CMC复合凝胶防灭火机理及其应用

贾 巍

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西 晋城 048002）

煤矿井下作业条件复杂，危险因素分布广泛且管理难度较大，几乎贯穿整个生产环节中。矿井火灾是传统的煤矿五大灾害之一，由于煤炭本身为可燃物，因此井下火灾的防治工作十分重要。目前，在我国井工煤矿开采过程中，一旦发生火灾事故，便会造成大量的资源浪费和财产损失，严重地制约着煤矿的安全生产并威胁着井下工作人员的生命安全[1]。防灭火材料对于煤层自然发火防治十分关键，因此，需要认真研究并选用合适的防灭火材料才能取得良好效果。

1 聚合物凝胶对煤自燃的防治机理

聚合物凝胶是一种高效的防灭火材料，常用在化工防护、石油开采、矿山防灭火等领域。它是由聚合物和交联剂按一定配比混合后通过物理或化学反应形成具有空间网状结构的类固体状态，是一种特殊的分散体系，具有良好的固水、堵漏、降温等优越性能[2]。

根据煤矿防灭火工作要求，矿用防灭火CMC复合凝胶针对普通凝胶制备繁杂、成胶速度慢等缺点进行了优化。它主要由羧甲基纤维素钠（CMC）、交联剂柠檬酸铝（Al Cit）制备，而制胶的关键在于如何根据地质条件、防灭火要求及技术工艺，确定合理比例的CMC复合凝胶配比，此环节是保证CMC复合凝胶实际良好应用的前提[3]。

1.1 CMC复合凝胶的防灭火特性

CMC复合凝胶的化学成分较为特殊，在成胶前具有液体的流动特性，可在压力作用下渗入到煤岩体的裂隙中，同时由于大量水分的存在，使凝胶具有良好的吸热降温性；成胶后又具有类固体的特点，膨胀粘结，能堵塞缝隙中的漏风通道，起到隔绝氧气的作用。胶体成型稳定后，同时具有阻化性，能够减缓煤氧化进程[4]。

1.2 CMC复合凝胶的制备

CMC复合凝胶的制备直接关系到煤矿防灭火工作的最终效果，对凝胶的稳定性要求较高。在选材时，通常会选择整体性较强、不易受温度影响而产生膨胀变化的材料。在制备时，普遍通过范德华力、氢键或离子的相互作用，对聚合物的分子链形成交联作用，最终构造成三维网状结构，增强结构的稳定特性，具体制备及使用如图1。CMC溶液与Al Cit经过一定比例的混合后，由井下的单体泵进输送管路由钻孔注入需要防治的煤岩体中。

1.3 CMC复合凝胶防灭火试验

在投入工程使用前，在实验室对所制备的CMC复合凝胶防灭火能力进行了实际的检验。如图1所示，在实验炉上放置煤体，在炉体底部180 mm处均匀布置了6个注胶孔，在T1-T8处观测煤体温度。在煤体中部燃烧，通过上部和底部的注胶形成隔离带，从而观察凝胶防灭火能力。

图1 试验装置图

试验步骤：对炉体逐步加热，当热电偶的读数达到500 ℃以上时停止通风，并顺着注胶孔对炉体上下部注入浓度为2%的CMC与5%的Al Cit，直至热电偶的读数降至50 ℃以内停止注浆。

试验结果：根据图2可知，由于距离加热装置最近，T6的温度变化最为明显。在最初的200 min之内，其他测点温度变化不明显，仅有源点T6温度出现了快速上升的变化，并在210 min左右达到最高点，超过1000 ℃。该变化说明煤的导热性较差，虽然在短时间内火势发展快，但是影响范围较小。如果此时停止供风，炉内温度虽然保持上升状态，但如果及时注入灭火凝胶，则可以快速降低炉内温度。随着底部注胶完成，炉内积存的氧气也会消耗殆尽，T6点的温度在60 min内快速降至400 ℃，随后进入平缓状态，在1000 min后温度降至常温。由此表明该防火凝胶具有良好的封堵漏风、隔绝氧气的作用，防灭火作用明显。

图2 测点温度变化趋势图

2 工程实例

2.1 矿井煤层自然发火情况

兰花口前煤业位于山西朔州，可采煤层为4号、9号、11号煤层，生产规模90万t/a。目前开采4号煤层4101工作面，该煤层结构简单，平均厚度8.63 m。经鉴定发现，4号煤层煤吸氧量为0.73 cm3/g，判定该煤层的煤自燃倾向性为Ⅰ类容易自燃煤层；火焰长度大于400 mm，抑制煤尘爆炸最低岩粉用量为75%，煤层具有煤尘爆炸性。4号煤层属于特厚易燃煤层，在使用综采放顶煤开采的过程中回采率较低，导致采空区遗煤较多。在工作面撤架期间，由于顶煤受矿压明显，容易出现煤体破碎，自燃危险性由此升高。

2.2 防灭火整体方案

4101工作面共计经历了10个月的封闭治理，启封后火区工作面局部温度较高，有一定的复燃概率出现。在对该工作面治理时，选择注入CMC复合凝胶，以封堵、降温、阻化作用为主。根据对4号煤层地质条件、采掘情况的分析和对周围气体浓度、温度的检测，初步判定4101工作面65#支架附近容易出现火源。为了实现火区的有效治理，划定55#～75#架为自燃危险区域，根据工作面与采空区自然发火的特点，以4101工作面推进方向为准，该区域的影响范围按20 m考虑。同时由于4号煤层属于特厚煤层，将通过在煤层中施工消火道的方式接近停采线，实施打钻注胶作业。

2.3 钻孔布置

支架55#～75#总计20架，架距2 m，总计40 m。共布置钻孔10个，两组施工，每组钻孔水平间距为5 m，布置如图3。

图3 注胶孔布置图

2.4 注胶灭火效果

本次注胶的目的在于降温灭火形成隔离带，为支架安全回撤提供有力保障。根据钻孔长度和自然危险区的划分，将选用3.0%CMC + 8%Al Cit配比的复合防灭火凝胶进行注胶作业，通过钻孔注入煤体内部，并记录整个作业过程中的CO浓度变化。结果如图4，注胶总计16 d，注入量约900 m3。在注胶作业前2 d内CO浓度无明显变化，维持在3×10-4之上，随后出现快速下降，约维持12 d，CO浓度维持在1×10-5无显著变化后停止注浆，该自燃危险区域顺利转入安全观测区。

图4 CO浓度变化随时间变化图

3 结语

CMC复合凝胶对于矿井防灭火工作有很好的应用表现，胶体制备简单快捷，凝结迅速，在口前煤矿4101工作面采空区防灭火中取得良好的使用效果，在注胶结束后也未出现复燃现象，CO浓度保持在1×10-5左右，具有广阔的应用前景。