CN109578053B - 一种水玻璃凝胶复合注浆料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水玻璃凝胶复合注浆料及其制备方法和应用，属于煤矿井下防灭火技术领域。本发明的水玻璃凝胶复合注浆料，包括以下质量百分数的组份：高分子促凝剂6～10％，水玻璃12～15％，水75～82％；所述高分子促凝剂包括以下质量百分数的组份：碳酸氢钠40～50％，聚丙烯酸钠8～12％，阳离子聚丙烯酰胺2～5％，膨润土35～50％。本发明通过调控水玻璃凝胶的流体状态，延长了水玻璃凝胶终凝时刻(点)反应过程，防止终凝堵管。实施例结果表明，本发明制得的水玻璃凝胶终凝时刻(点)反应过程从普通水玻璃凝胶1～2秒延长到了5～7秒，大幅度减少了注浆过程中的堵管现象。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下防灭火技术领域，特别涉及一种水玻璃凝胶复合注浆料及其制备方法和应用。
背景技术
我国煤矿有58％以上的矿井煤存在自燃现象，且采空区发生火灾的比例更高。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研工作者一直致力于研发多种防灭火材料(如黄泥、粉煤灰灌浆、煤矿防灭火剂，水玻璃凝胶、高分子复合胶体材料等)与防灭火技术，并取得了众多成果，为防治井下火灾及煤自燃做出了重大贡献。
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，以水玻璃凝胶为例：
由于受普通水玻璃凝胶化学反应原理和材料选择的限制，其终凝点(时刻)的固化反应过程几乎是瞬间完成的。在促凝剂的作用下，水玻璃凝胶反应时凝胶逐渐增稠，一旦到达终凝点附近，水玻璃浆液结构发生质变，几乎瞬间(1～2秒)从流体状就变成了脆硬的果冻状材料。
由于水玻璃凝胶在终凝点(时刻)附近呈现瞬间终凝的特征，在煤矿井下防灭火实践中，往往因为注浆材料质量、管路计算误差和操作计量误差的原因，水玻璃凝胶常常因在没有到达预定的注浆地点时就在管道中突然终凝而造成堵管，使灭火工作停顿，从而丧失或贻误灭火的最佳时机，造成复燃或酿成更大的损失。因此，如何控制延长终凝时刻的反应时间，防止终凝堵管现象的发生是解决问题的关键。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种水玻璃凝胶复合注浆料及其制备方法和应用。本发明的高分子促凝剂通过调控水玻璃凝胶的成胶状态从而延长终凝时刻(点)反应过程，防止终凝堵管。
本发明提供了一种水玻璃凝胶复合注浆料，包括以下质量百分数的组份：
高分子促凝剂6～10％，水玻璃12～15％，水75～82％；
所述高分子促凝剂包括以下质量百分数的组份：碳酸氢钠40～50％，聚丙烯酸钠8～12％，阳离子聚丙烯酰胺2～5％，膨润土35～50％。
优选地，所述高分子促凝剂包括以下质量百分数的组份：碳酸氢钠50％，聚丙烯酸钠8％，阳离子聚丙烯酰胺2％，膨润土40％。
优选地，所述水玻璃的模数为2.2～3.5，波美度为30～40。
优选地，所述碳酸氢钠的粒径为120～150目。
优选地，所述聚丙烯酸钠的粒径为120～150目。
优选地，所述阳离子聚丙烯酰胺的粒径为120～150目，分子量为800～1200万。
优选地，所述膨润土的粒径为120～150目，
优选地，所述膨润土中二氧化硅的质量百分含量为40～60％。
本发明还提供了上述所述水玻璃凝胶复合注浆料的制备方法，包括以下步骤：将高分子促凝剂、水玻璃和水混合，制得所述水玻璃凝胶复合注浆料。
本发明还提供了上述所述水玻璃凝胶复合注浆料在煤矿防火灭火中的应用。
