CN112480648A - 浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料及其制备方法 - Google Patents

浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料及其制备方法，包括以下原料：三水醋酸钠104～110份，去离子水35～40份，亲水性气相纳米级二氧化硅0.5～2份，羟乙基纤维素2～4份，十二水磷酸氢二钠2～4份、多亚甲基多苯基异氰酸酯200份，十二至十四烷基缩水甘油醚0～20份，磷酸丁三酯5～25份，催化剂0～1份。制备十二至十四烷基缩水甘油醚、磷酸丁三酯、催化剂和去离子水的混合物，并将去离子水、三水醋酸钠、亲水性气相纳米级二氧化硅、羟乙基纤维素和十二水磷酸氢二钠混合后制成三水醋酸钠复合相变材料；最后将两者混合后制得浆泡材料。其具有内部反应温度低、导热性能好、耐高温、渗流性较好和堵漏风效果显著的优点，从而能满足浅埋煤层漏风裂隙的堵漏要求。

Description

浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种煤层裂隙胶结材料及其制备方法，具体是一种浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料及其制备方法。
背景技术
在我国西北部不少煤田蕴藏着大量易自燃的浅埋藏近距离煤层群。此种煤层随着开采强度的逐渐增加、裂隙高度发育，容易导致上、下采空区的裂隙贯通，甚至与地表裂隙连通，造成地表漏风，引发采空区遗煤的自燃氧化。因此，如何处理贯通地表的煤层漏风裂隙是本行业的热点问题。目前，使用注浆材料胶结堵塞裂隙是处理此种漏风通道的主要方法。
国内常采用的注浆材料分为两类：其一是以水泥为主的无机注浆材料，如，在申请号为201310301511.2的发明中公开了一种用于浅埋煤层矿区地表堵漏的无机固化泡沫材料，此种泡沫流体材料具有耐高温、隔热性能好、抗压强度大等特点；又如在申请号为201710227402.9的发明中公开了一种以粉煤灰、水泥等无机材料为主体的矿用喷涂堵漏风材料，此发明的工艺流程简单，材料具有发泡倍数高、耐高温、隔热性能显著的优点；另一类是以聚氨酯为代表性的有机注浆胶结材料，如在申请号为201210123159.3的发明中公开了一种通过使用自限温添加剂的水或有机溶剂气化过程，以此吸收聚氨酯注浆材料固化过程中所放出的热量，从而降低聚氨酯浆料注浆时的蓄热温度，通过此种方式可以有效避免地下工程注浆时的火灾事故；又如在申请号为201710741745.7的发明中公开了一种以多元醇与多异氰酸酯为主要成分的聚氨酯注浆材料配方，此种注浆材料可以很好的满足地下工程堵漏施工要求并符合绿色环保的理念。
根据上述可知，目前对漏风通道堵塞裂隙材料的研究具有一定的成果，但仍存在以下问题：①无机堵漏材料的注浆颗粒较大无法进入微小裂隙中，而且在注浆过程中，无机注浆材料会由于化学反应产生大量的水化热导致煤的自燃；②上述有机注浆材料虽解决了固化过程的放热问题，但缺少对此类材料低温收缩特性的考虑。基于此，如何提供一种注浆材料能有效解决上述存在的问题是本行业的研究方向。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料及其制备方法，该浆泡材料具有内部反应温度低、导热性能好、耐高温、渗流性较好和堵漏风效果显著的优点，同时绿色环保无污染，从而能满足浅埋煤层漏风裂隙的堵漏要求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料，按照质量份数由以下原料组成：三水醋酸钠104～110份，去离子水35～40份，亲水性气相纳米级二氧化硅0.5～2份，羟乙基纤维素2～4份，十二水磷酸氢二钠2～4份、多亚甲基多苯基异氰酸酯200份，十二至十四烷基缩水甘油醚0～20份，磷酸丁三酯5～25份，催化剂0～1份。
进一步，所述催化剂为二甲基卡胺和二月桂酸二丁基锡中的一种或两种混合制成。
一种浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料的制备方法，具体步骤为：
①将所需质量份数的去离子水和三水醋酸钠依次加入烧杯A中，并使用保鲜膜将其密封后放入温度为75℃的搅拌水浴锅中，待烧杯中固体物熔化为透明液体后进行磁力搅拌同时打开保鲜膜加入亲水性气相纳米级二氧化硅，此时磁力搅拌的转速设置为15r/s，待完全加入后，再次采用保鲜膜进行密封，并将磁力搅拌的转速设置为20r/s持续搅拌10min后，打开保鲜膜使用200目的筛网向烧杯A中缓慢筛入羟乙基纤维素，操作完成并采用保鲜膜对烧杯A密封后，将磁力搅拌的转速设置为25r/s持续搅拌30min，最后打开保鲜膜将十二水磷酸氢二钠加入烧杯A，采用保鲜膜对烧杯A密封后保持当前磁力搅拌的转速不变继续搅拌10min，待以上所有操作完成后，关闭搅拌水浴锅并取出烧杯A将其置于20℃的环境下冷却，即获取三水醋酸钠复合相变材料结晶体，备用；
