或火区成凝胶灭火。
本发明高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料相比原多种水玻璃复合胶体防灭火材料有如下优点：本发明保留了原水玻璃凝胶的主要功能和注浆工艺，突出提高了注浆材料耐高温燃烧的能力和缓慢终凝的过程。使其在高温（﹥1000℃）下的保水能力、柔韧性、力学强度、流淌性以及防止堵管等方面有较大提高，对水玻璃凝胶技术也是创新性的改进；
这主要表现在：
1）、提高了发明材料的耐烧温度（﹥1000℃）、延缓了高温下材料结构被烧坏的时间、提高了材料高温燃烧下内部结构抗烧的能力；
2）、由于阻滞了上述材料内部结构被烧坏的时间和速率，提高了发明材料在高温下的保水能力、胶体结构的柔韧性及强度。经矿山使用，普遍反应本材料灭火速度快、工艺简单可靠、灭火效率高、用量少、火情很少反复；
3）、所发明新型水玻璃复合注浆料的成胶时间不仅可控，而且终凝过程比原水玻璃凝胶有了延长。相比原水玻璃凝胶突然终凝容易堵管的缺点，提高了本发明材料终凝前的流淌可控性，可不再发生凝胶突然终凝的现象，方便了现场操作。实践证明，多年来本发明材料在现场使用几乎没有堵过管；
4）、本发明选料精细恰当、原料入水后相容性好，无须在现场再反复配制，井下制备简单快速、设备少、工人少、可快速批量生产，能快速连续投入到灭火现场，较好适应井下灭火的急切需要；
5）、新型添加剂用量少，相对原水玻璃复合胶体材料的总成本和销售价格变化不大，而本发明材料总体性价比有了较大的提高。
本发明通过大量地面实验及井下实践发现：随着新型添加剂用量增加，本发明材料的成胶时间逐渐缩短；相比之下，新型添加剂的用量（在10%之内）对本发明材料成胶时间的影响比水玻璃用量的作用要大；
另外，防灭火实践证明，本发明材料的成胶时间要根据灭火点的位置、管路长短、管路布置的复杂性（如起伏、拐弯多少等）来定；例如当灭火距离在60-80米之内，其成胶终凝时间要在2.5-3.5分钟，而短距离（小于40米）使用则终凝时间可在30-60秒。
附图说明
图1是水玻璃溶液在地面配制、新型添加剂溶液在井下配制输送的示意图；
图2是水玻璃水溶液和新型添加剂水溶液均在井下配制输送示意图。
具体实施方式：
下面结合实例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施案例。
实例1：耐烧对比试验（参照我国阻燃性能测试标准MT113-1995酒精喷灯火焰燃烧试验法测试）
试验用试饼：试饼Ⅰ、试饼Ⅱ和试饼Ⅲ（本发明）；三个试饼半径皆为2.5㎝，试样厚皆为2㎝；三个试饼的质量百分配比为水71-80%，水玻璃15%，促凝剂或新型添加剂皆为8%。
试验条件：温度≥1000℃（具体条件和操作方法按照MT113-1995“煤矿井下用非金属制品安全性能检验规范”酒精喷灯火焰燃烧试验法测试）；
试饼Ⅰ：15%水玻璃+8%碳酸氢钠+77%水。在燃烧8分钟时其烧失剩余面积为原总面积的1/4；
试饼Ⅱ：15%水玻璃+6%碳酸氢钠+0.3%阴离子聚丙烯酰胺+1.7%膨润土+77%的水，在燃烧12分钟时，烧失剩余面积为原总面积的1/3；
试饼Ⅲ（本发明）：15%水玻璃+8%新型添加剂(所述的新型添加剂的优化质量百分比中氢氧化铝占42%、碳酸氢钠占50%、阴离子聚丙烯酰胺占3%、膨润土占5%)+77%水；其试饼燃烧20分钟时，烧失剩余面积为原总面积的1/2；
通过上述对比试验，充分证明本发明材料耐高温燃烧和保水的良好性能。
实例2：地面配置水玻璃溶液
某矿综放面，停采后密闭墙内煤自燃，火区温度达1000℃以上，在采取
两种灭火材料及相应措施无果的情况下，决定在密闭墙外向火区内打三个钻孔（分别长50m、55m、50.5m）压注本发明材料进入火体，用Φ50MM防火专用杆一次施工到位，所压注本发明注浆料配比为水80%，水玻璃
14%，新型添加剂6%；
所述的新型添加剂的质量百分比中氢氧化铝占42%、碳酸氢钠占50%、阴离子聚丙烯酰胺占3%、膨润土占5%。
所述水玻璃模数为2.2-3.5，波美度30-40。
所述氢氧化铝粒径为200-325目。
所述阴离子聚丙烯酰胺的分子量为900-2500万，粒径140-400目。
所述膨润土中二氧化硅含量为40-60%粒径为300-800目。
所述碳酸氢钠粒径为150-400目。