本发明提供了一种水玻璃凝胶复合注浆料，包括以下质量百分数的组份：高分子促凝剂6～10％，水玻璃12～15％，水75～82％；所述高分子促凝剂包括以下质量百分数的组份：碳酸氢钠40～50％，聚丙烯酸钠8～12％，阳离子聚丙烯酰胺2～5％，膨润土35～50％。本发明通过采用聚丙烯酸钠和阳离子聚丙烯酰胺调节水玻璃凝胶浆料的浓度、浆料的流体状态和水玻璃凝胶终凝时刻(点)的反应状态；采用膨润土提高水玻璃凝胶的分散性和阻燃耐烧能力。通过特定的组份和含量，调整水玻璃凝胶的成胶状态，并有效改善终凝时刻(点)附近浆液变化的状态，将本发明水玻璃凝胶终凝时刻(点)过程从普通水玻璃凝胶的1～2秒延长至5～7秒，使得水玻璃凝胶从瞬间终凝改为缓慢柔性终凝，克服了原水玻璃凝胶易堵管的缺陷。
本发明的原材料来源广泛、产品绿色环保、对环境无污染，更加适应煤矿井下防灭火的需要，相较于原水玻璃复合胶体材料，总体性能有了较大的提高，不易堵管。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是实施例1水玻璃水溶液在地面配制，高分子促凝剂水溶液在井下配制输送的工艺流程图；
图2是实施例2水玻璃水溶液和高分子促凝剂水溶液均在井下配制输送的工艺流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种水玻璃凝胶复合注浆料，包括以下质量百分数的组份：
高分子促凝剂6～10％，水玻璃12～15％，水75～82％；
所述高分子促凝剂包括以下质量百分数的组份：碳酸氢钠40～50％，聚丙烯酸钠8～12％，阳离子聚丙烯酰胺2～5％，膨润土35～50％。
本发明包括质量百分数为6～10％的高分子促凝剂。在本发明中，所述高分子促凝剂包括以下质量百分数的组份：碳酸氢钠40～50％，聚丙烯酸钠8～12％，阳离子聚丙烯酰胺2～5％，膨润土35～50％，优选为包括以下质量百分数的组份：碳酸氢钠50％，聚丙烯酸钠8％，阳离子聚丙烯酰胺2％，膨润土40％。
在本发明中，所述碳酸氢钠的粒径优选为120～150目，所述聚丙烯酸钠的粒径优选为120～150目，所述阳离子聚丙烯酰胺的粒径优选为120～150目，分子量优选为800～1200万，所述膨润土的粒径优选为120～150目，所述膨润土中二氧化硅的质量百分含量优选为40～60％。本发明对所述高分子促凝剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
在本发明中，所述聚丙烯酸钠和阳离子聚丙烯酰胺能够调节水玻璃凝胶浆料的浓度、浆料的流体状态和水玻璃凝胶终凝时刻(点)的反应状态；膨润土可以提高水玻璃凝胶的分散性和阻燃耐烧能力。通过特定的组份和含量，调整水玻璃凝胶的成胶状态，并有效改善终凝时刻(点)附近浆液变化的状态，将水玻璃凝胶终凝时刻(点)过程延长至5～7秒，使得水玻璃凝胶从瞬间终凝改为缓慢柔性终凝，克服了原水玻璃凝胶易堵管的缺陷。
本发明包括质量百分数为12～15％的水玻璃。在本发明中，所述水玻璃的模数优选为2.2～3.5，波美度优选为30～40。
本发明对所述水玻璃的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
本发明包括质量百分数为75～82％的水。本发明对所述水的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的种类即可。
本发明还提供了上述技术方案所述水玻璃凝胶复合注浆料的制备方法，包括以下步骤：将高分子促凝剂、水玻璃和水混合，制得所述水玻璃凝胶复合注浆料。
本发明优选将所述高分子促凝剂和水玻璃分别与水混合，制得高分子促凝剂水溶液和水玻璃水溶液；再将高分子促凝剂水溶液与水玻璃水溶液混合，制得水玻璃凝胶复合注浆料。本发明对所述高分子促凝剂和水玻璃分别与水混合的比例没有特殊的要求，采用本领域技术人员常规的技术手段混合均匀即可。
