矿井火区塑性胶体充填封堵材料的试验研究

矿井火区塑性胶体充填封堵材料的试验研究CONTENTS目录01矿井火灾与封堵技术概述02塑性胶体封堵材料的组成与配方设计03材料性能试验方案设计04材料性能试验结果与分析CONTENTS目录05中试试验与工艺优化06与其他封堵材料性能对比07工程应用技术要点08结论与应用前景展望01矿井火灾与封堵技术概述矿井火灾的危害及主要原因矿井火灾的严重危害矿井火灾是煤矿安全生产的四大灾害之一，燃烧产生的高温和有毒气体直接威胁井下人员生命安全，且易引发瓦斯爆炸等二次事故，严重影响煤矿正常生产秩序。独头巷道火灾的高发性受瓦斯爆炸、机电故障、爆破作业及煤自燃等因素影响，独头巷道火灾在矿井火灾总事故中占比近1/2，其狭长受限空间结构导致高温有毒气体难以排出，救援难度极大。漏风供氧：煤层自燃主因采空区或巷道漏风供氧是导致矿井煤层自燃的主要原因之一，有效封堵漏风通道、切断氧气供给是防治煤炭自燃、控制火势蔓延的关键手段。传统封堵方法的局限性分析临时密闭：漏风通道难以彻底消除传统临时密闭多采用木板等材料构建，普遍存在大量漏风通道，无法有效阻断氧气供给，隔离效果不理想，难以满足防止煤层自燃的需求。永久性密闭：建设周期长且劳动强度大以砖、水泥等为主要材料的永久性密闭，建设过程耗时较长，施工人员劳动强度大，且成本较高，在矿井火灾应急救援中响应速度受限。部分新型材料：成本高制约广泛应用目前开发的高水材料、高分子材料等封堵材料，虽封堵效果较好，但因成本较高，难以在煤矿井下大规模、广泛应用于火区封堵工程。胶体封堵技术的发展现状

01传统封堵材料的局限性传统临时密闭（如木板）存在漏风通道，隔离效果差；永久性密闭（砖、水泥）建设周期长、劳动强度大、成本高。高水材料、高分子材料等虽封堵效果较好，但成本较高，难以在煤矿井下广泛应用。

02粉煤灰胶体封堵材料研究进展粉煤灰胶体封堵材料由粉煤灰、水、水玻璃、羧甲基纤维素、碳酸氢氨化肥等制备而成，当比例为120∶100∶15∶0.05∶2时，初凝强度较大，8d后强度大于2MPa，已能够替代部分传统材料用于火区封堵。

03塑性胶体（黄土）封堵材料的开发以水、黄土、引发剂、增稠悬浮剂、胶凝剂按一定比例（如1000∶2000:30:0.2:200）配制而成，具有良好的流动性和可泵性，能迅速形成有一定强度的塑性胶体，初凝强度可达0.2MPa以上，终凝强度大于0.8MPa，30d后不干裂，适用于巷道快速封堵。

04高分子塑性封堵材料的特性由A料（高分子聚合物）、B料（引发剂）及骨料按比例混合生成，常温反应，初始粘度低可渗透细微裂隙，最终形成高粘度胶体，兼具挂壁性和可塑性流动特性，能随矿压动态变形并实现重复注浆，适用于破碎煤岩体及密闭墙漏风裂隙封堵。02塑性胶体封堵材料的组成与配方设计材料基本组成及作用机理01核心组分与配比设计塑性胶体封堵材料由水、黄土、引发剂、增稠悬浮剂、胶凝剂按质量比1000:2000:30:0.2:200配制而成，各组分协同作用实现快速成胶与稳定封堵。02关键组分功能解析引发剂赋予浆液易成胶性并促进体积膨胀；增稠悬浮剂提升泥浆分散性，防止管路堵塞；胶凝剂控制成胶时间，60g用量时1min内成胶，终凝强度达0.8MPa。03空间网状结构形成机理高分子聚合物与引发剂通过静电排斥和水合作用形成三维网络，骨料增效剂填充孔隙，实现初始低粘度渗透与最终高粘度塑性体转化，适应动态裂隙密封需求。04性能调控机制通过调整胶凝剂用量可精准控制性能：胶凝剂从15g增至75g时，成胶时间从110s缩短至38s，终凝强度从0.09MPa提升至0.98MPa，30d放置无干裂现象。关键原材料性能要求

