毕业论文---矿用无机防火堵漏喷浆材料的研制.doc

矿用无机防火堵漏喷浆材料的研制摘要本文研究了粉煤灰、水灰比、缓凝剂用量对水泥-水玻璃浆体材料凝结时间及硬化后强度的影响。根据试验结果作图进行线性回归分析，研制出了应用于煤矿防灭火且具有堵漏功能的材料。试验结果表明：合适的施工配合比是水泥浆的水灰比为0.5:10.7:1；水泥浆与水玻璃的体积比为1:0.5；水玻璃模数为3.0，浓度为40波美度；缓凝剂用量为1.5%2.5%；粉煤灰的取代量40%。按此配合比配制出的浆体材料凝结时间为2.5min3.5min,14天强度不低于3mpa；耐水、耐油性均大于3天，耐碱性大于7天，耐酸性在3天左右，耐冻融循环性差；耐火软化温度在11001250。本文同时也设计出了适合水泥水玻璃浆体材料施工的地下移动式量配比泵连续式注胶系统。关键词：防火堵漏喷浆；凝结时间；强度；施工配合比；施工系统abstract this article studied the influence of water cement ratio, fly ash and retarder dosage on the coagulation time and hardened of cement-sodium silicate slurry materials.according to the test results by the linear regression analysis, developed materials,used in coal mine,which has the function of plugging and fire prevention.according to the result of the experiment, the results showed the more appropriate proportion construction is:the ratio of water mud water-cement is 0.5:1 0.7:1;the ratio of mud water volume and sodium silicate is 1:0. 5;sodium silicate module for 3.0, concentration of 40 。be，;retarder dosage for 1.5% 2.5%;less than 40% of the quantity of fly ash instead.the slurry materials setting time for 2.5 min 3.5 min, 14 days of strength not less than 3mpa according to the proportion; the water resistant, oil resistance are more than 3 days,alkaline resistance is more than 7 days,acidoresistant in 3 days or so,freeze-thaw cycle resistance is bad,refractory softening temperature at 1100 1250 .this article also designed a suitable continuative note glue pump system for cement slurry water of underground mobile quantity of construction material ratio weave-machines.key words: fire prevention and plugging slurry; setting time; strengththe mixture ratio of construction; construction system 目录摘要iabstractii第1章 绪论11.1 引言11.2煤矿浆体防灭火材的研究现状21.2.1煤层自然的原因及特点21.2.2煤层自燃对防灭火的要求31.2.3煤层自燃灭火技术41.2.4 胶体防灭火材料类型61.2.5矿井煤层自燃火灾防治技术61.3水泥-水玻璃浆体材料的研究现状81.4本课题研究意义和主要内容81.4.1课题研究意义81.4.2主要研究内容9第2章 原材料、性能要求、试验仪器及试验方法102.1原材料102.2 无机防火封堵材料性能指标要求102.3试验仪器及试验方法112.3.1基本性能试验方法及仪器112.3.2实际应用性能测试方法12第3章 