CN106280164A - 矿用防灭火高分子材料、矿用防灭火凝胶材料及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种矿用防灭火高分子材料、矿用防灭火凝胶材料及其应用，所述矿用防灭火高分子材料按质量百分比含量包括25‑35%聚丙烯酸钠颗粒、60‑70%固态粉末填充物和5%阻燃剂，所述矿用防灭火凝胶材料由矿用防灭火高分子材料与水按照质量比1:100‑150混合制得。本发明所述防灭火材料适用于不同情况下煤炭自燃的防治，集堵漏、降温、煤岩强化于一体，可用于灌注俯斜开采工作面采空区、沿空巷道相邻侧采空区、巷帮及巷道顶部等各种复杂环境下的堵漏，同时也适用于需大量灌浆的工作面开切眼和停采线以及大范围火区的熄灭，具有成本低、防灭火效果极佳、适用范围广、不易脱水和脱落、耐火性能强、煤岩充填强度高、使用方便、灭火安全性好等优点，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，更具体的涉及一种防灭火材料，尤其是一种矿用防灭火高分子材料、矿用防灭火凝胶材料及其用途。
背景技术
当前，全国煤矿中有56%的矿井存在煤层自然发火危险，而特厚煤层开采的自然发火更为严重，煤炭自然已成为制约我国煤炭工业安全生产和发展的主要灾害之一。
目前预防和治理煤炭自燃最重要的方法是采用注浆、充填、喷涂等措施，减少或隔绝漏风，从而起到防治煤炭自燃的作用。目前常用的防治煤炭自燃的注浆充填材料主要有：黄泥浆、粉煤灰、水玻璃凝胶、聚丙烯酰胺凝胶、聚丙烯酸钠凝胶、脲醛树脂泡沫、酚醛树脂泡沫和聚氨酯泡沫，这些材料在防治煤炭自燃方面发挥了重要作用，但也存在着一定的不足，各材料在防治煤炭自燃方面的具体优缺点如下：
黄泥浆、粉煤灰：主要用于采空区预防性灌浆，优点是成本低、效果良好，确定是不适合在缺水、少土地区使用，这严重限制了黄泥浆、粉煤灰在煤炭自燃防治方面的应用范围。
水玻璃凝胶：采用水玻璃和铵盐反应，可形成凝胶，注入煤岩裂隙，可防止漏风，效果良好。但缺点是易脱水收缩，直至粉化，堵漏作用会逐步消失，无法达到长久的堵漏效果。
聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠凝胶：是近年来发展起来的新材料，含有0.5%左右的水溶液，具有较高的粘度，注入煤岩裂隙，可防止漏风，效果良好。但现有技术中，基于聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠凝胶的防灭火材料均是使用单一的聚丙烯酰胺或聚丙烯酸钠和水进行混合形成凝胶，所形成的凝胶没有强度，不但不能增加煤岩强度，而且不能封堵较大的裂隙，同时容易脱落，防灭火效果一般。
脲醛树脂泡沫、酚醛树脂泡沫：这两种泡沫材料主要用于巷帮喷涂，防止漏风，但易脱水，形成裂纹，从而影响堵漏效果。
聚氨酯泡沫：这种泡沫材料主要用于巷帮喷涂、构筑快速密闭墙，但成本较高，耐火性能差。
因此现有技术用于煤炭自燃防治中的防灭火材料普遍具有易脱水、易脱落、耐火性能差、无法实现长久堵漏等缺陷，亟需开发一种能够克服上述缺陷的综合性能优越的煤矿用防灭火材料。
发明内容
本发明基于上述现有技术问题，创新的提出一种全新的矿用防灭火高分子材料、矿用防灭火凝胶材料及其用途，适用于不同情况下煤炭自燃的防治，集堵漏、降温、煤岩强化于一体，并在陕西长武亭南煤业有限责任公司各矿区的井下各采掘工作面进行了试验，可用于灌注俯斜开采的工作面采空区、沿空巷道相邻侧采空区、巷帮及巷道顶部等各种复杂条件下的防风堵漏，同时也适用于需大量灌浆的工作面开切眼和停采线以及大范围火区的熄灭，通过在生产过程中的成功应用证实了本发明提出的矿用防灭火高分子材料具有成本低、防灭火效果极佳、适用范围广、不易脱水和脱落、耐火性能强、煤岩充填强度高、使用方便、灭火安全性好等独特优点，具有广阔的市场推广应用前景。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种矿用防灭火高分子材料，按质量百分比含量包括如下组份：固态聚丙烯酸钠20-40%，固态粉末填充物52-78%，阻燃剂2-8%。
