防治煤自燃的高堆積固化泡沫的制備及應用

胡相明 ，王 凱 ，薛 迪 ，孫公正

（1.山東科技大學 安全與環(huán)境工程學院, 山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地, 山東 青島 266590）

0 引 言

煤炭是我國的主體能源，2022 年我國煤炭消費約占一次能源消費總量的56.2%[1]。此外，我國“富煤、貧油、少氣”的能源特點決定了煤炭資源將在我國的能源結構中長期處于主體地位[2]。然而，煤自燃火災是嚴重威脅礦井安全生產的主要災害之一。因此，煤自燃火災防治工作是煤礦安全生產面臨的一項艱巨任務[3]。

研究表明，充填堵漏是防治煤自燃的關鍵技術之一[4]。目前，最常用的堵漏材料主要包括：水泥[5]、凝膠[6]、泡沫[7]。其中，無機固化泡沫具有成本低、產熱量小和抗壓強度大的性能優(yōu)勢，廣泛應用于充填煤礦巷道高冒區(qū)、密閉墻以及封堵工作面“兩端頭”的漏風通道。目前，研究人員主要通過改變泡沫添加量、填料或水固比制備傳統(tǒng)無機固化泡沫(TISF)。例如，金永飛等[8]以水泥和粉煤灰為骨料制備了無機固化膨脹充填材料，研究了發(fā)泡劑、粉煤灰、聚丙烯纖維摻量對泡沫抗壓強度和收縮率的影響規(guī)律；魯義等[9]研究了水基泡沫、水灰比以及粉煤灰摻量對無機固化泡沫孔隙率的影響，試驗結果表明：當泡沫摻量為水泥基漿液體積的8 倍，水灰比0.4，粉煤灰添加量為水泥質量的30%時，閉孔率高達66.89%；馬礪等[10]通過單因素法，以材料流動度、初凝時間、抗壓強度為指標進行配比優(yōu)選，研發(fā)出大摻量粉煤灰無機固化泡沫充填堵漏新材料。但也發(fā)現(xiàn)，上述TISF 普遍存在穩(wěn)定性差、膠凝時間長(均大于10 min)、堆積能力弱的問題，難以在工作面端頭、巷道高冒區(qū)等受限空間迅速堆積，無法高效堵漏防治煤自燃[11]?；诖耍s短TISF膠凝時間和提高堆積能力將成為下一步研究的重點。

促進硅酸鹽水泥水化的速凝劑主要包括兩大類：無機鹽和有機化合物。HEIKAL 等[12]研究表明，甲酸鈣質量為水泥質量的0.5%時，膠凝時間為70 min，但也發(fā)現(xiàn)，增加甲酸鈣的含量無法繼續(xù)縮短泡沫漿液的膠凝時間。張慢[13]研究表明硫酸鋁質量為水泥的2%時，膠凝時間約為7 min，但反應熱量大；液態(tài)硅酸鈉(LSS)為水泥質量的6%時，膠凝時間為2 min，且隨LSS 摻量的增加，膠凝時間不斷減小。QI 等[14]向摻有黃原膠的水泥漿中加入LSS，當LSS 摻量從10%增加到70%，黃原膠混合緩凝水泥的初凝時間從700 s 縮短到20 s。孫星亮等[15]將LSS 摻量從10%增至15% 時，漿液膠凝時間急劇縮短；摻量15%以后，隨著LSS 摻量的增加膠凝時間進一步增長，但變化相對平緩?；诖?，結合礦井對TISF 封堵漏風通道的要求，使用LSS 縮短TISF 的膠凝時間具有應用潛力。

基于上述研究，筆者設想在優(yōu)化TISF 的基礎上，利用LSS 改性制備速凝無機固化泡沫(RISF)。首先通過研究不同濃度LSS 對固化泡沫抗壓強度、膠凝時間、堆積性以及穩(wěn)定性的影響規(guī)律，確定了充填采空區(qū)“兩端頭”的最優(yōu)LSS 添加量。其次，利用X 射線衍射(XRD) 和掃描電子顯微鏡(SEM) 等技術手段闡明了RISF 的速凝固化機理。此外，利用小型的堵漏風試驗和滅火試驗測試RISF 的堵漏和滅火效果。最后，通過利民煤礦的矸石山治理工程，檢驗RISF 的現(xiàn)場應用效果。