黄土：基础骨料与可塑性载体作为塑性胶体的主要骨料，需具备良好的分散性和悬浮稳定性，与水混合后能形成均匀泥浆，确保在添加其他助剂后可实现长距离输送且不堵塞管路。

引发剂：胶体成型的启动剂需能有效引发胶体形成反应，使浆液具有良好易成胶性，例如在配比试验中，9g引发剂可使600g黄土与300ml水的混合浆液体积发生膨胀，为后续胶凝奠定基础。

增稠悬浮剂：保障浆液流动性与稳定性作用是增加浆液稠度，提高泥浆分散性，减缓沉降速度，如0.15g增稠悬浮剂可使泥浆悬浮性提升，满足远距离输送需求，防止管路堵塞。

胶凝剂：调控成胶时间与强度的核心其用量直接影响成胶特性，用量增大则成胶时间缩短、胶体强度提高。例如60g胶凝剂可使特定配比浆液在1min内成胶，初凝强度约0.2MPa，终凝强度约0.8MPa，30d后不干裂。优化配方比例确定依据

材料组成与配比设计塑性胶体充填封堵材料由水、黄土、引发剂、增稠悬浮剂、胶凝剂按质量比1000:2000:30:0.2:200配制而成，各组分协同作用保障材料易成胶性、悬浮性及强度。

胶凝剂用量对成胶时间的影响在水、晋城黄土、引发剂、增稠悬浮剂用量一定时，胶凝剂用量越大成胶时间越短。当胶凝剂用量从15g增至75g，成胶时间从110s缩短至38s，呈显著负相关。

胶凝剂用量对胶体强度的影响胶凝剂用量与胶体强度正相关，用量60g时，初凝强度约0.2MPa，终凝强度达0.8MPa；用量75g时终凝强度提升至0.98MPa，30d后材料不干裂，满足长期封堵需求。

工艺性能验证结果按优化配方，600g黄土与300ml水制成的泥浆加入引发剂后体积膨胀，增稠悬浮剂提升悬浮性，长距离输送不堵管；加入60g胶凝剂1min内成胶，可快速形成有效封堵结构。03材料性能试验方案设计试验目的与测试指标

核心试验目的开发适用于矿井火区的塑性胶体充填封堵材料，解决传统密闭墙漏风、成本高、施工复杂等问题，通过材料性能优化实现快速有效封堵漏风通道，防止煤层自燃及有害气体扩散。

关键测试指标：成胶时间通过调节胶凝剂用量控制成胶时间，例如当胶凝剂用量为60g时，1分钟内即可成胶，满足井下快速封堵施工要求。

关键测试指标：力学强度测试材料初凝强度与终凝强度，如某配方初凝强度约0.2MPa，终凝强度约0.8MPa，30天后不干裂，确保封堵结构稳定性。

关键测试指标：流动与输送性能评估材料初始粘度及悬浮性，添加增稠悬浮剂可提高泥浆分散性，减缓沉降速度，保障长距离输送不堵塞管路，适应井下复杂施工环境。试验设备与仪器参数热电偶测温系统沿独头巷道中心线布置27个K型热电偶，间隔0.2m，测量误差±1.5℃，距顶棚垂直距离分别为0.01、0.06、0.12、0.20、0.23m，用于监测纵向及垂向温度分布。气体分析装置在距掘进头2.3m、3.5m、5.5m处设置3台气体分析仪，采样点距顶板0.01-0.17m，实时监测氧气、一氧化碳等气体体积分数变化。火源控制系统采用4cm×4cm、6cm×6cm、8cm×8cm三种正庚烷油盘，通过液面稳定装置维持燃料液面恒定，电子秤（精度0.1g）记录质量损失速率，火源设置于距掘进头2.5m处。封堵模拟装置独头巷道入口设置手动阀门控制封堵，封堵率70%（下封堵方式），封堵完成时间约120s，模拟不同初始封堵时刻（0s、150s、700s、1600s）的应急响应。试验方法与步骤流程

材料配比与制备工艺按水、黄土、引发剂、增稠悬浮剂、胶凝剂质量比1000:2000:30:0.2:200配制。先将黄土与水混合制成泥浆，依次加入引发剂、增稠悬浮剂搅拌均匀，最后加入胶凝剂快速搅拌至混合均匀。

