新型保水浆液材料研究及应用*

2021-10-23任建军舒仕海谢雄刚

科技创新与生产力 2021年9期

任建军，舒仕海，谢雄刚

（1.兴义民族师范学院，贵州兴义562400；2.贵州大学，贵州贵阳550025）

随着我国煤炭工业的发展，许多重点煤矿相继进入衰老报废高峰期，据初步估算，煤田自燃每年至少造成200亿元的经济损失[1]。煤炭自燃已成为制约矿井安全生产的重大灾害之一。当前煤矿井下防治煤炭自燃的主要技术措施有注水、灌浆、堵漏、惰化、注氮和注胶等[2-4]。单纯采用注浆、喷阻化剂以及注惰性气体等方式，都存在着各自的缺陷[3]，凝胶防灭火技术是20世纪90年代在我国煤矿开始应用的一种新型堵漏风防灭火技术[5]。新型保水浆液材料具有无毒无害、无异味、无污染、无腐蚀性、保水性好等特点[5-6]，其在低温时具有良好挂壁效果，能够在破碎煤体周围形成一层水膜阻止煤与氧的接触，在煤体升温时能够析水降温，析水固化后能够贴附在煤壁表面起到阻隔氧气的作用[7-8]，同时还可起到堵塞漏风通道作用[9]。

笔者针对贵州省首先开采下分层的某煤矿进行分析，该矿有两层煤层，4号煤层和10号煤层，其中4号煤层的相对瓦斯涌出量为36.57 m3/t，绝对瓦斯涌出量为136.14 m3/min，为高瓦斯煤层；10号煤层相对瓦斯涌出量1.87 m3/t，绝对瓦斯涌出量为0.39 m3/min，为低瓦斯煤层。4号煤层的煤样吸氧量为0.86 cm3/g，煤层自燃倾向性为Ⅱ类，属自燃煤层。首先开采解放层10号煤层势必造成4号煤层出现下沉裂隙、煤体破碎等现象，在煤层回采期间由于煤体破碎极易产生煤体自燃隐患，为此需针对该矿的煤体自燃隐患特点研发符合自身实际需要的新型防灭火充填材料进行火灾隐患治理。

1 新型保水浆液材料构成及添加剂选择

实验以贵州省黔西南州清水河电厂生产的粉煤灰为骨料，其主要组成为SiO2，Al2O3，FeO，Fe2O3，CaO，TiO2等。经测试该粉煤灰颗粒呈多孔型蜂窝状组织，孔隙率高达50%~80%，比表面积较大，具有较高的吸附活性和很强的吸水性。通过资料查阅及试验测试可知聚丙烯酰胺（PAM）类聚合物是一类非常重要的水溶性聚合物，具有增稠性、增粘性、絮凝性、降失水性、降摩阻性等特点[5-7]，能在胶体浆液中起到粘结作用，可以将不同物质混合起来[10]。在试验和测试中还发现某一类天然线性多糖（E）也具有增稠性、成膜性、生物相容性、生物粘附性、pH值敏感性、稳定性、安全性、吸水性等性质。研究表明将PAM，E和粉煤灰按一定比例混合后能形成一种保水性、流动性、挂壁性均较好的胶体溶液。因此，胶体材料添加剂确定为PAM和E。

2 新型保水浆液材料性能实验测试方案

在前期试验中将粉煤灰、PAM和E分别放入150 g水中搅拌，找出各种材料在150 g水中的适宜溶解值。为研究粉煤灰、PAM和E在不同配比下浆液的失水速度、粘度参数、表面张力参数、保水特性参数、流动特性参数及其在输送管道中的压力等的最佳配比方案，本次试验共设置了5组实验，各组实验配比见第43页表1。

