CN114470600A

CN114470600A - 一种泡沫凝胶防灭火材料

Info

Publication number: CN114470600A
Application number: CN202111678167.XA
Authority: CN
Inventors: 贾慧霖; 任万兴; 王士华
Original assignee: Xuzhou Ji'an Mining Technology Co ltd; China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: Xuzhou Ji'an Mining Technology Co ltd; China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114470600B

Abstract

本发明公开了一种泡沫凝胶防灭火材料，由A料和B料两部分组成，A料与B料的质量比为1‑2∶1，其中所述A料由以下质量百分比的组分组成：1％‑1.2％发泡剂，0.3％‑0.4％增稠剂，3％‑4％分散剂，余量为水，所述B料由以下质量百分比的组分组成：0.3‑0.5％增稠剂，0.05‑0.07％硼砂，0.1‑0.3％葡萄糖酸‑δ‑内酯，0.1％‑0.2％柠檬酸，4％‑5％分散剂，余量为水。本发明集凝胶、黄泥灌浆、两相或三相泡沫、惰性气体和阻化剂的防灭火优点于一体，能把泡沫中的水固结在凝胶体内，避免了黄泥灌浆和其它泡沫大量水流失或者溃浆的缺点。

Description

一种泡沫凝胶防灭火材料

技术领域

本发明涉及防灭火技术领域，具体涉及一种泡沫凝胶防灭火材料。

背景技术

煤火是种由采矿活动或自然因素引起的灾害，包括煤田火灾和矿井煤自燃火灾共煤水会释放有毒温室气体、多环芳烃，对环境和人员健康造成巨大危害4 烈。煤火灾害较严重的国家有美国、加拿大、中国，澳大利亚、印度、印尼、南非、英国、德国、波兰、捷克、俄罗斯、乌克兰，土耳其等。煤火可出现在煤矿井下和露天矿区，发生在储煤点或煤层露头等与地表连通的采煤层中。任何着火都需要三个因素来维持：燃料，氧气和热源，地下赋存煤层经开采或自燃焚毁，会伴随采空区或空洞的产生，此覆农层地会下陷造成地面裂隙的形成，煤自燃烟代会由该裂隙释放。随着煤火的加剧，更多的裂隙产生，有些裂隙可以看作排气口、相应的有些裂隙作为入风，于是创造了煤火自我维持的条件。煤火防治是基于对着火三因素的控制和改变，其中任一个因素被抑制，火灾都不能维系。因而防治煤火的关键点在于对着火媒体的直接降温惰化和对围岩裂隙的有效封堵。

近年来，随着综采放顶技术的广泛推广，矿井煤自燃火灾事故越发突出。其原因在于综采放顶的采煤方法，冒落高度大、采空区遗煤多、漏风严重，增加了煤自然发火机会。为了防治煤火，国内外采取了各种防灭火措施。最早采取的是“以风定火”的灭火策略以及灌浆防灭火措施，均取得了很好的防治效果。随着科技的进步，新的防灭火方法得以实施应用，如注惰气、喷洒阻化剂、注泡沫或三相泡沫等，这些技术在不同条件下对保障煤矿安全起到了重要作用，但还存在一些不足：如灌浆，浆液在采空区只沿着地势较低的地方流动，不能均匀覆盖煤体、不能向高处堆积、易形成“拉沟”现象；注惰气内难以形成封闭空间，惰气易随漏风逸散，其灭火降温能力较弱:阻化剂会腐蚀开不设备和危害工人身心健康；注泡沫或三相泡沫，虽对远距离采空区高位空间灭火起到了一定作用，但泡沫稳定性差，一般8-12h即破灭，不能持久有效地防治煤自燃。