水玻璃水溶液是在地面制浆站静压输送至井下，而新型添加剂水溶液是在井下密闭墙外容器内制作。利用地面静压及井下泵压将本发明注浆料（500多M3)混合后压注至三个钻孔煤体中、另一个孔覆盖于燃烧浮煤之上。第二天板闭内束管监测的气体成分为O2，14%；CH4，7%；CO2，5%；一氧化碳，0 PPm；注胶灭火取得空前成功。
上述配比成胶时间约在2.5-3分钟逐步固结成果冻状胶体，此材料不仅渗入到煤体一定深度，而且固结后既充满了缝隙，又可以实现柔韧承压，堵漏效果很好、不开裂、密实性好。果冻状塑性胶体还可随矿山压力柔软移动不裂不坏，即使在1100℃左右高温下，胶体大部分没破裂，始终保持高含水柔韧承压状态，保证了高温下岩体的密封性，阻止了漏风，对覆盖浮煤因隔绝了氧气与煤的接触，火焰很快熄灭，火区燃烧温度快速下降且不复燃，灭火成功。而且本发明注浆料水溶液相容性好，无聚沉，无絮凝，无盐析，无异味，无结块、无腐蚀性，对环境无污染，不损害井下工作人员健康，绿色环保。井下操作简单快速，注浆顺利，不堵管，每班注浆量超过定额，灭火成本低。
两个月通过启封后发现，在火区顶板没有喷浆堵漏的情况下，顶板煤体内只有少量胶体渗出，并如同冰冻棒一样悬吊着，基本无胶体流失现象。说明本发明注浆料提高了材料抗高温燃烧能力，材料内部结构不易烧坏，从而实现了在火区燃烧高温（﹥1000℃）下材料也能保住水，实现了柔韧承压堵漏及覆盖浮煤的好效果。
实例3：井下双泵注浆系统，将所发明材料浆体堆积成墙，降温防火或成墙堵隔漏风通道；
某矿一巷道封闭前已间隔砌有二道水泥砂浆墙，墙体外表进行过喷浆处理。但因矿山压力作用，在两密闭墙裙边的煤体内及顶板煤体产生了大小不一的裂隙，造成大量漏风，墙内CO达到270000PPm，CH4达到7.3%，矿方先用罗克休泡沫对墙体四周进行了灌注无效后，又用水玻璃加小苏打凝胶对上述的地点进行注浆，因高温下胶体很快失水开裂封堵无效，巷内温度升到162℃，已经阴燃。后改用本发明材料进行注入，一方面覆盖巷内浮煤及阴燃处，一方面向四周煤体内压注本材料，并在
巷内堆集成隔离墙，当天火情消失。
材料及注浆配比工艺：
1）注浆材料为本发明材料，其配比为水75%，水玻璃15%，新型添加剂10%（所述的新型添加剂的质量百分比中氢氧化铝占42%、碳酸氢钠占50%、阴离子聚丙烯酰胺占3%、膨润土占5%。）本材料配比成胶时间约35-50秒左右逐步固结成果冻状胶体。
所述水玻璃模数为2.2-3.5，波美度30-40。
所述氢氧化铝粒径为200-325目。
所述阴离子聚丙烯酰胺的分子量为900-2500万，粒径140-400目。
所述膨润土中二氧化硅含量为40-60%粒径为300-800目。
所述碳酸氢钠粒径为150-400目。
2）注浆工艺：施工现场有两个容器，一个制作水玻璃水溶液，一个容器形成新型添加剂水溶液。经两台注浆泵压注进入一个三通混合器中混合形成溶胶。混合溶胶在压力下边走边充分混合，再经注浆钻孔喷洒到浮煤覆盖包裹，又可注入煤体裂隙中堵漏隔氧。因注浆不堵管、工艺事故少，每班注浆量大，灭火快速有效，矿方十分满意。
本实施例的防灭火效果：
1、处理后7天，墙内CO为0，空气温度下降为25℃，CH4为0.2%；
2、密闭6个月后启封，发现巷内多处木支架是炭化状，顶板及两侧煤体暴露处也有炭化痕迹，说明当时灭火速度快，效率高；
3、 因灭火及降温迅速，巷道内无异味、无有害气体，此巷8个月后，重新修通为矿保证接续赢得了时间、节约了人工和资金；
4、所堆积的本发明材料虽有部分炭化状，但在8个月后仍保留80%以上的比较完整的果冻状柔性胶体，证明所发明材料耐火性好，高温下80%的材料内部结构完整，仍保持着水分和柔韧性，仍能防灭火、实现了设计的目标。
实施例4：高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料的制备方法及其输送方法
所述一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料的制备方法，按如下步
骤制备：
步骤1）按配比称取氢氧化铝、碳酸氢钠、阴离子聚丙烯酰胺和膨润土等的干粉原料，经电动搅拌5分钟均匀混合，制成新型添加剂干粉料；然后装袋，每袋20公斤，备用；
步骤2）按要求选定新生产液态水玻璃，备用；
步骤3）将上述步骤1）制备的新型添加剂干粉料在井下或地面相应容器或注浆池中按比例配水，搅拌均匀，即制备出新型添加剂水溶液；
再将步骤2）备用水玻璃在井下或地面相应容器或注浆池中按比例配水，搅拌均匀即制备出水玻璃水溶液；