1 材料及試驗方法

1.1 材 料

PO42.5 水泥(POC)、粉煤灰(FA)、表面活性劑(十二烷基硫酸鈉(SDS)、聚乙烯醇(PVA))、納米二氧化硅(NS)、黃原膠(GX)、氧化鎂(MgO)、聚羧酸減水劑(PCE)、液態(tài)硅酸鈉(LSS，波美度：40°13e'、模量：3.3)。使用X 射線熒光光譜儀和激光粒度儀研究水泥和粉煤灰的物理和化學特性(表1)。

表1 不同粉體材料的化學成分和物理性能Table 1 Chemical composition and physical properties of different powder materials

1.2 樣品的制備

首先，在室溫下稱取一定量的表面活性劑加入水中，利用恒速攪拌機以1 500 r/min 攪拌3 min 制備水基泡沫(AF)，同時，將POC，F(xiàn)A，GX，MgO，PCE和水制備水泥基漿液。其次，將AF 添加到水泥基漿液中，并以100 r/min 的速度混合3 min，獲得均勻的新拌泡沫漿液。然后，將LSS 倒入泡沫漿液中并迅速攪拌。最后，將其澆注到特定的模具中并用塑料薄膜覆蓋。1 d 后，將固化泡沫試樣從模具中取出并在標準固化養(yǎng)護箱內進行養(yǎng)護。傳統(tǒng)無機固化泡沫與添加1%，3%，5%，7% LSS 所制備的無機固化泡沫分別標記為TISF，R1，R3，R5和R7。固化泡沫的制備流程如圖1 所示，不同固化泡沫的混合設計見表2，干、濕密度及抗壓強度見表3。

圖1 固化泡沫制備流程Fig.1 Preparation process of solidified foam

表2 固化泡沫的混合設計Table 2 Mixed design of cured foam

表3 固化泡沫的干、濕密度及抗壓強度Table 3 Dry and wet density and compressive strength of cured foam

其中，GX，PCE，MgO 分別占膠凝材料質量的0.5%，0.45%，2%。膠凝材料指水泥與粉煤灰質量之和。V為水泥基漿液的體積。

1.3 測試方法

1.3.1 抗壓強度

按照JGJ/T 70—2009 測定試樣的抗壓強度。首先，將泡沫漿液倒入70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm的立方體試模中，標準條件下養(yǎng)護1 d 后脫模，然后在（20±0.5） ℃和95% 濕度的標準護箱中養(yǎng)護至7，14，28 d 齡期時進行抗壓強度試驗。使用電子萬能材料試驗機(Japan, AG–X250)測得抗壓破壞載荷，每組試塊測試3 次，抗壓強度取平均值[16]。

1.3.2 膠凝時間

采用倒杯法測量泡沫漿液的初凝和終凝時間。將一定量的泡沫漿液分別置于2 個燒杯中，然后重復交替進行倒杯，直至燒杯傾斜45°時漿液無法流動為止記作初凝時間；在GB/T 17671—1999 條件下固化，溫度保持在（20±1.0） ℃，濕度應不低于90%，漿體硬度處于結石狀態(tài)的時間為終凝時間[14]。

1.3.3 穩(wěn)定性

固化泡沫穩(wěn)定性測試使用圓柱形模具。首先將樣品制成直徑50 mm、高度為1 m 的圓柱體(圖2)，7 d 后將樣品從模具中取出，并以250 mm 的間隔切成30 mm 厚的圓盤。然后，將切割的樣品干燥達到恒質，測量干燥后圓盤的質量和體積以計算密度。固化泡沫的穩(wěn)定性見式(1)[17]：

圖2 穩(wěn)定性試驗示意Fig.2 Schematic of stability experiment

1.3.4 流動堆積性

采用JGJ/T 341—2014 試驗方法測定泡沫漿液的流動堆積性。首先，將直徑和高度均為80 mm 的開口圓筒放置在200 mm×200 mm 的亞克力板上，然后，將泡沫漿液倒入其中，移除圓筒使其自由擴散。最后，記錄泡沫漿液自由鋪攤60 s 后的水平距離為流動性[18]，圓心處的最大垂直高度為堆積性。

