矿用密闭材料发展现状及研发趋势

高瓦斯矿井约占我国煤矿总数的50%, 其中地质构造及其复杂的的矿矿井井又又高高达达22//33。。随随着着开开采采深深度度的的延延伸伸和和难难度度的的加加大大, , 井井下下作作业业常常受受到到粉粉尘尘、、矿矿井井水水、、易易燃燃易易爆爆气气体体、、顶顶底底板板等等灾灾害害的的威胁。据不完全统计, 瓦斯事故约占我国煤矿总事故的20%, 成成为为煤煤炭炭行行业业安安全全高高效效发发展展的的瓶瓶颈颈, , 如如何何有有效效的的预预防防瓦瓦斯斯爆爆炸炸已迫在眉睫。

1 矿井现阶段普遍采用的密闭墙形式及其局限性

随着矿井对安全的重视程度越来越大, 对井下巷道密闭的要求也越来越高, 对于以挡风为主的临时密闭, 密闭不严会导致漏风, 这就会引起需风点风量不足, 严重影响安全生产;而对于巷道与采空区之间的永久密闭, 密闭不严会导致采空区内瓦斯等有毒有害气体泄露到巷道, 严重威胁工作人员健康, 同时也会导致风流进入采空区, 引起采空区内煤层或瓦斯的燃烧, 存在严重的矿井安全隐患。因此需要将易自燃区、瓦斯积聚区或者有害气体源进行隔离, 目前最常见的隔离方法就是建立密闭墙, 常用的材料主要有以下几种:

1.1 粉煤灰加高水凝胶材料[-]

主料采用当地电厂锅炉排放的粉煤灰, 胶结料为国产高水速凝材料, 充填密闭的成型设施由活动模板、单体柱、木柱和背板构成, 在井下用泥浆泵, 泵送由粉煤灰、水、胶结剂、悬浮剂、胶凝剂按120:100:15:0.05:2配制成的粉煤灰胶体封堵材料进入成型设施内进行充填封闭作业[], 3d强度达1 MPa, 8d强度大于2 MPa。

1.2 黄土和粉煤灰作为骨料的充填凝胶材料[-]

以粉煤灰和黄土为主料[], 以水泥、石灰碱性材料为辅料。最优试验配比条件下, 其凝结时间长达8.9小时, 而抗压强度仅有3.797MPa。

1.3 聚氨酯泡沫塑料喷涂层密闭[]

聚氨酯是1937年德国人Bayer发明的一种高分子合成材料, 材质轻、有一定的韧性和强度, 通过喷灌机将聚氨酯泡沫药剂喷涂到简易密闭墙表面形成泡沫塑料喷层, 5分钟即可反应完毕, 常温常压下发泡倍数可达7-10倍。

聚氨酯弹性密闭堵漏材料的物理性能非常优异, 可以满足不同环境的需求;具有良好的撕裂强度及拉伸强度;对多种物面涂膜附着力强;固化时间可根据施工需要调整, 固化后表面形成完整的无接缝弹性涂层;涂层致密性好[]。虽然聚氨酯

解决了一些矿井生产难题, 但现在用的聚氨酯材料还存在着价格较高、易燃、延燃时会产生有毒气体等缺点, 因而进一步研究影响聚氨酯性能的添加工艺是十分必要的。

1.4 瑞米系列密闭墙

1.4.1 混合发泡材料 (瑞米密闭Ⅱ号)

一种预先加工好的以无机物为主体的发泡型粉料, 施工简单:只需要在专用灰浆泵中加人适量的水即可。可随岩层位移发生变形, 即使在墙体压缩30%-50%的情况下也能保证密封效果;凝结速度快:20℃时的凝结时间为3-5min;强度可控:1, 7, 28d的抗压强度分别为:0.7, 1.0, 1.4MPa。

1.4.2 有机发泡材料 (瑞米充填/密封Ⅰ号)

泡沫可快速堆积的双组份发泡树脂, 结束膨胀时间1.5min, 硬化时间10min, 一般2h可建一堵墙;自由膨胀率20-25倍, 反应温度低于90℃。

1.4.3 混合喷涂材料 (瑞米喷涂Ⅰ号) 由无机粉末和有机液体以1:2的比例混合而成

密封性好, 施工速度快, 特别适合构筑临时密闭墙和气体泄漏地点的喷涂密封。

1.4.4 瑞米防灭火材料[]

