一种防灭火胶体材料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及防灭火安全技术领域，具体而言，涉及一种防灭火胶体材料及其制备方法与应用。

背景技术：

化学上，凡是能减小化学反应速度的物质皆称为阻化剂。阻化剂防灭火原理是将一种或几种物质的溶液或乳浊液(阻化剂)灌注到采空区煤壁或煤柱裂缝等易于自燃的地点，阻化剂附于煤的表面，隔绝氧气、阻止煤的氧化，延长煤炭发火期或防止煤炭发火。

国外先后研究了氯化钙、氢氧化钙、碳酸氢钙、水玻璃凝胶等无机阻化剂和酚醛树脂、环氧树脂、表面活性剂等有机阻化剂。国内现阶段防灭火阻化剂的种类有无机盐吸水液、氢氧化钙阻化剂、硅凝胶、高惰泡沫、喷注石膏浆、表面活性剂、高聚物乳液、粉末状防热剂等。采空区凝胶防灭火阻化剂一般应用铵盐(如碳酸氢铵、氯化铵等)做促凝剂，产生的氨气污染了井下的工作环境，危害了矿工的身体健康，并且由于基料和促凝剂的用量较大，从而增加了工人的劳动量和成本的投入。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种能够快速形成均匀无结团的防灭火胶体材料，具有灭火、降温效果明显，便于施工，安全环保的特点，能够有效提高材料的有效利用率，该材料无不良化学反应发生，对环境和人没有危害，减少了氨气的产生，而且钙盐对高硫矿的自燃发火有着较好的阻化效果，相应的本发明还提供了所述胶体材料的制备方法和用途。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明涉及一种防灭火胶体材料，按质量份数计，所述防灭火胶体材料由以下原料制成：

硅酸钠4～8份、钙盐4～8份、促凝剂2～6份以及水80～88份。

本发明所提供的防灭火胶体材料的主要原料之一是水玻璃和钙盐，在其中添加了钙盐，客观上降低了促凝剂的用量，也就减少了氨气的产生，而且钙盐对高硫矿的自燃发火有着较好的阻化效果，改变了原先凝胶阻化剂单一的防灭火阻化原理，从而大大提高了防灭火阻化效率、降低了原料的用量，减少了工人的劳动强度和原料成本的投入。

本发明还涉及如上所述的防灭火胶体材料的制备方法，包括：将各成分混匀。

该方法操作简单，易于施行。具体的使用方法为将各成分搅拌形成凝胶，采用灌注或喷洒的形式用于煤层自燃的防治。

申请人进行的实验显示，本发明的胶体材料在使用过程中能在2～3分钟内即可形成均匀无接团的凝胶，灭火、降温效果明显，便于施工，安全环保，显著提高了材料的有效利用率。

根据本发明的一方面，本发明还涉及如上所述的防灭火胶体材料在防治煤层自燃或熄灭已发火的煤层中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

①石灰石加入水后不能吸收水分，而水玻璃加碳酸氢铵形成胶体可吸收90％以上的水分；

②对高硫矿来说水玻璃的阻化防灭火效果没有石灰石好，长时间后，水玻璃胶体易老化，失去作用，而石灰石会长期存在，起到防灭火作用；

③石灰石与水玻璃和碳酸氢铵均不发生任何化学反应，不影响各自的阻化效果；

④石灰石和水玻璃混合后可以增强胶体的强度，使阻化效果更好；

⑤凝胶阻化剂是高含水材料，注入煤体后，使煤体含水量显著升高，起到降温阻燃作用；

⑥两种原料无毒、无害，不会污染环境，来源广泛、价格低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的防火应用工艺示意流程图；

图2为本发明实施例的灭火应用工艺示意流程图；

图3为回风巷温度变化曲线；三角形符号代表温度开始下降的拐点，圆形符号代表温度稳定时的拐点；

图4为上隅角温度变化曲线；三角形符号代表温度开始下降的拐点，圆形符号代表温度稳定时的拐点；

图5为回风巷一氧化碳浓度变化曲线；三角形符号代表一氧化碳开始下降的拐点，圆形符号代表一氧化碳稳定时的拐点；

图6为上隅角一氧化碳浓度变化曲线；三角形符号代表一氧化碳开始下降的拐点，圆形符号代表一氧化碳稳定时的拐点。

具体实施方式

本发明涉及一种防灭火胶体材料，按质量份数计，所述防灭火胶体材料由以下原料制成：

硅酸钠4～8份、钙盐4～8份、促凝剂2～6份以及水80～88份。

钙盐、硅酸钠(加水后为水玻璃)为阻化剂的基本原料，钙盐对高硫矿的防火阻化作用效果明显；钙盐、液态水玻璃的来源广泛，价格低廉；液态水玻璃有良好的固水作用；钙盐和水玻璃不会发生反应，不会影响各自阻化效果；钙盐、液态水玻璃无毒、无害，不会污染环境，对矿工身体没有危害，对设备没有腐蚀性；材料热稳定性能好，无易挥发性和热解物质产生，阻化寿命长。钙盐、液态水玻璃在各自的反应中都会吸收大量的热量，从而降低煤的温度，起到防灭火的作用；钙盐的加入不会影响液态水玻璃的成胶过程，且成胶的工艺简单，便于施工。