1.3.5 微觀結構

首先，將標準條件下養(yǎng)護14 d 的試件取出制造斷面，用小錘敲去斷面，選取較為平整的塊做樣品，浸泡在無水乙醇中脫水24 h，停止水化反應，然后，置于真空干燥箱(設定溫度40 ℃)至恒重，除去所有無水乙醇，最后，將材料表面噴金處理，利用掃描電鏡(SEM，2 μm) 觀察樣品表面的形貌特征[19]。

1.3.6 XRD 測試

首先，將養(yǎng)護14 d 的樣品浸泡在無水乙醇中脫水24 h，終止水化反應后真空干燥(40 ℃)至恒重，然后，將樣品研磨至40～60 目，儲存于密封袋中備用。利用X 射線衍射儀(XRD，掃描角度：5°～80°，掃描速率為8°/min)對樣品進行測試[20]。

1.3.7 堵漏風效率

通過小型堵漏風試驗評估固化泡沫的封堵效率，封堵效率定義為在材料封堵情況下的氣體流量與預設氣體流量的比值。首先，檢驗裝置的氣密性，然后將煤樣(直徑為2～3 cm)填充在封堵壓力測試管中，分別灌注不同的試樣。試驗時，通過改變進入裝置的壓力和流速并記錄管道中流速的差異來計算固化泡沫的堵漏風效率。設置好穩(wěn)壓閥與玻璃轉子流量計，確定壓力，調整流量，記錄相關數(shù)據(jù)，然后調整壓力進行新一輪的測試。每組測試3 次，結果取平均值。無機固化泡沫的堵漏風效率由式(2)計算得出：

式中： η為固化泡沫的堵漏風效率；Q為不加固化泡沫的流量，L/min；q為加入無機固化泡沫后的流量，L/min。

1.3.8 滅火試驗

為了比較TISF 和RISF 抑制煤自燃的性能，進行了滅火試驗測試。滅火試驗平臺包括3 個熱電偶、一根灌漿管和一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。從上到下放置3個熱電偶T1，T2和T3并將其固定在平臺上。T1，T2和T3分別位于煤堆的底部、中間和表面。試驗持續(xù)16 min，灌漿速度為1.0 kg/s。首先，用汽油點燃煤并使其燃燒10 min，然后，通過灌漿管輸送不同的泡沫漿液來撲滅煤火并用熱電偶監(jiān)測煤的溫度，最后，通過煤溫變化分析泡沫漿液對煤自燃的抑制效果。

1.3.9 相似模擬試驗

為了驗證TISF 和RISF 的堆積擴散能力，建立了一個長2.4 m、寬1.2 m、高1.2 m 的模擬采空區(qū)，進行相似模擬試驗。采空區(qū)底板鋪有0.2 m 高的碎煤，注漿口位于模擬采空區(qū)一側端頭高0.3 m 的位置處。按照0.6 的水固比制備水泥漿，使用發(fā)泡機產生新鮮泡沫，LSS 的用量為5%，注漿速率為0.8 kg/s，相似模擬試驗如圖3 所示。

圖3 相似模擬試驗示意Fig.3 Schematic of similar simulation experiments

2 結果與討論

2.1 抗壓強度分析

防滅火封堵材料漿液凝固體的抗壓強度是其性能的重要指標之一，因為它間接反映了漿液各組分膠結凝聚的效果，如果內部有裂隙、孔縫，抗壓強度必然會小。圖4 為固化泡沫不同齡期的抗壓強度，從誤差棒可知，各組數(shù)據(jù)的變異系數(shù)均在0.1 以下，證明試驗結果可靠。所有齡期樣品的抗壓強度均出現(xiàn)先升高再降低的趨勢，R1，R3，R5和R7的抗壓強度都高于TISF，其中R5的28 d 抗壓強度達到2.5 MPa，是TISF 的1.7 倍，這表明LSS 的加入能夠顯著提高材料的抗壓強度。LSS 的添加能夠提供可溶性的[SiO4]4–，與水泥水化產生的氫氧化鈣反應形成水化硅酸鈣凝膠(C–S–H) 或硅鋁酸鈣凝膠(C–A–S–H)，這種水化產物可以填充固化泡沫內部的孔隙，改善固化泡沫的力學性能[21]。但是，所有固化齡期R7試樣的抗壓強度都略低于R5，28 d 抗壓強度為2.23 MPa，相比R5下降10.8%，說明LSS 超過5%并不會繼續(xù)提高抗壓強度。產生的原因可能是添加過量的LSS會使溶液中硅和鈉含量上升，導致鈣硅比例下降，會產生低強度的C–S–H 凝膠[22]，因此添加過多的LSS會對強度發(fā)展產生不利影響。

