CMC復(fù)合凝膠防滅火機(jī)理及其應(yīng)用

賈 巍

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048002）

煤礦井下作業(yè)條件復(fù)雜，危險(xiǎn)因素分布廣泛且管理難度較大，幾乎貫穿整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。礦井火災(zāi)是傳統(tǒng)的煤礦五大災(zāi)害之一，由于煤炭本身為可燃物，因此井下火災(zāi)的防治工作十分重要。目前，在我國(guó)井工煤礦開采過程中，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，便會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重地制約著煤礦的安全生產(chǎn)并威脅著井下工作人員的生命安全[1]。防滅火材料對(duì)于煤層自然發(fā)火防治十分關(guān)鍵，因此，需要認(rèn)真研究并選用合適的防滅火材料才能取得良好效果。

1 聚合物凝膠對(duì)煤自燃的防治機(jī)理

聚合物凝膠是一種高效的防滅火材料，常用在化工防護(hù)、石油開采、礦山防滅火等領(lǐng)域。它是由聚合物和交聯(lián)劑按一定配比混合后通過物理或化學(xué)反應(yīng)形成具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的類固體狀態(tài)，是一種特殊的分散體系，具有良好的固水、堵漏、降溫等優(yōu)越性能[2]。

根據(jù)煤礦防滅火工作要求，礦用防滅火CMC復(fù)合凝膠針對(duì)普通凝膠制備繁雜、成膠速度慢等缺點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。它主要由羧甲基纖維素鈉（CMC）、交聯(lián)劑檸檬酸鋁（Al Cit）制備，而制膠的關(guān)鍵在于如何根據(jù)地質(zhì)條件、防滅火要求及技術(shù)工藝，確定合理比例的CMC復(fù)合凝膠配比，此環(huán)節(jié)是保證CMC復(fù)合凝膠實(shí)際良好應(yīng)用的前提[3]。

1.1 CMC復(fù)合凝膠的防滅火特性

CMC復(fù)合凝膠的化學(xué)成分較為特殊，在成膠前具有液體的流動(dòng)特性，可在壓力作用下滲入到煤巖體的裂隙中，同時(shí)由于大量水分的存在，使凝膠具有良好的吸熱降溫性；成膠后又具有類固體的特點(diǎn)，膨脹粘結(jié)，能堵塞縫隙中的漏風(fēng)通道，起到隔絕氧氣的作用。膠體成型穩(wěn)定后，同時(shí)具有阻化性，能夠減緩煤氧化進(jìn)程[4]。

1.2 CMC復(fù)合凝膠的制備

CMC復(fù)合凝膠的制備直接關(guān)系到煤礦防滅火工作的最終效果，對(duì)凝膠的穩(wěn)定性要求較高。在選材時(shí)，通常會(huì)選擇整體性較強(qiáng)、不易受溫度影響而產(chǎn)生膨脹變化的材料。在制備時(shí)，普遍通過范德華力、氫鍵或離子的相互作用，對(duì)聚合物的分子鏈形成交聯(lián)作用，最終構(gòu)造成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定特性，具體制備及使用如圖1。CMC溶液與Al Cit經(jīng)過一定比例的混合后，由井下的單體泵進(jìn)輸送管路由鉆孔注入需要防治的煤巖體中。

1.3 CMC復(fù)合凝膠防滅火試驗(yàn)

在投入工程使用前，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)所制備的CMC復(fù)合凝膠防滅火能力進(jìn)行了實(shí)際的檢驗(yàn)。如圖1所示，在實(shí)驗(yàn)爐上放置煤體，在爐體底部180 mm處均勻布置了6個(gè)注膠孔，在T1-T8處觀測(cè)煤體溫度。在煤體中部燃燒，通過上部和底部的注膠形成隔離帶，從而觀察凝膠防滅火能力。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)步驟：對(duì)爐體逐步加熱，當(dāng)熱電偶的讀數(shù)達(dá)到500 ℃以上時(shí)停止通風(fēng)，并順著注膠孔對(duì)爐體上下部注入濃度為2%的CMC與5%的Al Cit，直至熱電偶的讀數(shù)降至50 ℃以內(nèi)停止注漿。

