胶体防灭火技术在煤矿中的应用

欧立懂

北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083

胶体防灭火技术在煤矿中的应用

欧立懂

北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083

胶体防灭火技术是近些年发展起来的一种良好的新型防灭火技术。它具有性能优良、灭火速度快、安全可靠、材料来源广泛、灭火后不易复燃和灭火工艺方便快捷等优点,适合用于大面积火灾防治，并且以其独特的固水、吸热降温、密封堵漏、阻化性等性能成为适用于煤矿火灾特别是煤体自燃治理的技术方法，为煤矿火灾的治理开辟了一条新途径。

胶体; 防灭火技术; 煤层自燃

引言

煤层火灾和煤炭自燃是我国矿井的主要灾害之一，长期以来严重威胁着煤矿的安全生产和影响着矿井的经济效益。更为严重的是煤层火灾不同于其他类型的火灾，有其固有的特点，如煤体蓄热性好、火源点隐蔽，松散煤体内部自燃氧化放热，故煤层火灾防治难度较大。一般的防灭火技术如注水、注氮、灌浆等，均难以达到快速防灭火的效果。然而胶体防灭火技术是近年来发展起来的一种适合煤层火灾特点的高效防灭火技术，并且它集降温、阻化、堵漏、固结水等性能于一体, 较好地解决了注水、灌浆过程中的流失问题，为煤层火灾防治提供了新的方法和途径[1]。

1 胶体防灭火材料类型

煤矿防灭火材料的胶体与化学中的胶体不同。化学中的胶体是指一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，而煤矿防灭火所用的胶体主要是指水的凝胶、假凝胶、或较浓的泥浆、粉煤灰等形成的类似凝胶的体系。在防灭火胶体中，大量水被机械地包裹于具有多孔结构的凝胶孔洞中、高分子材料的链段结构中或吸水性黏土矿物的层间结构中，呈半固体状且不易流动。胶体防灭火材料具有一定的强度，具有固体的某些特征，但它又不同于固体，是由固、液两相组成。根据成胶材料性质和原料的特点，胶体防灭火材料可分为凝胶类、稠化胶体类和复合胶体类三种类型：

（1）凝胶类：它包括溶胶或真溶液通过化学反应所形成的一种不能流动且具有一定几何形状的材料，吸水性树脂或吸水性黏土矿物等吸水后形成的凝胶颗粒堆积而形成的假凝胶。

（2）稠化胶体类：向黄土、粉煤灰、细砂或矿粉等浆液中加入少量某些材料，使浆液的黏稠度增加，使它具有良好的触变性，管道流动性。并且流动时不易沉降，同时稠化胶体与煤壁之间有着良好的附着性，对煤中的裂隙和空隙有一定的充填作用。

（3）复合胶体类：从形成原因上看，复合胶体可分为三类：①向黄土或粉煤灰的浆液中添加少量高分子材料，由于高分子材料的架桥作用，使浆液形成几乎不能流动的复合胶体；②向黄土、粉煤灰、细砂等浆液中加入一些胶凝原料，通过化学反应使其失去流动性而形成复合胶体；这类复合胶体中的固体颗粒仅起填充作用，不参与形成网状骨架结构；③向黄土、粉煤灰的泥浆中加入一定的吸水性材料（如吸水性黏土矿物、吸水树脂），由于吸水材料吸附了大量水分，使浆液失去流动性，而形成复合胶体[2]。

2 胶体防灭火材料的结构

2.1 凝胶的结构

凝胶通常是由两相组成的，具有三维的网状结构。假凝胶一般也是由小的凝胶粒子堆积而成的。在凝胶中，随质点形状和性质的不同，所形成网状结构的形态差异也很大。不同凝胶结构间的区别主要表现在质点形状、质点的刚性或柔性以及质点之间联结的方式等3个方面。

（1）质点形状

质点形状对形成凝胶所需的最低浓度值有着显著的影响，形状越不对称所需的浓度越低。胶凝时质点的形状固然很重要，但还必须相互连接形成网状结构，否则不能形成凝胶。

（2）质点的柔性或刚性

柔性质点通常形成弹性凝胶，而刚性质点形成非弹性凝胶，这两种凝胶的许多性质都是不一样的。

（3）网状结构中质点联结的性质

质点联结的性质对凝胶的性质有着重要的影响，凝胶中质点间的联结主要有三种类型：①质点间依靠分子间的作用力形成结构；②质点间依靠氢键形成结构；③依靠化学键形成网状结构[3]。

2.2 稠化胶体的结构

稠化胶体是向黄土、砂石或粉煤灰的浆液中加入少量添加剂（基料：如吸水性树脂、吸水性黏土矿物），使泥浆黏稠度增加，从而使较稀的泥浆达到浓泥浆的灌浆效果。此外，稠化胶体的添加剂还是一种良好的分散剂，它的加入可以防止泥浆中颗粒物的沉降。

稠化胶体是由泥浆和增稠添加剂形成的具有特殊性质的混合物分散体系。可以把稠化胶体看做是经过改性的泥浆。向稀泥浆中加入的少量添加剂是吸水性分散剂，加入后泥浆变得黏稠，并且泥浆分散性得到提高，不易沉淀。

2.3 复合胶体结构

复合胶体材料的组成以及结构都极其复杂。对于基料以化学键形成的胶体，如以硅氧化物为基料与泥浆形成的复合胶体，复合胶体中的主体骨架仍是网状结构的二氧化硅，泥浆中的黄土或粉煤灰主要是以混合物的形态充填于网状结构的骨架之间。

