1、 核准通过，归档资料。 未经允许，请勿外传！ 摘要 本文研究了粉煤灰、水灰比、缓凝剂用量对水泥 -水玻璃浆体材料凝结时间及硬化后强度的影响。根据试验结果作图进行线性回归分析，研制出了应用于煤矿防灭火且具有堵漏功能的材料。 试验结果表明：合适的施工配合比是 水泥浆的水灰比为 0.5:1 0.7:1；水泥浆与水玻璃的体积比为 1:0.5；水玻璃模数为 3.0，浓度为 40 波美度；缓凝剂用量为 1.5%2.5%；粉煤灰的取代量 40%。按此配合比配制出的浆体材料 凝结时间为 2.5min3.5min,14 天强度不低于 3MPa； 耐水、耐油性均大于 3 天，耐碱性大于 7 天，耐酸性在 3 天左
2、右， 耐冻融循环性差 ；耐火软化温度在 1100 1250。 本文同时也设计出了适合水泥水玻璃浆体材料施工的地下移动式 量配比泵连续式注胶系统。 关键词： 防火堵漏喷浆；凝结时间；强度；施工配合比；施工系统 9JWKf wvG#t YM*Jgthe ratio of mud water volume and sodium silicate is 1:0. 5;sodium silicate module for 3.0, concentration of 40 。 Be， ;retarder dosage for 1.5% 2.5%;less than 40% of the quantity
3、of fly ash instead.The slurry materials setting time for 2.5 min 3.5 min, 14 days of strength not less than 3MPa according to the proportion; the water resistant, oil resistance are more than 3 days,alkaline resistance is more than 7 days,acidoresistant in 3 days or so,freeze-thaw cycle resistance i
4、s bad,refractory softening temperature at 1100 1250 .This article also designed a suitable continuative note glue pump system for cement slurry water of underground mobile quantity of construction material ratio weave-machines. Key words: fire prevention and plugging slurry; setting time; strengthth
5、e mixture ratio of construction; construction system 目录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 .1 1.1 引言 .1 1.2 煤矿浆体防灭火材的研究现状 .2 1.2.1 煤层自然的原因及特点 .2 1.2.2 煤层自燃对防灭火的要求 .3 1.2.3 煤层自燃灭火技术 .4 1.2.4 胶体防灭火材料类型 .6 1.2.5 矿井煤层自燃火灾防治技术 .6 1.3 水泥 -水玻璃浆体材料的研究现状 .8 1.4 本课题研究意义和主要内容 .8 1.4.1 课题研究意义 .8 1.4.2 主要研究内容 .9 第 2
