一种利用高导热纤维防治煤矿采空区自燃灾害的方法与流程

本发明涉及一种利用高导热纤维防治煤矿采空区自燃灾害的方法，属于采矿安全领域。

背景技术：

煤自燃灾害普遍存在于我国井工煤矿之中，受开采工艺的影响，煤矿采空区中存在大量遗煤与冒落岩石，为煤氧化自热提供了良好的蓄热环境。煤自燃火灾发生后会释放CO等毒害气体危及矿工生命安全。目前的煤自燃防治方法主要依靠注浆、注氮等技术，虽然能降低采空区内氧浓度抑制燃烧，但是并不能消除采空区内积蓄的热量，采空区内高温点依然存在，因为煤、岩导热性能差，采空区降温过程缓慢，高温通常会维持数十天甚至更久。特别对于已经发生自燃火灾的采空区，密封火区后恢复生产的时间周期长，且启封后容易发生火区复燃。为了解决这一问题，核心在于消除采空区内的积聚热量。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种利用高导热纤维防治煤矿采空区自燃灾害的方法，利用高导热纤维，在采空区内部纤维网络，附在采空区遗煤氧化自燃区域，在自燃多发区域密集铺设；最终将纤维束链接到采空区外部的循环冷却装置，将采空区内热量消除，降低采空区温度，起到防治自燃灾害的效果。

本发明提供了一种利用高导热纤维防治煤矿采空区自燃灾害的方法，在煤矿采空区铺设高导热纤维，覆盖采空区内遗煤氧化自热的主要区域，高导热纤维吸收煤氧化自燃释放的热量，在工作面回风隅角处将纤维汇集成束连接到采空区外部，纤维束与循环冷却装置连接，利用循环冷却装置吸收导热纤维传递的热量，降低采空区内部温度，起到预防采空区遗煤氧化自燃和降低火区温度的作用。

进一步地，所述易自燃危险区域是指采空区内遗煤氧化自热的主要区域。即采空区内漏风速率介于0.24-0.10 m/min、或氧气浓度介于5%-15%的区域。

为了保障纤维的优良导热特性，良好的物理强度与耐腐蚀抗氧化，所述高导热纤维由纳米铜为基料，与高导热材料、以及塑性添加剂、抗氧化剂复合制成，复合成的高导热纤维直径为3-10mm；制备的过程为：将粒径为15μm的金属铜粉末用机械研磨设备二次研磨成粒径为10-100nm的纳米铜颗粒，对其进行亲水改性，同时将高导热材料粉碎研磨成粒径100nm的颗粒，将改性纳米铜颗粒、高导热材料颗粒、塑性添加剂按质量200:100:10进行混合，然后将混合好的粉末放入模具中，在1200℃与300kg/cm²压力的条件下热压烧结成型，再加入质量3~5份的抗氧化剂加压熔融，熔融温度为200 ℃，加热至200 ℃后恒温20 min，压力为500kg/cm²。

进一步地，所述亲水改性过程是：浸泡在质量分数为6.0~7.5%的NaOH和质量分数为4.5~5.5%的K₄O₇P₂的混合溶液中进行改性；高导热纤维中纳米铜、高导热材料、塑性添加剂、抗氧化剂的质量配比为16.0-19.0：5.0-8.0：0.3-0.8：0.1-0.2；所述高导热材料为氮化硼、碳纤维或石墨中的一种；所述塑性添加剂为聚丙烯腈、聚苯硫醚或沥青中的一种；所述抗氧化剂为2，6-二叔丁基对甲酚、丁基羟基茴香醚或N-苯基-1-萘胺中的一种。