无机防灭火胶凝材料的制备143.1缓凝剂、粉煤灰用量对浆体材料性能影响143.2水灰比、粉煤灰用量对浆体材料性能影响163.3配制实际应用喷浆193.3.1确定配合比193.3.2性能检测193.3.3实际应用效果20第4章 矿用无机防火堵漏喷浆材料施工系统214.1 施工系统原理224.2系统设计参数224.3主要设备及技术参数234.4施工步骤及规程24第5章 结论25参考文献26致 谢28- 27 -第1章 绪论1.1 引言在会生活中，火灾是威胁公共安全，危害人们生命财产的灾害之一，是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。在煤矿生产中，火灾也是一直困扰煤矿企业发展的一个大难题1。如何解决煤矿生产工作中的安全问题是煤矿行业主管部门和煤矿管理者需要认真分析和解决的一个重要问题。众所周知，煤矿井下火灾是煤矿的主要灾害之一，矿井火灾的发生,轻则影响安全生产,重则烧毁煤炭资源和物资设备,造成人员伤亡,甚至引发瓦斯、煤尘爆炸。我国是一个矿井火灾灾害较严重的国家24。如2009年5月河南郑州广贤工贸有限公司新丰煤矿26012下付巷打钻作业导致瓦斯与煤层燃烧，造成7人co中毒死亡，8人受伤；2010年3月河南东兴煤矿发生火灾事故25人死亡。20世纪九十年代初期，随着特厚煤层综采放顶煤开采技术的发展，煤层火灾成为制约煤矿技术进步的主要障碍之一。常规的注水、灌浆、注阻化剂、注惰气已不能完全适应综放开采技术煤层火灾的防治。为此，根据我们对煤自燃机理的研究成果，针对煤层火灾的特点，提出了“胶体”防灭火的思路，随后对胶体防灭火机理，适用于煤矿的胶体材料、注胶工艺、相应设备、成套系统等进行了大量的理论研究、试验研究、技术开发和现场应用，逐步认清了规律，掌握了胶体防灭火方法，经过十几年改进和完善，形成了一整套煤层火灾胶体防灭火理论与技术。目前，胶体防灭火技术已在全国18个省（市、自治区）的煤矿中推广应用，已成为煤矿一项主要的防灭火技术56。煤矿用防灭火胶体材料分为凝胶类、稠化胶体类、高分子复合胶体类材料三大类。目前煤矿防灭火使用的胶体材料存在诸多缺点，如：稠化胶体类、高分子复合胶体类材料成本高、易老化；凝胶类材料如黄泥灌浆材料、水泥喷浆材料在施工时利用均压通风、砌墙封闭隔绝，但由于受施工地点条件的影响，煤柱破碎造成发火地点仍存在不同程度的漏风，而黄泥浆、水泥浆注入发火地点由于泥浆不能很快地充填煤层、跑浆涌浆严重，造成处理高温发火点周期长，污染工作严重。1.2煤矿浆体防灭火材的研究现状1.2.1煤层自然的原因及特点煤层自燃是比较普遍的自然现象，关于煤炭自燃起因和过程人们在十七世纪即开始了探索和研究，但迄今仍然未能得到圆满的解决。各国学者发表了多种学说以解释煤炭自燃的起因，其中煤氧复合作用学说得到了大多数学者的认同。 大量研究证实，煤自燃主要是由煤氧复合放出热量而引起的。煤与空气接触后，首先发生煤体对氧的物理吸附，放出物理吸附热，之后又发生煤氧化学吸附和化学反应，并放出化学吸附热和化学反应热。煤与氧作用过程所放出的热量积聚起来，就改变了煤自身所处的环境条件，因此，煤的氧化放热是热量自发产生的根源之一，也是引起煤炭自然发火的根本原因之一。煤氧自发地复合放出热量，该热量在一定的蓄热条件下被积聚起来，当热量的积聚能够满足煤自燃过程发展的需要时，煤体温度不断上升，最终导致自燃。煤自燃的根本原因是煤氧复合放热。实际条件下，煤氧复合放热量与煤体表面活性结构的种类、数量、煤体的温度、氧气浓度等因素有关。煤层火灾不同于其他类型的火灾，有其自身固有的特点。根据煤氧复合理论，煤与氧作用放出热量引起煤温升高，煤温升高则煤的氧化活性增强，煤氧化反应速度加快，放热强度增大。煤氧复合作用只要有氧存在就能进行，氧浓度大小只影响煤氧复合速率的大小。煤自燃过程是煤氧化放热与环境散热这对矛盾运动发展的过程。当煤氧化放热速率大于散热速率时，煤温上升。煤温上升又引起氧化放热速率增大，所以煤自燃是一个复杂的自加热过程。自燃火灾一般发生在距煤体暴露面一定距离的深部，往往只见自燃征兆冒烟而不见明火。矿井煤层自燃具有：火源点隐蔽，通常相对位置较高，呈立体分布；松散煤体蓄热性好，热量不易散失；能低温贫氧氧化，且温度越高，反应速度越快，放热量越多；由温差产生气体热力循环，自然对流自供氧等特点45。矿井开采煤层出现高温时，采用常规的注水、灌浆和喷阻化剂，由于重力作用，浆液往低处流，难以在高处积存、渗流范围很小，难以扑灭高处大面积火源；浆液沿冲出水沟流动，不能有效降低煤内部温度，停止注浆后，风流沿水沟渗透流畅，复燃很快。