礦用密閉材料發(fā)展現(xiàn)狀及研發(fā)趨勢(shì)

馬晉琴 申佳佳 陳志強(qiáng)

（1.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西晉城 048006；2.山西晉煤集團(tuán)王臺(tái)鋪煤礦綜掘一隊(duì)，山西晉城 048006）

礦用密閉材料發(fā)展現(xiàn)狀及研發(fā)趨勢(shì)

馬晉琴1申佳佳2陳志強(qiáng)1

（1.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西晉城 048006；2.山西晉煤集團(tuán)王臺(tái)鋪煤礦綜掘一隊(duì)，山西晉城 048006）

總結(jié)了礦井普遍采用的密閉墻形式及所用的密閉材料，分析了各材料的特點(diǎn)及其局限性，并對(duì)密閉墻未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)。

密閉形式；快速無(wú)機(jī)密閉材料；防爆外袋

高瓦斯礦井約占我國(guó)煤礦總數(shù)的50%，其中地質(zhì)構(gòu)造及其復(fù)雜的礦井又高達(dá)2/3。隨著開(kāi)采深度的延伸和難度的加大，井下作業(yè)常受到粉塵、礦井水、易燃易爆氣體、頂?shù)装宓葹?zāi)害的威脅。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，瓦斯事故約占我國(guó)煤礦總事故的20%，成為煤炭行業(yè)安全高效發(fā)展的瓶頸，如何有效的預(yù)防瓦斯爆炸已迫在眉睫。

1 礦井現(xiàn)階段普遍采用的密閉墻形式及其局限性

隨著礦井對(duì)安全的重視程度越來(lái)越大，對(duì)井下巷道密閉的要求也越來(lái)越高，對(duì)于以擋風(fēng)為主的臨時(shí)密閉，密閉不嚴(yán)會(huì)導(dǎo)致漏風(fēng)，這就會(huì)引起需風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量不足，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)；而對(duì)于巷道與采空區(qū)之間的永久密閉，密閉不嚴(yán)會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)瓦斯等有毒有害氣體泄露到巷道，嚴(yán)重威脅工作人員健康，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)，引起采空區(qū)內(nèi)煤層或瓦斯的燃燒，存在嚴(yán)重的礦井安全隱患。因此需要將易自燃區(qū)、瓦斯積聚區(qū)或者有害氣體源進(jìn)行隔離，目前最常見(jiàn)的隔離方法就是建立密閉墻，常用的材料主要有以下幾種：

1.1 粉煤灰加高水凝膠材料［-］

主料采用當(dāng)?shù)仉姀S鍋爐排放的粉煤灰，膠結(jié)料為國(guó)產(chǎn)高水速凝材料，充填密閉的成型設(shè)施由活動(dòng)模板、單體柱、木柱和背板構(gòu)成，在井下用泥漿泵，泵送由粉煤灰、水、膠結(jié)劑、懸浮劑、膠凝劑按120：100：15：0.05：2配制成的粉煤灰膠體封堵材料進(jìn)入成型設(shè)施內(nèi)進(jìn)行充填封閉作業(yè)［］，3d強(qiáng)度達(dá)1 MPa，8d強(qiáng)度大于2 MPa。

1.2 黃土和粉煤灰作為骨料的充填凝膠材料［-］

以粉煤灰和黃土為主料［］，以水泥、石灰堿性材料為輔料。最優(yōu)試驗(yàn)配比條件下，其凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8.9小時(shí)，而抗壓強(qiáng)度僅有3.797MPa。

1.3 聚氨酯泡沫塑料噴涂層密閉［］

聚氨酯是1937年德國(guó)人Bayer發(fā)明的一種高分子合成材料，材質(zhì)輕、有一定的韌性和強(qiáng)度，通過(guò)噴灌機(jī)將聚氨酯泡沫藥劑噴涂到簡(jiǎn)易密閉墻表面形成泡沫塑料噴層，5分鐘即可反應(yīng)完畢，常溫常壓下發(fā)泡倍數(shù)可達(dá)7-10倍。

