CN1931397B - 用于煤层火灾治理的复合胶体 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于煤层火灾治理的复合胶体，它主要由水、骨料和胶凝剂组成，其中，骨料是粉煤灰、黄土、沙土或石粉中的一种，胶凝剂是聚丙烯酸钠。使用时先将水和骨料搅拌成浆料，再加入聚丙烯酸钠即可。本复合胶体中还可以加入硫酸铝和碳酸氢铵使其胶凝发泡，减少注浆量，也可加入悬浮剂防止骨料在管路输送过程中的沉降。本发明为煤层火灾治理提供了一种成本低廉的灭火胶体，其原料易得，操作简单，注浆量少，有利于煤矿注浆防灭火技术的推广。

Description

用于煤层火灾治理的复合胶体
技术领域
本发明属于防灭火材料领域，特别是涉及一种用于煤层火灾治理的复合胶体。
背景技术
煤层自然着火的主要原因是煤层中存在裂隙，空气随裂隙进入煤层，氧气与一些自由基反应放出热量，热量积聚至着火点即发生自然。灌注粉煤灰或黄泥浆、凝胶等是《煤矿安全规程》所要求的煤层火灾防治手段之一。粉煤灰或黄泥灌浆的灭火原理是浆液中的水分吸收大量的热，起到灭火降温作用，泥浆覆盖浮煤表面，起隔绝空气的作用，阻止氧气与自由基反应。粉煤灰或黄泥浆流动性好，但不能在高处堆积、很难有效封堵较宽裂隙，且浆液沿裂隙流动时冲刷裂隙壁，使空气流畅进入，易发生复燃；粉煤灰或黄土与水易分离，水的流动性好于浆液流动性，水首先遇到高温煤体产生大量水蒸汽，恶化工作环境，并有产生水煤汽爆炸的危险。凝胶防灭火技术集堵漏、降温、阻化、固结水等性能于一体，较好的解决了灌浆、注水的水泄漏流失问题，适用于各种类型的煤层火灾治理。凝胶基料一般采用水玻璃，促凝剂采用NH4HCO3或NaHCO3，但成本很高，且成胶原料添加量大，现场配比难掌握，工人劳动强度大。另外，采用NH4HCO3做促凝剂时有NH3放出，影响矿工健康。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种灭火速度快、渗流范围大、能在设定时间内实现液固转化及成本低廉的用于煤层火灾治理的复合胶体。
解决上述问题的技术方案是：所提供的用于煤层火灾治理的复合胶体主要由浆料和胶凝剂混合组成，所说的浆料由水和骨料混合组成，所说的骨料是粉煤灰、黄土、沙土或石粉中的一种，所说的胶凝剂是聚丙烯酸钠。一般先将水与骨料混合均匀制成浆液，然后加入胶凝剂注入火区。
当水与骨料的浆液输送管路曲折或距离较远时，可以加入悬浮剂，使浆液的输送更加畅通。所说的悬浮剂是羧甲基纤维素或甲基纤维素中的一种或两种。使用时将水、骨料与悬浮剂制成浆液，输送至火区，加入胶凝剂即可。上述悬浮剂的加入量可为水重量的1～2％。
为了减少浆液灌注量，降低灭火成本，可以在浆液中加入硫酸铝和碳酸氢铵。使用时通常是先由水、骨料、硫酸铝混合搅拌制成浆料，将浆料输送至煤层火区附近，再在浆料中加入聚丙烯酸钠与碳酸氢铵的混合物，然后注入火区。硫酸铝与碳酸氢铵的加入可产生CO2气体，聚丙烯酸钠的加入可使浆料在设定时间内胶凝，增加或减少聚丙烯酸钠的添加量可缩短或延长液固转化速度。浆液在流向火区时自动搅拌，胶凝的同时放出CO2气体。CO2气体一方面使胶体发泡，增加填堵裂隙的复合胶体体积；另一方面CO2气体比重大于氧气比重，逸出复合胶体的CO2可赶走氧气，熄灭火源，且每引入1kg的CO2气体即可封闭约0.5m3的体积，尤其对注浆位置顶部的火区具有显著的灭火效果。由于固体转变为气体时体积急剧增加，胶体被挤入细小裂隙，因此可以充分隔绝空气。
硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O)的添加量为水重量的1～10％，碳酸氢铵的加入量按碳酸氢铵与硫酸铝的重量比值为1∶1.4计算。
一般情况下聚丙烯酸钠的加入量是水重量的0.5～2％，聚丙烯酸钠的分子量大于1500万；聚丙烯酸钠的最佳加入量是水重量的1～2％。
骨料、胶凝剂添加量对胶凝速度有一定影响，骨料添加量越大胶凝速度越快，胶凝剂添加量越大胶凝速度越快。
一般情况下，黄土添加量可为水重量的30～140％，粉煤灰添加量可为水重量的30～140％，石粉添加量可为水重量的40～160％，沙土添加量可为水重量的40～150％。
通常情况下，各骨料的添加量可为水重量的比例分别是：黄土60～110％，粉煤灰50～100％，石粉80～140％，沙土70～120％。
最佳比例为：黄土添加量为水重量的80～110％，粉煤灰添加量为水重量的60～100％，石粉添加量为水重量的100～140％，沙土添加量为水重量的80～120％。
选用上述骨料主要考虑在满足灭火要求的同时能最大程度地降低灭火成本及环境保护等问题。
由骨料、水及胶凝剂制得的复合胶体优点为：1.灭火速度快：复合胶体在设定区域内流动性逐渐减弱，充分包裹煤体，隔绝空气，熄灭火源。2.胶体充填范围大：复合胶体在填充裂隙过程中逐渐失去流动性，附近裂隙充满后继续充填周围裂隙。3.灭火效果持久：所采用的骨料(粉煤灰、黄土、沙土或石粉)稳定性好，能永久填堵裂隙。4.安全性好：胶体在松散煤体内胶凝固化、堵塞漏风通道，故有害气体消失快，在高温下胶体不会产生大量水蒸汽，不存在水煤气爆炸和水蒸汽伤人的危险；5.火区不易复燃：使用的灭火材料主体为无机耐高温材料，能持久隔绝空气。
添加悬浮剂的浆液可解决管路曲折或距离较远时浆液的输送问题。
添加发泡剂的浆液胶凝后CO2气体使胶体发泡，大大减少了注浆量，加快了灭火速度。
另外，本灭火胶体的成本低廉，原料易得，特别是可在矿区附近就地取材，有利于煤矿注浆防灭火技术的推广。
具体实施方式
实施例1
取一定量的水四份，分别加入占水重量100％的直径小于1mm的粉煤灰、黄土、沙土和石粉，混合均匀，再分别加入占水重量为1％的聚丙烯酸钠(分子量大于1500万)。经测试，25～45秒钟之间开始发生胶凝，其30秒时流动度为64～85mm，完全满足灭火注浆和隔绝空气的要求。
流动度的测试方法是：将上口直径为36mm，下口直径为64mm，高度为60mm，厚5mm的内壁光滑无接缝金属截锥模置于水平玻璃板中央，锥模内部和玻璃板均用湿布擦过，并将湿布覆盖上面；向2000ml烧杯中加入水，再加入称量好的粉体并搅拌均匀，将锥模置于水平玻璃板中央，迅速将拌好的浆体注入截锥模内，刮平并清掉溢出浆体，将锥模按垂直方向迅速提起约30cm高，至无附壁浆体流下时移开，30秒时量取垂直方向的直径(mm)，三次试验的直径平均值即为流动度。
实施例2
取一定量的水四份，分别加入占水重量140％、直径小于1mm的粉煤灰、黄土、沙土和石粉，混合均匀；再加入占水重量0.5％的聚丙烯酸钠(分子量大于1500万)。经测试，20秒钟后发生胶凝，其20秒时流动度为64～70mm。
实施例3
取一定量的水四份，分别加入占水重量40％、直径小于1mm的粉煤灰、黄土、沙土、石粉、占水重量1％的羧甲基纤维素钠；再加入占水重量1.5％的聚丙烯酸钠(分子量大于1500万)。经测试，60秒钟后发生胶凝，60秒时流动度为80～120mm。
实施例4
取一定量的水，向水中加入1.4％的硫酸铝，再加入占水重量100％的粉煤灰，混合搅拌均匀，再向该浆料中加入水重量1％的聚丙烯酸钠及水重量1％的碳酸氢铵，25秒钟后发生胶凝，其25秒时流动度为64～75mm，胶体体积增加了2.3倍。
实施例5
取一定量的水，向水中加入2.8％的硫酸铝，再加入占水重量120％的黄土和占水重量1％的羧甲基纤维素钠，搅拌均匀，再向该浆料中加入水重量1％的聚丙烯酸钠及水重量2％的碳酸氢铵，25秒钟后发生胶凝，其25秒时流动度为64～75mm，胶体体积增加4.2倍。

