一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法。所述材料由固体混合物与水按照水固比为6‑16：1混合而成，所述固体混合物包括以下按重量份数计的组分：固体水玻璃11‑14份、促凝剂6‑8份、粉煤灰12‑16份、活化剂10‑14份、硅酸镁铝4‑8份和钠基膨润土40‑60份；所述固体水玻璃的模数为2.0‑2.5，通过调节水固比，向固态混合物中加入水，即提供了一种保水性强、机械强度高、成胶时间可调的防灭火凝胶，可较为方便地调节凝胶成胶时间，满足短距离充填和长距离输送的“宽比例”需要。该防灭火凝胶具有物理保湿作用，能较好地锁住注入煤体的水，同时可以充填煤体间的缝隙，减少煤氧接触，从而较好地抑制煤的燃烧。

权利要求

1.一种矿用防灭火凝胶材料，其特征在于，所述材料由固体混合物与水按照水固比为

6‑16：1混合而成，所述固体混合物包括以下按重量份数计的组分：固体水玻璃11‑14份、促凝剂6‑8份、粉煤灰12‑16份、活化剂10‑14份、硅酸镁铝4‑8份、钠基膨润土40‑60份；所述固体水玻璃的模数为2.0‑2.5；所述固体混合物与水混合时的搅拌速度为150‑180r/min，搅拌

5‑8min；上述矿用防灭火凝胶材料的制备方法如下：按重量份数计称取，固体水玻璃、促凝剂、粉煤灰、活化剂、硅酸镁铝、钠基膨润土，混合搅拌均匀得混合物；向混合物中加入水，调整水固比，即可根据不同情况得成胶时间不同的防灭火凝胶材料。

说明书

一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及煤炭火灾防治领域，具体涉及一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 凝胶是介于固体和液体之间的一种特殊材料，在宏观上具有固体不能流动的性质，在分子水平上又有类似于溶液的行为。凝胶的固水性，能够使一定量的水分子固定在胶
体网状结构中，通过水分蒸发降低煤的表面温度；同时还可以附着于煤体表面，形成一层致
密的薄膜，隔绝煤与氧气的接触，进而阻断煤的氧化；此外，输送至火区的凝胶还能起到充
填堵漏的作用，降低了能够控制区煤的空气量，提高了防灭火效率，因此，凝胶材料是煤矿
现场充填封堵防灭火常用的材料之一。

[0003] 根据制备凝胶的基料化学性质的不同，凝胶主要分为无机凝胶和有机凝胶两大类。有机凝胶一般具有优异的抗压强度，但是单价高，成胶时间可调性差，难以满足现场短
距离充填和长距离输送的应用要求。限于此，煤矿初期主要使用的是由水玻璃和碳酸氢铵
等形成的铵盐无机凝胶。这种无机凝胶虽然价廉，但是在制备凝胶时释放氨气，具有很大的
刺激性气味，危害井下工人的身体健康；而且此类凝胶还存在失水后干裂、粉化以及成胶时
间过快的不足，针对这些问题，学者们进行了广泛的研究。

[0004] 贾博宇根据胶体化学和Lewis酸碱电子理论研究出一种环保FA促凝剂并以水玻璃、FA促凝剂和粉煤灰作为原料制备了一种新型无胺凝胶，实验结果表明该材料强度较高
且制备时无有害气体产生，但FA促凝剂需要提前配成溶液使用，不便于原料的运输和储存。
隋涛使用水、碳酸氢钠、水玻璃和粉煤灰制备了粉煤灰防灭火凝胶，可以通过改变促凝剂的
比例来控制凝胶的成胶时间，但每当对成胶时间做出调整，就需要重新配制原料，在实际应
用中易造成原料的浪费。王续使用CMC交联粉煤灰制备了矿用粉煤灰‑CMC复合凝胶，经过低
温氧化实验和堵漏测试发现具有良好的防灭火效果，但成胶时间普遍较长，不便于短距离
充填。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法，该制备方法简单，所得防灭火凝胶保水性强，失水后可再吸水恢复使用，吸水倍数不受影响，
且成胶时间方便调控，满足短距离充填和长距离输送的“宽比例”的需要。

[0006] 为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

[0007] 一种矿用防灭火凝胶材料，所述材料由固体混合物与水按照水固比为6‑16：1混合而成，所述固体混合物包括以下按重量份数计的组分：固体水玻璃11‑14份、促凝剂6‑8份、
粉煤灰12‑16份、活化剂10‑14份、硅酸镁铝4‑8份、钠基膨润土40‑60份；所述固体玻璃的模
数为2.0‑2.5。

[0008] 作为改进的是，所述固体混合物与水混合时的搅拌速度为150‑180r/min，搅拌5‑8min。

[0009] 水玻璃为常用的制备无机凝胶的基料，无毒，无刺激性。当水玻璃溶液和促凝剂混合后，可以在较短的时间内形成凝胶，是矿井常用的防灭火材料。

[0010] 粉煤灰是燃煤过程中排出的微小颗粒，在我国电厂的产量较大，利用率低，易造成周边大气与土地污染，另一方面粉煤灰结构中包括大部分铝硅玻璃材质，具有一种良好的
建筑材料特性。但粉煤灰单独使用时，活性较低，凝胶效果不明显，将氢氧化钙作为活化剂
与粉煤灰配合使用，反应形成凝胶化合物，可以加快胶凝体系成胶的时间，加强材料整体的
强度和耐久性，使凝胶在较长一段时间内不会开裂。