用水或灌浆控制火势时，会迅速产生大量过热水蒸气，加热周围松散煤体，促进自燃火势发展，恶化工作环境，并有水煤汽爆炸的危险。采用注氮、注惰性泡沫灭火时，需封闭性严，且气体热容小，能带走高温区的热量有限，灭火周期长，火区复燃概率高。1.2.2煤层自燃对防灭火的要求 煤层发生自燃时，在高温下分解及氧化释放出大量有毒有害气体；同时高温促使煤层中所含瓦斯释放，有可能引起瓦斯爆炸。因此煤自燃有极大的危害性，必须快速、彻底地扑灭火灾。 防灭火过程就是通过阻止煤氧复合反应的进行或使煤氧复合速度降低到一定水平以下，使放热速度小于高温煤体放热速度，从而防止煤体温度升高而着火或使着火的高温煤体不断降温最终熄灭的过程。根据煤氧复合规律，煤氧只要接触氧化反应就能发生，氧浓度越高则煤氧复合速度越快。因此堵塞漏风通道可降低煤氧接触几率，从而降低煤氧复合速度。此外，煤氧复合主要是煤表面活性结构与氧发生化学吸附和化学反应放热的结果，因此，亦可通过降低煤表面活性基团的浓度使煤氧复合放热速度降低。一些阻化剂具有降低煤表面活性基团浓度和隔绝煤氧接触的作用，因此有一定防灭火效果。煤氧复合速度随温度升高而增加，降低煤温也能够使煤氧复合速度降低5。 一般的防灭火技术就是通过降低煤温、隔绝煤氧接触和惰化煤体表面的氧化活性结构的方法使火熄灭。 1、隔绝煤氧接触 煤氧复合只要有氧存在就能进行，氧浓度大小仅影响煤氧复合速度的大小，根据质量作用定律，氧浓度越大，煤氧复合速度越快。降低煤体表面的氧浓度或阻止煤氧接触就会能使煤氧复合放热量小于煤岩体向周围岩体的散热量，从而使煤温不断下降，最终使火灾熄灭。因此能够防止煤自燃的发生。 2、降低温度 高温煤体在较低的温度下与氧气复合反应放出的热量就能维持温度不下降，较高温度下煤的氧化性高，一旦氧浓度升高，就可能复燃。所以仅通过降低氧浓度很难使煤温降低，因此必须通过降低煤温才能彻底熄灭火区 3、惰化煤体表面活性结构 煤氧复合是气固相化学反应过程，该过程发生在固体表面。煤对氧首先发生物理吸附，随后，煤体表面的活性结构与氧发生化学吸附，并进一步发生化学反应。因此，煤的表面活性结构浓度越高则煤氧复合速度越快。煤表面活性结构的浓度与煤比表面积、煤质和温度有关。有些物质可与煤体表面活性结构反应，使之惰化，从而减少活性基团的浓度，降低煤氧复合速度。阻化剂就具有惰化煤体表面活性结构和阻止煤氧接触的作用。 4、煤自燃的防灭火技术要求 煤的表面活性结构浓度、氧浓度和温度是影响煤自燃的主要因素。故扑灭自燃火灾主要从三个方面着手：一是隔离煤氧接触，使自燃火灾窒熄；二是降低煤温使煤氧化放热强度降低，最终使火熄灭；三是惰化煤体表面活性结构降低煤氧复合速度，防止煤自燃的发生。 对于高瓦斯矿井，煤层火灾具有着火面积大、火势发展猛烈并可能引起瓦斯爆炸等特点，所以对高瓦斯矿灭火要求更高。高瓦斯矿灭火方法还应该具有以下特点：灭火效率要高，效果要好；能够保证灭火过程安全，灭火材料不与高温煤体发生较剧烈化学反应，灭火过程中不产生易燃易爆气体，阻止瓦斯向发火区扩散；灭火后不易复燃。 煤矿井下松散煤体的量很多，存在足够的向向煤体供氧的漏风通道，煤拉接触发生反应的位置很多，彻底隔绝煤氧接触是很困难。自燃火灾通常发生在煤体深部，由于矿井条件比较复杂，发火区难以准确预测或探测，因此完全降低煤温也比较困难，仅通过降低煤温彻底灭火不现实；惰化煤体表面的方法可防止或延缓自燃发生，但煤温较高时，煤表面活性结构的惰化比较困难。因此，大范围的煤体火灾或高瓦斯矿井火灾，需要结合降低煤温、隔绝煤氧接触和惰化煤体表面活性结构三种方法进行灭火。1.2.3煤层自燃灭火技术煤层自燃火灾的防治，需要具有既能很快地降低煤温，又很好地隔绝煤氧接触，并能惰化煤体表面，同时在防灭火过程中还要安全可靠的技术。前述防灭火技术均不能满足这一要求，在防灭火中均存在不足之处。为解决这些问题，西安科技学院（原西安矿业学院）从20世纪90年代初开始，进行了大量试验和应用研究，开发和研制出了适用于矿井不同条件系列胶体灭火材料和相应注胶设备及应用工艺，并应用该技术进行了百余次的现场实际灭火工程20。1、胶体灭火技术的灭火性能特点胶体防灭火技术集堵漏、降温、阻化、固结水等性能于一体，较好地解决了灌浆、注水的水泄漏流失问题，适用于各种类型的矿井自燃火灾。胶体防灭火技术在煤层自燃火灾防治的应用实践证明，胶体防灭火技术具有如下特点：(1) 灭火速度快:由于胶体独特的灭火性能,其灭火速度很快,通常巷道小范围的火仅需几小时即可扑灭,工作面后方大范围的火也只需几天即可扑灭。(2) 安全性好:胶体在松散煤体内胶凝固化、堵塞漏风通道,故有害气体消失快；在高温下，胶体不会产生大量水蒸汽,不存在水煤气爆炸和水蒸汽伤人危险。(3) 火区启封时间短:注胶灭火工程实施完，不需等待（煤矿安全规程规定各项指标达到启封条件后还需观察稳定一个月才能启封）,即可启封火区。