所述的高导热纤维在采空区内部分散，在采空区回风隅角聚集成一束，为了避免热量在传递过程中的逸散，高导热纤维的内芯外包高效隔热材料，束管外包阻燃防静电包层。

所述高导热纤维的内芯外包高效隔热材料为珍珠岩/硅酸钠/丙烯酸异辛酯三元共聚物，该共聚物由珍珠岩、硅酸钠、丙烯酸异辛酯共聚物按质量配比为40-60:30-45:6-10制成，制备的过程为：用电子天平按比例称量珍珠岩与丙烯酸异辛酯置于1 000mL玻璃烧杯中，匀速搅拌30min后加入100mL蒸馏水，继续慢速搅拌20m in后再按比例加入硅酸钠， 慢速搅拌至混合均匀为止;称取300g 的混合物加入模具中，利用50t压力机压制成块状材料后进行微波处理，最终取出静置冷却；制成后需在800KW功率下微波辐照8-10分钟。

所述高导热纤维的束管外包的阻燃防静电包层，由改性合成树脂添加阻燃材料与助剂制成；其组成成分和比例为：丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物树脂、硫酸钡、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯、聚苯醚酮、LDH-MCA纳米复合阻燃材料、氧化聚乙烯蜡按90-120：30-65：20-45：8-16：5-10：3-9：5-7组成。其中，LDH-MCA纳米复合阻燃材料的制备过程为：首先准确称取三聚氰酸0.2g和三聚氰胺0.2g置于100mL去离子水中，超声处理2h，加入0.02mol/L的氢氧化钠溶液，得到混合的悬浊液；然后将LDH（水滑石）和尿素加入悬浊液中，Al³⁺和Mg²⁺浓度分别为0.05mol/L和0.10mol/L，尿素浓度0.60mol/L，超声处理1h；将混合液加入500mL聚四氟乙烯反应釜中，采用水热法在90℃下反应24h；冷却至室温后，过滤并收集底部固态残留物，去离子水洗涤，50℃干燥，制备出 LDH-MCA纳米复合阻燃材料。

当导热纤维不够，需要续接时，使用快速接头连接两根纤维。

所述冷却装置由导热管、冷却液、输送管路、阀门构成。进一步地，冷却装置内的冷却液由水、丙三醇、聚乙二醇、萘乙酸、磷酸二氢钠、氢氧化钾、羟基乙叉二膦酸按组成，质量配比为：48:30:7:2:1.5:1.5:10。

本发明的有益效果：

（1）本发明可以安全高效防治煤矿采空区自燃火灾，加快火区启封速度并降低复燃风险。

（2）利用高导热纤维防治煤矿采空区自燃灾害的方法，可以在采空区内铺设多条纤维，覆盖范围广，也可根据易自燃危险区域针对性铺设；使用简便，操作灵活，可以高效消除采空区内部的积聚热量，且使用寿命长。

（3）利用高导热纤维防治煤矿采空区自燃灾害的方法，不需要向采空区内注入N₂、CO₂等惰性气体，可以防止井下窒息事故的发生，安全性高。

（4）仅仅依靠热传导消除采空区内部热量，不使用化学试剂，对采空区及下部地层无污染，属于绿色环保型技术。

附图说明

图1是高导热纤维的示意图。

图2是高导热纤维束管的示意图。

图3是高导热纤维在煤矿采空区内部布置示意图。

图中：1是纳米铜纤维内芯，2是高导热纤维层，3是树脂包层，4是保温层，5高导热纤维，6是煤矿回采工作面，7是采空区，8是高导热纤维束管。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

某煤矿工作面采用用放顶煤工艺，采高5.1m，采空区倾向长度为207m，煤层自燃倾向性为I类易自燃煤层，自热发火期为28天，开采过程中遗煤较多，采空区自然发火严重，采空区自燃危险区域判定为工作面后方30-80m范围，为了降低工作面自燃危险，保障矿井安全生产，分别沿工作面进回风顺槽均匀铺设100条高导热纤维，高导热纤维材质为纳米铜-氮化硼复合纤维，纤维直径为5mm，长度为200m，在采空区内部均匀分散铺设，大约按每2m间隔1条布置，同时布置温度探头测量采空区内部温度。随着工作面逐步回采，高导热纤维被掩埋进入采空区，分布在采空区最易自燃的氧化区域内，遗煤在氧化的过程中，不断散发热量。掩埋进入采空区内的高导热纤维持续不断的吸收采空区内部遗煤氧化产生的热量。导热纤维连接到采空区外部时，纤维与冷却装置内的导热管相接触，通过冷却装置内流经的液氮冷却液冷却，吸收采空区内的热量，最终实现降低采空区内部温度，实测对比布置高导热纤维前后，采空区内部各测点温度从最高54.7℃降低至32.5℃，表面该技术方案可以实现保障煤矿安全生产的目的。