以线性高分子材料为基料形成的复合胶体可以分成两种类型。一种是以线型高分子为单元在水溶液中经过交联形成的胶体。这种胶体的骨架主要是交联的高分子材料，增强骨料如黄土和粉煤灰充填在大分子骨架间，阻碍材料流动的力主要是化学键力，因而胶体强度较大。

另一种是靠高分子材料与固体颗粒间的相互作用力而形成网状骨架的复合胶体。这种复合胶体中加入的黄土或粉煤灰等颗粒物往往成为网状结构的结点。结点与高分子链段的末端有较强的作用力，因而可以通过线性高分子材料的架桥作用将泥浆中的固体颗粒物连成整体，进而呈现出类似于凝胶的性质。

3 胶体灭火机理

3.1 胶体对着火物体表面的作用

（1）胶体对着火物体的润湿性和结膜封闭性；通过化学反应形成的胶体在成胶前的润湿性与水相当，这类胶体在注入过程中，在注胶口附近的流量很大，它对着火物体的润湿主要是浸渍。但随着胶体的向前流动阻力的增大，导致流量减小、流速减慢，此时胶体与固体接触面之间的润湿主要是铺展和沾湿，因而溶液流过的地方都会形成一层胶体覆盖层。

（2）胶体与着火物体间的粘附性。固液界面发生吸附现象的根本原因是固液界面能会自动减小。胶体与着火物体间作用力较大，使二者间界面能降低，因而黏附力较强，因而与着火物体之间的粘附性通常比较好，能附着于着火物体的表面，形成一层胶体，或滞留于着火物体的裂隙中，减少在固体垂直面或斜面上灭火水的流失，提高了冷却吸热效果；同时隔绝着火物体与氧的接触，因而灭火性能较好。

3.2 胶体与着火物体吸热降温

胶体均有固水性,能够使一定量的水包裹在胶体的网状结构骨架中而失去流动性。因胶体的主要成分是水,比热很大,水温升高能够吸收大量的热能,同时也使胶体内部温度不会升的很高，因此胶体材料在高温下其内部结构基本都能保持稳定。同时在较高温度下,胶体中的水分汽化也能吸收大量的热能。当1L水汽化时，可以吸收539kcal的热量，并且体积会扩大1720倍，在水蒸气占燃烧空间的30%或降温至燃烧物质闪点、燃点以下，燃烧就会自行停止。

3.3 复合胶体对煤体的作用

煤不同于其他着火物体,所以胶体在煤层的防灭火过程中,除了具有以上的作用外，还具有另外的防灭火性能：

（1）复合胶体对煤体孔隙、裂隙的充填。煤是多孔介质，所以煤中微孔隙的表面积非常大，并且孔隙对煤氧氧化放热影响非常大。胶体在初始状态流动性较好，能够通过任何通道，也可以渗透到煤体的孔隙、裂隙、胞腔中。向松散煤体中注入胶体后，大量胶体充填在煤体的孔隙、裂隙和胞腔内，阻止了煤体表面活性结构对氧以及其他可燃性气体的吸附、同时惰化了煤体的表面，可以防止煤炭自燃的发生。

（2）胶体与煤体间的机械键合。当胶体固化后，在煤体的孔隙、裂隙、胞腔中产生了机械键合。因此机械键合非常广泛地存在于煤与胶体的接触面上。使胶体与煤体之间存在着强大的结合力，难以分开。机械键合的形式通常有钉键、根键、钩键和榫键等四种形式。这些机械键合力很强，仅当胶体被破坏后胶体才能和煤体分离。胶体与煤体间的机械键合使煤与胶体紧密接触，一方面增加了导热性能，另一方面使煤的表面活性基团被胶体覆盖，阻止了煤氧氧化放热。

（3）阻止煤氧物理、化学吸附及化学反应；胶体隔绝了煤氧接触,减少或阻止了煤对氧的物理吸附。同时胶体中含有多种离子和分子,一些结构是亲电试剂,它们能够与煤表面提供的电子活性结构发生化学吸附,形成络合物,使煤体表面更加稳定,从而使其表面活性结构失去活性,使煤氧化学吸附和化学反应减少[4]。

4 胶体防灭火技术的特点

胶体防灭火技术是近些年发展起来的新型防灭火技术。目前,胶体主要有凝胶、稠化胶体和复合胶体等多种胶体, 并且都具有良好的防灭火性能，其主要防灭火特点如下：

(1)阻化性；胶体在高温下仍具有阻止氧气与着火物的氧化反应，并使物体表面惰化而阻止燃烧的作用，同时也可以很好地防止煤层自燃。

(2)充填性能；胶体可以充填在煤体的孔隙、裂隙和胞腔内，阻止了煤体表面与氧气的吸附和惰化煤体表面的作用。

(3)耐热性；胶体材料在温度升高的情况下网状结构不易破坏且不急剧失水,使胶体结构保持稳定；

(4)渗透性、蠕变性、黏弹性；胶体能够渗透到煤层的裂隙中,堵住漏风;在煤层间隙受力发生蠕变时胶体不会破裂;由于胶体有黏弹性,它能紧密充填于煤层间隙,即使破碎煤层也不会产生漏风裂隙。

(5)具有良好的吸热性,且灭火时不会产生大量水蒸气；胶体有很大的热容,可吸收大量热,使煤温下降同时在灭火时不会产生大量水蒸气[5]。

[1] 邓军.新型复合胶体防灭火技术及应用用[M].煤矿安全.2001,12(12):42-44

[2] 文虎.胶体泥浆灭火技术.西安矿业学院学报.1998 ,18 ( 增) :14～16

[3]徐精彩，等.煤层自燃胶体防灭火理论与技术[M].北京：煤炭工业出版社.2003

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.14.030