水凝胶煤火防治材料其有高吸水性、粘弹性，触变性的特点，直接用于熄灭煤火产生的水蒸气少，良好的保水性使其对自燃煤体长期发挥降温作用，粘弹性保证其在煤岩裂院中发生蠕变而不会破碎，其触变性利于管路输运。但水凝胶使用成本高，且像硅酸钠和碳酸氢铵形成的水凝胶会释放氨气，恶化工作面环境某些水凝胶也会发生龟裂，从而限制了水凝胶在防治煤火领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种泡沫凝胶防灭火材料，以提高泡沫的悬浮稳定性和保水性能，增加对煤炭自燃防治区域遗煤封堵隔氧的持久性，同时具有长久的吸热降温作用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种泡沫凝胶防灭火材料，由A料和B料两部分组成，A料与B料的质量比为1-2∶1，其中所述A料由以下质量百分比的组分组成：1％-1.2％发泡剂，0.3％-0.4％增稠剂，3％-4％分散剂，余量为水，所述B料由以下质量百分比的组分组成：0.3-0.5％增稠剂，0.05-0.07％硼砂，0.1-0.3％葡萄糖酸-δ-内酯，0.1％-0.2％酸，4％-5％分散剂，余量为水。

优选的，所述泡沫凝胶防灭火材料的A料与B料的质量比为1∶1，其中所述A料由以下质量百分比的组分组成：1％发泡剂，0.35％增稠剂，3.5％分散剂，余量为水，所述B料由以下质量百分比的组分组成：0.5％增稠剂，0.05％硼砂， 0.15％葡萄糖酸-δ-内酯，0.2％酸，4％分散剂，余量为水。

优选的，所述发泡剂为碳酸钙、碳酸镁、活性钙、纳米钙中的一种或多种。

优选的，所述增稠剂为海藻酸钠、瓜尔胶、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素中的一种或多种。

优选的，所述分散剂为云母粉、凹凸棒土、硅藻土中的一种或多种。

优选的，所述酸为磷酸、柠檬酸、草酸、乳酸、乙酸中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)集凝胶、黄泥灌浆、两相或三相泡沫、惰性气体和阻化剂的防灭火优点于一体，能把泡沫中的水固结在凝胶体内，避免了黄泥灌浆和其它泡沫大量水流失或者溃浆的缺点；

(2)在采空区具有良好的扩散性能，生成的凝胶以泡沫为载体能够对采空区或煤田火区高、中、低位火源进行大范围、全方位的覆盖，持久保持煤体湿润冷却，隔绝氧气，且添加剂中含有的阻化剂能长久对煤体阻化，彻底防治煤炭自燃；

(3)泡沫凝胶被注入火区后，会在火区全方位覆盖一层凝胶层，并且凝胶层中95％以上都是水，具有长久的吸热降温作用，能够有效防止火区复燃；

(4)凝胶以泡沫为载体，在防灭火区域内能向高处堆积，所到之处凝胶都能有效覆盖并黏附浮煤裂隙，具有良好的封堵漏风通道的性能；

(5)泡沫中的氮气缓慢释放，避免单独注氮时氮气容易流失的缺点，持久保持火区惰化。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

以下实施例中所使用的原料如无特殊说明，均为市售商品。

实施例1

A料的制备：将10份碳酸钙，3份瓜尔胶，30份云母粉和957份水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液；

B料的制备：将5份海藻酸钠，0.5份硼砂，1份葡萄糖酸-δ-内酯，1.5份柠檬酸，40份云母粉和952份水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液。

使用时A料、B料溶液质量比为1:1。

实施例2

A料的制备：将10份碳酸钙，3.5份瓜尔胶，35份云母粉和951.5份的水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液；

B料的制备：将5份海藻酸钠，0.5份硼砂，1.5份葡萄糖酸-δ-内酯，2份柠檬酸，40份云母粉和951份的水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液。

使用时A料、B料溶液质量比为1:1。

实施例3

A料的制备：将10份碳酸钙，4份瓜尔胶，40份云母粉和946份的水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液；

B料的制备：将5份海藻酸钠，0.5份硼砂，2份葡萄糖酸-δ-内酯，2份柠檬酸，45份云母粉和945.5份水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液。

使用时A料、B料溶液质量比为1:1。

对比例1

A料的制备：将10份碳酸钙，3.5份瓜尔胶，35份云母粉和951.5份水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液；

B料的制备：将5份海藻酸钠，0.5份硼砂，2份柠檬酸，40份云母粉和952.5 份水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液。

使用时A料、B料溶液质量比为1:1。

对比例2

B料的制备：将5份海藻酸钠，1.5份葡萄糖酸-δ-内酯，2份柠檬酸，40 份云母粉和951.5份水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液。

