膠體防滅火技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

歐立懂

北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083

膠體防滅火技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

歐立懂

北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083

膠體防滅火技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的一種良好的新型防滅火技術(shù)。它具有性能優(yōu)良、滅火速度快、安全可靠、材料來(lái)源廣泛、滅火后不易復(fù)燃和滅火工藝方便快捷等優(yōu)點(diǎn),適合用于大面積火災(zāi)防治，并且以其獨(dú)特的固水、吸熱降溫、密封堵漏、阻化性等性能成為適用于煤礦火災(zāi)特別是煤體自燃治理的技術(shù)方法，為煤礦火災(zāi)的治理開(kāi)辟了一條新途徑。

膠體; 防滅火技術(shù); 煤層自燃

引言

煤層火災(zāi)和煤炭自燃是我國(guó)礦井的主要災(zāi)害之一，長(zhǎng)期以來(lái)嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)和影響著礦井的經(jīng)濟(jì)效益。更為嚴(yán)重的是煤層火災(zāi)不同于其他類(lèi)型的火災(zāi)，有其固有的特點(diǎn)，如煤體蓄熱性好、火源點(diǎn)隱蔽，松散煤體內(nèi)部自燃氧化放熱，故煤層火災(zāi)防治難度較大。一般的防滅火技術(shù)如注水、注氮、灌漿等，均難以達(dá)到快速防滅火的效果。然而膠體防滅火技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種適合煤層火災(zāi)特點(diǎn)的高效防滅火技術(shù)，并且它集降溫、阻化、堵漏、固結(jié)水等性能于一體, 較好地解決了注水、灌漿過(guò)程中的流失問(wèn)題，為煤層火災(zāi)防治提供了新的方法和途徑[1]。

1 膠體防滅火材料類(lèi)型

煤礦防滅火材料的膠體與化學(xué)中的膠體不同。化學(xué)中的膠體是指一種分散質(zhì)粒子直徑介于粗分散體系和溶液之間的一類(lèi)分散體系，而煤礦防滅火所用的膠體主要是指水的凝膠、假凝膠、或較濃的泥漿、粉煤灰等形成的類(lèi)似凝膠的體系。在防滅火膠體中，大量水被機(jī)械地包裹于具有多孔結(jié)構(gòu)的凝膠孔洞中、高分子材料的鏈段結(jié)構(gòu)中或吸水性黏土礦物的層間結(jié)構(gòu)中，呈半固體狀且不易流動(dòng)。膠體防滅火材料具有一定的強(qiáng)度，具有固體的某些特征，但它又不同于固體，是由固、液兩相組成。根據(jù)成膠材料性質(zhì)和原料的特點(diǎn)，膠體防滅火材料可分為凝膠類(lèi)、稠化膠體類(lèi)和復(fù)合膠體類(lèi)三種類(lèi)型：

（1）凝膠類(lèi)：它包括溶膠或真溶液通過(guò)化學(xué)反應(yīng)所形成的一種不能流動(dòng)且具有一定幾何形狀的材料，吸水性樹(shù)脂或吸水性黏土礦物等吸水后形成的凝膠顆粒堆積而形成的假凝膠。

（2）稠化膠體類(lèi)：向黃土、粉煤灰、細(xì)砂或礦粉等漿液中加入少量某些材料，使?jié){液的黏稠度增加，使它具有良好的觸變性，管道流動(dòng)性。并且流動(dòng)時(shí)不易沉降，同時(shí)稠化膠體與煤壁之間有著良好的附著性，對(duì)煤中的裂隙和空隙有一定的充填作用。

（3）復(fù)合膠體類(lèi)：從形成原因上看，復(fù)合膠體可分為三類(lèi)：①向黃土或粉煤灰的漿液中添加少量高分子材料，由于高分子材料的架橋作用，使?jié){液形成幾乎不能流動(dòng)的復(fù)合膠體；②向黃土、粉煤灰、細(xì)砂等漿液中加入一些膠凝原料，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使其失去流動(dòng)性而形成復(fù)合膠體；這類(lèi)復(fù)合膠體中的固體顆粒僅起填充作用，不參與形成網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)；③向黃土、粉煤灰的泥漿中加入一定的吸水性材料（如吸水性黏土礦物、吸水樹(shù)脂），由于吸水材料吸附了大量水分，使?jié){液失去流動(dòng)性，而形成復(fù)合膠體[2]。

2 膠體防滅火材料的結(jié)構(gòu)

2.1 凝膠的結(jié)構(gòu)

凝膠通常是由兩相組成的，具有三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。假凝膠一般也是由小的凝膠粒子堆積而成的。在凝膠中，隨質(zhì)點(diǎn)形狀和性質(zhì)的不同，所形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)差異也很大。不同凝膠結(jié)構(gòu)間的區(qū)別主要表現(xiàn)在質(zhì)點(diǎn)形狀、質(zhì)點(diǎn)的剛性或柔性以及質(zhì)點(diǎn)之間聯(lián)結(jié)的方式等3個(gè)方面。