在本发明中，当水玻璃凝胶复合注浆料用于大规模灭火时，所述水玻璃水溶液优选在地面配制，所述高分子促凝剂水溶液优选在井下配制，然后通过单泵将所述高分子促凝剂水溶液与水玻璃水溶液混合，制得水玻璃凝胶复合注浆料；当水玻璃凝胶复合注浆料用于小规模防灭火时，水玻璃水溶液和高分子促凝剂水溶液均优选在井下配制，然后采用双容器搅拌，得到水玻璃凝胶复合注浆料。在本发明中，所述高分子促凝剂水溶液和水玻璃水溶液优选现配现用。
本发明还提供了上述技术方案所述水玻璃凝胶复合注浆料在煤矿防火灭火中的应用。
本发明优选将所述水玻璃凝胶复合注浆料运输至防火灭火地点，进行成胶。在本发明中，所述成胶的时间优选根据防灭火点的位置、管道长短、管路布置的复杂性来确定，具体的如当防灭火的地点距离在60～80m时，成胶时间优选2.5～3min，当防灭火的地点距离小于40m时，成胶时间优选30～60s。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的水玻璃凝胶复合注浆料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
图1是本发明水玻璃水溶液在地面配制，高分子促凝剂水溶液在井下配制输送的工艺流程图，先在地面制浆站配制水玻璃水溶液，在井下配制高分子促凝剂水溶液，然后通过单泵将高分子促凝剂水溶液打入混合分流器与水玻璃水溶液混合，得到水玻璃凝胶复合注浆料，通过三通阀门将水玻璃凝胶复合注浆料输送至注胶地点。
水玻璃凝胶复合注浆料的制备：
将质量百分数为6％的高分子促凝剂，14％的水玻璃，80％的水混合；其中所述高分子促凝剂为以下质量百分数的组份：碳酸氢钠50％，聚丙烯酸钠12％，阳离子聚丙烯酰胺3％，膨润土35％，按图1所述工艺流程图进行混合，制得水玻璃凝胶复合注浆料。某煤矿综放面，停采封闭后，密闭墙位于停采线外5m处，停采线封闭后出现火灾隐患，通防工区负责在钻机硐室向发火点施工3个注胶孔，孔深50～60m，采取全长度封孔方式封孔，全部用Φ50mm防火专用钻杆一次施工到位，采取本发明实施例1制得的水玻璃凝胶复合注浆料进行灭火。压注水玻璃凝胶复合注浆料160m3，成胶时间为90～100s，终凝时刻延长至5～7s，未发生堵管现象。板闭内束管监测的气体情况为:O25.4％，CH40.87％，CO26％，CO 0％。监测结果表明，发火点迅速被控制，注胶灭火效果非常明显，为下一步尽快启封赢得了时间。启封后，发火点附近顶板温度28℃，漏浆量很少，风流内无CO气体，其他气体均在正常范围内，达到了快速灭火的目的。
实施例2
图2是实施例2水玻璃水溶液和高分子促凝剂水溶液均在井下配制输送的工艺流程图，施工现场有两个容器，一个配制水玻璃水溶液，另一个容器配制高分子促凝剂水溶液，经两台注浆泵压注进入一个三通混合分流器中混合形成水玻璃凝胶复合注浆料，再将水玻璃凝胶复合注浆料输送至注胶地点，水玻璃凝胶复合注浆料在压力下，边运输边充分混合，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。
水玻璃凝胶复合注浆料的制备：
将质量百分数为10％的高分子促凝剂，15％的水玻璃，75％的水混合；其中所述高分子促凝剂为以下质量百分数的组份：碳酸氢钠50％，聚丙烯酸钠8％，阳离子聚丙烯酰胺2％，膨润土40％，按图2所述工艺流程图进行混合，制得水玻璃凝胶复合注浆料。某矿停采工作面进风端头设有一道碎煤袋墙，由于煤柱相邻采空区。在矿山压力的作用下，进风端头周边煤体内及顶板碎裂产生了裂隙，造成大量漏风，钻孔内一氧化碳CO达到8900ppm，采用本发明实施例2制得的水玻璃凝胶复合注浆料进行注入，工艺流程图如图2，成胶时间约45～50秒，终凝时刻延长至5～7s，没有发生堵管现象，胶体扩散堆积良好，一方面覆盖进风端头内浮煤及阴燃处，一方面向四周煤体内扩散，火情很快消失。