(4) 火区复燃性低:高温区内只要有胶体渗透到的地点都不会复燃。2、胶体灭火技术的构成 经过多年的试验研究与现场应用，胶体防灭火技术已趋于成熟。目前已发展成有系列胶体灭火材料，多种灭火工艺和相应的灭火设备。煤层自燃胶体防灭火技术主要由胶体材料、注胶灭火设备、注胶灭火工艺和现场灭火应用等四大部分构成。该技术的构成如图1.1。1.2.4 胶体防灭火材料类型 胶体防灭火材料主要包括三大类，它们分别是5： （1）凝胶类，它包括由化学反应制备的凝胶（如硅酸凝胶），由凝胶基料及促凝剂与泥浆、粉煤灰浆等制成的复合凝胶两种类型。这类胶体灭火材料在成胶前是溶液或悬浮液，成胶后有一定强度，不能流动。 （2）稠化胶体类，它包括由吸水性树脂或吸水性粘土矿物与水制成的假凝胶类材料，由这些吸水性材料与泥浆混合制成的假凝胶类材料。这类材料表面上类似凝胶，较稠且流动性差，但其根本原因是水被吸水材料吸收后浆液变稠的结果。稠化胶体中加入的吸水性材料通常又有悬浮作用，所以稠化胶体管道输送时反而不易堵塞管路。 （3）高分子复合胶体类，这类胶体材料是由泥浆中加入亲水性具有长链的高分子复合添加剂合成的，由于复合添加剂的架桥作用，使浆液失去流动性，呈现出凝胶态材料。1.2.5矿井煤层自燃火灾防治技术 煤矿井下开采过程中留下的易燃松散浮煤量大，给煤层火灾的防治带来难。现有的煤层火灾防治技术主要从两个方面着手：一是隔离煤氧接触。当煤体隔绝氧气后，煤不再氧化放热，自燃火灾被窒熄，高温煤体热量向周围温度较低的围岩发散，煤温逐渐下降；二是降低煤温。通常情况下，煤氧复合速度随煤温升高增加很快，随着煤温下降，煤氧化放热强度也不断降低。因此，往往不能全面、彻底地治理煤层火灾。 1、封堵漏风技术 连续供氧是煤层自燃的必要条件之一, 堵漏风断绝浮煤氧气供给可有效的防治煤层内因火灾。在煤矿井下，堵漏的主要手段是水泥喷浆和泡沫喷涂,水泥喷浆工作量大,回弹多,抗动压性差,堵漏效果不十分理想；泡沫堵漏性能好，抗动压性好。但其成本较高，高温时分解,释放出有害气体。近年来开发的粉煤灰封堵材料、高水封堵材料等都得到应用。封堵漏风技术用于防火效果较明显，而用于灭火时，由于不能直接使煤温降低，所以通常需要和别的灭火技术配合使用。 2、注水和灌浆技术 水是最经济、来源最广泛的灭火材料。水的热容量很大，1升水转化成蒸汽时吸收2256.7kj热量，同时生成1.7m3水蒸汽，能很快降低煤温，大量水蒸汽具有冲淡空气中的氧浓度，包围、隔离火源，窒熄火源的作用。 灌浆防灭火技术在我国有自然发火危险的矿井中用得较普遍, 也取得了良好的效果,成为与井下内因火灾斗争的主要措施之一。泥浆能够吸热降温,对煤体还有包裹作用, 能够达到隔绝氧的目的,对于采空区的防灭火效果显著。 井下自燃火灾通常处于工作面或巷道顶部的比较高的部位，用水或泥浆灭火时，不能滞留在发火部位，流过发火部位后仅使煤表面温度得到降低，煤体内部温度仍然很高。 水的冲刷将煤体表面的灰分带走,又露出新的煤体表面；水的剧烈蒸发增加了煤的孔隙率,使漏风通道更加畅通。水对煤的自燃还有一定的促进作用,在高温600时,水会分解成h2、o2参与燃烧反应,还会产生大量水煤气,造成水煤气爆炸。泥浆脱水量较大,恶化工作环境。 3、惰性气体和惰气泡沫防灭火技术 此技术以注入n2和co2为主,也可注入其它惰性气体来降低火区的氧浓度,达到防灭火的目的。惰气可充满整个空间,既能扑灭大的明火火灾,又能抑制扑灭隐蔽火源。但惰性气体对大热容的煤体降温效果不好，灭火周期较长，火区易复燃；而且对现场的堵漏风工作要求较高。 对采空区注惰泡能起到降温，减少漏风，降低采空区氧浓度等作用。但惰泡在碎煤中压注，发泡性能很差，起泡倍数低，若仅起阻化剂作用，则成本太高，且有效率太低。对已形成高温的浮煤，仅依靠惰泡隔氧灭火，需注泡量很大，灭火周期也很长，且一旦停止注泡很易复燃。对于现代化矿井，每个综放面每天可产出上万吨煤炭，因此这种需要较长时间才能灭火的灭火技术是不经济的，所以注氮技术常用于防火。 4、阻化剂防灭火技术 阻化剂是抑制煤氧结合,阻止煤氧化的化学药剂。常用阻化剂是cacl2、mgcl2等一些吸水性很强的盐类,当它们的水溶液附着在易被氧化的煤表面时,在煤的表面形成一层含水液膜,惰化煤体表面活性结构，阻止了煤和氧的接触, 起到了阻止煤氧复合的作用。同时,这些药剂吸水能使煤体长期处于潮湿状态,由于水的吸热降温作用,使煤体在低温氧化时温度不能升高,从而抑制了煤的自热和自燃。一般的阻化剂通常都有一定的防火效果，但当温度升高使阻化剂吸收的水份蒸发,其阻化作用会消失。失去水分的阻化剂对煤氧复合反而有催化作用,促使煤氧复合速度加快，使煤自燃更容易。 