表1 E，PAM和粉煤灰实验配比表（g）

3 材料试验性能测定

3.1 保水性能测试

为了研究不同温度、不同配比下各浆液的保水性，将配好的浆液放入保温箱中进行常温、30℃，50℃，70℃实验研究，每组实验进行72 h观测，每隔12 h进行一次称重测试，每次测试结果与进行实验时的初始质量的差值即为失水质量m，公式为保水率=(150-m)/150 （1）不同配比、不同温度下浆液的失水质量见图1。

1-a E浆液常温下72 h失水质量

1-b E浆液30℃下72 h失水质量

1-c E浆液50℃下72 h失水质量

1-d E浆液70℃下72 h失水质量图1 E浆液不同配比、不同温度下72 h失水质量

胶体材料保水性分析：通过对比不同配比、不同温度下E浆液的失水质量后发现，随着温度的升高，E浆液的失水质量逐渐变多、保水效果逐渐变差。常温下不同配比的浆液在24 h的保水率介于96.98%~98.19%之间，在48 h的保水率介于94.55%~96.3%之间，在72 h的保水率介于92.44%~94.48%之间；30℃下不同配比的浆液在24 h的保水率介于90.86%~94.69%之间，在48 h的保水率介于85.98%~89.24%之间，在72 h的保水率介于79.44%~83.28%之间；50℃下不同配比的浆液在24 h的保水率介于74.10%~80.00%之间，在48 h的保水率介于50.39%~57.31%之间，在72 h的保水率介于25.07%~37.84%之间；70℃下不同配比的浆液在24 h的保水率介于46.65%~67.28%之间，在48 h的保水率介于6.73%~20.06%之间，在72 h的保水率介于1.81%~5.71%之间。由不同配比、不同温度下E浆液失水质量图可知第一组、第五组保水效果最佳。

3.2 流动性能测定

浆液的流动性能直接影响浆液在输送管道中的输送以及在煤体的扩散情况。能够反映浆液流动性的参数是流体的运动粘度。该保水浆液材料为高粘稠液体，在流动过程中其形状类似于涂料，故实验流动性采用涂四杯测定仪进行测试。其原理是将被测浆液盛满特定容器后，利用其在标准孔内流出所需时间来标定浆液的粘度，单位为s。实验仪器见图2；不同配比下新型保水浆液的粘度系数见图3。由实验结果可知实验一和实验五的粘度系数接近，故实验一和实验五在流动性方面性能相似。

图2 涂四杯测定仪

图3 不同配比下新型保水浆液的粘度系数

3.3 浆液稳定性测定

浆液在流动过程中挂在煤壁上时，其内部水分的稳定性直接影响浆液对煤壁的包裹效果，影响浆液内部水分流动的参数为浆液的表面张力。实验采用FD-NST-1型液体表面张力系数测定仪对E浆液的表面张力系数进行测定，原理为：将金属环固定在传感器上，将该环没于浆液中，并渐渐拉起圆环，当它从液面拉脱瞬间传感器感受到的拉力差值为F，计算公式为

式中：F为脱离力；α为液体表面张力系数；D1+D2为圆环的外径和内径。α的计算公式为

实验中浆液的表面张力为

式中：U1，U2分别为即将拉断水柱时数字电压表的读数和拉断时数字电压表的读数；B是硅压阻式力敏传感器的灵敏度，单位为V/N。测定结果见图4。

图4 不同配比下新型保水浆液的表面张力

由图4知：实验一的浆液表面张力最大，说明其内水分的稳定性最好，最有利于浆液的保水。

综上，实验一为实验最佳配比。

4 现场测试

为了研究该胶体保水材料的保水防灭火效果，在井下现场进行了胶体保水材料充注实验，现场测试表明：实验一的浆液流动性较好，能够在井下空气隔膜泵的带动下充填于煤体裂缝中，仅巷道顶板出现湿润现象，无大面积液体通过裂缝流淌现象；充注胶体浆液后煤体温度平均降低了约5~6℃，可以有效防止破碎煤体的火灾隐患的产生。井下实验见图5；现场测试数据见表2。