聚氨酯彈性密閉堵漏材料的物理性能非常優(yōu)異，可以滿(mǎn)足不同環(huán)境的需求；具有良好的撕裂強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度；對(duì)多種物面涂膜附著力強(qiáng)；固化時(shí)間可根據(jù)施工需要調(diào)整，固化后表面形成完整的無(wú)接縫彈性涂層；涂層致密性好［］。雖然聚氨酯

解決了一些礦井生產(chǎn)難題，但現(xiàn)在用的聚氨酯材料還存在著價(jià)格較高、易燃、延燃時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒氣體等缺點(diǎn)，因而進(jìn)一步研究影響聚氨酯性能的添加工藝是十分必要的。

1.4 瑞米系列密閉墻

1.4.1 混合發(fā)泡材料（瑞米密閉Ⅱ號(hào)）

一種預(yù)先加工好的以無(wú)機(jī)物為主體的發(fā)泡型粉料，施工簡(jiǎn)單：只需要在專(zhuān)用灰漿泵中加人適量的水即可。可隨巖層位移發(fā)生變形，即使在墻體壓縮30%-50%的情況下也能保證密封效果；凝結(jié)速度快：20℃時(shí)的凝結(jié)時(shí)間為3-5min；強(qiáng)度可控：1，7，28d的抗壓強(qiáng)度分別為：0.7，1.0，1.4MPa。

1.4.2 有機(jī)發(fā)泡材料（瑞米充填/密封Ⅰ號(hào)）

泡沫可快速堆積的雙組份發(fā)泡樹(shù)脂，結(jié)束膨脹時(shí)間1.5min，硬化時(shí)間10min，一般2h可建一堵墻；自由膨脹率20-25倍，反應(yīng)溫度低于90℃。

1.4.3 混合噴涂材料（瑞米噴涂Ⅰ號(hào)）由無(wú)機(jī)粉末和有機(jī)液體以1：2的比例混合而成

密封性好，施工速度快，特別適合構(gòu)筑臨時(shí)密閉墻和氣體泄漏地點(diǎn)的噴涂密封。

1.4.4 瑞米防滅火材料［］

該材料以膠體聚丙烯酸鈉、聚丙烯酰胺為主要成分.經(jīng)特殊工藝加工而成的礦用高效滅火劑。材料呈白色粉末狀，無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染、無(wú)腐蝕性。配水成膠后具有致密性、成膜性和附壁性，具有降溫、隔熱、隔氧、隔氣功能，全面地提高了阻燃效果和防滅火功效。

1.4.5 泡沫樹(shù)脂用作臨時(shí)密閉

北京科技大學(xué)的金龍哲等介紹了一種德國(guó)70年代發(fā)明的專(zhuān)為煤礦井下充填、密閉使用的Isoschaum型速凝泡沫樹(shù)脂，由脲甲醛樹(shù)脂溶液、表面活性劑與硬化劑組成。

該樹(shù)脂透氣性低、不溶于水、不延燃、耐熱，彈性強(qiáng)（加壓至原體積的90%，卸壓可恢復(fù)至原體積的80%），成泡速度快（井下30s即可穩(wěn)定），密閉效果好。主要應(yīng)用于防止頂板的瓦斯積聚、防止突出或冒落孔洞等空隙漏風(fēng)引起的自然、用作不規(guī)則巷壁充填材料。

1.4.6 羅克休泡沫密閉墻［］

采用兩種不同形式的膠體——樹(shù)脂和催化劑聚合而成的高分子注射產(chǎn)品，可用于煤礦密閉，充填破碎頂板（煤），采煤工作面進(jìn)、回風(fēng)隅角充填，充填廢棄老洞、煤倉(cāng)，防滅火高冒充填、封堵煤層裂隙，加固煤巖地層、構(gòu)筑防火墻等。