本实施例中使用的材料及工况条件为：

所述高导热纤维由纳米铜为基料，与高导热材料，以及塑性添加剂，抗氧化剂复合制成，复合成的高导热纤维直径为3-10mm；

制备的过程为：将粒径为15μm的金属铜粉末用机械研磨设备二次研磨成粒径为10-100nm的纳米铜颗粒，对其进行亲水改性，同时将高导热材料粉碎研磨成粒径100nm的颗粒，将改性纳米铜颗粒、高导热材料颗粒、塑性添加剂按质量200:100:10进行混合，然后将混合好的粉末放入模具中，在1200℃与300kg/cm²压力的条件下热压烧结成型，再加入质量4份的抗氧化剂加压熔融，熔融温度为200 ℃，加热至200 ℃后恒温20 min，压力为500kg/cm²。

所述亲水改性过程是：浸泡在质量分数为6.0~7.5%的NaOH和质量分数为4.5~5.5%的K₄O₇P₂溶液中进行改性；高导热纤维中纳米铜、高导热材料、塑性添加剂、抗氧化剂的质量配比为16.0-19.0：5.0-8.0：0.3-0.8：0.1-0.2；

所述高导热材料为氮化硼；

所述塑性添加剂为聚丙烯腈；

所述抗氧化剂为N-苯基-1-萘胺。

所述高导热纤维的内芯外包高效隔热材料为珍珠岩/硅酸钠/丙烯酸异辛酯三元共聚物，该共聚物由珍珠岩、硅酸钠、丙烯酸异辛酯共聚物按质量配比为40-60:30-45:6-10制成，制备的过程为：用电子天平按比例称量珍珠岩与丙烯酸异辛酯置于1 000mL玻璃烧杯中，匀速搅拌30min后加入100mL蒸馏水，继续慢速搅拌20m in后再按比例加入硅酸钠， 慢速搅拌至混合均匀为止;称取300g 的混合物加入模具中，利用50t压力机压制成块状材料后进行微波处理，最终取出静置冷却；制成后需在800KW功率下微波辐照8-10分钟。

所述高导热纤维的束管外包的阻燃防静电包层，由改性合成树脂添加阻燃材料与助剂制成；其组成成分和比例为：丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物树脂、硫酸钡、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯、聚苯醚酮、LDH-MCA纳米复合阻燃材料、氧化聚乙烯蜡按90-120：30-65：20-45：8-16：5-10：3-9：5-7组成；其中，LDH-MCA纳米复合阻燃材料的制备过程为：首先准确称取三聚氰酸0.2g和三聚氰胺0.2g置于100mL去离子水中，超声处理2h，加入0.02mol/L的氢氧化钠溶液，得到混合的悬浊液；然后将水滑石和尿素加入悬浊液中，Al³⁺和Mg²⁺浓度分别为0.05mol/L和0.10mol/L，尿素浓度0.60mol/L，超声处理1h；将混合液加入500mL聚四氟乙烯反应釜中，采用水热法在90℃下反应24h；冷却至室温后，过滤并收集底部固态残留物，去离子水洗涤，50℃干燥，；制备出 LDH-MCA纳米复合阻燃材料。

冷却装置内的冷却液由水、丙三醇、聚乙二醇、萘乙酸、磷酸二氢钠、氢氧化钾、羟基乙叉二膦酸按组成，质量配比为：48:30:7:2:1.5:1.5:10。