近几年研制成功的粉状惰化阻化剂，是由能在不同温度段气化产生惰性阻化气体的粉状材料按一定比例混合而成的。所产生的气体对自由基链锁反应起阻碍作用，同时在汽化过程中吸收大量热能，使煤温降低。将这些粉状材料用氮气压送、纸袋封装或与水混合后, 注入煤体。当煤温超过一定温度时,惰化阻化剂开始吸热气化,产生惰性阻化气体。该阻化剂高温分解后的剩余物能在煤的表面生成一层薄膜,冷却后成为脆性覆盖物,使煤与空气隔绝而防止煤体复燃。粉状惰化阻化剂技术防灭火效果较好,但粉状材料在煤体内不容易分散均匀,因此难以充分发挥其防灭火性能，如用其水溶液注入煤体则易流失。1.3水泥-水玻璃浆体材料的研究现状硅酸钠是一种强碱弱酸盐，在水溶液中强烈水解，并达到水解平衡，硅酸钠水解生成难溶于水的硅酸而使水溶液呈碱性，水玻璃也具有胶体性质，胶体微粒带负电。当加入水泥浆后水玻璃与水泥浆液都具有胶体性质且带电荷性质相反，混合后发生电性中和而促进胶体微粒凝结；水玻璃水解生成难溶于水的硅酸与水泥矿物水解产生的氢氧化钙反应生成了难溶于水的水合硅酸钙，破坏了硅酸二钙和硅酸三钙的水解平衡，促进了硅酸二钙和硅酸三钙的水解，因此水泥水玻璃浆体材料具有速凝特性。 目前主要研究了水灰比、水玻璃浓度、水泥浆与水玻璃体积比、水泥种类对水泥-水玻璃浆体材料的凝结时间、硬化后强度的影响。水泥-水玻璃浆体材料的应用也主要集中在治水防渗、地层加固、地基加固等工程中610，对该材料在煤矿防火工程中的应用缺乏研究。1.4本课题研究意义和主要内容1.4.1课题研究意义 为了降低胶体灭火材料的成本，减少由于漏浆、跑浆对煤层造成的污染及降低材料对井下环境的污染，需要研制新的胶体材料来代替原有材料。而水泥-水玻璃浆体材料具有凝结时间短、成本低、易于施工等特点，可很好的弥补现有材料的多种缺陷。另外，本课题用粉煤灰取代一定量水泥进一步降低了成本，是一项利国利民、意义重大的课题，具有相当大的综合效益。1.4.2主要研究内容 （1）研究水灰比、粉煤灰取代量、缓凝剂用量对水泥-水玻璃浆体材料的凝结时间及硬化后强度的影响。（2）利用水泥、粉煤灰、缓凝剂、水玻璃等原材料研制出对煤层自燃具有防火堵漏功能的灭火材料。确定该材料凝结时间在3min左右、硬化后强度在0.8-6.5mpa的施工配合比。并检测该配合比下初凝时间、强度、耐火性能、胶体在煤炭孔隙中的渗透性等性能及实际应用效果。（3）在其他胶体材料施工系统的基础上进行改进，制定出适合水泥-水玻璃浆体材料的施工系统。第2章 原材料、性能要求、试验仪器及试验方法2.1原材料水泥：芜湖海螺生产的海螺牌po32.5r普通硅酸盐水泥；粉煤灰：淮南电厂二级粉煤灰；水玻璃：模数3.0，固含量39.6%，浓度40波美度；缓凝剂（白砂糖）：上海浦仕联销售有限公司生产，质量等级一级；水：清洁自来水。2.2 无机防火封堵材料性能指标要求gb 23864-2009中对无机防火堵料理化性能技术指标及耐火性能要求如表2.1和2.2。表2.1 无机防火堵料理化性能技术指标序号检验项目技术指标缺陷分类1外观粉末状固体，无结块c2表观密度/(kg/m3)2.0103c3初凝时间/min10t45b4抗压强度/mpa0.8r6.5b5抗弯强度/mpab6抗跌落性b7腐蚀性/d7天，不应出现锈蚀、腐蚀现象b8耐水性/d3，不容涨、不开裂c9耐油性/d10耐湿热性/h120，不开裂、不粉化b续表2.1序号检验项目技术指标缺陷分类11耐冻融循环/次15，不开裂、不粉化b12膨胀性能b表2.2 防火封堵材料耐火性能要求 序号技术参数耐火极限（h）1231耐火完整性1.002.003.002耐火隔热性1.002.003.00 考虑到煤矿防灭火的特殊性，水泥水玻璃浆体材料的性能并不能严格符合gb 23864-2009中对无机防火堵料理化性能技术指标的要求。如：标准中的凝结时间、密度等性能。2.3试验仪器及试验方法2.3.1基本性能试验方法及仪器1、抗压强度试验（1）试验仪器:规格为1604040mm的试模（共9个）；压力试验机。 （2）试验方法： 试样的制备与养护。将调和好的无机防火堵漏材料分别倒入3个规格为160mm40mm40mm的试模内,捣实抹平,待基本固化后脱模并进行水中养护至14天。将三个试块锯成6个804040mm的小试块，选择其中的5个进行抗压试验，选试块的某一侧面作为受压面，用夹具夹持试块。将选定试块受压面向上放在试验机的加压坐上，使试件的中心线与压力机头的中心线重合，以400500n/min的速度均匀加荷至试件破坏或规定值，记录试件破坏时的压力读数或在规定值下是否被破坏。 抗压强度按式计算： r = p/a 式（2.1） r：抗压强度，mpa； p：压力读数，n； a：受压面积，mm2。