使用时A料、B料溶液质量比为1:1。

下面通过实验来考察本发明泡沫凝胶的防灭火作用效果，表格中的数据均为测试5次的平均值；

1)失水性能

泡沫凝胶与煤体间作用力较大，粘附力较强，能粘附于煤体表面，形成一层较厚胶体，起到隔绝着火物体与氧接触和提高冷却吸热效果。但是煤炭自燃时会产生一定的热量，因此用胶体扑灭火灾时必须考虑胶体受热时的失水性能，失水性能通过对比不同温度下胶体和水的失水率来体现。

表1胶体和水在不同温度下的失水率单位：％

温度/℃	对比例1	对比例2	实施例1	实施例2	实施例3	自来水
							180	47.50	53.20	46.50	46.70	47.10	85.37
160	39.18	39.47	37.20	36.48	37.31	76.48
							140	28.65	28.35	27.93	27.65	28.11	62.91
120	25.41	25.23	23.29	22.40	23.45	50.75
							100	22.75	22.34	21.06	20.74	21.34	30.97
80	16.86	17.45	15.85	10.67	15.76	26.85

根据失水率的计算公式得到不同温度下，泡沫凝胶和自来水的失水情况，由表1可以看出泡沫凝胶和水的失水率都随着温度的升高而增大，同时在不同温度水平下水的失水率均比泡沫凝胶的失水率大，且温度越高水的失水率相比较泡沫凝胶的失水率也越高。因此可知胶体具有良好的保水性。

2)阻化性能

将没经过泡沫凝胶处理过的煤样和经过泡沫凝胶处理过的煤样分别放入煤样罐内，程序控制升温，测定100℃时，煤样在阻化处理后前后释放的一氧化碳量的差值与未经阻化处理时释放的一氧化碳量的百分比作为阻化率。

表2泡沫凝胶的阻化特性分析

由表2可以看出，在相同的温度条件下，经过泡沫凝胶处理过的煤样比原煤样释放的CO的量要低得多。由表2和阻化率的计算公式计算出煤温100℃时实施例1的阻化率为64％，实施例2的阻化率为66％，实施例3的阻化率为65％，由此说明实施例2复合阻化效果较好，能有效抑制煤的氧化进程和CO的释放。

3)稳定性能

泡沫半衰期：从发泡刚结束到整体泡沫中析出基液体积一半的液体所花的时间，即为表面活性剂的析液半衰期。

表3泡沫半衰期单位：天

	对比例1	对比例2	实施例1	实施例2	实施例3
						泡沫半衰期	1.5	2	1	1.5	1

4)发泡性能

发泡倍数

对比例1和对比例2都是在实施例2基础上进行的进一步验证试验，其中对比例1中并未加入葡萄糖酸-δ-内酯，对比例2中并未加入硼砂，最终在性能测试中失水率和阻化率均有明显下降，本发明实施例2中添加了硼砂和葡萄糖酸- δ-内酯两大助剂，增加了泡沫凝胶的稳定性，并能够提高防灭火效果。

当A料、B料混合后，发泡剂碳酸钙与酸反应后释放惰性气体二氧化碳，由于碳酸钙溶解度小，会在溶液体系中溶解释放出少量碳酸根和钙离子，碳酸根离子与酸的反应式如下：

CO₃ ²⁺+H⁺→HCO₃ ^-+H₂O

HCO₃ ^-+H⁺→CO₂↑+H₂O

由反应式可以看出碳酸钙与酸反应释放二氧化碳的需要进行两步反应，所以选择碳酸钙从一定程度上延缓了二氧化碳释放的速率，同时由于碳酸钙溶解度很小，酸首先与少量溶解的碳酸钙反应，随着反应的进行碳酸钙不断溶于溶液中促进反应不断向右移动，对反应速率也有一定的延缓作用。

硼砂为交联剂，硼交联剂的交联过程包括无机硼水解成硼酸根离子以及硼酸根离子与增稠剂中邻位顺式羟基形成稳定络合物。硼酸盐水解反应：

Na₂B₄O₇+7H₂O→2Na+4B(OH)₃+2OH^-

B(OH)₃+H₂O→B(OH)^- ₄+H⁺

硼酸根离子与增稠剂分子中邻位顺式羟基结合，产生交联作用。当增稠剂量多，硼酸根离子较少时，生成单二醇络合物，当增稠剂与硼酸根离子相当时，单二醇络合物进一步生成双二醇络合物。