6、章 原材料、性能要求、试验仪器及试验方法 . 10 2.1 原材料 . 10 2.2 无机防火封堵材料性能指标要求 . 10 2.3 试验仪器及试验方法 . 11 2.3.1 基本性能试验方法及仪器 . 11 2.3.2 实际应用 性能测试方法 . 12 第 3 章 无机防灭火胶凝材料的制备 . 14 3.1 缓凝剂、粉煤灰用量对浆体材料性能影响 . 14 3.2 水灰比、粉煤灰用量对浆体材料性能影响 . 16 3.3 配制实际应用喷浆 . 19 3.3.1 确定配合比 . 19 3.3.2 性能检测 . 19 3.3.3 实际应用效果 . 20 第 4 章 矿用无机防火堵漏喷浆材料施工系统
7、. 21 4.1 施工系统原理 . 22 4.2 系统设计参数 . 22 4.3 主要设备及技术参数 . 23 4.4 施工步骤及规程 . 24 第 5 章 结论 . 24 参考文献 . 25 致 谢 . 28 第 1 章 绪论 1.1 引言 在会生活中，火灾是威胁公共安 全，危害人们生命财产的灾害之一，是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。在煤矿生产中，火灾也是一直困扰煤矿企业发展的一个大难题 1。如何解决煤矿生产工作中的安全问题是煤矿行业主管部门和煤矿管理者需要认真分析和解决的一个重要问题。众所周知，煤矿井下火灾是煤矿的主要灾害之一， 矿井火灾的发生 ,轻则影响安全生产 ,重则烧毁煤
8、炭资源和物资设备 ,造成人员伤亡 ,甚至引发瓦斯 、 煤尘爆炸 。 我国是一个矿井火灾灾害较严重的国家 2 4。如 2009 年 5 月河南郑州广贤工贸有限公司新丰煤矿26012 下付巷打钻作业导致瓦斯与煤层燃 烧，造成 7 人 CO 中毒死亡， 8 人受伤；2010 年 3 月河南东兴煤矿发生火灾事故 25 人死亡。 20 世纪九十年代初期，随着特厚煤层综采放顶煤开采技术的发展，煤层火灾成为制约煤矿技术进步的主要障碍之一。常规的注水、灌浆、注阻化剂、注惰气已不能完全适应综放开采技术煤层火灾的防治。为此，根据我们对煤自燃机理的研究成果，针对煤层火灾的特点，提出了“胶体”防灭火的思路，随后对胶体
9、防灭火机理，适用于煤矿的胶体材料、注胶工艺、相应设备、成套系统等进行了大量的理论研究、试验研究、技术开发和现场应用，逐步认清了规律，掌握了胶体防灭火 方法，经过十几年改进和完善，形成了一整套煤层火灾胶体防灭火理论与技术。目前，胶体防灭火技术已在全国 18 个省（市、自治区）的煤矿中推广应用，已成为煤矿一项主要的防灭火技术 5 6。 煤矿用防灭火胶体材料分为 凝胶类、稠化胶体类、高分子复合胶体类材料三大类。目前煤矿防灭火使用的胶体材料存在诸多缺点，如：稠化胶体类、高分子复合胶体类材料成本高、易老化；凝胶类材料如 黄泥灌浆材料、水泥喷浆材料在施工时利用均压通风、砌墙封闭隔绝，但由于受施工地点条件的
10、影响，煤柱破碎造成发火地点仍存在不同程度的漏风，而黄泥浆、水泥浆注入 发火地点由于泥浆不能很快地充填煤层、跑浆涌浆严重，造成处理高温发火点周期长，污染工作严重。 1.2 煤矿浆体防灭火材的研究现状 1.2.1 煤层自然的原因及特点 煤层自燃是比较普遍的自然现象，关于煤炭自燃起因和过程人们在十七世纪即开始了探索和研究，但迄今仍然未能得到圆满的解决。各国学者发表了多种学说以解释煤炭自燃的起因，其中煤氧复合作用学说得到了大多数学者的认同。 大量研究证实，煤自燃主要是由煤氧复合放出热量而引起的。煤与空气接触后，首先发生煤体对氧的物理吸附，放出物理吸附热，之后又发生煤氧化学吸附和化 学反应，并放出化学吸