圖4 固化泡沫不同齡期的抗壓強度Fig.4 Compressive strength of solidified foam at different ages

2.2 膠凝時間分析

不同濃度LSS 對泡沫漿液的膠凝時間影響如圖5 所示?？梢钥闯鰧φ战MTISF 的泡沫漿液初凝時間為683 s 左右，終凝時間為180 min，添加LSS 后所有泡沫漿液的凝結時間(初凝時間和終凝時間)都大幅度縮短，說明LSS 促進了水泥的早期水化。當LSS 摻量從1%增加至7%時，泡沫漿液的初凝時間從103 s 縮短到22 s，終凝時間也從90 min 減少到32 min。LSS 的加入顯著縮短了泡沫漿液的凝結時間，且隨著LSS 用量的增加影響更為明顯。這是由于LSS 在水化反應中為C–S–H 凝膠的形成提供了硅源，從而加速了水化產物的成核和生長[23]。

圖5 LSS 摻量對泡沫漿液膠凝時間的影響Fig.5 Effect of LSS dosage on setting time of foam slurry

2.3 穩(wěn)定性結果分析

固化泡沫的穩(wěn)定性試驗結果如圖6 所示。圓柱體密度隨著澆注高度的增加而逐漸減小，TISF 表現(xiàn)出明顯不穩(wěn)定，圓柱底部的密度最大，為頂部的1.42 倍。當NS 與LSS 穩(wěn)定的泡沫加入到漿料中時，所得到的固化泡沫穩(wěn)定性更好。對于R1，R3和R5固化泡沫，最大密度比分別為1.34，1.28 和1.11，說明泡沫的穩(wěn)定性越來越好，R7略微下降，這與抗壓強度規(guī)律保持一致。圖7 為添加LSS 所制備的泡沫在漿體內的受力示意。當AF 摻入到水泥漿體內時，氣泡會被漿體所分離，受到圖中這些力的限制。當所有的力達到平衡時，泡沫就會保持穩(wěn)定的狀態(tài)。然而，由于TISF 凝結緩慢，表面張力會隨時間逐漸降低，限制力增長緩慢，導致氣泡在浮力作用下上浮直至破裂，漿體表面就會出現(xiàn)“塌陷”現(xiàn)象，從而使得固化泡沫的孔徑分布變得不均勻[17]。由于LSS 增強了液膜的強度，并且提高了混合漿體的黏度與屈服應力，表面張力隨著時間降低變得緩慢，增加了氣泡在漿體中移動的限制力，氣泡能夠穩(wěn)定的排布在水泥基漿體內，所以制備的無機固化泡沫氣泡尺寸均一細化，力學性能、穩(wěn)定性得到提升。

圖6 固化泡沫穩(wěn)定性測試結果Fig.6 Stability test results of solidified foam

圖7 氣泡在水泥漿中的受力情況Fig.7 Force distribution of bubbles in cement slurry

2.4 流動堆積分析

連續(xù)供氧是煤層自燃的必要條件，由于漏風通道的存在，為松散浮煤提供氧氣。煤易自燃區(qū)域的裂隙通道復雜交錯，且裂隙縱向延伸至高位處，這就要求制備的材料具有一定流動性的同時具有可堆積性[24]，這樣材料才可以有效封堵漏風區(qū)域。圖8 顯示了LSS 摻量對不同固化泡沫流動性與堆積性的影響。如圖8 所示，隨著LSS 含量的增加，泡沫漿液的流動性越來越差，堆積高度逐漸增加。當LSS 摻量從1% 增加至7% 時，堆積高度從10.9 mm 增加到29.2 mm(圖9)。LSS 濃度為5%時，堆積高度是對照組的1.9 倍，同時還保持一定的流動性；當LSS 濃度為7%時，雖然其堆積能力是對照組的2.4 倍，但是流動性大大降低，不利于材料的實際應用。