再经泵压将新型添加剂水溶液和水玻璃水溶液送入三通混合分流器中混合形成溶胶，并在其后输送管路中边输送边反应，直至输送到煤体或火区成凝胶灭火。
高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料的输送方法如下：
a、当灭火规模大，压注材料量大时，水玻璃水溶液在地面注浆站配制，而新型添加剂水溶液在井下容器中配制，使用单泵压入水玻璃水溶液的管路系统，其水玻璃溶液在地面配制、新型添加剂溶液在井下配制输送的示意图，见图1。
b、用于防火和小规模井下灭火时，水玻璃水溶液和新型添加剂水溶液均在井下容器中配制，该方法采用的设备需要双容器搅拌、双泵及管路，此系统可靠性和灵活性较高，水玻璃水溶液和新型添加剂水溶液均在井下配制输送示意图，见图2。
Claims (10)
1.一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，其特征在于：由新型添加剂、水玻璃和水组成，其质量百分比中：新型添加剂占6-10%，水玻璃占12-15%，水占75-80%；
所述新型添加剂的质量百分比中：氢氧化铝占40-42%、碳酸氢钠占40-50%、阴离子聚丙烯酰胺占3-10%、膨润土占5-10%。
2.根据权利要求1所述一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，其特征在于：所述新型添加剂的质量百分比中：氢氧化铝占42%、碳酸氢钠占50%、阴离子聚丙烯酰胺占3%、膨润土占5%。
3.一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，其特征在于：由新型添加剂、水玻璃和水组成，其质量百分比中：新型添加剂占10%、水玻璃占15%、水占75%；
所述新型添加剂，其质量百分比中：氢氧化铝占42%、碳酸氢钠占50%、阴离子聚丙烯酰胺占3%、膨润土占5%。
4.一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，其特征在于：由新型添加剂、水玻璃和水组成，其质量百分比中：新型添加剂占6%、水玻璃占14%、水占80%；
所述新型添加剂，其质量百分比中：氢氧化铝占42%、碳酸氢钠占50%、阴离子聚丙烯酰胺占3%、膨润土占5%。
5.根据权利要求1或2或3或4所述一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，其特征在于：所述水玻璃模数为2.2-3.5，波美度30-40。
6.根据权利要求1或2或3或4所述一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，其特征在于：所述氢氧化铝粒径为200-325目。
7.根据权利要求1或2或3或4所述一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，其特征在于：所述阴离子聚丙烯酰胺的分子量为900-2500万，粒径140-400目。
8.根据权利要求1或2或3或4所述一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，其特征在于：所述膨润土中二氧化硅含量为40-60%粒径为300-800目。
9.根据权利要求1或2或3或4所述一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料，其特征在于：所述碳酸氢钠粒径为150-400目。
10.一种如权利要求1或2或3或4所述一种高阻燃柔韧承压水玻璃复合注浆料的制备方法，其特征在于：按如下步骤制备：
步骤1）按配比称取氢氧化铝、碳酸氢钠、阴离子聚丙烯酰胺和膨润土等的干粉原料，经电动搅拌5分钟均匀混合，制成新型添加剂干粉料；然后装袋，每袋20公斤，备用；
步骤2）按要求选定新生产液态水玻璃，备用；
步骤3）将上述步骤1）制备的新型添加剂干粉料在井下或地面上的相应容器或注浆池中按比例配水，搅拌均匀，即制备出新型添加剂水溶液；
再将步骤2）备用水玻璃在井下或地面上的相应容器或注浆池中按比例配水，搅拌均匀即制备出水玻璃水溶液；
再经泵压将新型添加剂水溶液和水玻璃水溶液送入三通混合分流器中混合形成溶胶，并在其后输送管路中边输送边反应，直至输送到煤体或火区成凝胶灭火。
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