新型保水漿液材料研究及應用*

任建軍，舒仕海，謝雄剛

（1.興義民族師范學院，貴州 興義562400；2.貴州大學，貴州 貴陽550025）

隨著我國煤炭工業(yè)的發(fā)展，許多重點煤礦相繼進入衰老報廢高峰期，據(jù)初步估算，煤田自燃每年至少造成200億元的經(jīng)濟損失[1]。煤炭自燃已成為制約礦井安全生產(chǎn)的重大災害之一。當前煤礦井下防治煤炭自燃的主要技術措施有注水、灌漿、堵漏、惰化、注氮和注膠等[2-4]。單純采用注漿、噴阻化劑以及注惰性氣體等方式，都存在著各自的缺陷[3]，凝膠防滅火技術是20世紀90年代在我國煤礦開始應用的一種新型堵漏風防滅火技術[5]。新型保水漿液材料具有無毒無害、無異味、無污染、無腐蝕性、保水性好等特點[5-6]，其在低溫時具有良好掛壁效果，能夠在破碎煤體周圍形成一層水膜阻止煤與氧的接觸，在煤體升溫時能夠析水降溫，析水固化后能夠貼附在煤壁表面起到阻隔氧氣的作用[7-8]，同時還可起到堵塞漏風通道作用[9]。

筆者針對貴州省首先開采下分層的某煤礦進行分析，該礦有兩層煤層，4號煤層和10號煤層，其中4號煤層的相對瓦斯涌出量為36.57 m3/t，絕對瓦斯涌出量為136.14 m3/min，為高瓦斯煤層；10號煤層相對瓦斯涌出量1.87 m3/t，絕對瓦斯涌出量為0.39 m3/min，為低瓦斯煤層。4號煤層的煤樣吸氧量為0.86 cm3/g，煤層自燃傾向性為Ⅱ類，屬自燃煤層。首先開采解放層10號煤層勢必造成4號煤層出現(xiàn)下沉裂隙、煤體破碎等現(xiàn)象，在煤層回采期間由于煤體破碎極易產(chǎn)生煤體自燃隱患，為此需針對該礦的煤體自燃隱患特點研發(fā)符合自身實際需要的新型防滅火充填材料進行火災隱患治理。

1 新型保水漿液材料構成及添加劑選擇

實驗以貴州省黔西南州清水河電廠生產(chǎn)的粉煤灰為骨料，其主要組成為SiO2，Al2O3，F(xiàn)eO，F(xiàn)e2O3，CaO，TiO2等。經(jīng)測試該粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，孔隙率高達50%~80%，比表面積較大，具有較高的吸附活性和很強的吸水性。通過資料查閱及試驗測試可知聚丙烯酰胺（PAM）類聚合物是一類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、降摩阻性等特點[5-7]，能在膠體漿液中起到粘結作用，可以將不同物質(zhì)混合起來[10]。在試驗和測試中還發(fā)現(xiàn)某一類天然線性多糖（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、穩(wěn)定性、安全性、吸水性等性質(zhì)。研究表明將PAM，E和粉煤灰按一定比例混合后能形成一種保水性、流動性、掛壁性均較好的膠體溶液。因此，膠體材料添加劑確定為PAM和E。

2 新型保水漿液材料性能實驗測試方案

在前期試驗中將粉煤灰、PAM和E分別放入150 g水中攪拌，找出各種材料在150 g水中的適宜溶解值。為研究粉煤灰、PAM和E在不同配比下漿液的失水速度、粘度參數(shù)、表面張力參數(shù)、保水特性參數(shù)、流動特性參數(shù)及其在輸送管道中的壓力等的最佳配比方案，本次試驗共設置了5組實驗，各組實驗配比見第43頁表1。

表1 E，PAM和粉煤灰實驗配比表 （g）

3 材料試驗性能測定

3.1 保水性能測試

為了研究不同溫度、不同配比下各漿液的保水性，將配好的漿液放入保溫箱中進行常溫、30℃，50℃，70℃實驗研究，每組實驗進行72 h觀測，每隔12 h進行一次稱重測試，每次測試結果與進行實驗時的初始質(zhì)量的差值即為失水質(zhì)量m，公式為保水率=(150-m)/150 （1）不同配比、不同溫度下漿液的失水質(zhì)量見圖1。