圖8 LSS 摻量對泡沫漿液流動與堆積性的影響Fig.8 Effect of LSS dosage on flow and accumulation of foam slurry

圖9 不同濃度LSS 摻量泡沫漿液的堆積擴散示意Fig.9 Schematic of accumulation and diffusion of foam grout with different concentrations of LSS

2.5 SEM–EDS 分析

圖10 顯示了固化14 d 后不同固化泡沫的SEM–EDS 結果。由圖10 可以觀察到主要的水化產物包括針棒狀的鈣礬石(Aft)、片層狀Ca(OH)2晶體和無定形的C–S–H 凝膠。樣品TISF(10a)具有不均勻的形貌特征且存在較寬的空隙，典型的水化產物(如C–S–H 凝膠)較少，說明水化反應程度較低。相比之下，LSS 的摻入使得固化泡沫樣品的微觀結構更加致密和均勻，可以發(fā)現(xiàn)許多針棒狀的Aft 和C–S–H 凝膠(如樣品c,d)，水化程度加深。其中10a、10c、10d 對應樣品TISF(對照組)、R5(適量LSS)、R7(過量LSS)的EDS 能譜圖?？梢钥吹交w中含有大量的鈣，硅，氧，鋁等元素。對照組樣品中鈣和氧的質量比分別為23.69%和50.31%，然而硅、鈉、鋁的質量比只有9.28%,0.49%和3.13%。樣品TISF 的鈣硅比(Ca/Si)高達2.55，說明聚合度不足是因為缺硅造成的[25]。從微觀結構來看R5水化產物明顯增多，表明聚合程度進一步提高；而R7的水化產物明顯較R5更少，說明更多的LSS 并不能夠繼續(xù)增加水化程度。因為過高的鈣硅比不利于聚合產物的形成，材料中幾乎所有聚合產物(C–S–H，C–A–S–H 凝膠)都是由硅形成的，硅的短缺將嚴重影響這些產物的形成和聚合[26]；隨著LSS 的加入，溶液中硅的質量比增加至16.75%，硅鈣比例降至1.50，有相關文獻表明，鈣硅比在1.0～2.0 更有利于形成高強度C–S–H 凝膠，而低強度的C–S–H 凝膠在鈣硅比小于1.0 時容易形成[27]，進一步添加LSS，硅的質量比增加至22.08%，鈣硅比降至0.95，形成了低強度的水化產物。這就是試樣R7的抗壓強度不升反降的原因，添加過多的LSS 會對強度發(fā)展產生不利影響。

2.6 XRD 分析

圖11 為不同固化泡沫14 d 齡期的XRD 圖譜。結果表明，檢測到的相為水泥中的礦物和一些典型的水化產物如C–S–H 凝膠、Aft 等，并且衍射峰的位置沒有明顯變化，說明LSS 的加入沒有產生新的物相。由圖11 可以看出，與TISF 相比，RISF 的CH，AFt 和C–S–H 凝膠的特征衍射峰強度不同程度的增大，說明LSS 的加入促進了這些凝膠的形成[28]，這也是試樣抗壓強度提高的原因之一。而硅酸三鈣(C3S)的特征峰強度略微減弱，這表明部體系中仍殘余未反應的C3S。然而R7試樣的C–S–H 凝膠特征峰并沒有隨著LSS 增加而增大，反而出現(xiàn)了明顯的下降，這與SEM 的分析結果對應一致。由于對照組樣品中未添加LSS，硅僅來源于水泥和粉煤灰中，因此C–S–H 凝膠的形成和發(fā)展會受到硅短缺的限制[26]。

圖11 不同固化泡沫14 d 的X 射線衍射圖像Fig.11 X-ray diffraction images of 14 days different solidified foam