室内性能测试方法静置2分钟观察成胶现象，检测初凝强度与终凝强度；材料室内放置30天，再次检测强度变化及开裂情况。通过改变胶凝剂用量（15-75g），分析其对成胶时间（38-110s）和强度（初凝0.09-0.27MPa、终凝0.50-0.98MPa）的影响。

中试试验工艺流程搭建1.2m×1.2m×2.4m浇注模板，按水土比1:2制备浆液，加入占水量3%的引发剂和0.2%的增稠悬浮剂，再加入20%胶凝剂后灌入模板。采用泥浆泵（流量4.2m³/h）与胶凝剂泵（流量450kg/h）协同注浆，观测堆积高度、强度分布及脱水情况。

关键参数控制要点控制胶凝剂用量实现成胶时间调节（如60g胶凝剂可1分钟内成胶）；确保增稠悬浮剂添加量（0.15g）以提高浆液悬浮性，防止长距离输送管路堵塞；注浆过程中保持双液比例稳定，保证胶体均匀性与强度达标。04材料性能试验结果与分析胶凝时间影响因素分析胶凝剂用量对胶凝时间的调控作用

在水、晋城黄土、引发剂、增稠悬浮剂用量一定时，胶凝剂用量是调节胶凝时间的关键因素。实验表明，胶凝剂用量从15g增至75g，胶凝时间从110s缩短至38s，呈现显著负相关关系。材料组分协同作用对成胶特性的影响

引发剂可提升浆液易成胶性，增稠悬浮剂改善浆液流动性和悬浮性，二者与胶凝剂协同作用。当600g黄土与300ml水制成的泥浆中加入9g引发剂和0.15g增稠悬浮剂后，再加入60g胶凝剂可实现1min内快速成胶。最优胶凝时间参数与工艺适配性

针对巷道封堵工艺需求，通过优化胶凝剂用量（60g），可将胶凝时间控制在60s左右，既满足浆液长距离输送不堵塞管路的要求，又能快速形成塑性胶体，确保封堵施工效率。力学强度发展规律研究

胶凝剂用量对初凝强度的影响在水、晋城黄土、引发剂、增稠悬浮剂用量一定时，胶凝剂用量从15g增至75g，初凝强度从软态提升至0.27MPa，用量达60g时初凝强度约0.2MPa，满足巷道封堵初期承载需求。

胶凝剂用量与终凝强度的关系实验表明，胶凝剂用量增加使终凝强度显著提高，当用量为60g时终凝强度达0.8MPa，75g时提升至0.98MPa，30d后材料不干裂，强度保持稳定。

材料强度时间演化特征塑性胶体材料成胶迅速，60g胶凝剂配比下1min内完成初凝，2min内形成终凝强度；中试试验显示，材料初凝后随时间推移强度持续增长，下层胶体因受压收缩强度略高于上层。

关键配比强度指标最优配方（水300ml、黄土600g、引发剂9g、悬浮剂0.15g、胶凝剂60g）条件下，初凝强度0.2MPa，终凝强度0.8MPa，30d后强度无衰减，可有效抵抗矿压变形。流动性能与可泵性测试

流动性能测试方法在标准试验条件下，通过测定塑性胶体材料在特定温度和压力下的流动速率，评估其填充细小空隙的能力。实验中通过调节胶凝剂用量控制初始粘度，确保材料在注浆过程中具有良好的流动性。

增稠悬浮剂对流动性能的影响向水与黄土制成的泥浆中加入0.15g增稠悬浮剂后，泥浆稠度增加，分散性提高，沉降速度减缓，可有效防止浆液在长距离输送过程中堵塞管路，满足井下注浆工艺要求。

可泵性验证结果中试试验采用双液注浆泵按工艺要求输送材料，结果显示在水土比1:2、引发剂3%、增稠悬浮剂0.2%的配比下，材料初始粘度低，可顺利通过管路到达指定位置，无堵塞现象，可泵性良好。耐温性与稳定性评估

高温灼烧阻燃性能塑性封堵材料高温灼烧不燃烧，能在火灾环境下保持结构稳定性，有效阻隔氧气供给，防止煤炭自燃。

长期稳定性测试结果室内放置30d后材料不干裂，终凝强度保持0.8MPa以上，具备持久密封动态裂隙的能力，适应井下长期使用需求。

矿压动态变形适应性材料可随矿压动态变形，通过双液注浆实现重复注浆，能持久密封因矿压变化产生的新裂隙，保证封堵效果。05中试试验与工艺优化中试试验系统构建

中试试验模具设计在实验场地建立浇注模板，规格为1.2m×1.2m×2.4m，用于模拟井下巷道封堵场景，考察材料的可堆积性和固结效果。

材料配比与浆液制备按水土比1:2配制泥浆，向其中按用水量质量的3%、0.2‰分别加入引发剂和增稠悬浮剂；搅拌桶内每次加入水250kg、土500kg、引发剂8kg、悬浮剂5g，混合后总体积为500L。