抗压强度结果在5个试验值中剔除最大、最小2 个数值后，取剩下3 个的算术平均值作为抗压强度试验结果。2、凝结时间测定 （1）试验仪器：秒表。 （2）试验方法：在常温条件下用秒表测定从配料到产生结块时止的时间。3、耐水性、耐油性、耐酸性、耐碱性试验 （1）试验仪器：规格为2002020mm的模具(2个)；毫米尺。 （2）试验方法：将调和好的试样注入2002020mm 的标准试模内，捣实抹平，待基本固化后脱模，养护期满后将试样锯切成个202020mm 的正方体试块。 将制做养护好的试样三个为一组分别浸泡于自来水、0#柴油、3%盐酸溶液、3%氨水溶液中，水温保持在（205），1 天观察1次,耐水、耐油性能测试连续浸泡三天,耐酸、耐碱性能测试连续连续浸泡七天观察试样是否出现溶胀、开裂等异常情况。4、耐火性能试验 （1）试验仪器：坩埚；高温试验炉。 （2）试验方法： 试样的制备与养护与试验3相同，养护期满后将试样锯成若干个202020mm 的正方体试块；将小试块自然干燥24h后在放置在（605）的烘箱中干燥48h。 将小试块以两个为一组，用坩埚盛放并分别放在最高温度在1000、1100、1250或更高的耐火试验炉中进行试验。2.3.2实际应用性能测试方法 在煤块表面均匀涂抹一层10mm厚的喷浆待完全凝结变硬后观察二者是否具有良好的粘结性；在燃烧煤炭表面喷洒喷浆，观察灭火效果和水蒸气的生成情况；用容器盛放适量喷浆在火焰上加热观察喷浆的凝结变化情况；用直径为10cm的带钢丝网的塑料桶盛放粒径约3cm的煤炭颗粒，厚度为10cm，将250ml浆体材料从上端倒下并收集下端流出的浆体以计算渗透率。 第3章 无机防灭火胶凝材料的制备 为了配制凝结时间、硬化后强度合适的浆体材料，本章分别研究了水灰比、粉煤灰取代量、缓凝剂用量对浆体材料凝结时间和硬化强度的影响。根据试验数据确定出合适的施工配合比，并对该配合比下的浆体材料的凝结时间、强度、耐酸性、耐碱性等性能及实际应用效果进行测试。3.1缓凝剂、粉煤灰用量对浆体材料性能影响 试验配合比如下表所示：表3.1 试验配合比组别w/cc/s（体积比）水玻璃浓度/。be缓凝剂用量（%）10.5:11:0.540120.5:11:0.540230.5:11:0.5403每组中粉煤灰取代量有三个值，分别为10%、30%、50%，共九小组配合比。按配合比配制浆体材料测其凝结时间并制成试块，拆模后将试块水中养护14天，所得数据如表3.2和3.3。表3.2 不同配合比条件下浆体凝结时间(s)组别粉煤灰取代量（%）103050113015017721391612003150181223 由图3.2可知浆体凝结时间受缓凝剂用量和粉煤灰取代量的影响。粉煤灰、缓凝剂用量越大凝结时间越长，且粉煤灰用量越大缓凝剂对浆体凝结时间的影响越明显。造成此现象的原因有：水玻璃水解生成难溶于水的硅酸与水泥矿物水解产生的氢氧化钙反应生成了难溶于水的水合硅酸钙，破坏了硅酸二钙和硅酸三钙的水解平衡，促进了硅酸二钙和硅酸三钙的水解。缓凝剂影响了水泥的水化速率，硅酸二钙和硅酸三钙的水解速率降低，从而降低了水合硅酸钙的生成速率；另外加入缓凝剂阻碍了水泥浆体中胶体颗粒与水玻璃中的胶体颗粒发生聚沉，粉煤灰浆体中胶体颗粒带电荷较水泥胶体颗粒少使聚沉速率降低。当粉煤灰用量一定时缓凝剂用量与凝结时间之间具有非常好的线性关系，进行线性回归分析，可以得出对应于取代量10%、30%、50%的线性回归方程公式（3.1）、（3.2）、（3.3）如下： y=119.7+10x 式（3.1） y=133+15.5x 式（3.2） y=162+20x 式（3.3）图3.2 不同配合比条件下浆体凝结时间 由图分析可知当粉煤灰的取代量在10%50%时，若缓凝剂用量在1.5%2.5%范围时凝结时间在135s210s。表3.3 不同配合比条件下浆体14天强度(mpa)组别粉煤灰取代量（%）103050119.910.221.89214.428.791.4631.961.491.39 由图3.3可知在缓凝剂用量相同的情况下粉煤灰用量越多浆体14天强度越小；当粉煤灰用量一定时，缓凝剂用量越大强度越低。当缓凝剂用量超过2%时，随着缓凝剂量的增加强度迅速降低。当粉煤灰的取代量在50%时，强度几乎不受缓凝剂用量的影响。在水灰比一定时强度随二者用量的变化的原因是粉煤灰取代水泥和缓凝剂影响了水泥水化。当粉煤灰取代量一定的情况下凝结时间与缓凝剂用量之间存在着非常好的线性关系，进行线性回归分析，可以得出粉煤灰取代量为10%、30%、50%分别对应的线性回归方程公式（3-4）、（3-5）、（3-6），如下： y=308.97x 式（3-4） y=15.64.37x 式（3-5） y=2.080.25x 式（3-6）据图分析可知当粉煤灰取代量在50%、缓凝剂用量为1%3%时，14天强度均在0.8mpa以上，满足性能要求。