試驗(yàn)結(jié)果：根據(jù)圖2可知，由于距離加熱裝置最近，T6的溫度變化最為明顯。在最初的200 min之內(nèi)，其他測(cè)點(diǎn)溫度變化不明顯，僅有源點(diǎn)T6溫度出現(xiàn)了快速上升的變化，并在210 min左右達(dá)到最高點(diǎn)，超過1000 ℃。該變化說明煤的導(dǎo)熱性較差，雖然在短時(shí)間內(nèi)火勢(shì)發(fā)展快，但是影響范圍較小。如果此時(shí)停止供風(fēng)，爐內(nèi)溫度雖然保持上升狀態(tài)，但如果及時(shí)注入滅火凝膠，則可以快速降低爐內(nèi)溫度。隨著底部注膠完成，爐內(nèi)積存的氧氣也會(huì)消耗殆盡，T6點(diǎn)的溫度在60 min內(nèi)快速降至400 ℃，隨后進(jìn)入平緩狀態(tài)，在1000 min后溫度降至常溫。由此表明該防火凝膠具有良好的封堵漏風(fēng)、隔絕氧氣的作用，防滅火作用明顯。

圖2 測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖

2 工程實(shí)例

2.1 礦井煤層自然發(fā)火情況

蘭花口前煤業(yè)位于山西朔州，可采煤層為4號(hào)、9號(hào)、11號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a。目前開采4號(hào)煤層4101工作面，該煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平均厚度8.63 m。經(jīng)鑒定發(fā)現(xiàn)，4號(hào)煤層煤吸氧量為0.73 cm3/g，判定該煤層的煤自燃傾向性為Ⅰ類容易自燃煤層；火焰長(zhǎng)度大于400 mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉用量為75%，煤層具有煤塵爆炸性。4號(hào)煤層屬于特厚易燃煤層，在使用綜采放頂煤開采的過程中回采率較低，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤較多。在工作面撤架期間，由于頂煤受礦壓明顯，容易出現(xiàn)煤體破碎，自燃危險(xiǎn)性由此升高。

2.2 防滅火整體方案

4101工作面共計(jì)經(jīng)歷了10個(gè)月的封閉治理，啟封后火區(qū)工作面局部溫度較高，有一定的復(fù)燃概率出現(xiàn)。在對(duì)該工作面治理時(shí)，選擇注入CMC復(fù)合凝膠，以封堵、降溫、阻化作用為主。根據(jù)對(duì)4號(hào)煤層地質(zhì)條件、采掘情況的分析和對(duì)周圍氣體濃度、溫度的檢測(cè)，初步判定4101工作面65#支架附近容易出現(xiàn)火源。為了實(shí)現(xiàn)火區(qū)的有效治理，劃定55#～75#架為自燃危險(xiǎn)區(qū)域，根據(jù)工作面與采空區(qū)自然發(fā)火的特點(diǎn)，以4101工作面推進(jìn)方向?yàn)闇?zhǔn)，該區(qū)域的影響范圍按20 m考慮。同時(shí)由于4號(hào)煤層屬于特厚煤層，將通過在煤層中施工消火道的方式接近停采線，實(shí)施打鉆注膠作業(yè)。

2.3 鉆孔布置

支架55#～75#總計(jì)20架，架距2 m，總計(jì)40 m。共布置鉆孔10個(gè)，兩組施工，每組鉆孔水平間距為5 m，布置如圖3。

圖3 注膠孔布置圖

2.4 注膠滅火效果

本次注膠的目的在于降溫滅火形成隔離帶，為支架安全回撤提供有力保障。根據(jù)鉆孔長(zhǎng)度和自然危險(xiǎn)區(qū)的劃分，將選用3.0%CMC + 8%Al Cit配比的復(fù)合防滅火凝膠進(jìn)行注膠作業(yè)，通過鉆孔注入煤體內(nèi)部，并記錄整個(gè)作業(yè)過程中的CO濃度變化。結(jié)果如圖4，注膠總計(jì)16 d，注入量約900 m3。在注膠作業(yè)前2 d內(nèi)CO濃度無明顯變化，維持在3×10-4之上，隨后出現(xiàn)快速下降，約維持12 d，CO濃度維持在1×10-5無顯著變化后停止注漿，該自燃危險(xiǎn)區(qū)域順利轉(zhuǎn)入安全觀測(cè)區(qū)。

圖4 CO濃度變化隨時(shí)間變化圖

3 結(jié)語

CMC復(fù)合凝膠對(duì)于礦井防滅火工作有很好的應(yīng)用表現(xiàn)，膠體制備簡(jiǎn)單快捷，凝結(jié)迅速，在口前煤礦4101工作面采空區(qū)防滅火中取得良好的使用效果，在注膠結(jié)束后也未出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象，CO濃度保持在1×10-5左右，具有廣闊的應(yīng)用前景。