礦用密閉材料發展現狀及研發趨勢

馬晉琴 申佳佳 陳志強

（1.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司，山西晉城 048006；2.山西晉煤集團王臺鋪煤礦綜掘一隊，山西晉城 048006）

礦用密閉材料發展現狀及研發趨勢

馬晉琴1申佳佳2陳志強1

（1.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司，山西晉城 048006；2.山西晉煤集團王臺鋪煤礦綜掘一隊，山西晉城 048006）

總結了礦井普遍采用的密閉墻形式及所用的密閉材料，分析了各材料的特點及其局限性，并對密閉墻未來的發展趨勢做了簡單預測。

密閉形式；快速無機密閉材料；防爆外袋

高瓦斯礦井約占我國煤礦總數的50%，其中地質構造及其復雜的礦井又高達2/3。隨著開采深度的延伸和難度的加大，井下作業常受到粉塵、礦井水、易燃易爆氣體、頂底板等災害的威脅。據不完全統計，瓦斯事故約占我國煤礦總事故的20%，成為煤炭行業安全高效發展的瓶頸，如何有效的預防瓦斯爆炸已迫在眉睫。

1 礦井現階段普遍采用的密閉墻形式及其局限性

隨著礦井對安全的重視程度越來越大，對井下巷道密閉的要求也越來越高，對于以擋風為主的臨時密閉，密閉不嚴會導致漏風，這就會引起需風點風量不足，嚴重影響安全生產；而對于巷道與采空區之間的永久密閉，密閉不嚴會導致采空區內瓦斯等有毒有害氣體泄露到巷道，嚴重威脅工作人員健康，同時也會導致風流進入采空區，引起采空區內煤層或瓦斯的燃燒，存在嚴重的礦井安全隱患。因此需要將易自燃區、瓦斯積聚區或者有害氣體源進行隔離，目前最常見的隔離方法就是建立密閉墻，常用的材料主要有以下幾種：

1.1 粉煤灰加高水凝膠材料［-］

主料采用當地電廠鍋爐排放的粉煤灰，膠結料為國產高水速凝材料，充填密閉的成型設施由活動模板、單體柱、木柱和背板構成，在井下用泥漿泵，泵送由粉煤灰、水、膠結劑、懸浮劑、膠凝劑按120：100：15：0.05：2配制成的粉煤灰膠體封堵材料進入成型設施內進行充填封閉作業［］，3d強度達1 MPa，8d強度大于2 MPa。

1.2 黃土和粉煤灰作為骨料的充填凝膠材料［-］

以粉煤灰和黃土為主料［］，以水泥、石灰堿性材料為輔料。最優試驗配比條件下，其凝結時間長達8.9小時，而抗壓強度僅有3.797MPa。

1.3 聚氨酯泡沫塑料噴涂層密閉［］

聚氨酯是1937年德國人Bayer發明的一種高分子合成材料，材質輕、有一定的韌性和強度，通過噴灌機將聚氨酯泡沫藥劑噴涂到簡易密閉墻表面形成泡沫塑料噴層，5分鐘即可反應完畢，常溫常壓下發泡倍數可達7-10倍。

聚氨酯彈性密閉堵漏材料的物理性能非常優異，可以滿足不同環境的需求；具有良好的撕裂強度及拉伸強度；對多種物面涂膜附著力強；固化時間可根據施工需要調整，固化后表面形成完整的無接縫彈性涂層；涂層致密性好［］。雖然聚氨酯

解決了一些礦井生產難題，但現在用的聚氨酯材料還存在著價格較高、易燃、延燃時會產生有毒氣體等缺點，因而進一步研究影響聚氨酯性能的添加工藝是十分必要的。

1.4 瑞米系列密閉墻

1.4.1 混合發泡材料（瑞米密閉Ⅱ號）

一種預先加工好的以無機物為主體的發泡型粉料，施工簡單：只需要在專用灰漿泵中加人適量的水即可。可隨巖層位移發生變形，即使在墻體壓縮30%-50%的情況下也能保證密封效果；凝結速度快：20℃時的凝結時間為3-5min；強度可控：1，7，28d的抗壓強度分別為：0.7，1.0，1.4MPa。

1.4.2 有機發泡材料（瑞米充填/密封Ⅰ號）

泡沫可快速堆積的雙組份發泡樹脂，結束膨脹時間1.5min，硬化時間10min，一般2h可建一堵墻；自由膨脹率20-25倍，反應溫度低于90℃。

1.4.3 混合噴涂材料（瑞米噴涂Ⅰ號）由無機粉末和有機液體以1：2的比例混合而成

密封性好，施工速度快，特別適合構筑臨時密閉墻和氣體泄漏地點的噴涂密封。

1.4.4 瑞米防滅火材料［］

該材料以膠體聚丙烯酸鈉、聚丙烯酰胺為主要成分.經特殊工藝加工而成的礦用高效滅火劑。材料呈白色粉末狀，無毒、無味、無污染、無腐蝕性。配水成膠后具有致密性、成膜性和附壁性，具有降溫、隔熱、隔氧、隔氣功能，全面地提高了阻燃效果和防滅火功效。