Claims (8)

1.一种用于煤层火灾治理的复合胶体，其特征是主要由浆料和胶凝剂混合组成，所说的浆料由水和骨料混合组成，所说的骨料是粉煤灰、黄土、沙土或石粉中的一种，黄土添加量为水重量的30～140％，粉煤灰添加量为水重量的30～140％，石粉添加量为水重量的40～160％，沙土添加量为水重量的40～150％，所说的胶凝剂是分子量大于1500万的聚丙烯酸钠，聚丙烯酸钠的加入量为水重量的0.5～2％。
2.根据权利要求1所述的复合胶体，其特征是所说黄土添加量为水重量的60～110％，粉煤灰添加量为水重量的50～100％，石粉添加量为水重量的80～140％，沙土添加量为水重量的70～120％。
3.根据权利要求1所述的复合胶体，其特征是所说黄土添加量为水重量的80～110％，粉煤灰添加量为水重量的60～100％，石粉添加量为水重量的100～140％，沙土添加量为水重量的80～120％。
4.根据权利要求1、2或3所述的复合胶体，其特征是还加有悬浮剂，所说的悬浮剂是羧甲基纤维素或甲基纤维素中的一种或两种，悬浮剂的加入量为水重量的1～2％。
5.根据权利要求1、2或3所述的复合胶体，其特征是还加有硫酸铝和碳酸氢铵。
6.根据权利要求4所述的复合胶体，其特征是还加有硫酸铝和碳酸氢铵。
7.根据权利要求5所述的复合胶体，其特征是硫酸铝的加入量为水重量的1～10％，碳酸氢铵的加入量按碳酸氢铵与硫酸铝的重量比为1∶1.4计算。
8.根据权利要求6所述的复合胶体，其特征是硫酸铝加入量为水重量的1～10％，碳酸氢铵加入量按碳酸氢铵与硫酸铝的重量比为1∶1.4计算。
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