特點(diǎn)及其優(yōu)越性［］：1）高度成品化羅克休泡沫屬于高分子反應(yīng)材料，方便施工，設(shè)備和原料運(yùn)輸方便，無(wú)需特殊設(shè)備，一臺(tái)專(zhuān)用泵和一支混合槍即可。2）施工時(shí)間和地點(diǎn)非常靈活，有風(fēng)源即可。3）高膨脹率：膨脹體積為原體積的25-30倍，空隙填充用量小，費(fèi)用經(jīng)濟(jì)合理。4）泡沫反應(yīng)迅速：常溫下25-30s膨脹結(jié)束，10℃-15℃時(shí)3-5min內(nèi)即可反應(yīng)完畢，20分鐘內(nèi)達(dá)到硬化指標(biāo)，無(wú)需防漏支架。5）抗壓能力強(qiáng)（0.2MPa左右），經(jīng)得起巖層的運(yùn)動(dòng)。6）不蔓延火焰、適用于井下局部高溫防治及滅火工作。

1.4.7 氣囊式快速密閉［］

主要由氣囊、防火幕、支撐同（柱）、快速充氣裝置等4部分組成，在需要快速密閉的巷道地段，向氣囊內(nèi)鼓入安全氣體，使巷道輪廓與氣囊緊密相接，達(dá)到密閉巷道的目的。

安設(shè)方法簡(jiǎn)單易行、速度快，4-5人、3O分鐘內(nèi)即可安裝完畢。具有良好的密封效果：兩端風(fēng)壓差在500-900Pa時(shí)，密封效果為91%-94%，漏風(fēng)率為6%-9%；風(fēng)壓差在500-1 500Pa時(shí)，密封效果達(dá)到98%以上，漏風(fēng)率小于2%［］。氣囊式密閉存在材料耐高溫性能低、穩(wěn)定性較差、對(duì)巷道端面適應(yīng)性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。

1.4.8 撐傘式密閉［］

應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代的前蘇聯(lián)和日本，重慶工學(xué)院的王國(guó)超和煤科總院重慶分院的戴小平等人對(duì)此種密閉方式進(jìn)行了改進(jìn)，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際尺寸需求，但降落傘式密閉主要依賴(lài)風(fēng)向和風(fēng)流壓力，只能在進(jìn)風(fēng)側(cè)使用，局限性較大。

（1）-（8）的密閉形式均屬于輕質(zhì)密閉，能夠快速簡(jiǎn)便地隔離危險(xiǎn)區(qū)域，有很好的密閉效果，但若一旦發(fā)生瓦斯爆炸，上述密閉形式根本無(wú)法抵抗幾千帕，甚至是幾兆帕的沖擊波作用。

除此之外還有幾種傳統(tǒng)的密閉方式，如磚石密閉墻、沙石混凝土密閉墻［］，架木垛、砌磚石、填沙漿等。

2 發(fā)展趨勢(shì)

基于以上問(wèn)題，研發(fā)一種抗壓強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、阻燃抗靜電，并且具有一定可塑性等優(yōu)點(diǎn)的新型無(wú)機(jī)密閉材料，以滿(mǎn)足井下對(duì)密閉性能的要求是十分必要的。密閉墻的外袋，

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)密閉形式不僅費(fèi)力、費(fèi)時(shí)、施工難度大，且密閉性差，抗沖擊能力弱，往往會(huì)由于巷道變形等引起密閉墻體開(kāi)裂，從而導(dǎo)致密閉不嚴(yán)。

聚氨酯泡沫塑料、羅克休泡沫等有機(jī)高分子密閉材料，雖有較好的封堵效果，但是價(jià)格昂貴，充填固狀物的抗壓強(qiáng)度較低，且會(huì)釋放出對(duì)人體有害的化學(xué)物質(zhì)。由于以上這些密閉形式屬于近距離現(xiàn)場(chǎng)操作，這就涉及到井下作業(yè)人員和現(xiàn)場(chǎng)救護(hù)人員的安全。