图3.3 不同配合比条件下浆体14天强度3.2水灰比、粉煤灰用量对浆体材料性能影响 依据3.1中试验结果分析确定缓凝剂用量为2%，通过改变水灰比及粉煤灰取代量继续研究水灰比对浆体材料及凝结时间的影响，试验配合比如图3.4所示。表3.4试验配合比组别w/cc/s（体积比）水玻璃浓度/。be缓凝剂用量（%）10.6：11:0.540220.7：11:0.540230.8：11:0.5402 每组中粉煤灰取代量有三个值，分别为10%、30%、50%，共九小组配合比。按配合比配制浆体材料测其凝结时间并制成试块，拆模后将试块水中养护14天，所得数据如表3.5和3.6。表3.5 不同配合比条件下浆体凝结时间(s)组别粉煤灰取代量（%）103050115015718521601702143178190217图 3.5 不同配合比条件下浆体凝结时间由图3.5可知在粉煤灰用量一定的条件下水灰比越大凝结时间越长。当粉煤灰取代量一定的情况下凝结时间与水灰比之间存在着非常好的线性关系，进行线性回归分析，可以得出粉煤灰取代量为10%、30%、50%分别对应的线性回归方程公式（3-7）、（3-8）、（3-9），如下： y=74.2+127x 式（3-7） y=180.2+107x 式（3-8） y=168.2+62x 式（3-9）当水灰比大于0.6:1时，粉煤灰的取代量只要大于10%，浆体的凝结时间均符合施工要求。由前面分析可知当水灰比较小时可增加粉煤灰的取代量或缓凝剂用量使凝结时间变长。因此，浆体材料采用0.5:1的水灰比其凝结时间也符合施工要求。表3.6 不同配合比条件下浆体14天强度（mpa）组别粉煤灰取代量（%）103050117.385.541.11215.22.990.93312.001.990.79图 3-6 不同配合比条件下浆体14天强度 由图3.6可知当粉煤灰取代量一定时，水灰比增大浆体材料的强度整体趋势是降低的。主要原因是水泥浆浓度较低，而水玻璃浓度较大使水泥水玻璃浆液的凝结速度很快，产生的水合硅酸钙与各种晶体包裹着并加夹杂着未来得及水化的水泥颗粒和水玻璃凝结沉淀下来，使各种颗粒的排列呈现无序状态，颗粒间空隙较大而削弱了凝胶中范德华力、氢键等的作用，造成浆体凝结后强度降低。 当水灰比在0.7:1时，粉煤灰的取代量若为40%浆体材料14天强度3mpa左右。若增大水灰比即使降低粉煤灰取代量也会对材料的后期强度造成影响，故水灰比不宜过大。 综合3.1及3.2中分析可知水灰比越大，粉煤灰、缓凝剂用量越多浆体凝结时间越长，但浆体硬化后强度会降低。最优配比为水泥浆的水灰比为0.5:10.7:1，粉煤灰取代量不宜大于40%，缓凝剂用量约为2%。3.3配制实际应用喷浆3.3.1确定配合比 综合上述分析，可以得到满足实际工程需要的水泥-水玻璃浆体材料的最优配比方案： （1）水泥浆的水灰比为0.5:10.7:1； （2）水泥浆与水玻璃的体积比为1:0.5； （3）水玻璃模数为3.0，浓度为40波美度； （4）缓凝剂（白砂糖）用量为1.5%2.5%； （5）粉煤灰的取代量40%。 施工时应根据具体施工条件确定出合适配合比。3.3.2性能检测按表3.7配合比配制浆体材料：表 3.7 性能检测配合比组别w/cc/s（体积比）水玻璃浓度/。be缓凝剂用量（%）10.5:11:0.540220.6:11:0.540230.7:11:0.5402 每组中粉煤灰的取代量分别为10%、40%。 按上述配合比配制的喷浆材料凝结时间为2.5min3.5min,14天强度不低于3mpa；耐水、耐油性均大于3天，耐酸性大于7天，耐碱性在3天左右；耐火软化温度在11001250。由于浆体硬化后内部毛细孔较多且强度不高所以耐冻融循环性不好。3.3.3实际应用效果按3-7中组2的配合比配制浆体材料。经研究发现该材料与煤炭的粘结性、渗透性较好，渗透率到达90%以上；能快速有效的扑灭火源，生成的水蒸气量明显少于用水直接灭火生成的水蒸气量；浆体材料在受热后凝结时间变短，硬化后煤块表面的材料会出现开裂现象。第4章 矿用无机防火堵漏喷浆材料施工系统胶体防灭火系统类型主要分为：地面固定式；地面移动式；井下移动式三种，这些系统的优缺点如表4.1。表4.1 各系统优缺点对比系统名称地面固定式注胶防灭火系统地面移动式注胶防灭火系统井下移动式注胶防灭火系统优点控制范围广；运行稳定、流量大；井下材料运输量极小；井下人员工作量极小。移动灵活，适应性强；灌浆站位置可机动地改变；灌浆倍线小；不需固定设施。系统投资小；灭火时反应快；系统所需空间小。