（1）質(zhì)點(diǎn)形狀

質(zhì)點(diǎn)形狀對(duì)形成凝膠所需的最低濃度值有著顯著的影響，形狀越不對(duì)稱所需的濃度越低。膠凝時(shí)質(zhì)點(diǎn)的形狀固然很重要，但還必須相互連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，否則不能形成凝膠。

（2）質(zhì)點(diǎn)的柔性或剛性

柔性質(zhì)點(diǎn)通常形成彈性凝膠，而剛性質(zhì)點(diǎn)形成非彈性凝膠，這兩種凝膠的許多性質(zhì)都是不一樣的。

（3）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)聯(lián)結(jié)的性質(zhì)

質(zhì)點(diǎn)聯(lián)結(jié)的性質(zhì)對(duì)凝膠的性質(zhì)有著重要的影響，凝膠中質(zhì)點(diǎn)間的聯(lián)結(jié)主要有三種類(lèi)型：①質(zhì)點(diǎn)間依靠分子間的作用力形成結(jié)構(gòu)；②質(zhì)點(diǎn)間依靠氫鍵形成結(jié)構(gòu)；③依靠化學(xué)鍵形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[3]。

2.2 稠化膠體的結(jié)構(gòu)

稠化膠體是向黃土、砂石或粉煤灰的漿液中加入少量添加劑（基料：如吸水性樹(shù)脂、吸水性黏土礦物），使泥漿黏稠度增加，從而使較稀的泥漿達(dá)到濃泥漿的灌漿效果。此外，稠化膠體的添加劑還是一種良好的分散劑，它的加入可以防止泥漿中顆粒物的沉降。

稠化膠體是由泥漿和增稠添加劑形成的具有特殊性質(zhì)的混合物分散體系。可以把稠化膠體看做是經(jīng)過(guò)改性的泥漿。向稀泥漿中加入的少量添加劑是吸水性分散劑，加入后泥漿變得黏稠，并且泥漿分散性得到提高，不易沉淀。

2.3 復(fù)合膠體結(jié)構(gòu)

復(fù)合膠體材料的組成以及結(jié)構(gòu)都極其復(fù)雜。對(duì)于基料以化學(xué)鍵形成的膠體，如以硅氧化物為基料與泥漿形成的復(fù)合膠體，復(fù)合膠體中的主體骨架仍是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的二氧化硅，泥漿中的黃土或粉煤灰主要是以混合物的形態(tài)充填于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的骨架之間。

以線性高分子材料為基料形成的復(fù)合膠體可以分成兩種類(lèi)型。一種是以線型高分子為單元在水溶液中經(jīng)過(guò)交聯(lián)形成的膠體。這種膠體的骨架主要是交聯(lián)的高分子材料，增強(qiáng)骨料如黃土和粉煤灰充填在大分子骨架間，阻礙材料流動(dòng)的力主要是化學(xué)鍵力，因而膠體強(qiáng)度較大。

另一種是靠高分子材料與固體顆粒間的相互作用力而形成網(wǎng)狀骨架的復(fù)合膠體。這種復(fù)合膠體中加入的黃土或粉煤灰等顆粒物往往成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)與高分子鏈段的末端有較強(qiáng)的作用力，因而可以通過(guò)線性高分子材料的架橋作用將泥漿中的固體顆粒物連成整體，進(jìn)而呈現(xiàn)出類(lèi)似于凝膠的性質(zhì)。

3 膠體滅火機(jī)理

3.1 膠體對(duì)著火物體表面的作用

（1）膠體對(duì)著火物體的潤(rùn)濕性和結(jié)膜封閉性；通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成的膠體在成膠前的潤(rùn)濕性與水相當(dāng)，這類(lèi)膠體在注入過(guò)程中，在注膠口附近的流量很大，它對(duì)著火物體的潤(rùn)濕主要是浸漬。但隨著膠體的向前流動(dòng)阻力的增大，導(dǎo)致流量減小、流速減慢，此時(shí)膠體與固體接觸面之間的潤(rùn)濕主要是鋪展和沾濕，因而溶液流過(guò)的地方都會(huì)形成一層膠體覆蓋層。

（2）膠體與著火物體間的粘附性。固液界面發(fā)生吸附現(xiàn)象的根本原因是固液界面能會(huì)自動(dòng)減小。膠體與著火物體間作用力較大，使二者間界面能降低，因而黏附力較強(qiáng)，因而與著火物體之間的粘附性通常比較好，能附著于著火物體的表面，形成一層膠體，或滯留于著火物體的裂隙中，減少在固體垂直面或斜面上滅火水的流失，提高了冷卻吸熱效果；同時(shí)隔絕著火物體與氧的接觸，因而滅火性能較好。