实施例4

A料的制备：将10份碳酸镁，3份海藻酸钠，30份凹凸棒土和957份水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液；

B料的制备：将5份海藻酸钠，0.5份硼砂，1.5份葡萄糖酸-δ-内酯，2份磷酸，40份凹凸棒土和951份水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液。

使用时A料、B料溶液质量比为1:1。

实施例5

A料的制备：将12份纳米钙，2份聚乙烯醇，2份海藻酸钠，35份硅藻土和949份的水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液；

B料的制备：将5份海藻酸钠，0.5份硼砂，1.5份葡萄糖酸-δ-内酯，1份磷酸，1份草酸，40份硅藻土和951份水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液。

使用时A料、B料溶液质量比为1.5:1。

实施例6

A料的制备：将11份活性钙，1份羟甲基纤维素，2份羟乙基纤维素，35 份云母粉和951份的水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液；

使用时A料、B料溶液质量比为2:1。

实施例7

B料的制备：将4份海藻酸钠，0.6份硼砂，1份葡萄糖酸-δ-内酯，1.5份乙酸，45份云母粉和947.9份的水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液。

使用时A料、B料溶液质量比为1:1。

实施例8

B料的制备：将3份海藻酸钠，0.7份硼砂，3份葡萄糖酸-δ-内酯，1份乳酸，50份云母粉和942.3份的水通过电动搅拌器搅拌配制成浆液。

使用时A料、B料溶液质量比为1:1。

表4实施例4-6的性能测试结果

本发明的泡沫凝胶防灭火材料具有良好的保水性能和阻化性质。在高温条件下，泡沫凝胶失水速率比水慢，因此泡沫凝胶灭火试验过程中产生的水蒸汽较少，这样可以防止防灭火时火场能见度的降低，加之其阻化效果好可显著提高灭火效率。

本发明的泡沫凝胶防灭火材料由A料、B料组成，其中A料与水混合后，引入氮气或者压风，通过发泡成胶装置瞬间产生大体积、高倍数的泡沫，而后加入 B料，使生成的泡沫壁上大量的液体形成凝胶，通过管道向采空区、高冒区等防灭火区域及火区灌注。水以泡沫为载体，在采空区或者火区进行扩散，泡沫破裂后，所形成的凝胶能够均匀的覆盖在煤体表面，起到良好的降温、堵漏和隔氧的作用。

Claims

1.一种泡沫凝胶防灭火材料，由A料和B料两部分组成，其特征在于：A料与B料的质量比为1-2∶1，其中所述A料由以下质量百分比的组分组成：1％-1.2％发泡剂，0.3％-0.4％增稠剂，3％-4％分散剂，余量为水，所述B料由以下质量百分比的组分组成：0.3-0.5％增稠剂，0.05-0.07％硼砂，0.1-0.3％葡萄糖酸-δ-内酯，0.1％-0.2％酸，4％-5％分散剂，余量为水。

2.根据权利要求1所述的一种泡沫凝胶防灭火材料，其特征在于：A料与B料的质量比为1∶1，其中所述A料由以下质量百分比的组分组成：1％发泡剂，0.35％增稠剂，3.5％分散剂，余量为水，所述B料由以下质量百分比的组分组成：0.5％增稠剂，0.05％硼砂，0.15％葡萄糖酸-δ-内酯，0.2％酸，4％分散剂，余量为水。

3.根据权利要求1或2所述的一种泡沫凝胶防灭火材料，其特征在于：所述发泡剂为碳酸钙、碳酸氢钙、活性钙、纳米钙中的一种或多种。

4.根据权利要求1或2所述的一种泡沫凝胶防灭火材料，其特征在于：所述增稠剂为海藻酸钠、瓜尔胶、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素中的一种或多种。

5.根据权利要求1或2所述的一种泡沫凝胶防灭火材料，其特征在于：所述分散剂为云母粉、凹凸棒土、硅藻土中的一种或多种。

6.根据权利要求1或2所述的一种泡沫凝胶防灭火材料，其特征在于：所述酸为磷酸、柠檬酸、草酸、乳酸、乙酸中的一种或多种。