2.7 速凝固化機理

圖12 闡述了RISF 的發(fā)泡以及固化機理。首先，由12a 所示，兩親性的表面活性劑分子產生穩(wěn)定的水基泡沫AF；水泥與水相接觸后，其本身所含的礦物如硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)遇水會發(fā)生緩慢的水化反應，溶液的堿性增強，水泥顆粒帶負電荷，游離的Ca2+會在靜電作用下被吸附，生成Ca(OH)2等水化產物，主要反應式見式(1)，將AF 與水泥漿液充分混合后，將LSS 加入混合體系中，如過程12d 所示，水泥的水化產物Ca(OH)2與LSS 會迅速反應，生成大量具有一定強度的水化C–S–H 凝膠[29]，加速鈣離子的消耗，促進水化反應進程；同時溶液中的Na+與OH–結合生成NaOH，能夠消除石膏產生的緩凝效果，促進了水泥相的迅速水化，進而引起漿體速凝。

圖12 RISF 的形成機理Fig.12 Formation mechanism of RISF

2.8 堵漏風效果分析

圖13 與表4 為不同固化泡沫7 d 齡期時的堵漏風效果，顯示了在不同壓力下的流速變化和阻斷漏風效率。由表4 可以看出，隨著氣壓和通過管道的流速增加，5 種固化泡沫的漏風阻斷效率都不同程度的降低。如圖13 所示，當預設氣壓和氣體流速分別為0.06 MPa 和2.00 L/min 時，TISF 的 漏 風 速 率為0.23 L/min，平均封堵效率為87.17%，在保持氣壓和氣流不變的情況下，隨著LSS 添加量的增多(1%～5%)，所有的RISF 樣品的堵漏風效率均得到了不同程度的提高，其中R5在0.06 MPa 和0.12 MPa 的堵漏風效率基本保持在100%，比TISF 分別提高了12.83%和15.1%。而當LSS 添加量為7% 時，由圖中可以看出，R7在各個壓力下的漏風速率均有所升高，對應堵漏風效率下降，降幅在5%左右。與TISF相比，RISF 堵漏風效率提高的原因是由于LSS 的添加，發(fā)泡固化反應速度快，水化產物數(shù)量變多，反應形成的固化泡沫試樣的孔徑更窄且分布均勻，對應堵漏性能的提高。

圖13 不同固化泡沫7 d 的堵漏風效率Fig.13 Air plugging efficiency of different curing foam 7 days

表4 不同固化泡沫的堵漏風效率Table 4 Air plugging efficiency of different solidified foam

2.9 滅火實驗分析

圖14 顯示了2 種固化泡沫滅火時不同階段對應的溫度隨時間變化曲線。由圖可知整個過程可大致分為3 個階段：燃燒階段(0～600 s)，滅火階段(600～700 s)和完全撲滅或煤堆復燃(700～960 s)。其中，熱電偶T3位于煤堆表面且溫度最高，約為950 ℃，這是因為點火源位于煤堆表面。2 種固化泡沫前2 個階段的3 條溫度曲線的變化趨勢基本相同，注入漿液后，煤堆底部 (T1)、中部(T2)和表面(T3)的溫度同時開始驟降，TISF(圖14a)從最高溫度943 ℃降至225 ℃，RISF(圖14b) 從956 ℃降至92 ℃，從溫度下降趨勢來看RISF 的滅火效果更好一些；但是TISF 在滅火后出現(xiàn)了一定程度的復燃，溫度逐漸上升到452 ℃，相比之下RISF 的溫度繼續(xù)下降至穩(wěn)定，最后穩(wěn)定在40 ℃左右。這主要是因為RISF 具有很強的黏附性，能夠覆蓋在煤堆表面形成一層附著物，可以起到阻隔氧氣和冷卻降溫的效果；然而TISF 不能通過煤堆滲透冷卻到內部，最終導致局部產生復燃現(xiàn)象(圖15)。

圖14 煤堆溫度隨時間變化曲線Fig.14 Temperature variation curve of coal pile over time

圖15 TISF 與RISF 滅火的3 個階段Fig.15 Three stages of TISF and RISF fire extinguishing

2.10 相似模擬試驗分析

圖16 顯示了TISF 和RISF 的堆積高度和擴散距離隨時間的變化情況。隨著灌漿時間的延長(0～90 s)，TISF 的堆積高度沒有明顯變化并且出現(xiàn)了“滲漏”的現(xiàn)象，漿液從板和灌漿孔的裂縫中流失；而RISF 的堆積高度從22 cm 增加到30 cm，然后衰減到25 cm(圖17)，最大堆積高度是原高度的1.8 倍。因為LSS 能夠促進水化反應，形成鈣硅酸鹽水合物，快速增加泡沫漿液的黏度并影響其流動性，使其能夠迅速堆積起高保證漿液不會向低處滲漏。