②将所需质量份数的十二至十四烷基缩水甘油醚、磷酸丁三酯与催化剂在烧杯B中进行搅拌均匀后待用，称取一定量的去离子水倒入烧杯C中，将十二至十四烷基缩水甘油醚、磷酸丁三酯与催化剂的混合物倒入烧杯C中，搅拌1min，备用；
③称取一定量多亚甲基多苯基异氰酸酯加入到烧杯D中，将步骤①中制备的三水醋酸钠复合相变材料结晶体倒入到烧杯D中，搅拌均匀，备用；
④将步骤②中混合物缓慢加入到步骤③的多亚甲基多苯基异氰酸酯与三水醋酸钠复合相变材料结晶体混合物中，同时使用玻璃棒进行搅拌，持续一段时间后，制得浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料。
与现有技术相比，本发明将三水醋酸钠复合相变材料与聚氨酯制备原料相结合，从而形成的浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料具有以下优势：①异氰酸酯与去离子水聚合过程中会产生气体并放出大量的热，三水醋酸钠复合相变材料此时会吸热降低反应体系的温度，并从晶体转变为熔融状态，形成浆泡体系的注浆材料，同时熔融状态会使注浆材料的粘度降低，进而流动阻力减小，在异氰酸酯与去离子水化学反应产生的气体作用下主动渗流，更易进入微小裂隙中；②当此种浆泡材料注入地表裂隙后，整个体系趋于稳定并固结将裂隙封堵，此时三水醋酸钠复合相变材料会缓慢的放热，从熔融状态逐渐恢复为晶体状，一旦井下其它区域存在遗煤氧化，此时晶体状的三水醋酸钠复合相变材料会先将遗煤氧化产生的高温进行吸收，并且在相变材料作用下，相变材料周围的温度会明显低于其他遗煤氧化的高温区域，根据热力学第二定律，此时其他区域的高温气体会进一步向相变材料周围聚集，打断了煤层蓄热氧化自燃的进程，并且由于此时地表温度显然会低于裂隙中封堵材料的温度，整个材料体系将会把煤层氧化吸收的热量排放到地表中，以此实现氧化产热吸排的功能。因此本发明的浆泡材料具有内部反应温度低、导热性能好、耐高温、渗流性较好和堵漏风效果显著的优点，同时绿色环保无污染，从而能满足浅埋煤层漏风裂隙的堵漏要求。
附图说明
图1是本发明浆泡材料的制备流程图；
图2是本发明形成的胶结体系示意图；
图3是本发明浆泡材料的吸排热示意图；
图4是本发明浆泡材料相变时的形态变化过程示意图。
图中，1-泡孔壁；2-CO2气体；3-三水醋酸钠复合相变材料结晶体；4-封堵材料；5-顶板遗煤氧化区域；6-顶板岩层；ΔT1-遗煤氧化区域与封堵材料之间的温差；Q1-遗煤氧化区域向封堵材料传播的热量；ΔT2-封堵材料与地表之间的温差；Q2-封堵材料向地表传播的热量；7-晶体形态浆泡材料；8-熔融形态浆泡材料。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，实施例1的浆泡材料的制备方法，具体步骤为：
①将所需质量份数的去离子水和三水醋酸钠依次加入烧杯A中，并使用保鲜膜将其密封后放入温度为75℃的搅拌水浴锅中，待烧杯中固体物熔化为透明液体后进行磁力搅拌同时打开保鲜膜加入亲水性气相纳米级二氧化硅，此时磁力搅拌的转速设置为15r/s，待完全加入后，再次采用保鲜膜进行密封，并将磁力搅拌的转速设置为20r/s持续搅拌10min后，打开保鲜膜使用200目的筛网向烧杯A中缓慢筛入羟乙基纤维素，操作完成并采用保鲜膜对烧杯A密封后，将磁力搅拌的转速设置为25r/s持续搅拌30min，最后打开保鲜膜将十二水磷酸氢二钠加入烧杯A，采用保鲜膜对烧杯A密封后保持当前磁力搅拌的转速不变继续搅拌10min，待以上所有操作完成后，关闭搅拌水浴锅并取出烧杯A将其置于20℃的环境下冷却，即获取三水醋酸钠复合相变材料结晶体，备用；该步骤中各个原料的称取质量如表1所示：
表1
Figure BDA0002799114060000041
②将所需质量份数的十二至十四烷基缩水甘油醚、磷酸丁三酯与催化剂(二甲基卡胺和二月桂酸二丁基锡混合制成)在烧杯B中进行搅拌均匀后待用，称取一定量的去离子水倒入烧杯C中，将十二至十四烷基缩水甘油醚、磷酸丁三酯与催化剂的混合物倒入烧杯C中，搅拌1min，备用；
③称取一定量多亚甲基多苯基异氰酸酯加入到烧杯D中，将步骤①中制备的三水醋酸钠复合相变材料结晶体倒入到烧杯D中，搅拌均匀，备用；步骤②和③中各个原料的称取质量如表2所示：
表2
Figure BDA0002799114060000051
④将步骤②中混合物缓慢加入到步骤③的多亚甲基多苯基异氰酸酯与三水醋酸钠复合相变材料结晶体混合物中，同时使用玻璃棒进行搅拌，持续一段时间后，制得浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料。
试验证明：
对实施例1制得的浆泡材料进行性能检测，具体结果如表3所示：
表3
Figure BDA0002799114060000052
由上表可知，实施例1制得的浆泡材料由于其整个过程内部反应温度小于95℃，因此其反应温度较低、其整体的导热率处于400～500mW/m·K，因此其导热性能好；并且其燃点达到600℃具有耐高温特点，最后其整个注浆及凝固后的体积变化小于0.2％；从而使其在对裂隙封堵后具有较好的稳定性，最终实现稳定的堵漏风效果。