[0011] 硅酸镁铝是膨润土经过加工而形成的矿物凝胶，常被应用于各类剂型药物制造中，无毒性，遇水体积会大量膨胀，经过水合作用先分解为无数带静电的小片之后因静电吸
引，而迅速搭建起三维空间的网络结构，提升体系的粘度，使凝胶体系在较高的水固比下也
可以成胶，从而扩展成胶时间的可控范围。

[0012] 钠基膨润土是以蒙脱石为主的片状黏土矿物，具有吸水性、水塑性、粘结性等特性，其工艺技术性能要强于钙基膨润土，通过在凝胶体系中加入钠基膨润土可以有效提高
水玻璃凝胶强度与吸水性。

[0013] 上述一种矿用防灭火凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

[0014] 步骤1，按重量份数计称取，固体水玻璃、促凝剂、粉煤灰、活化剂、硅酸镁铝、钠基膨润土，混合搅拌均匀得混合物；

[0015] 步骤2，向混合物中加入水，即得防灭火凝胶材料。

[0016] 本发明配方的原理：采用化学活化剂调控活性硅铝相聚集体，凝聚形成三维网状结构的凝胶，并引入硅酸镁铝，通过铝离子和镁离子与聚硅酸之间的络合作用，使三维网络
重新排列，获得成胶时间可控、机械强度高、耐久性好的高聚态胶体。

[0017] 有益效果：

[0018] 与现有技术相比，本发明一种矿用防灭火凝胶材料及其制备方法，具有如下优势：

[0019] 本发明的防灭火凝胶具有制备工艺简单、环境友好、保水性好、成胶时间可控的特点，在失水后可以再吸水恢复使用，其性能不受影响，有效解决了传统无机防灭火凝胶制备
时产生有毒气体、易失水开裂以及失水后不能再吸水的问题，此外，此防灭火凝胶可适应较
大范围的水固比，通过改变水固比便可在较大范围内调控成胶时间，相较于传统凝胶的调
控方法(例如改变促凝剂、添加剂的量)更为简便；满足了煤矿现场近距离充填和远距离输
送堵漏的“宽比例”需要。

附图说明

[0020] 图1为不同水固比下制备的防灭火凝胶的成胶时间；

[0021] 图2为不同水固比下制备的防灭火凝胶的保水率。

具体实施方式

[0022] 以下结合实施例对本发明技术方案进行详细阐述。

[0023] 实施例1

[0024] 取0.6g固体水玻璃、0.3g碳酸氢钠、0.8g粉煤灰、0.7g氢氧化钙、0.5g硅酸镁铝和2.5g钠基膨润土均匀混合，将物料分为6份根据水固比6：1、8：1、10：1、12：1、14：1和16：1分
别加入水并充分搅拌制得防灭火凝胶。

[0025] 实施例2

[0026] 取0.65g固体水玻璃、0.35g碳酸氢钠、0.75g粉煤灰、0.6g氢氧化钙、0.4g硅酸镁铝和3g钠基膨润土均匀混合，将物料分为6份根据水固比6：1、8：1、10：1、12：1、14：1和16：1分
别加入水并充分搅拌制得防灭火凝胶。

[0027] 实施例3

[0028] 取0.7g固体水玻璃、0.4g碳酸氢钠、0.7g粉煤灰、0.5g氢氧化钙、0.3g硅酸镁铝和2g钠基膨润土均匀混合，将物料分为6份根据水固比6：1、8：1、10：1、12：1、14：1和16：1分别
加入水并充分搅拌制得防灭火凝胶。针对实施例1‑3制备的18份防灭火凝胶的成胶特性与
胶体性能，设计了以下方法进行测试：

[0029] (1)观察混合物的流动情况，测得通过改变水固比可以使凝胶的成胶时间在24秒到360秒之间可控，满足短距离充填和长距离输送堵漏的“宽比例”需求。

[0030] (2)将制备的凝胶于室温下放置，隔一周后测量凝胶的质量改变并观察凝胶表面是否开裂，实验结果表明，在实例1‑3中制备的凝胶的一周后失水量均小于20%且表面不会
开裂，而且这些失水后的凝胶都具有较好的复吸水能力，能够将第一次失水量的90%完全吸
收,且凝胶强度没有任何变化。

[0031] 以上结果表明本发明所制备的防灭火凝胶尽管使用了常见的水玻璃、粉煤灰和钠基膨润土，但是它通过化学活化和络合作用。

[0032] 通过检索CN103977517A和CN101767975B都是属于常用的水玻璃无机凝胶。均是以水玻璃为主，一个里面加了粉煤灰和水泥，另外一个加的聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺或者CMC
和黄土或高吸水矿物粘土。本发明材料跟这些材料相比，它不是以水玻璃为主的，而是以钠
基膨润土和粉煤灰为主，同时，因为钠基膨润土形成的凝胶成胶时间也不可控，而且机械强
度也不好，再通过加入了硅酸铝镁，通过铝离子和镁离子与聚硅酸之间的络合作用，使网络
重新排列，形成了比较稳定的三维网络结构，具备成胶时间可控，保水性好，复吸水能力强
以及不干裂的优点。通过调节水固比即可以实现近距离充填的目的，也可以达到通过排量
泵远距离运输至采空区，封堵采空区漏风通道，起到堵漏风的作用。同时，凝胶还可以长时
间起到防灭火的作用。

[0033] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简
单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。