实施例3
水玻璃凝胶复合注浆料的制备：
将质量百分数为8％的高分子促凝剂，15％的水玻璃，77％的水混合；其中所述高分子促凝剂为以下质量百分数的组份：碳酸氢钠45％，聚丙烯酸钠10％，阳离子聚丙烯酰胺3％，膨润土42％，按图1所述工艺流程图进行混合，制得水玻璃凝胶复合注浆料，水玻璃凝胶复合注浆料的终凝时刻延长至5～7s。
某矿143下09东运顺靠143上09东综放面开切眼处是采空区的漏风汇，考虑漏风会使开切眼出现发火隐患，需及时进行堵漏。运顺贯通后，立即由掘进二区对开切眼处进行喷浆堵漏，对运顺在开切眼东120m、西87m共207m范围进行了喷浆，并在巷道顶板施工了4分钻孔207个，对钻孔测温发现，843#棚处钻孔温度为65.3℃，出现异常。对777#—992#棚(143上09东停采线东377m至506m共129m范围)巷道顶板压注本发明实施例3制得的水玻璃凝胶复合注浆料188m3，巷道顶板上采空区覆盖了一层厚0.37米的胶体，钻孔内最高温度为59.7℃，无CO气体。对669#棚处高温隐患点进行了防火处理，669#棚—756#棚(143上09东停采线东312m至364m共52m范围)压注本发明实施例3制得的水玻璃凝胶复合注浆料132m3，使巷道顶板上采空区覆盖了一层厚0.51m的胶体，该区段孔内最高温度为27.3℃(5月27日，669#棚)，CO气体消失，高温隐患点。结果表明，未发生堵管现象，隐患点迅速被控制，注胶防火效果非常明显。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种水玻璃凝胶复合注浆料，其特征在于，包括以下质量百分数的组份：
高分子促凝剂6~10%，水玻璃12~15%，水75~82%；
所述高分子促凝剂包括以下质量百分数的组份：碳酸氢钠40~50%，聚丙烯酸钠8~12%，阳离子聚丙烯酰胺2~5%，膨润土35~50%；
所述水玻璃凝胶复合注浆料的终凝时刻(点)反应过程从普通水玻璃凝胶的1~2秒延长到了5~7秒，大幅度减少了注浆过程中的堵管现象。
2.根据权利要求1所述的水玻璃凝胶复合注浆料，其特征在于，所述高分子促凝剂包括以下质量百分数的组份：碳酸氢钠50%，聚丙烯酸钠8%，阳离子聚丙烯酰胺2%，膨润土40%。
3.根据权利要求1所述的水玻璃凝胶复合注浆料，其特征在于，所述水玻璃的模数为2.2~3.5，波美度为30~40。
4.根据权利要求1和2所述的水玻璃凝胶复合注浆料，其特征在于，所述碳酸氢钠的粒径为120~150目。
5.根据权利要求1和2所述的水玻璃凝胶复合注浆料，其特征在于，所述聚丙烯酸钠的粒径为120~150目。
6.根据权利要求1和2所述的水玻璃凝胶复合注浆料，其特征在于，所述阳离子聚丙烯酰胺的粒径为120~150目，分子量为800~1200万。
7.根据权利要求1和2所述的水玻璃凝胶复合注浆料，其特征在于，所述膨润土的粒径为120~150目，所述膨润土中二氧化硅的质量百分含量为40~60%。
8.权利要求1~7任意一项所述水玻璃凝胶复合注浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将高分子促凝剂、水玻璃和水混合，制得所述水玻璃凝胶复合注浆料。
9.权利要求1~7任意一项所述水玻璃凝胶复合注浆料及权利要求8所述制备方法制得的水玻璃凝胶复合注浆料在煤矿防火灭火中的应用。
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