Claims (3)

1.一种浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料，其特征在于，按照质量份数由以下原料组成：三水醋酸钠104～110份，去离子水35～40份，亲水性气相纳米级二氧化硅0.5～2份，羟乙基纤维素2～4份，十二水磷酸氢二钠2～4份、多亚甲基多苯基异氰酸酯200份，十二至十四烷基缩水甘油醚0～20份，磷酸丁三酯5～25份，催化剂0～1份。
2.根据权利要求1所述浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料，其特征在于，所述催化剂为二甲基卡胺和二月桂酸二丁基锡中的一种或两种混合制成。
3.一种根据权利要求1或2所述浅埋煤层堵漏风与氧化产热吸排的浆泡材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
①将所需质量份数的去离子水和三水醋酸钠依次加入烧杯A中，并使用保鲜膜将其密封后放入温度为75℃的搅拌水浴锅中，待烧杯中固体物熔化为透明液体后进行磁力搅拌同时打开保鲜膜加入亲水性气相纳米级二氧化硅，此时磁力搅拌的转速设置为15r/s，待完全加入后，再次采用保鲜膜进行密封，并将磁力搅拌的转速设置为20r/s持续搅拌10min后，打开保鲜膜使用200目的筛网向烧杯A中缓慢筛入羟乙基纤维素，操作完成并采用保鲜膜对烧杯A密封后，将磁力搅拌的转速设置为25r/s持续搅拌30min，最后打开保鲜膜将十二水磷酸氢二钠加入烧杯A，采用保鲜膜对烧杯A密封后保持当前磁力搅拌的转速不变继续搅拌10min，待以上所有操作完成后，关闭搅拌水浴锅并取出烧杯A将其置于20℃的环境下冷却，即获取三水醋酸钠复合相变材料结晶体，备用；
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