进一步的根据本发明所述的矿用防灭火高分子材料，其中按质量百分比含量包括如下组份：固态聚丙烯酸钠25-35%，固态粉末填充物60-70%，阻燃剂5%。
进一步的根据本发明所述的矿用防灭火高分子材料，其中按质量百分比含量包括如下组份：固态聚丙烯酸钠30%，固态粉末填充物65%，阻燃剂5%。
进一步的根据本发明所述的矿用防灭火高分子材料，其中所述固态聚丙烯酸钠由JFC-100聚丙烯酸钠和JFBY-80聚丙烯酸钠按照质量比5:1混合制得。
进一步的根据本发明所述的矿用防灭火高分子材料，其中所述的固态粉末填充物选自粉煤灰、黄沙土或粉煤灰和黄沙土的混合物，且所述固态粉末填充物的粒径处于0.5-300微米之间；所述固态聚丙烯酸钠为粒径在1-1000微米的聚丙烯酸钠颗粒。
进一步的根据本发明所述的矿用防灭火高分子材料，其中所述的固态粉末填充物选自粒径在1-200μm、孔隙率在50%—80%的粉煤灰。
进一步的根据本发明所述的矿用防灭火高分子材料，其中所述的阻燃剂由质量百分比含量为65％-70％的熔融指数处于11-15g/10min的聚丙烯、质量百分比含量为5％-8％的熔融指数在1.8-2.0g/10min的聚乙烯、质量百分比含量为15％-20％的选自粉末状滑石、高岭石、绢云母、二氧化硅以及硅藻土中的至少一种无机填料和质量百分比含量为5％-8％的选自十溴二苯基醚、十二氯十二氢二甲桥苯唑环辛烯或其混合物的有机阻燃卤化物混合制得。
一种矿用防灭火凝胶材料，所述矿用防灭火凝胶材料由本发明上述矿用防灭火高分子材料与水按照质量比1:100-150混合制得。
进一步的根据本发明所述的矿用防灭火凝胶材料，其中所述矿用防灭火凝胶材料的PH值处于7-8之间，所述矿用防灭火凝胶材料的成胶粘结时间能够在25秒至2小时之间通过温度进行调节。
进一步的根据本发明所述的矿用防灭火凝胶材料，其中所述矿用防灭火凝胶材料用于充填破碎巷道顶板形成的高冒区、用于充填加固沿空掘巷巷道、用于构筑封堵墙或用于充填废弃老硐与溜煤眼。
本发明所述矿用防灭火凝胶材料的用途，其中所述矿用防灭火凝胶材料用于充填破碎巷道顶板形成的高冒区、用于充填加固沿空掘巷巷道、用于构筑封堵墙或用于充填废弃老硐与溜煤眼。
通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：
本发明创新的基于聚丙烯酸钠和粉煤灰制备了一种全新的防灭火材料，即利用了粉煤灰成本低、防灭火性能好的独特优点，也利用了聚丙烯酸钠凝胶粘度高、易注入煤岩裂隙、堵漏效果好的独特优点，同时两者结合能够大大增加煤岩强度，且材料成型后性能稳定、耐火性极高、不易破裂同时具有良好的柔韧性，属于新一代的矿用防灭火材料。
本发明所述防灭火材料在破碎巷道顶板形成的高冒区、沿空掘巷巷道、构筑快速封堵墙、充填废弃老硐、溜煤眼（煤仓）等复杂环境下进行了成功应用，不但使用方便，而且防灭火综合性能优越，具有广泛的推广应用前景。
具体实施方式
以下对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
首先描述本发明所述矿用防灭火高分子材料的组成及其制备，所述的矿用防灭火高分子材料按质量百分比含量包括如下组份：
固态聚丙烯酸钠 20-40%
