任建軍，舒仕海，謝雄剛

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

隨著我國煤炭工業(yè)的發(fā)展，許多重點(diǎn)煤礦相繼進(jìn)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(jì)損失[1]。煤炭自燃已成為制約礦井安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。當(dāng)前煤礦井下防治煤炭自燃的主要技術(shù)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(shù)是20世紀(jì)90年代在我國煤礦開始應(yīng)用的一種新型堵漏風(fēng)防滅火技術(shù)[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(diǎn)[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(fēng)通道作用[9]。

筆者針對貴州省首先開采下分層的某煤礦進(jìn)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(diǎn)研發(fā)符合自身實(shí)際需要的新型防滅火充填材料進(jìn)行火災(zāi)隱患治理。

1 新型保水漿液材料構(gòu)成及添加劑選擇

實(shí)驗(yàn)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(dá)50%~80%，比表面積較大，具有較高的吸附活性和很強(qiáng)的吸水性。通過資料查閱及試驗(yàn)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(diǎn)[5-7]，能在膠體漿液中起到粘結(jié)作用，可以將不同物質(zhì)混合起來[10]。在試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測試方案

在前期試驗(yàn)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(yàn)共設(shè)置了5組實(shí)驗(yàn)，各組實(shí)驗(yàn)配比見第43頁表1。

表1 E，PAM和粉煤灰實(shí)驗(yàn)配比表 （g）

3 材料試驗(yàn)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(jìn)行常溫、30℃，50℃，70℃實(shí)驗(yàn)研究，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行72 h觀測，每隔12 h進(jìn)行一次稱重測試，每次測試結(jié)果與進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(kuò)散情況。能夠反映漿液流動性的參數(shù)是流體的運(yùn)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(shí)驗(yàn)流動性采用涂四杯測定儀進(jìn)行測試。其原理是將被測漿液盛滿特定容器后，利用其在標(biāo)準(zhǔn)孔內(nèi)流出所需時間來標(biāo)定漿液的粘度，單位為s。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)五的粘度系數(shù)接近，故實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(dāng)它從液面拉脫瞬間傳感器感受到的拉力差值為F，計(jì)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(jì)算公式為

實(shí)驗(yàn)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(jié)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)一為實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了膠體保水材料充注實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場測試表明：實(shí)驗(yàn)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(zāi)隱患的產(chǎn)生。井下實(shí)驗(yàn)見圖5；現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 井下充填點(diǎn)溫度變化數(shù)據(jù) （℃）

圖5 井下實(shí)驗(yàn)圖

5 結(jié)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(shí)驗(yàn)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。