设备连接与参数设置连接齿轮泵与泥浆泵，调节泥浆泵流量为4.2m³/h，胶凝剂流量为450kg/h；通过调流阀控制流量，确保材料按比例混合并连续输送。

浇注工艺与流程控制同时启动泥浆泵和齿轮泵注胶，向模具内注入胶体共3m³，堆积高度约2m；注胶过程中监测浆液流动性及胶凝时间，确保材料均匀填充并快速成胶。浇注工艺参数优化浆液配比参数优化配比为水、黄土、引发剂、增稠悬浮剂、胶凝剂按质量比1000:2000:30:0.2:200配制，确保浆液流动性与成胶性能平衡。材料用量控制600g黄土与300ml水制成的泥浆中加入9g引发剂、0.15g增稠悬浮剂，可提升悬浮性，防止管路堵塞，满足长距离输送需求。胶凝剂添加标准胶凝剂用量60g时，1min内成胶，初凝强度达0.2MPa，终凝强度0.8MPa，30d后不干裂，兼顾快速封堵与长期稳定性。中试浇注流程中试采用1.2m×1.2m×2.4m模板，水土比1:2，按用水量3%加引发剂、0.2%加增稠悬浮剂，胶凝剂占水量20%，浇注体高度不低于2m。现场应用模拟测试

中试试验模型设计建立1.2m×1.2m×2.4m浇注模板，模拟井下巷道封堵场景。水土比1:2混合制成浆液，按用水量质量3%、0.2%分别加入引发剂和增稠悬浮剂，胶凝剂占水量20%，通过双液注浆泵注入模具。

工艺参数控制泥浆泵流量4.2m³/h，胶凝剂流量450kg/h，混合后胶体初凝时间1min，可堆积高度达2m。采用自下而上封堵方式，120s内完成70%封堵率施工，满足应急响应时间要求。

现场性能验证注入3m³胶体后检测：初凝强度0.2MPa，终凝强度0.8MPa，30d后无干裂现象。墙体脱水极少，上层积水可通过岩隙渗透排出，下层无渗水，验证了材料的现场适应性。

动态矿压适应性测试模拟矿压作用下材料变形性能，胶体可随巷道围岩动态变形，重复注浆后仍保持密封性能。高温灼烧试验显示材料不燃烧，垂直表面挂壁性良好，实现对动态裂隙的持久密封。06与其他封堵材料性能对比与粉煤灰胶体材料对比

01材料组成差异塑性胶体材料主要成分为水、黄土、引发剂、增稠悬浮剂和胶凝剂，按质量比1000：2000:30:0.2:200配制；粉煤灰胶体材料则由粉煤灰、水、水玻璃、羧甲基纤维素、碳酸氢氨化肥等组成，典型配比为120∶100∶15∶0.05∶2。

02核心性能对比塑性胶体材料初凝强度约0.2MPa，终凝强度约0.8MPa，30d后不干裂；粉煤灰胶体材料8d后强度大于2MPa，初凝强度较大，整体强度高于塑性胶体材料，但塑性胶体材料更具可塑性和动态变形能力。

03应用场景差异塑性胶体材料适用于井下破碎煤岩体、密闭墙漏风裂隙封堵，可随矿压动态变形并实现重复注浆；粉煤灰胶体材料主要用于采空区或巷道的充填封堵，凭借较高强度形成稳定密封结构。