11、附热和化学反应热。煤与氧作用过程所放出的热量积聚起来，就改变了煤自身所处的环境条件，因此，煤的氧化放热是热量自发产生的根源之一，也是引起煤炭自然发火的根本原因之一。煤氧自发地复合放出热量，该热量在一定的蓄热条件下被积聚起来，当热量的积聚能够满足煤自燃过程发展的需要时，煤体温度不断上升，最终导致自燃。煤自燃的根本原因是煤氧复合放热。实际条件下，煤氧复合放热量与煤体表面活性结构的种类、数量、煤体的温度、氧气浓度等因素有关。 煤层火灾不同于其他类型的火灾，有其自身固有的特点。根据煤氧复合理论，煤与氧作用放出热量引起煤温升高，煤温升高则煤的氧化活性增强，煤氧化反应速度加快，放热强度增大。煤氧复合作用只
12、要有氧存在就能进行，氧浓度大小只影响煤氧复合速率的大小。煤自燃过程是煤氧化放热与环境散热这对矛盾运动发展的过程。当煤氧化放热速率大于散热速率时，煤温上升。煤温上升又引起氧化放热速率增大，所以煤自燃是一个复杂的自加热过程。自燃火灾一般发生在距煤体暴露面一定距离的深部，往往只见自燃征兆冒烟而不见明火。矿井煤层自燃具有： 火源点隐蔽，通常相对位置较高，呈立体分布； 松散煤体蓄热性好，热量不易散失；能低温贫 氧氧化，且温度越高，反应速度越快，放热量越多；由温差产生气体热力循环，自然对流自供氧等特点 4 5。矿井开采煤层出现高温时，采用常规的注水、灌浆和喷阻化剂，由于重力作用，浆液往低处流，难以在高处积
13、存、渗流范围很小，难以扑灭高处大面积火源；浆液沿冲出水沟流动，不能有效降低煤内部温度，停止注浆后，风流沿水沟渗透流畅，复燃很快。用水或灌浆控制火势时，会迅速产生大量过热水蒸气，加热周围松散煤体，促进自燃火势发展，恶化工作环境，并有水煤汽爆炸的危险。采用注氮、注惰性泡沫灭火时，需封闭性严，且气体热容小，能带走高温 区的热量有限，灭火周期长，火区复燃概率高。 1.2.2 煤层自燃对防灭火的要求 煤层发生自燃时，在高温下分解及氧化释放出大量有毒有害气体；同时高温促使煤层中所含瓦斯释放，有可能引起瓦斯爆炸。因此煤自燃有极大的危害性，必须快速、彻底地扑灭火灾。 防灭火过程就是通过阻止煤氧复合反应的进行或
14、使煤氧复合速度降低到一定水平以下，使放热速度小于高温煤体放热速度，从而防止煤体温度升高而着火或使着火的高温煤体不断降温最终熄灭的过程。根据煤氧复合规律，煤氧只要接触氧化反应就能发生，氧浓度越高则煤氧复合速度越快。 因此堵塞漏风通道可降低煤氧接触几率，从而降低煤氧复合速度。此外，煤氧复合主要是煤表面活性结构与氧发生化学吸附和化学反应放热的结果，因此，亦可通过降低煤表面活性基团的浓度使煤氧复合放热速度降低。一些阻化剂具有降低煤表面活性基团浓度和隔绝煤氧接触的作用，因此有一定防灭火效果。煤氧复合速度随温度升高而增加，降低煤温也能够使煤氧复合速度降低 5。 一般的防灭火技术就是通过降低煤温、隔绝煤氧接
15、触和惰化煤体表面的氧化活性结构的方法使火熄灭。 1、 隔绝煤氧接触 煤氧复合只要有氧存在就能进行，氧浓 度大小仅影响煤氧复合速度的大小，根据质量作用定律，氧浓度越大，煤氧复合速度越快。降低煤体表面的氧浓度或阻止煤氧接触就会能使煤氧复合放热量小于煤岩体向周围岩体的散热量，从而使煤温不断下降，最终使火灾熄灭。因此能够防止煤自燃的发生。 2、 降低温度 高温煤体在较低的温度下与氧气复合反应放出的热量就能维持温度不下降，较高温度下煤的氧化性高，一旦氧浓度升高，就可能复燃。所以仅通过降低氧浓度很难使煤温降低，因此必须通过降低煤温才能彻底熄灭火区 3、 惰化煤体表面活性结构 煤氧复合是气 固相 化学反应过