3.2 膠體與著火物體吸熱降溫

膠體均有固水性,能夠使一定量的水包裹在膠體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架中而失去流動(dòng)性。因膠體的主要成分是水,比熱很大,水溫升高能夠吸收大量的熱能,同時(shí)也使膠體內(nèi)部溫度不會(huì)升的很高，因此膠體材料在高溫下其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本都能保持穩(wěn)定。同時(shí)在較高溫度下,膠體中的水分汽化也能吸收大量的熱能。當(dāng)1L水汽化時(shí)，可以吸收539kcal的熱量，并且體積會(huì)擴(kuò)大1720倍，在水蒸氣占燃燒空間的30%或降溫至燃燒物質(zhì)閃點(diǎn)、燃點(diǎn)以下，燃燒就會(huì)自行停止。

3.3 復(fù)合膠體對(duì)煤體的作用

煤不同于其他著火物體,所以膠體在煤層的防滅火過(guò)程中,除了具有以上的作用外，還具有另外的防滅火性能：

（1）復(fù)合膠體對(duì)煤體孔隙、裂隙的充填。煤是多孔介質(zhì)，所以煤中微孔隙的表面積非常大，并且孔隙對(duì)煤氧氧化放熱影響非常大。膠體在初始狀態(tài)流動(dòng)性較好，能夠通過(guò)任何通道，也可以滲透到煤體的孔隙、裂隙、胞腔中。向松散煤體中注入膠體后，大量膠體充填在煤體的孔隙、裂隙和胞腔內(nèi)，阻止了煤體表面活性結(jié)構(gòu)對(duì)氧以及其他可燃性氣體的吸附、同時(shí)惰化了煤體的表面，可以防止煤炭自燃的發(fā)生。

（2）膠體與煤體間的機(jī)械鍵合。當(dāng)膠體固化后，在煤體的孔隙、裂隙、胞腔中產(chǎn)生了機(jī)械鍵合。因此機(jī)械鍵合非常廣泛地存在于煤與膠體的接觸面上。使膠體與煤體之間存在著強(qiáng)大的結(jié)合力，難以分開(kāi)。機(jī)械鍵合的形式通常有釘鍵、根鍵、鉤鍵和榫鍵等四種形式。這些機(jī)械鍵合力很強(qiáng)，僅當(dāng)膠體被破壞后膠體才能和煤體分離。膠體與煤體間的機(jī)械鍵合使煤與膠體緊密接觸，一方面增加了導(dǎo)熱性能，另一方面使煤的表面活性基團(tuán)被膠體覆蓋，阻止了煤氧氧化放熱。

（3）阻止煤氧物理、化學(xué)吸附及化學(xué)反應(yīng)；膠體隔絕了煤氧接觸,減少或阻止了煤對(duì)氧的物理吸附。同時(shí)膠體中含有多種離子和分子,一些結(jié)構(gòu)是親電試劑,它們能夠與煤表面提供的電子活性結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)吸附,形成絡(luò)合物,使煤體表面更加穩(wěn)定,從而使其表面活性結(jié)構(gòu)失去活性,使煤氧化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)減少[4]。

4 膠體防滅火技術(shù)的特點(diǎn)

膠體防滅火技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的新型防滅火技術(shù)。目前,膠體主要有凝膠、稠化膠體和復(fù)合膠體等多種膠體, 并且都具有良好的防滅火性能，其主要防滅火特點(diǎn)如下：

(1)阻化性；膠體在高溫下仍具有阻止氧氣與著火物的氧化反應(yīng)，并使物體表面惰化而阻止燃燒的作用，同時(shí)也可以很好地防止煤層自燃。

(2)充填性能；膠體可以充填在煤體的孔隙、裂隙和胞腔內(nèi)，阻止了煤體表面與氧氣的吸附和惰化煤體表面的作用。

(3)耐熱性；膠體材料在溫度升高的情況下網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不易破壞且不急劇失水,使膠體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定；

(4)滲透性、蠕變性、黏彈性；膠體能夠滲透到煤層的裂隙中,堵住漏風(fēng);在煤層間隙受力發(fā)生蠕變時(shí)膠體不會(huì)破裂;由于膠體有黏彈性,它能緊密充填于煤層間隙,即使破碎煤層也不會(huì)產(chǎn)生漏風(fēng)裂隙。

(5)具有良好的吸熱性,且滅火時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大量水蒸氣；膠體有很大的熱容,可吸收大量熱,使煤溫下降同時(shí)在滅火時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大量水蒸氣[5]。

[1] 鄧軍.新型復(fù)合膠體防滅火技術(shù)及應(yīng)用用[M].煤礦安全.2001,12(12):42-44

[2] 文虎.膠體泥漿滅火技術(shù).西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).1998 ,18 ( 增) :14～16

[3]徐精彩，等.煤層自燃膠體防滅火理論與技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社.2003

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.14.030