缺点投资大，管路长，需小量注胶的地点，不易操控。需在地面寻找合适的场地，且水、电和制浆料易于到位。井下原料运输量较大。 其中井下移动式注胶工艺是针对井下煤体局部高温区域的治理而开发的。该工艺利用可移动的胶体压注系统，把各种胶体材料按比例混合均匀后通过注胶管路将混合溶液输送到需要处理的区域。混合液在松散煤体的裂隙（或孔隙）内发生胶凝作用，堵塞漏风通道，并吸收煤体内聚积的热量，使煤温降低，最终达到灭火作用。该工艺使用方便灵活，对于局部火区、高温区可进行快速有效地处理。但是，移动式注胶工艺注胶流量较小，因此，移动式注胶工艺的应用主体是移动式胶体压注系统，该工艺难以实现大面积高温火区快速灭火。该系统把基料、促凝剂、增强剂和水按比例混合、并压注进入煤层。现场使用的井下移动式注胶系统主要有：间歇式注胶系统、连续式注胶系统、定量配比泵注胶系统和全自动定量配比注胶系统。4.1 施工系统原理 施工系统采用定量配比泵连续式注胶系统，该系统操作简便，解决了井下环境配料难的问题，实现了注胶的连续性，使胶体灭火的优越性显得更加突出。施工系统原理图如图4.1：a水源 b、c、d料箱 e制滤机 f水泵 g、h配比泵 i喷浆机图4.1半自动配比工艺 系统工作原理如下：b、c料箱盛放制备好的水泥浆，d料箱盛放水玻璃。施工时先向d料箱中加入水玻璃再打开阀门4、5，打开水泵及制滤机开始制备水泥浆。b料箱装满后打开阀门3、6，再打开配比泵g、h，最后打开喷浆机i便可进行施工。施工完成后打开阀门1，关闭阀门4及制滤机用水泵冲洗制滤机。然后关闭阀门4，同时打开阀门2、3对系统进行清洗。为方便制料点与施工点的配合整个系统通过信号指示灯进行协调控制。在制料点安装红、黄、绿指示灯，指示灯的开关在施工点。红灯亮表示停止加料，绿灯亮表示继续加料，黄灯亮表示暂停加料。4.2系统设计参数 （1）制浆原料：水泥、粉煤灰、水玻璃、缓凝剂； （2）动力：系统设备总功率21.57 kw； （3）供水：大于1.9 m3/h,水压大于0.4 mpa，要求水中无不溶性杂物； （4）输浆管路：两寸管路，制料点与喷浆机距离小于1000m，喷浆机与施工点距离小于30m； （5）水灰比：0.5:10.7:1； （6）粉煤灰用量：不小于1100 kg/h； （7）水泥用量：不小于1600 kg/h； （8）水玻璃用量：不小于1600 l/h； （9）缓凝剂用量：4065 kg/h； （10）喷浆量：4.8 m3/h。4.3主要设备及技术参数 （1）制滤机型号：zhj-10/1.8 数量：1台制浆量： 10m3/h； 滤浆能力： 10m3/h；功率：7.5kw；滤浆粒度：3mm；将粉煤灰和水泥与水混合，连续制、滤成符合浓度和粒径要求的浆液。 （2）水泵型号：chl2-20； 数量：1台扬程：14m； 电机功率：0.37kw；流量：2 m3/h；转速：2900r/min。 （3）配比泵g 型号：j-dm-3000/0.5； 数量：1台 流量：3 m3/h；压力：0.5 mpa；行程：50 m；电机功率：4kw。 （4）配比泵h 型号：j-z-1600/0.4；数量：1台 流量：1.6 m3/h；压力：0.4 mpa；行程：32 m；电机功率：2.2kw。 （5）喷浆机型号：zm-5/1.8g（n） 数量：1台流量： 4.8 m3/h；功率：7.5 kw；压力： 1.8 mpa。可单独使用，也可与系统配套用，实现浆液到达使用地点时的液固转化。 （6）料箱b、c：体积221m3，2个。 （7）料箱d：体积221m3，1个。4.4施工步骤及规程1、 施工前准备。施工前将水泥、粉煤灰等原材料由井上运至井下，将系统各设备在合适的地点安装。输料管不得有急弯，接头严密，不得漏风。喷浆前电工必须提前检查各设备是否完好，喷射人员要佩带齐全有效的劳动保护，防止施工过程人员受伤。2、浆体制备。先打开阀门4然后起动水泵和制滤机。在供水过程中不断向制滤机中加入水泥、粉煤灰、缓凝剂，打开阀门5将制备好的水泥浆输送至料箱b。打开阀门3和6，然后启动配比泵g、h和喷浆机i，便开始施工。施工时料箱b、c交替使用以保证施工的连续性。3、喷射施工过程。施工时喷射顺序应自上而下进行喷枪头与受喷面应尽量保持垂直，喷枪头与受喷面的垂直距离为0.8m1.0m，喷射机的压力为0.4mpa。喷射操作由2名工人配合进行，射手抱喷头进行操作，副手观察喷射情况和进行安全监护。4、施工结束后设备及现场清理。在施工将要结束时停止向制滤机内加料，首先用水泵冲洗制滤机，然后关闭水泵、制滤机及阀门4、5。当班喷射工作结束后，应将当班拌料用净。打开阀门1然后启动水泵，开始对整个系统进行清洗。系统清洗完毕后卸开喷头进行清洗。5、施工安全规程。水泵、制滤机等开机