优选的，如上所述的防灭火胶体材料，按质量份数计，所述防灭火胶体材料由以下原料制成：

硅酸钠5～7份、钙盐5～7份、促凝剂3～5份以及水82～86份。

优选的，如上所述的防灭火胶体材料，按质量份数计，所述防灭火胶体材料由以下原料制成：

硅酸钠6份、钙盐6份、促凝剂4份以及水84份。

其中，本发明所用的硅酸钠是一种水溶性硅酸盐，加水后即可制得水玻璃，是一种无机黏合剂，其粘结力强、强度较高，耐酸性、耐热性好，可短时间内形成胶体，水玻璃等成胶后热稳定性好，可有效阻止煤炭与助燃剂(空气中氧气)的接触和补充，是制作阻化剂的理想材料；

优选的，所述硅酸钠的模数≤3，可以选择1或者2。

钙盐优选为氯化钙、氢氧化钙、碳酸氢钙或碳酸钙，其可以增加煤等易燃物在低温时的化学惰性，或提高煤氧化的活能；从而起到阻化剂的作用。钙盐的添加可减少水玻璃及促凝剂的用量，且对高硫矿的自燃发火有着较好的阻化效果。

优选的，如上所述的防灭火胶体材料，所述促凝剂为铵盐。

优选的，如上所述的防灭火胶体材料，所述铵盐为碳酸氢铵。

碳酸氢铵不与钙盐、水玻璃反应，不会影响各自的阻化效果；碳酸氢铵与钙盐、水玻璃成胶后为中性物质，对井下设备没有腐蚀作用；碳酸氢铵作促凝剂时的成胶时间合适。

优选的，如上所述的防灭火胶体材料，所述钙盐为石灰石。

在基料水玻璃中加入了石灰石。基于石灰石和高硫矿中的硫发生化学反应，从而从根本上降低了高硫矿的吸氧能力抑制了煤层的自燃发火，从而加强了凝胶阻化剂的防火效果。该阻化材料基料水玻璃所占比例对成胶时间的长短起着重要的作用。石灰石所占比例对成胶时间的长短作用并不显著。

本发明还涉及如上所述的防灭火胶体材料的制备方法，包括：将各成分混匀。

优选的，所述方法包括：

1).将所述钙盐与水按照4:43～49的质量比混合，充分搅拌5min～10min配成溶液，随后加入所述硅酸钠，充分搅拌不少于10min得到混合物a；

2).将所述促凝剂与余量的水混合，充分搅拌不少于10min得到混合物b；

3).将所述混合物a与混合物b混合；

其中，步骤1)和步骤2)无先后顺序；

优选的，所述方法包括：

1).将所述钙盐与水按照4:46的质量比混合，充分搅拌5min～10min配成溶液，随后加入所述硅酸钠，充分搅拌10min～15min得到混合物a；

2).将所述促凝剂与余量的水混合，充分搅拌10min～15min得到混合物b；

3).将所述混合物a与混合物b混合；

其中，步骤1)和步骤2)无先后顺序。

根据本发明的一方面，本发明还涉及如上所述的防灭火胶体材料在防治煤层自燃或熄灭已发火的煤层中的应用。

煤炭自燃不仅造成巨大的能源损失，也是重大的灾害，本发明所提供的防灭火胶体材料可减少采空区煤炭自燃，并作为已见明火的煤层的灭火之用。

在进行应用时，将本发明提供的防灭火胶体材料的各成分按一定比例配成水溶液以后，注入钻孔或喷洒到煤体裂隙中，发生凝胶作用形成乳状胶体。胶体具有框架作用，把流动的水分子固定在胶体内，对煤炭颗粒进行包裹，从而达到阻止或降低煤的氧化进程，阻止煤炭自燃的目的。基料与促凝剂混合工艺的不同取决于该阻化剂是用于预防煤炭自燃还是熄灭已发火的煤炭。

对预防巷道煤柱、煤巷高冒及工作面采空区煤炭自燃，其工艺流程为：硅酸钠+钙盐+水按比例配成溶液；促凝剂+水按比例配成溶液；通过三通将两种溶液混合后，利用泥浆泵将溶液喷洒到需要进行防灭火位置(如图1所示)；