1-a E漿液常溫下72 h失水質(zhì)量

1-b E漿液30℃下72 h失水質(zhì)量

1-c E漿液50℃下72 h失水質(zhì)量

1-d E漿液70℃下72 h失水質(zhì)量圖1 E漿液不同配比、不同溫度下72 h失水質(zhì)量

膠體材料保水性分析：通過對比不同配比、不同溫度下E漿液的失水質(zhì)量后發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，E漿液的失水質(zhì)量逐漸變多、保水效果逐漸變差。常溫下不同配比的漿液在24 h的保水率介于96.98%~98.19%之間，在48 h的保水率介于94.55%~96.3%之間，在72 h的保水率介于92.44%~94.48%之間；30℃下不同配比的漿液在24 h的保水率介于90.86%~94.69%之間，在48 h的保水率介于85.98%~89.24%之間，在72 h的保水率介于79.44%~83.28%之間；50℃下不同配比的漿液在24 h的保水率介于74.10%~80.00%之間，在48 h的保水率介于50.39%~57.31%之間，在72 h的保水率介于25.07%~37.84%之間；70℃下不同配比的漿液在24 h的保水率介于46.65%~67.28%之間，在48 h的保水率介于6.73%~20.06%之間，在72 h的保水率介于1.81%~5.71%之間。由不同配比、不同溫度下E漿液失水質(zhì)量圖可知第一組、第五組保水效果最佳。

3.2 流動性能測定

漿液的流動性能直接影響漿液在輸送管道中的輸送以及在煤體的擴散情況。能夠反映漿液流動性的參數(shù)是流體的運動粘度。該保水漿液材料為高粘稠液體，在流動過程中其形狀類似于涂料，故實驗流動性采用涂四杯測定儀進行測試。其原理是將被測漿液盛滿特定容器后，利用其在標準孔內(nèi)流出所需時間來標定漿液的粘度，單位為s。實驗儀器見圖2；不同配比下新型保水漿液的粘度系數(shù)見圖3。由實驗結果可知實驗一和實驗五的粘度系數(shù)接近，故實驗一和實驗五在流動性方面性能相似。

圖2 涂四杯測定儀

圖3 不同配比下新型保水漿液的粘度系數(shù)

3.3 漿液穩(wěn)定性測定

漿液在流動過程中掛在煤壁上時，其內(nèi)部水分的穩(wěn)定性直接影響漿液對煤壁的包裹效果，影響漿液內(nèi)部水分流動的參數(shù)為漿液的表面張力。實驗采用FD-NST-1型液體表面張力系數(shù)測定儀對E漿液的表面張力系數(shù)進行測定，原理為：將金屬環(huán)固定在傳感器上，將該環(huán)沒于漿液中，并漸漸拉起圓環(huán)，當它從液面拉脫瞬間傳感器感受到的拉力差值為F，計算公式為

式中：F為脫離力；α為液體表面張力系數(shù)；D1+D2為圓環(huán)的外徑和內(nèi)徑。α的計算公式為

實驗中漿液的表面張力為

式中：U1，U2分別為即將拉斷水柱時數(shù)字電壓表的讀數(shù)和拉斷時數(shù)字電壓表的讀數(shù)；B是硅壓阻式力敏傳感器的靈敏度，單位為V/N。測定結果見圖4。

圖4 不同配比下新型保水漿液的表面張力

由圖4知：實驗一的漿液表面張力最大，說明其內(nèi)水分的穩(wěn)定性最好，最有利于漿液的保水。

綜上，實驗一為實驗最佳配比。

4 現(xiàn)場測試

為了研究該膠體保水材料的保水防滅火效果，在井下現(xiàn)場進行了膠體保水材料充注實驗，現(xiàn)場測試表明：實驗一的漿液流動性較好，能夠在井下空氣隔膜泵的帶動下充填于煤體裂縫中，僅巷道頂板出現(xiàn)濕潤現(xiàn)象，無大面積液體通過裂縫流淌現(xiàn)象；充注膠體漿液后煤體溫度平均降低了約5~6℃，可以有效防止破碎煤體的火災隱患的產(chǎn)生。井下實驗見圖5；現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 井下充填點溫度變化數(shù)據(jù) （℃）

圖5 井下實驗圖

5 結束語

通過對新型保水漿液材料流動特性的研究，得出以粉煤灰為骨料、以聚丙烯酰胺為膠黏劑、以生物膠E為保水材料的新型保水漿液的最佳配比為實驗一的配比。此配比條件下漿液的析水率低，粘度、表面張力適宜，在管道中的流動效果好，且在井下降溫效果好，能夠有效消除煤層中破碎煤體的自燃隱患。