该材料以胶体聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺为主要成分.经特殊工艺加工而成的矿用高效灭火剂。材料呈白色粉末状, 无毒、无味、无污染、无腐蚀性。配水成胶后具有致密性、成膜性和附壁性, 具有降温、隔热、隔氧、隔气功能, 全面地提高了阻燃效果和防灭火功效。

1.4.5 泡沫树脂用作临时密闭

北京科技大学的金龙哲等介绍了一种德国70年代发明的专为煤矿井下充填、密闭使用的Isoschaum型速凝泡沫树脂, 由脲甲醛树脂溶液、表面活性剂与硬化剂组成。

该树脂透气性低、不溶于水、不延燃、耐热, 弹性强 (加压至原体积的90%, 卸压可恢复至原体积的80%) , 成泡速度快 (井下30s即可稳定) , 密闭效果好。主要应用于防止顶板的瓦斯积聚、防止突出或冒落孔洞等空隙漏风引起的自然、用作不规则巷壁充填材料。

1.4.6 罗克休泡沫密闭墙[]

采用两种不同形式的胶体——树脂和催化剂聚合而成的高分子注射产品, 可用于煤矿密闭, 充填破碎顶板 (煤) , 采煤工作面进、回风隅角充填, 充填废弃老洞、煤仓, 防灭火高冒充填、封堵煤层裂隙, 加固煤岩地层、构筑防火墙等。

特点及其优越性[]:1) 高度成品化罗克休泡沫属于高分子反应材料, 方便施工, 设备和原料运输方便, 无需特殊设备, 一台专用泵和一支混合枪即可。2) 施工时间和地点非常灵活, 有风源即可。3) 高膨胀率:膨胀体积为原体积的25-30倍, 空隙填充用量小, 费用经济合理。4) 泡沫反应迅速:常温下25-30s膨胀结束, 10℃-15℃时3-5min内即可反应完毕, 20分钟内达到硬化指标, 无需防漏支架。5) 抗压能力强 (0.2MPa左右) , 经得起岩层的运动。6) 不蔓延火焰、适用于井下局部高温防治及灭火工作。

1.4.7 气囊式快速密闭[]

主要由气囊、防火幕、支撑同 (柱) 、快速充气装置等4部分组成, 在需要快速密闭的巷道地段, 向气囊内鼓入安全气体, 使巷道轮廓与气囊紧密相接, 达到密闭巷道的目的。

安设方法简单易行、速度快, 4-5人、3O分钟内即可安装完毕。具有良好的密封效果:两端风压差在500-900Pa时, 密封效果为91%-94%, 漏风率为6%-9%;风压差在500-1 500Pa时, 密封效果达到98%以上, 漏风率小于2%[]。气囊式密闭存在材料耐高温性能低、稳定性较差、对巷道端面适应性不强等缺点。

1.4.8 撑伞式密闭[]

应用始于20世纪80年代的前苏联和日本, 重庆工学院的王国超和煤科总院重庆分院的戴小平等人对此种密闭方式进行了改进, 以满足现场的实际尺寸需求, 但降落伞式密闭主要依赖风向和风流压力, 只能在进风侧使用, 局限性较大。

(1) - (8) 的密闭形式均属于轻质密闭, 能够快速简便地隔离危险区域, 有很好的密闭效果, 但若一旦发生瓦斯爆炸, 上述密闭形式根本无法抵抗几千帕, 甚至是几兆帕的冲击波作用。

除此之外还有几种传统的密闭方式, 如砖石密闭墙、沙石混凝土密闭墙[], 架木垛、砌砖石、填沙浆等。

2 发展趋势

基于以上问题, 研发一种抗压强度高、抗冲击能力强、阻燃抗静电, 并且具有一定可塑性等优点的新型无机密闭材料, 以满足井下对密闭性能的要求是十分必要的。密闭墙的外袋,