对于煤炭已自燃并出现明火，其工艺流程为：硅酸钠+钙盐+水按比例配成溶液；促凝剂+水按比例配成溶液；利用泥浆泵将溶液输送到混合器，通过充分混合后喷洒在发火位置，需要进行灭火(如图2所示)。

优选的，如上所述的应用，所述煤层为含硫煤层。

本发明在基料水玻璃中加入了石灰石。基于石灰石和高硫矿中的硫发生化学反应，从而从根本上降低了高硫矿的吸氧能力抑制了煤层的自燃发火，从而加强了凝胶阻化剂的防火效果。

优选的，如上所述的应用，将所述防灭火胶体材料采用灌注或喷洒的形式用于煤层自燃或熄灭已发火的煤层。

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

本实施例的防灭火胶体材料，其硅酸钠的质量为5g，石灰石的质量为7g，碳酸氢铵的质量为3g，以及水85份；在进行配置时，如图1所示，将石灰石与水按照4:43的质量比混合，充分搅拌5min配成溶液，随后加入所述硅酸钠，充分搅拌10min得到混合物a；将碳酸氢铵与余量的水混合，充分搅拌10min得到混合物b；通过三通将两种溶液混合后，利用泥浆泵将溶液喷洒到煤层上，其性能指标如表1所示。

实施例2

本实施例的防灭火胶体材料，其硅酸钠的质量为7g，石灰石的质量为5g，碳酸氢铵的质量为5g，以及水83份；在进行配置时，如图1所示，将石灰石与水按照4:49的质量比混合，充分搅拌10min配成溶液，随后加入所述硅酸钠，充分搅拌15min得到混合物a；将碳酸氢铵与余量的水混合，充分搅拌15min得到混合物b；通过三通将两种溶液混合后，利用泥浆泵将溶液喷洒到煤层上，其性能指标如表1所示。

实施例3

本实施例的防灭火胶体材料，其硅酸钠的质量为6g，石灰石的质量为6g，碳酸氢铵的质量为4g，以及水84份；在进行配置时，如图1所示，将石灰石与水按照4:46的质量比混合，充分搅拌10min配成溶液，随后加入所述硅酸钠，充分搅拌10min得到混合物a；将碳酸氢铵与余量的水混合，充分搅拌10min得到混合物b；通过三通将两种溶液混合后，利用泥浆泵将溶液喷洒到煤层上，其性能指标如表1所示。

对比例1

本对比例的防灭火胶体材料，其硅酸钠的质量为2g，石灰石的质量为6g，碳酸氢铵的质量为4g，以及水88份；配置方法同实施例3；通过三通将两种溶液混合后，利用泥浆泵将溶液喷洒到煤层上，其性能指标如表1所示。

对比例2

本对比例的防灭火胶体材料，其硅酸钠的质量为4g，石灰石的质量为6g，碳酸氢铵的质量为4g，以及水86份；配置方法同实施例3；通过三通将两种溶液混合后，利用泥浆泵将溶液喷洒到煤层上，其性能指标如表1所示。

实验例1

从上表可知，本发明所提供的防灭火胶体材料成胶时间适中，水玻璃所占比例，对成胶时间的长短起着重要的作用，石灰石所占比例对成胶时间的影响不显著。凝胶成胶时间如大于5min，会使大量凝胶溶液流失，或渗流进入煤层裂隙深层，或溢流造成损失；凝胶成胶时间如小于2min，会使凝胶不能有效渗流，或形成集瘤，或使得胶体未形成前在煤层中流失，影响了凝胶对煤炭的包覆，起不到防灭火的作用。故本申请成胶时间为3～5min比较适中。

实验例2

浙江省长广集团有限责任公司一矿4210工作面于2002年2月上旬投产。该工作面属龙潭煤系c煤层，呈褐色或者黑色，块状或粉末状，煤质中硬，性脆。该煤层本身具有自燃发火倾向，自燃发火期较短(含硫)，为1～3个月。2002年5月在4210工作面采空区里进行注浆，并在同一工作面的上隅角和回风巷分别测定在无凝胶阻化剂和注入新型凝胶阻化剂时，co浓度及温度值，根据测定结果绘制图3～6所示的co浓度及温度值随工作面开采后时间的变化曲线。

从图中看到4210回采面从5月份使用新型凝胶阻化剂后，回风巷和上隅角一氧化碳和煤层温度都有了明显的下降，煤层温度、一氧化碳浓度的变化趋势是煤层自燃的重要标志，它们的下降充分说明了煤层自燃现象的减弱，新型凝胶阻化剂起到了预防煤层自燃的作用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。