圖16 相似模擬試驗結果Fig.16 Schematic of similar simulation experiments

圖17 TISF 與RISF 堆積擴散距離Fig.17 Stacking diffusion distance between TISF and RISF

3 RISF 的現(xiàn)場應用

3.1 應用背景

利民煤礦位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克旗，矸石山自燃治理主要采用沙土覆蓋，容易導致空氣進入到矸石山內部，引起矸石山復燃，特別是矸石山的邊坡部分，邊坡中下部沙土覆蓋厚度有限，普遍存在著自燃高溫現(xiàn)象(局部區(qū)域已燃燒冒煙，如圖18 所示)，對當?shù)卮髿庠斐闪藝乐匚廴?，因此必須進行治理。

圖18 煤礦現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.18 Photos of coal mine site

3.2 現(xiàn)場應用

RISF 的應用地點選在矸石山高溫區(qū)域的北側二平臺。為保證滅火降溫的效果，注漿孔呈五花眼排布，中間為監(jiān)測孔，監(jiān)測孔周圍布置4 個注漿孔，深度為15 m，平均每個孔的注泡漿量為3～3.5 m3，注泡漿總量12～15 m3（圖19）。

圖19 RISF 的現(xiàn)場應用Fig.19 On site application of RISF

3.3 溫度與有害氣體監(jiān)測

注泡漿完成后，為了檢驗應用效果，需對監(jiān)測孔的溫度以及有害氣體進行監(jiān)測。注泡漿前在監(jiān)測孔深度5，10，15 m 和孔口處分別進行溫度和有害氣體濃度測試，記錄初始溫度與濃度。注泡漿后每隔3 d進行監(jiān)測，持續(xù)時間30 d。

3.4 應用效果

圖20 顯示了注泡漿后經(jīng)過30 d 監(jiān)測所得到的溫度和有害氣體濃度的變化情況。由圖20 可知，注泡漿前15 m 處初始溫度最高為315 ℃，推測該處可能已經(jīng)發(fā)生煤自燃。注泡漿完成后隨著監(jiān)測時間的延長，不同深度處的溫度都開始下降，30 d 后的最高溫度基本保持在90 ℃左右，CO 和H2S 的濃度分別從567 和52×10-6降至82 和0，均已達到工程驗收標準，證明效果良好。

圖20 溫度與有害氣體濃度變化Fig.20 Temperature and harmful gas concentration changes

4 結 論

1)制備了一種新型的速凝無機固化泡沫RISF并與TISF 性能進行對比。試驗結果表明，RISF 在抗壓強度、堆積高度、穩(wěn)定性以及堵漏效率等方面均得到改善，28 d 抗壓強度提高1.7 倍，堆積能力是TISF的1.9 倍且穩(wěn)定性提高20%；在不同預設壓力下平均堵漏風效率提高17.5%～26.3%。

2) RISF 膠凝時間較TISF 均不同程度縮短，初凝時間從原來的680 s 左右縮短到了50 s，終凝時間也相應減少到30 min。LSS 解離提供大量的[SiO4]4–，其與水化顆粒表面高濃度的Ca2+結合，實現(xiàn)了RISF的速凝。

3)通過對不同濃度LSS 制備的RISF 進行分析得出，5%LSS 所制備的固化泡沫性能優(yōu)異；XRD 和SEM 試驗結果表明，RISF 的典型水化產物(如C–S–H 凝膠、AFt)數(shù)量更多，水化程度更深；LSS 添加量為7%時，抗壓強度下降10.8%，過量的硅會使溶液中的鈣硅比降到1.0 以下，不利于水化產物強度的發(fā)展，導致了抗壓強度下降。

4)相似模擬試驗與滅火效果的測試結果表明，RISF 在撲滅煤火的過程中能夠黏附在煤表面防止其再次復燃并且保持堆積能力，不會出現(xiàn)滲漏；現(xiàn)場應用結果表明，RISF 能夠較好的充填煤自燃高溫區(qū)域，監(jiān)測孔內的溫度以及有害氣體的濃度均達到安全范圍以內，具有良好的應用前景。