CMC復合凝膠防滅火機理及其應用

賈 巍

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048002）

煤礦井下作業條件復雜，危險因素分布廣泛且管理難度較大，幾乎貫穿整個生產環節中。礦井火災是傳統的煤礦五大災害之一，由于煤炭本身為可燃物，因此井下火災的防治工作十分重要。目前，在我國井工煤礦開采過程中，一旦發生火災事故，便會造成大量的資源浪費和財產損失，嚴重地制約著煤礦的安全生產并威脅著井下工作人員的生命安全[1]。防滅火材料對于煤層自然發火防治十分關鍵，因此，需要認真研究并選用合適的防滅火材料才能取得良好效果。

1 聚合物凝膠對煤自燃的防治機理

聚合物凝膠是一種高效的防滅火材料，常用在化工防護、石油開采、礦山防滅火等領域。它是由聚合物和交聯劑按一定配比混合后通過物理或化學反應形成具有空間網狀結構的類固體狀態，是一種特殊的分散體系，具有良好的固水、堵漏、降溫等優越性能[2]。

根據煤礦防滅火工作要求，礦用防滅火CMC復合凝膠針對普通凝膠制備繁雜、成膠速度慢等缺點進行了優化。它主要由羧甲基纖維素鈉（CMC）、交聯劑檸檬酸鋁（Al Cit）制備，而制膠的關鍵在于如何根據地質條件、防滅火要求及技術工藝，確定合理比例的CMC復合凝膠配比，此環節是保證CMC復合凝膠實際良好應用的前提[3]。

1.1 CMC復合凝膠的防滅火特性

CMC復合凝膠的化學成分較為特殊，在成膠前具有液體的流動特性，可在壓力作用下滲入到煤巖體的裂隙中，同時由于大量水分的存在，使凝膠具有良好的吸熱降溫性；成膠后又具有類固體的特點，膨脹粘結，能堵塞縫隙中的漏風通道，起到隔絕氧氣的作用。膠體成型穩定后，同時具有阻化性，能夠減緩煤氧化進程[4]。

1.2 CMC復合凝膠的制備

CMC復合凝膠的制備直接關系到煤礦防滅火工作的最終效果，對凝膠的穩定性要求較高。在選材時，通常會選擇整體性較強、不易受溫度影響而產生膨脹變化的材料。在制備時，普遍通過范德華力、氫鍵或離子的相互作用，對聚合物的分子鏈形成交聯作用，最終構造成三維網狀結構，增強結構的穩定特性，具體制備及使用如圖1。CMC溶液與Al Cit經過一定比例的混合后，由井下的單體泵進輸送管路由鉆孔注入需要防治的煤巖體中。

1.3 CMC復合凝膠防滅火試驗

在投入工程使用前，在實驗室對所制備的CMC復合凝膠防滅火能力進行了實際的檢驗。如圖1所示，在實驗爐上放置煤體，在爐體底部180 mm處均勻布置了6個注膠孔，在T1-T8處觀測煤體溫度。在煤體中部燃燒，通過上部和底部的注膠形成隔離帶，從而觀察凝膠防滅火能力。

圖1 試驗裝置圖

試驗步驟：對爐體逐步加熱，當熱電偶的讀數達到500 ℃以上時停止通風，并順著注膠孔對爐體上下部注入濃度為2%的CMC與5%的Al Cit，直至熱電偶的讀數降至50 ℃以內停止注漿。

試驗結果：根據圖2可知，由于距離加熱裝置最近，T6的溫度變化最為明顯。在最初的200 min之內，其他測點溫度變化不明顯，僅有源點T6溫度出現了快速上升的變化，并在210 min左右達到最高點，超過1000 ℃。該變化說明煤的導熱性較差，雖然在短時間內火勢發展快，但是影響范圍較小。如果此時停止供風，爐內溫度雖然保持上升狀態，但如果及時注入滅火凝膠，則可以快速降低爐內溫度。隨著底部注膠完成，爐內積存的氧氣也會消耗殆盡，T6點的溫度在60 min內快速降至400 ℃，隨后進入平緩狀態，在1000 min后溫度降至常溫。由此表明該防火凝膠具有良好的封堵漏風、隔絕氧氣的作用，防滅火作用明顯。

圖2 測點溫度變化趨勢圖

2 工程實例

2.1 礦井煤層自然發火情況

蘭花口前煤業位于山西朔州，可采煤層為4號、9號、11號煤層，生產規模90萬t/a。目前開采4號煤層4101工作面，該煤層結構簡單，平均厚度8.63 m。經鑒定發現，4號煤層煤吸氧量為0.73 cm3/g，判定該煤層的煤自燃傾向性為Ⅰ類容易自燃煤層；火焰長度大于400 mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉用量為75%，煤層具有煤塵爆炸性。4號煤層屬于特厚易燃煤層，在使用綜采放頂煤開采的過程中回采率較低，導致采空區遺煤較多。在工作面撤架期間，由于頂煤受礦壓明顯，容易出現煤體破碎，自燃危險性由此升高。

2.2 防滅火整體方案

4101工作面共計經歷了10個月的封閉治理，啟封后火區工作面局部溫度較高，有一定的復燃概率出現。在對該工作面治理時，選擇注入CMC復合凝膠，以封堵、降溫、阻化作用為主。根據對4號煤層地質條件、采掘情況的分析和對周圍氣體濃度、溫度的檢測，初步判定4101工作面65#支架附近容易出現火源。為了實現火區的有效治理，劃定55#～75#架為自燃危險區域，根據工作面與采空區自然發火的特點，以4101工作面推進方向為準，該區域的影響范圍按20 m考慮。同時由于4號煤層屬于特厚煤層，將通過在煤層中施工消火道的方式接近停采線，實施打鉆注膠作業。

2.3 鉆孔布置

支架55#～75#總計20架，架距2 m，總計40 m。共布置鉆孔10個，兩組施工，每組鉆孔水平間距為5 m，布置如圖3。

圖3 注膠孔布置圖

2.4 注膠滅火效果

本次注膠的目的在于降溫滅火形成隔離帶，為支架安全回撤提供有力保障。根據鉆孔長度和自然危險區的劃分，將選用3.0%CMC + 8%Al Cit配比的復合防滅火凝膠進行注膠作業，通過鉆孔注入煤體內部，并記錄整個作業過程中的CO濃度變化。結果如圖4，注膠總計16 d，注入量約900 m3。在注膠作業前2 d內CO濃度無明顯變化，維持在3×10-4之上，隨后出現快速下降，約維持12 d，CO濃度維持在1×10-5無顯著變化后停止注漿，該自燃危險區域順利轉入安全觀測區。

圖4 CO濃度變化隨時間變化圖

3 結語

CMC復合凝膠對于礦井防滅火工作有很好的應用表現，膠體制備簡單快捷，凝結迅速，在口前煤礦4101工作面采空區防滅火中取得良好的使用效果，在注膠結束后也未出現復燃現象，CO濃度保持在1×10-5左右，具有廣闊的應用前景。