3 结语

传统密闭形式不仅费力、费时、施工难度大, 且密闭性差, 抗冲击能力弱, 往往会由于巷道变形等引起密闭墙体开裂, 从而导致密闭不严。

聚氨酯泡沫塑料、罗克休泡沫等有机高分子密闭材料, 虽有较好的封堵效果, 但是价格昂贵, 充填固状物的抗压强度较低, 且会释放出对人体有害的化学物质。由于以上这些密闭形式属于近距离现场操作, 这就涉及到井下作业人员和现场救护人员的安全。

本文提出了一种由外袋和无机内填充材料组成的密闭墙, 外袋可用弹性材料制成, 能随着无机密闭材料的充填和巷道的形状自由扩展密闭, 操作人员远距离向袋内喷注密闭材料即可。待开发的新型密闭材料具有运输量小、抗压强度高、无毒害和可远距离操作等优点, 随着密闭材料的深入研究, 将会在矿井经济、安全生产中发挥重要的作用。

摘要：总结了矿井普遍采用的密闭墙形式及所用的密闭材料, 分析了各材料的特点及其局限性, 并对密闭墙未来的发展趋势做了简单预测。

关键词：密闭形式,快速无机密闭材料,防爆外袋

参考文献

[1] 罗振敏, 邓军等.煤矿井下灾区水凝胶密闭填充材料性能研究[J].中国矿业大学学报, 2007, 36 (6) :P748-751.

[2] 杨永斌.矿井用新型水凝胶密闭填充材料的研究[D].西安:西安科技大学能源学院, 2005.

[3] 张向荣, 罗振敏, 张嫡妮, 邓军.矿井火区粉煤灰胶体充填封堵材料的试验研究[J].西安科技大学学报, 2005, 25 (1) :9-11.

[4] 冯巨恩, 郭生茂.粉煤灰作充填胶凝材料的应用研究[J].粉煤灰综合利用, 2001 (5) :10—11.

[5] 朱晓明.晋城矿区井下综合利用粉煤灰的研究与探索[J].粉煤灰, 2003 (1) :28—30.

[6] 孙凯华.黄土粉煤灰基新型煤矿充填材料配比试验研究[J].煤矿开采, 2014, 19 (6) :100-103.

[7] 陈文彬, 邱雁, 张晋生, 等.快速密闭在防止漏风恢复生产中的应用[J].煤矿安全, 1996 (4) :22—23.

[8] 邬剑明, 杜云峰, 王俊峰.新型矿用聚氨酯弹性体密闭堵漏材料的反应机理及应用[J].煤矿安全, P101.

[9] 姜福兴, 莫自宁.煤矿新型化学材料密闭墙快速构筑技术[J].煤炭科学技术, 2006, 34 (6) :7-9.

[10] 张成, 崇立国, 文杰, 史庆科.瑞米安全防灭火材料在密闭墙漏风堵漏及防灭火中的应用[J].科技创业, 2011 (9) :154-155.

[11] 金龙哲, 靳瑞英, 蒋仲安.矿井安全作业采用的填充密闭材料泡沫树脂及其应用技术[J].中国安全科学学报, 1998, 8 (5) :32-36.

[12] 邱春亮, 张雪涛.罗克休泡沫产品在济宁二号煤矿中的应用[J].煤炭科学技术, 2003, 31 (6) :59—60.

[13] 王昕, 刘红岗, 郭坤.罗克休泡沫处理大冒顶事故技术的实践[J].中国矿业, 2007, 16 (2) .

[14] 李永刚, 吕健全, 谢劲松, 等.喷注罗克休泡沫防治煤体高温技术的应用[J].煤炭工程, 2006 (7) :83-84.

[15] 郭福君, 冯述虎.气囊式快速密闭[J].中国矿业, 1998 (3) :45-47.

[16] 冯述虎, 郭福君.气囊式快速密闭的关键技术及其试验[J].1998 (9) :16-18.

[17] 王国超, 戴小平, 邓国红, 等.降落伞充气式耐高温快速密闭的研究[J].矿业安全与环保, 2000, 27 (6) :5-6.

[18] 杜斌, 刘培民.密闭堵漏技术在煤矿的应用[J].山东煤层科技, 2011 (6) :160-161.

[19] 唐子波, 孔德顺, 李华.泡沫混凝土防火防爆密闭墙设计及其施工技术[J].煤矿现代化, 2013 (2) :36-38.