礦井火區塑性膠體充填封堵材料的試驗研究
礦井煤層自然發火的主要原因之一，就是由采空區或巷道等漏風造成的。為了防止煤層自燃或者為了防止有害氣體擴散而影響安全生產，常常需要將易自燃區或有害氣體源進行隔離。常用的隔離方法是砌密閉墻，主要是用木板等材料建立臨時密閉和用磚、水泥等建立永久性密閉。但建立臨時性密閉時，通常仍然存在大量漏風通道、隔離效果不理想；而永久性密閉建設周期較長、勞動強度大、成本較高。目前開發的一些可用于封堵的材料，如高水材料、高分子材料等，雖然有較好的封堵效果，但其成本較高，不能在煤礦井下廣泛應用。為此，在煤層火災膠體防滅火材料的基礎上，開發了一種塑性膠體（黃土）充填封堵材料。
1 材料組成與配方
該塑性膠體充填封堵材料是由水、黃土、引發劑、增稠懸浮劑、膠凝劑等按質量比1 000：2 000:30:0.2:200配制而成。在黃土與水的漿液中加入引發劑能使其具有良好的易成膠性；加入增稠懸浮劑，能夠增加漿認稠度，提高泥漿的分散性，減緩其沉隆速度，防止漿液在流動過程中堵塞管路，便于遠距離輸送；加入一定量的膠凝劑，能夠使之迅速形成有一定形狀的塑性膠體。塑性膠體有一定的強度，可在井下巷道中形成一堵墻，堵塞漏風。
2 材料性能實驗
2.1 實驗過程
將黃土與水混合制成泥漿，向漿液中依次加入引發劑、增稠懸浮劑，攪拌、混合均勻，然后加入膠凝劑，迅速攪拌使之混合均勻，靜置2min，觀察現象，檢測強度。所制成的材料的在室內放置30d，檢測強度。
2.2 實驗結果及分析
實驗結果見表1。
表1 膠凝劑的不同用量對塑性充填封堵膠體材料性能的影響
序號
水/ml
晉城土/g
引發劑/g
懸浮劑/g
膠凝劑/g
膠凝時間/s
初凝強度/MPa
終凝強度/MPa
1
2
3
4
5
300
300
300
300
300
600
600
600
600
600
9
9
9
9
9
0.15
0.15
0.15
0.15
0.15
15
30
45
60
75
110
73
61
53
38
軟
較軟
0.10
0.20
0.27
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0.12
0.50
0.80
0.98
從表1可以看出，在水、晉城黃土、引發劑、增稠懸浮劑用量一定的條件下，通過改變膠凝劑的用量可調節成膠時間和所成膠體的強度，膠凝劑用量越大則成膠埋單越短（見圖1），膠體的強度越大（見圖2）。當向600g黃土與300ml水制成的泥漿中加入9g引發劑，其體積有所膨脹，再加入0.15g增稠懸浮劑后，泥漿變稠、懸浮性提高，長距離輸送不會堵塞管路。在上述漿液中加入60g膠凝劑，1min內即可成膠，膠體初凝強度約為0.2MPa，終凝強度約0.8Mpa，30d后不干裂。由此可知，用水、黃土、引發劑、增稠懸浮劑，膠凝劑等按設計比例配成的塑性膠體充填封堵材料已經能夠滿足巷道封堵需要，成膠時間也能滿足工藝要求。
圖1 膠凝劑用量對膠凝的影響
圖2 膠凝劑用量對膠凝強度的影響
3 中試試驗
在實驗場地建立澆注模板（1.2m×1.2m×2.4m），向水土比為1:2的泥漿中，按用水量質量的3％、0.2‰分別加入引發劑和增稠懸浮劑，制成漿液。再加入占水量20％的膠凝劑后灌入模板中，使其在模板中固結，澆注體高度不低于2m。考察澆注工藝，觀測澆注的充填材料的初凝強度、終凝強度、可堆積性、收縮率，從而為工業應用打下基礎。實驗步驟如下：
1）按實驗系統圖連接好設備；
2）連接電源、水管；
3）打開齒輪泵的回流，并啟動齒輪泵，調節調流閥至指定流量后停泵，將回流閥關閉，打開注膠閥門；
4）按比例將各種材料在攪拌桶內配好；
5）打開泥漿泵的回流，并啟動泥漿泵，調節調流閥至指定流量后停泵，將回流閥關閉，打開流膠閥門；
6）上述工作準備就緒后，同時打開泥漿泵和齒輪泵開始注膠。
中試試驗工藝流程見圖3。
圖3 塑性膠體充填封堵材料中試試驗流程圖
實驗過程中攪拌桶內每次加入水250kg，土500kg，引發劑8kg，懸浮劑5g，攪拌均勻后的總體積為500L，土密度約為2 000kg/m3。泥漿泵流量為4.2m3/h，膠凝劑的流量為450kg/h。向模具內注入膠體共3m3，模具內膠體堆積高度約2m。
加入懸浮劑后，漿液明顯增稠，泥漿懸浮性變好；混合漿液從管口噴出后很快發生膠凝，并具有一定的初凝強度，1min后即可踩踏，能夠堆積成2m高的墻體；從下部向上部，膠體強度逐漸變小，說明隨著時間的延長和膠體受壓收縮，其強度增加。
試驗表明，塑性膠體充填封堵材料初凝后脫水極少，能夠滿足脫水要墳，且水主要積聚在墻體的上層，可以通過墻體上層處的巖隙滲透排出，墻體下層沒有水滲出。
4 結論
1）將水、黃土、引發劑、增稠懸浮劑、膠凝劑等按1 000:2 000:30:0.2:200比例配制而成的塑性膠體充填封堵材料，1min內即可成膠，能夠迅速形成有一定形狀的塑性膠體，該膠體初凝強度大于0.2MPa，終凝強度大于0.8MPa，30d后不干裂，可在井下巷道中建立密閉墻，堵塞漏風，為防止煤層自燃或者為了防止有害氣體擴散建立密閉墻提供了一種行之有效的方法。
2）通過中試試驗，考察了澆注工藝，進一步證明了塑性膠體（黃土）充填封堵材料能夠滿足巷道封堵需要，成膠時間也能滿足工藝要求，從而為工業應用打下基礎。
《礦業安全與環保》 （羅振敏、張辛亥、張向榮）
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