固态粉末填充物 52-78%
阻燃剂 2-8%；
其中所述的固态聚丙烯酸钠优选的包括JFC-100（型号）聚丙烯酸钠和JFBY-80（型号）聚丙烯酸钠，且JFC-100聚丙烯酸钠和JFBY-80聚丙烯酸钠之间的质量比为5：1，优选的为粒径在1-1000微米的固态颗粒。
其中所述的固态粉末填充物优选的选自粉煤灰、黄沙土或粉煤灰和黄沙土的混合物，且所述固态粉末填充物的粒径处于0.5-300微米之间，优选的在1-100微米之间。优选的所述固态粉末填充物选用粉煤灰，所述粉煤灰呈多孔型蜂窝状组织，比表面积较大，具有较高的吸附活性，其粒径范围为1~200μm，优选的在1-100微米，并且珠壁具有多孔结构，孔隙率高达50%—80%，有很强的吸水性。
所述的阻燃剂优选的由质量百分比含量为65％-70％的熔融指数处于11-15g/10min的聚丙烯、质量百分比含量为5％-8％的熔融指数在1.8-2.0g/10min的聚乙烯、质量百分比含量为15％-20％的选自粉末状滑石、高岭石、绢云母、二氧化硅以及硅藻土中的至少一种无机填料和质量百分比含量为5％-8％的选自十溴二苯基醚、十二氯十二氢二甲桥苯唑环辛烯或其混合物的有机阻燃卤化物混合制得。
进一步优选的所述的矿用防灭火高分子材料中，固态聚丙烯酸钠的质量百分比含量为25-35%，所述固态粉末填充物的质量百分比含量为60-70%，所述阻燃剂的质量百分比含量为5%。
本发明所述矿用防灭火高分子材料的制备方法是将上述质量百分比含量的聚丙烯酸钠、固态粉末填充物和阻燃剂在室温条件下进行混合搅拌即可制得。
本发明在上述矿用防灭火高分子材料的基础上进一步制得矿用防灭火凝胶材料，具体的制备方法是将上述矿用防灭火高分子材料与水按照1:100-150混合，并根据成胶时间选择混合温度。
本发明所述矿用防灭火高分子材料在煤矿自燃防治中的使用方法包括如下步骤：
步骤一、首先将所述矿用防灭火高分子材料与水按照质量比1:100-150进行混合并搅拌均匀，形成矿用防灭火凝胶材料，用水量根据粘度需要在100-150重量份之间进行选择。
步骤二、调节步骤一制得的矿用防灭火凝胶材料的PH值处于7-8之间，并根据温度调节其粘结时间，其中在室温25℃时粘结时间小于10分钟，通过选择混合温度可将粘结时间在25秒-2小时之间进行调整。
步骤三、将步骤一和二制得的矿用防灭火凝胶材料通过注浆泵打入工作区，利用胶体进行防风堵漏和降温，最少实现防灭火。
本发明所述的矿用防灭火高分子材料包括聚丙烯酸钠、粉煤灰和阻燃剂，这些物质与水混合后可形成凝胶胶体，实现浆液的液固转化，使其能够在指定地点停留，抗煤体氧化，和煤体粘结力强，充分发挥降温和封堵漏风的作用，通过注浆泵注入煤层缝隙中能够很好的堵塞煤层缝隙，包裹高温煤体，隔绝氧气，降低煤温，扑灭火源，防止火区复燃。同时由于所述胶体具有粘弹性，在煤层间隙受力时，仅发生蠕变，而不会破裂，能紧密充填于煤层间隙，即使煤层压裂破碎也不会产生漏风裂隙，可对移架、矿压等造成的新裂隙进行二次封堵。
本发明所述矿用防灭火高分子材料在陕西长武亭南煤业有限责任公司各矿区的井下各采掘工作面进行了成功试验，其阻燃性不但满足了煤矿井下用聚合物MT113-1995技术标准，而且经验证具有以下独创技术效果：
固水性：本发明所述防灭火高分子材料在使用中与水形成凝胶胶体，且胶体中90%以上是水，易于流动的水被固结起来，能够充分发挥水的降温灭火作用。
热降温性：本发明所述防灭火高分子材料与水的成胶过程是吸热反应，煤温上升使胶体中的水汽化，也将吸收大量的热，有利于灭火降温。
渗透和堵漏性：本发明的成胶材料是易于流动的液体，渗透到煤层缝隙中后形成胶体，堵住漏风通道。
