CN112354108A - 一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法。所述材料由固体混合物与水按照水固比为6‑16：1混合而成，所述固体混合物包括以下按重量份数计的组分：固体水玻璃11‑14份、促凝剂6‑8份、粉煤灰12‑16份、活化剂10‑14份、硅酸镁铝4‑8份和钠基膨润土40‑60份；所述固体水玻璃的模数为2.0‑2.5，通过调节水固比，向固态混合物中加入水，即提供了一种保水性强、机械强度高、成胶时间可调的防灭火凝胶，可较为方便地调节凝胶成胶时间，满足短距离充填和长距离输送的“宽比例”需要。该防灭火凝胶具有物理保湿作用，能较好地锁住注入煤体的水，同时可以充填煤体间的缝隙，减少煤氧接触，从而较好地抑制煤的燃烧。

Description

一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及煤炭火灾防治领域，具体涉及一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法。

背景技术

凝胶是介于固体和液体之间的一种特殊材料，在宏观上具有固体不能流动的性质，在分子水平上又有类似于溶液的行为。凝胶的固水性，能够使一定量的水分子固定在胶体网状结构中，通过水分蒸发降低煤的表面温度；同时还可以附着于煤体表面，形成一层致密的薄膜，隔绝煤与氧气的接触，进而阻断煤的氧化；此外，输送至火区的凝胶还能起到充填堵漏的作用，降低了能够控制区煤的空气量，提高了防灭火效率，因此，凝胶材料是煤矿现场充填封堵防灭火常用的材料之一。

根据制备凝胶的基料化学性质的不同，凝胶主要分为无机凝胶和有机凝胶两大类。有机凝胶一般具有优异的抗压强度，但是单价高，成胶时间可调性差，难以满足现场短距离充填和长距离输送的应用要求。限于此，煤矿初期主要使用的是由水玻璃和碳酸氢铵等形成的铵盐无机凝胶。这种无机凝胶虽然价廉，但是在制备凝胶时释放氨气，具有很大的刺激性气味，危害井下工人的身体健康；而且此类凝胶还存在失水后干裂、粉化以及成胶时间过快的不足，针对这些问题，学者们进行了广泛的研究。

贾博宇根据胶体化学和Lewis酸碱电子理论研究出一种环保FA促凝剂并以水玻璃、FA促凝剂和粉煤灰作为原料制备了一种新型无胺凝胶，实验结果表明该材料强度较高且制备时无有害气体产生，但FA促凝剂需要提前配成溶液使用，不便于原料的运输和储存。隋涛使用水、碳酸氢钠、水玻璃和粉煤灰制备了粉煤灰防灭火凝胶，可以通过改变促凝剂的比例来控制凝胶的成胶时间，但每当对成胶时间做出调整，就需要重新配制原料，在实际应用中易造成原料的浪费。王续使用CMC交联粉煤灰制备了矿用粉煤灰-CMC复合凝胶，经过低温氧化实验和堵漏测试发现具有良好的防灭火效果，但成胶时间普遍较长，不便于短距离充填。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法，该制备方法简单，所得防灭火凝胶保水性强，失水后可再吸水恢复使用，吸水倍数不受影响，且成胶时间方便调控，满足短距离充填和长距离输送的“宽比例”的需要。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种矿用防灭火凝胶材料，所述材料由固体混合物与水按照水固比为6-16：1混合而成，所述固体混合物包括以下按重量份数计的组分：固体水玻璃11-14份、促凝剂6-8份、粉煤灰12-16份、活化剂10-14份、硅酸镁铝4-8份、钠基膨润土40-60份；所述固体玻璃的模数为2.0-2.5。

作为改进的是，所述固体混合物与水混合时的搅拌速度为150-180r/min，搅拌5-8min。

水玻璃为常用的制备无机凝胶的基料，无毒，无刺激性。当水玻璃溶液和促凝剂混合后，可以在较短的时间内形成凝胶，是矿井常用的防灭火材料。

粉煤灰是燃煤过程中排出的微小颗粒，在我国电厂的产量较大，利用率低，易造成周边大气与土地污染，另一方面粉煤灰结构中包括大部分铝硅玻璃材质，具有一种良好的建筑材料特性。但粉煤灰单独使用时，活性较低，凝胶效果不明显，将氢氧化钙作为活化剂与粉煤灰配合使用，反应形成凝胶化合物，可以加快胶凝体系成胶的时间，加强材料整体的强度和耐久性，使凝胶在较长一段时间内不会开裂。

硅酸镁铝是膨润土经过加工而形成的矿物凝胶，常被应用于各类剂型药物制造中，无毒性，遇水体积会大量膨胀，经过水合作用先分解为无数带静电的小片之后因静电吸引，而迅速搭建起三维空间的网络结构，提升体系的粘度，使凝胶体系在较高的水固比下也可以成胶，从而扩展成胶时间的可控范围。

钠基膨润土是以蒙脱石为主的片状黏土矿物，具有吸水性、水塑性、粘结性等特性，其工艺技术性能要强于钙基膨润土，通过在凝胶体系中加入钠基膨润土可以有效提高水玻璃凝胶强度与吸水性。