本文提出了一種由外袋和無(wú)機(jī)內(nèi)填充材料組成的密閉墻，外袋可用彈性材料制成，能隨著無(wú)機(jī)密閉材料的充填和巷道的形狀自由擴(kuò)展密閉，操作人員遠(yuǎn)距離向袋內(nèi)噴注密閉材料即可。待開(kāi)發(fā)的新型密閉材料具有運(yùn)輸量小、抗壓強(qiáng)度高、無(wú)毒害和可遠(yuǎn)距離操作等優(yōu)點(diǎn)，隨著密閉材料的深入研究，將會(huì)在礦井經(jīng)濟(jì)、安全生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。

［1］羅振敏，鄧軍等.煤礦井下災(zāi)區(qū)水凝膠密閉填充材料性能研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（6）：P748-751.

［2］楊永斌.礦井用新型水凝膠密閉填充材料的研究［D］.西安：西安科技大學(xué)能源學(xué)院，2005.

［3］張向榮，羅振敏，張嫡妮，鄧軍.礦井火區(qū)粉煤灰膠體充填封堵材料的試驗(yàn)研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（1）：9-11.

［4］馮巨恩，郭生茂.粉煤灰作充填膠凝材料的應(yīng)用研究［J］.粉煤灰綜合利用，2001（5）：10—11.

［5］朱曉明.晉城礦區(qū)井下綜合利用粉煤灰的研究與探索［J］.粉煤灰，2003（1）：28—30.

［6］孫凱華.黃土粉煤灰基新型煤礦充填材料配比試驗(yàn)研究［J］.煤礦開(kāi)采，2014，19（6）：100-103.

［7］陳文彬，邱雁，張晉生，等.快速密閉在防止漏風(fēng)恢復(fù)生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.煤礦安全，1996（4）：22—23.

［8］鄔劍明，杜云峰，王俊峰.新型礦用聚氨酯彈性體密閉堵漏材料的反應(yīng)機(jī)理及應(yīng)用［J］.煤礦安全，P101.

［9］姜福興，莫自寧.煤礦新型化學(xué)材料密閉墻快速構(gòu)筑技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34（6）：7-9.

［10］張成，崇立國(guó)，文杰，史慶科.瑞米安全防滅火材料在密閉墻漏風(fēng)堵漏及防滅火中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)業(yè)，2011（9）：154-155.

［11］金龍哲，靳瑞英，蔣仲安.礦井安全作業(yè)采用的填充密閉材料泡沫樹(shù)脂及其應(yīng)用技術(shù)［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1998，8（5）：32-36.

［12］邱春亮，張雪濤.羅克休泡沫產(chǎn)品在濟(jì)寧二號(hào)煤礦中的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，31（6）：59—60.

［13］王昕，劉紅崗，郭坤.羅克休泡沫處理大冒頂事故技術(shù)的實(shí)踐［J］.中國(guó)礦業(yè)，2007，16（2）.

［14］李永剛，呂健全，謝勁松，等.噴注羅克休泡沫防治煤體高溫技術(shù)的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2006（7）：83-84.

［15］郭福君，馮述虎.氣囊式快速密閉［J］.中國(guó)礦業(yè)，1998（3）：45-47.

［16］馮述虎，郭福君.氣囊式快速密閉的關(guān)鍵技術(shù)及其試驗(yàn)［J］.1998（9）：16-18.

［17］王國(guó)超，戴小平，鄧國(guó)紅，等.降落傘充氣式耐高溫快速密閉的研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2000，27（6）：5-6.

［18］杜斌，劉培民.密閉堵漏技術(shù)在煤礦的應(yīng)用［J］.山東煤層科技，2011（6）：160-161.

［19］唐子波，孔德順，李華.泡沫混凝土防火防爆密閉墻設(shè)計(jì)及其施工技術(shù)［J］.煤礦現(xiàn)代化，2013（2）：36-38.

馬晉琴（1985年），女，山西晉城人，漢族，助理工程師，學(xué)歷：理學(xué)碩士，研究方向：新型材料。