16、程，该过程发生在固体表面。煤对氧首先发生物理吸附，随后，煤体表面的活性结构与氧发生化学吸附，并进一步发生化学反应。因此，煤的表面活性结构浓度越高则煤氧复合速度越快。煤表面活性结构的浓度与煤比表面积、煤质和温度有关。有些物质可与煤体表面活性结构反应，使之惰化，从而减少活性基团的浓度，降低煤氧复合速度。阻化剂就具有惰化煤体表面活性结构和阻止煤氧接触的作用。 4、 煤自燃的防灭火技术要求 煤的表面活性结构浓度、氧浓度和温度是影响煤自燃的主要因素。故扑灭自燃火灾主要从三个方面着手：一是隔离煤 氧接触，使自燃火灾窒熄；二是降低煤温使煤氧化放热强度降低，最终使火熄灭；三是惰化煤体表面活性结构降低煤氧复合速
17、度，防止煤自燃的发生。 对于高瓦斯矿井，煤层火灾具有着火面积大、火势发展猛烈并可能引起瓦斯爆炸等特点，所以对高瓦斯矿灭火要求更高。高瓦斯矿灭火方法还应该具有以下特点：灭火效率要高，效果要好；能够保证灭火过程安全，灭火材料不与高温煤体发生较剧烈化学反应，灭火过程中不产生易燃易爆气体，阻止瓦斯向发火区扩散；灭火后不易复燃。 煤矿井下松散煤体的量很多，存在足够的向向煤体供氧的漏风通道 ，煤拉接触发生反应的位置很多，彻底隔绝煤氧接触是很困难。自燃火灾通常发生在煤体深部，由于矿井条件比较复杂，发火区难以准确预测或探测，因此完全降低煤温也比较困难，仅通过降低煤温彻底灭火不现实；惰化煤体表面的方法可防止或延
18、缓自燃发生，但煤温较高时，煤表面活性结构的惰化比较困难。因此，大范围的煤体火灾或高瓦斯矿井火灾，需要结合降低煤温、隔绝煤氧接触和惰化煤体表面活性结构三种方法进行灭火。 1.2.3 煤层自燃灭火技术 煤层自燃火灾的防治，需要具有既能很快地降低煤温，又很好地隔绝煤氧接触，并能惰化煤体表面，同时在防灭 火过程中还要安全可靠的技术。前述防灭火技术均不能满足这一要求，在防灭火中均存在不足之处。为解决这些问题，西安科技学院（原西安矿业学院）从 20 世纪 90 年代初开始，进行了大量试验和应用研究，开发和研制出了适用于矿井不同条件系列胶体灭火材料和相应注胶设备及应用工艺，并应用该技术进行了百余次的现场实际
19、灭火工程 20。 1、 胶体灭火技术的灭火性能特点 胶体防灭火技术集堵漏、降温、阻化、固结水等性能于一体，较好地解决了灌浆、注水的水泄漏流失问题，适用于各种类型的矿井自燃火灾。 胶体防灭火技术在煤层自燃火灾防治的应用实 践证明，胶体防灭火技术具有如下特点： (1) 灭火速度快 :由于胶体独特的灭火性能 ,其灭火速度很快 ,通常巷道小范围的火仅需几小时即可扑灭 ,工作面后方大范围的火也只需几天即可扑灭。 (2) 安全性好 :胶体在松散煤体内胶凝固化、堵塞漏风通道 ,故有害气体消失快；在高温下，胶体不会产生大量水蒸汽 ,不存在水煤气爆炸和水蒸汽伤人危险。 (3) 火区启封时间短 :注胶灭火工程实施
20、完，不需等待（煤矿安全规程规定各项指标达到启封条件后还需观察稳定一个月才能启封） ,即可启封火区。 (4) 火区复燃性低 :高温区内只要有胶体渗透到 的地点都不会复燃。 2、 胶体灭火技术的构成 经过多年的试验研究与现场应用，胶体防灭火技术已趋于成熟。目前已发展成有系列胶体灭火材料，多种灭火工艺和相应的灭火设备。煤层自燃胶体防灭火技术主要由胶体材料、注胶灭火设备、注胶灭火工艺和现场灭火应用等四大部分构成。该技术的构成如图 1.1。胶体材料 胶体防灭火技术 凝 胶 复合胶体 稠化胶体 胶体（泥浆）压注机 复合胶体泥浆（管网式）压注机 多功能复合胶体（泥浆）压注机 复合胶体泥浆压注机 复合胶体压注机 注胶设备 注胶工艺 单台胶体压注机压注纯胶体 单台胶体压注机压注复合胶体 胶体压注机与地面水池配合注纯凝胶 设备与地面灌浆系统配合注复合胶体 两单台胶体压注机配合压注复合胶体 现场应用 工作面火灾 邻近采空区火灾 巷道 火灾 其它类型火灾 图 1.1 煤层自燃火灾胶体防灭火技术构成