上述一种矿用防灭火凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按重量份数计称取，固体水玻璃、促凝剂、粉煤灰、活化剂、硅酸镁铝、钠基膨润土，混合搅拌均匀得混合物；

步骤2，向混合物中加入水，即得防灭火凝胶材料。

本发明配方的原理：采用化学活化剂调控活性硅铝相聚集体，凝聚形成三维网状结构的凝胶，并引入硅酸镁铝，通过铝离子和镁离子与聚硅酸之间的络合作用，使三维网络重新排列，获得成胶时间可控、机械强度高、耐久性好的高聚态胶体。

有益效果：

与现有技术相比，本发明一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法，具有如下优势：

本发明的防灭火凝胶具有制备工艺简单、环境友好、保水性好、成胶时间可控的特点，在失水后可以再吸水恢复使用，其性能不受影响，有效解决了传统无机防灭火凝胶制备时产生有毒气体、易失水开裂以及失水后不能再吸水的问题，此外，此防灭火凝胶可适应较大范围的水固比，通过改变水固比便可在较大范围内调控成胶时间，相较于传统凝胶的调控方法(例如改变促凝剂、添加剂的量)更为简便；满足了煤矿现场近距离充填和远距离输送堵漏的“宽比例”需要。

附图说明

图1为不同水固比下制备的防灭火凝胶的成胶时间；

图2为不同水固比下制备的防灭火凝胶的保水率。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明技术方案进行详细阐述。

实施例1

取0.6g固体水玻璃、0.3g碳酸氢钠、0.8g粉煤灰、0.7g氢氧化钙、0.5g硅酸镁铝和2.5g钠基膨润土均匀混合，将物料分为6份根据水固比6：1、8：1、10：1、12：1、14：1和16：1分别加入水并充分搅拌制得防灭火凝胶。

实施例2

取0.65g固体水玻璃、0.35g碳酸氢钠、0.75g粉煤灰、0.6g氢氧化钙、0.4g硅酸镁铝和3g钠基膨润土均匀混合，将物料分为6份根据水固比6：1、8：1、10：1、12：1、14：1和16：1分别加入水并充分搅拌制得防灭火凝胶。

实施例3

取0.7g固体水玻璃、0.4g碳酸氢钠、0.7g粉煤灰、0.5g氢氧化钙、0.3g硅酸镁铝和2g钠基膨润土均匀混合，将物料分为6份根据水固比6：1、8：1、10：1、12：1、14：1和16：1分别加入水并充分搅拌制得防灭火凝胶。针对实施例1-3制备的18份防灭火凝胶的成胶特性与胶体性能，设计了以下方法进行测试：

(1)观察混合物的流动情况，测得通过改变水固比可以使凝胶的成胶时间在24秒到360秒之间可控，满足短距离充填和长距离输送堵漏的“宽比例”需求。

(2)将制备的凝胶于室温下放置，隔一周后测量凝胶的质量改变并观察凝胶表面是否开裂，实验结果表明，在实例1-3中制备的凝胶的一周后失水量均小于20%且表面不会开裂，而且这些失水后的凝胶都具有较好的复吸水能力，能够将第一次失水量的90%完全吸收,且凝胶强度没有任何变化。

以上结果表明本发明所制备的防灭火凝胶尽管使用了常见的水玻璃、粉煤灰和钠基膨润土，但是它通过化学活化和络合作用。

通过检索CN103977517A和CN101767975B都是属于常用的水玻璃无机凝胶。均是以水玻璃为主，一个里面加了粉煤灰和水泥，另外一个加的聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺或者CMC和黄土或高吸水矿物粘土。本发明材料跟这些材料相比，它不是以水玻璃为主的，而是以钠基膨润土和粉煤灰为主，同时，因为钠基膨润土形成的凝胶成胶时间也不可控，而且机械强度也不好，再通过加入了硅酸铝镁，通过铝离子和镁离子与聚硅酸之间的络合作用，使网络重新排列，形成了比较稳定的三维网络结构，具备成胶时间可控，保水性好，复吸水能力强以及不干裂的优点。通过调节水固比即可以实现近距离充填的目的，也可以达到通过排量泵远距离运输至采空区，封堵采空区漏风通道，起到堵漏风的作用。同时，凝胶还可以长时间起到防灭火的作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种矿用防灭火凝胶材料，其特征在于，所述材料由固体混合物与水按照水固比为6-16：1混合而成，所述固体混合物包括以下按重量份数计的组分：固体水玻璃11-14份、促凝剂6-8份、粉煤灰12-16份、活化剂10-14份、硅酸镁铝4-8份、钠基膨润土40-60份；所述固体玻璃的模数为2.0-2.5。

2.根据权利要求1所述的一种矿用防灭火凝胶材料，其特征在于，所述固体混合物与水混合时的搅拌速度为150-180r/min，搅拌5-8min。

3.基于权利要求1所述的一种矿用防灭火凝胶材料的制备方法，其特征在于，按重量份数计称取，固体水玻璃、促凝剂、粉煤灰、活化剂、硅酸镁铝、钠基膨润土，混合搅拌均匀得混合物；向混合物中加入水，调整水固比，即可根据不同情况得成胶时间不同的防灭火凝胶材料。

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