阻化性：本发明所述防灭火高分子材料本身加入有独创的阻燃剂，使得防灭火高分子材料本身能够作为一种性能良好的阻化剂，最终与水形成的胶体也具有通用阻化剂的性能。
热稳定性：经验证在1000多度的高温下本发明形成的胶体不熔化、不破裂，仍能保持完好。
充填性能：本发明首创的在聚丙烯酸钠中添加作为增强剂的粉煤灰等，使得最终成型的胶体耐压性大大增强，高浓度胶体泥浆可充填高冒空顶区。
灭火安全性：由于胶体有束水作用，在用于扑灭煤火时，不会急剧产生大量的水煤汽而恶化工作环境或发生爆炸。
有效期：正常情况下（T<28℃，湿度>90%），胶体可长期保存在煤层中，防止煤层自然发火或火区复燃。
成胶时间可控性：最短成胶时间25s，慢的可控制在2h以上，便于针对不同发火情况和现场使用工艺对其进行适当调节。
本发明的主要技术创新构思在于发明了包括固态聚丙烯酸钠、固态粉末填充物和阻燃剂在内的防灭火高分子材料，并在使用中创新的将所述防灭火高分子材料与水按照质量比1:100-150的方式进行混合得到用于灭火堵漏的凝胶胶体，亦可将所述防灭火高分子材料和水的混合凝胶作为本发明创新的防灭火凝胶材料，这些变形都属于本发明的保护范围。
以下给出本发明的具体实施例和应用例。
实施例1
一种矿用防灭火高分子材料，按质量百分比含量包括如下组份：
固态聚丙烯酸钠 25%
固态粉末填充物 70%
阻燃剂 5%；
所述的固态聚丙烯酸钠由JFC-100聚丙烯酸钠和JFBY-80聚丙烯酸钠按照质量比5:1混合制得。所述的固态粉末填充物为粒径在1~200μm间、孔隙率在50%—60%间的粉煤灰。所述的阻燃剂由质量百分比含量为65％的熔融指数处于11g/10min的聚丙烯、质量百分比含量为8％的熔融指数在1.8g/10min的聚乙烯、质量百分比含量为20％的选自粉末状滑石和高岭石的无机填料和质量百分比含量为7％的选自十溴二苯基醚和十二氯十二氢二甲桥苯唑环辛烯混合物的有机阻燃卤化物混合制得。所述的矿用防灭火高分子材料与水按照质量比1:100混合制得防灭火凝胶材料。
实施例2
一种矿用防灭火高分子材料，按质量百分比含量包括如下组份：
固态聚丙烯酸钠 30%
固态粉末填充物 65%
阻燃剂 5%；
所述的固态粉末填充物为粒径在1~200μm间、孔隙率在60%—70%间的粉煤灰，所述的固态聚丙烯酸钠由JFC-100聚丙烯酸钠和JFBY-80聚丙烯酸钠按照质量比5:1混合制得。所述的阻燃剂由质量百分比含量为68％的熔融指数处于13g/10min的聚丙烯、质量百分比含量为6％的熔融指数在1.9g/10min的聚乙烯、质量百分比含量为18％的选自粉末状二氧化硅的无机填料和质量百分比含量为8％的选自十溴二苯基醚的有机阻燃卤化物混合制得。所述的矿用防灭火高分子材料与水按照质量比1:120混合制得防灭火凝胶材料。
实施例3
一种矿用防灭火高分子材料，按质量百分比含量包括如下组份：
固态聚丙烯酸钠 35%
固态粉末填充物 60%
阻燃剂 5%；
所述的固态聚丙烯酸钠由JFC-100聚丙烯酸钠和JFBY-80聚丙烯酸钠按照质量比5:1混合制得。所述的固态粉末填充物为粒径在1~200μm间、孔隙率在70%—80%间的粉煤灰。所述的阻燃剂由质量百分比含量为70％的熔融指数处于15g/10min的聚丙烯、质量百分比含量为5％的熔融指数在2.0g/10min的聚乙烯、质量百分比含量为20％的选自粉末状高岭石和绢云母的无机填料和质量百分比含量为5％的选自十二氯十二氢二甲桥苯唑环辛烯的有机阻燃卤化物混合制得。所述的矿用防灭火高分子材料与水按照质量比1:150混合制得防灭火凝胶材料。
应用例
本发明所述的矿用防灭火高分子材料与水按照质量比1:100-150混合后制得防灭火凝胶材料，然后在灌浆点附近，通过专用设备（ZM-5/1.8G煤矿用注浆泵），将其按比例注入灌浆管路内，并在以下环境中成功实现了防灭火注浆应用：