1.4.5 泡沫樹脂用作臨時密閉

北京科技大學的金龍哲等介紹了一種德國70年代發明的專為煤礦井下充填、密閉使用的Isoschaum型速凝泡沫樹脂，由脲甲醛樹脂溶液、表面活性劑與硬化劑組成。

該樹脂透氣性低、不溶于水、不延燃、耐熱，彈性強（加壓至原體積的90%，卸壓可恢復至原體積的80%），成泡速度快（井下30s即可穩定），密閉效果好。主要應用于防止頂板的瓦斯積聚、防止突出或冒落孔洞等空隙漏風引起的自然、用作不規則巷壁充填材料。

1.4.6 羅克休泡沫密閉墻［］

采用兩種不同形式的膠體——樹脂和催化劑聚合而成的高分子注射產品，可用于煤礦密閉，充填破碎頂板（煤），采煤工作面進、回風隅角充填，充填廢棄老洞、煤倉，防滅火高冒充填、封堵煤層裂隙，加固煤巖地層、構筑防火墻等。

特點及其優越性［］：1）高度成品化羅克休泡沫屬于高分子反應材料，方便施工，設備和原料運輸方便，無需特殊設備，一臺專用泵和一支混合槍即可。2）施工時間和地點非常靈活，有風源即可。3）高膨脹率：膨脹體積為原體積的25-30倍，空隙填充用量小，費用經濟合理。4）泡沫反應迅速：常溫下25-30s膨脹結束，10℃-15℃時3-5min內即可反應完畢，20分鐘內達到硬化指標，無需防漏支架。5）抗壓能力強（0.2MPa左右），經得起巖層的運動。6）不蔓延火焰、適用于井下局部高溫防治及滅火工作。

1.4.7 氣囊式快速密閉［］

主要由氣囊、防火幕、支撐同（柱）、快速充氣裝置等4部分組成，在需要快速密閉的巷道地段，向氣囊內鼓入安全氣體，使巷道輪廓與氣囊緊密相接，達到密閉巷道的目的。

安設方法簡單易行、速度快，4-5人、3O分鐘內即可安裝完畢。具有良好的密封效果：兩端風壓差在500-900Pa時，密封效果為91%-94%，漏風率為6%-9%；風壓差在500-1 500Pa時，密封效果達到98%以上，漏風率小于2%［］。氣囊式密閉存在材料耐高溫性能低、穩定性較差、對巷道端面適應性不強等缺點。

1.4.8 撐傘式密閉［］

應用始于20世紀80年代的前蘇聯和日本，重慶工學院的王國超和煤科總院重慶分院的戴小平等人對此種密閉方式進行了改進，以滿足現場的實際尺寸需求，但降落傘式密閉主要依賴風向和風流壓力，只能在進風側使用，局限性較大。

（1）-（8）的密閉形式均屬于輕質密閉，能夠快速簡便地隔離危險區域，有很好的密閉效果，但若一旦發生瓦斯爆炸，上述密閉形式根本無法抵抗幾千帕，甚至是幾兆帕的沖擊波作用。

除此之外還有幾種傳統的密閉方式，如磚石密閉墻、沙石混凝土密閉墻［］，架木垛、砌磚石、填沙漿等。

2 發展趨勢

基于以上問題，研發一種抗壓強度高、抗沖擊能力強、阻燃抗靜電，并且具有一定可塑性等優點的新型無機密閉材料，以滿足井下對密閉性能的要求是十分必要的。密閉墻的外袋，

3 結語

傳統密閉形式不僅費力、費時、施工難度大，且密閉性差，抗沖擊能力弱，往往會由于巷道變形等引起密閉墻體開裂，從而導致密閉不嚴。

聚氨酯泡沫塑料、羅克休泡沫等有機高分子密閉材料，雖有較好的封堵效果，但是價格昂貴，充填固狀物的抗壓強度較低，且會釋放出對人體有害的化學物質。由于以上這些密閉形式屬于近距離現場操作，這就涉及到井下作業人員和現場救護人員的安全。

本文提出了一種由外袋和無機內填充材料組成的密閉墻，外袋可用彈性材料制成，能隨著無機密閉材料的充填和巷道的形狀自由擴展密閉，操作人員遠距離向袋內噴注密閉材料即可。待開發的新型密閉材料具有運輸量小、抗壓強度高、無毒害和可遠距離操作等優點，隨著密閉材料的深入研究，將會在礦井經濟、安全生產中發揮重要的作用。

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馬晉琴（1985年），女，山西晉城人，漢族，助理工程師，學歷：理學碩士，研究方向：新型材料。