04经济性与工艺特点塑性胶体材料利用黄土等易得原料，成本相对较低，且初始粘度低便于远距离输送；粉煤灰胶体材料强度高但可能在原料获取和制备工艺上与塑性胶体材料存在不同的经济和操作特性。与高水材料及高分子材料对比成本效益对比塑性胶体（黄土）材料以水、黄土为主要原料，成本显著低于高水材料与高分子材料，尤其适用于煤矿井下大规模封堵工程，可降低材料采购成本。施工便捷性对比高水材料需严格控制水灰比且凝结时间较短，施工容错率低；高分子材料初始粘度高，易堵塞管路。塑性胶体初始粘度低，可远距离输送，且成胶时间可通过胶凝剂用量调节，施工更灵活。长期稳定性对比高水材料长期易脱水收缩，高分子材料在矿压作用下易开裂。塑性胶体30d后不干裂，可随矿压动态变形，能持久密封动态裂隙，稳定性更优。适用场景对比高水材料适用于快速充填但对强度要求不高的场景；高分子材料适用于小裂隙精细封堵。塑性胶体兼具可塑性与强度，适用于巷道密闭墙构建、破碎煤岩体及动态裂隙封堵，应用范围更广。综合性能优势分析

快速封堵与强度保障该塑性胶体充填封堵材料在加入胶凝剂后1分钟内即可成胶，初凝强度大于0.2MPa，终凝强度大于0.8MPa，能迅速形成有效密闭，满足紧急封堵需求。

优异的抗裂与耐久性能材料在室内放置30天后不干裂，可长期保持结构稳定性，有效避免因材料开裂导致的漏风问题，确保封堵效果的持久性。

良好的流动与施工适应性材料初始粘度低，便于通过管路远距离输送，且不易堵塞管路；混合后能渗透细微裂隙，兼具挂壁性和可塑性流动特性，适应复杂巷道环境施工。

成本效益与资源利用优势以黄土为主要原料，来源广泛且成本低廉，相比高水材料、高分子材料等，显著降低了矿井火区封堵的材料成本，适合大规模推广应用。

动态变形与重复注浆能力材料可随矿压动态变形，能适应巷道围岩的移动，实现重复注浆，对于破碎煤岩体及密闭墙漏风裂隙的动态封堵具有突出优势。07工程应用技术要点施工设备选型与配置

双液注浆泵选择选用双液注浆泵，按A料与B料1:1体积比混合输送塑性封堵材料，确保高分子聚合物与引发剂在动态混合中充分反应，适应井下双液注浆工艺需求。

搅拌系统配置配置带计量功能的强制式搅拌桶，用于黄土、水、引发剂、增稠悬浮剂等材料的均匀混合，保证浆液浓度稳定，防止骨料沉降堵塞管路。

输送管路要求采用抗静电、阻燃型高压软管，管径需匹配浆液流速（参考中试试验中泥浆泵流量4.2m³/h参数），确保长距离输送时浆液流动性及材料性能稳定。

辅助设备配置配备电子秤（精度0.1g）监测燃料质量损失速率，阀门控制装置（封堵完成时间约120s）调节封堵率，液面稳定装置维持火源燃料供给恒定。现场施工工艺要点

材料配比与制备流程按水、黄土、引发剂、增稠悬浮剂、胶凝剂质量比1000:2000:30:0.2:200配制。先将黄土与水混合制成泥浆，依次加入引发剂、增稠悬浮剂搅拌均匀，最后加入胶凝剂迅速搅拌，确保1分钟内完成混合成胶。

注浆设备与参数控制采用泥浆泵与齿轮泵配合，泥浆泵流量4.2m³/h，胶凝剂流量450kg/h。施工前需调试设备，确保双液按比例均匀混合，管路无堵塞，注浆压力稳定。

封堵施工操作规范采用下封堵（自下而上）方式，封堵率不低于70%。注浆时从巷道底部开始，逐步向上填充，确保胶体均匀扩散渗透至裂隙。施工过程中关闭局部通风装置，减少气流对胶体凝固的影响。

质量检测与效果评估成胶后1分钟内检测初凝强度（≥0.2MPa），终凝后检测强度（≥0.8MPa）。观察30天胶体无干裂、无渗漏，墙体高度达2m以上，确保有效阻断漏风通道。质量控制与检测标准

材料配比控制指标塑性胶体材料需严格按水、黄土、引发剂、增稠悬浮剂、胶凝剂质量比1000:2000:30:0.2:200配制，胶凝剂用量误差应控制在±5%以内，确保成胶时间与强度稳定性。

关键性能检测项目核心检测指标包括：胶凝时间（标准条件下1min内）、初凝强度（≥0.2MPa）、终凝强度（≥0.8MPa）、30d干缩性（无裂纹）及抗渗性（墙体下层无渗水）。

检测方法与判定标准参照室内试验流程，采用K型热电偶监测胶凝过程温度变化，电子秤（精度