煤巷高冒充填防治煤炭自燃：对在破碎巷道顶板形成的高冒区及时填充本发明所述的防灭火凝胶材料，有效阻止了内外空气交换，避免了破碎顶煤发火。
维护沿空掘巷巷道，预防煤炭自燃：沿空掘巷巷道由于没有煤柱的保护，容易变形，在相邻的老采空区之间漏风严重。利用本发明所述防灭火凝胶材料加固该巷道后可有效地维护巷道的稳定，减少通风阻力，防止漏风，预防煤炭自燃。
构筑快速封堵墙，封闭火区：采用本发明所述的防灭火凝胶材料能够快速构建密闭墙，将已发生的火区隔离，一方面控制了火灾蔓延，另一方面可以使自燃火灾由于得不到足够的氧气而窒息。
构建工作面上、下隅角的封堵墙，减少采空区漏风：通过对工作面上下隅角的封堵，最大可能地减少进入采空区的新鲜风量，进而防止采空区内遗煤因为得到足够的氧气而发生氧化自燃。
充填废弃老硐、溜煤眼（煤仓），预防自燃：用本发明所述防灭火凝胶材料充填废弃老硐、溜煤眼可以防止漏风发生自燃火灾。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。
Claims (10)
1.一种矿用防灭火高分子材料，其特征在于，按质量百分比含量包括如下组份：固态聚丙烯酸钠20-40%，固态粉末填充物52-78%，阻燃剂2-8%。
2.根据权利要求1所述的矿用防灭火高分子材料，其特征在于，按质量百分比含量包括如下组份：固态聚丙烯酸钠25-35%，固态粉末填充物60-70%，阻燃剂5%。
3.根据权利要求2所述的矿用防灭火高分子材料，其特征在于，按质量百分比含量包括如下组份：固态聚丙烯酸钠30%，固态粉末填充物65%，阻燃剂5%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的矿用防灭火高分子材料，其特征在于，所述固态聚丙烯酸钠由JFC-100聚丙烯酸钠和JFBY-80聚丙烯酸钠按照质量比5:1混合制得。
5.根据权利要求1-4任一项所述的矿用防灭火高分子材料，其特征在于，所述的固态粉末填充物选自粉煤灰、黄沙土或粉煤灰和黄沙土的混合物，且所述固态粉末填充物的粒径处于0.5-300微米之间；所述固态聚丙烯酸钠为粒径在1-1000微米的聚丙烯酸钠颗粒。
6.根据权利要求5所述的矿用防灭火高分子材料，其特征在于，所述的固态粉末填充物选自粒径在1-200μm、孔隙率在50%—80%的粉煤灰。
7.根据权利要求1-6任一项所述的矿用防灭火高分子材料，其特征在于，所述的阻燃剂由质量百分比含量为65％-70％的熔融指数处于11-15g/10min的聚丙烯、质量百分比含量为5％-8％的熔融指数在1.8-2.0g/10min的聚乙烯、质量百分比含量为15％-20％的选自粉末状滑石、高岭石、绢云母、二氧化硅以及硅藻土中的至少一种无机填料和质量百分比含量为5％-8％的选自十溴二苯基醚、十二氯十二氢二甲桥苯唑环辛烯或其混合物的有机阻燃卤化物混合制得。
8.一种矿用防灭火凝胶材料，其特征在于，所述矿用防灭火凝胶材料由权利要求1-7任一项所述矿用防灭火高分子材料与水按照质量比1:100-150混合制得。
9.根据权利要求8所述的矿用防灭火凝胶材料，其特征在于，所述矿用防灭火凝胶材料的PH值处于7-8之间，所述矿用防灭火凝胶材料的成胶粘结时间能够在25秒至2小时之间通过温度进行调节。
10.权利要求8或9所述矿用防灭火凝胶材料的用途，其特征在于，所述矿用防灭火凝胶材料用于充填破碎巷道顶板形成的高冒区、用于充填加固沿空掘巷巷道、用于构筑封堵墙或用于充填废弃老硐与溜煤眼。
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