矿井火区塑性胶体充填封堵材料的试验研究
矿井煤层自然发火的主要原因之一，就是由采空区或巷道等漏风造成的。为了防止煤层自燃或者为了防止有害气体扩散而影响安全生产，常常需要将易自燃区或有害气体源进行隔离。常用的隔离方法是砌密闭墙，主要是用木板等材料建立临时密闭和用砖、水泥等建立永久性密闭。但建立临时性密闭时，通常仍然存在大量漏风通道、隔离效果不理想；而永久性密闭建设周期较长、劳动强度大、成本较高。目前开发的一些可用于封堵的材料，如高水材料、高分子材料等，虽然有较好的封堵效果，但其成本较高，不能在煤矿井下广泛应用。为此，在煤层火灾胶体防灭火材料的基础上，开发了一种塑性胶体（黄土）充填封堵材料。
1 材料组成与配方
该塑性胶体充填封堵材料是由水、黄土、引发剂、增稠悬浮剂、胶凝剂等按质量比1 000：2 000:30:0.2:200配制而成。在黄土与水的浆液中加入引发剂能使其具有良好的易成胶性；加入增稠悬浮剂，能够增加浆认稠度，提高泥浆的分散性，减缓其沉隆速度，防止浆液在流动过程中堵塞管路，便于远距离输送；加入一定量的胶凝剂，能够使之迅速形成有一定形状的塑性胶体。塑性胶体有一定的强度，可在井下巷道中形成一堵墙，堵塞漏风。
2 材料性能实验
2.1 实验过程
将黄土与水混合制成泥浆，向浆液中依次加入引发剂、增稠悬浮剂，搅拌、混合均匀，然后加入胶凝剂，迅速搅拌使之混合均匀，静置2min，观察现象，检测强度。所制成的材料的在室内放置30d，检测强度。
2.2 实验结果及分析
实验结果见表1。
表1 胶凝剂的不同用量对塑性充填封堵胶体材料性能的影响
序号
水/ml
晋城土/g
引发剂/g
悬浮剂/g
胶凝剂/g
胶凝时间/s
初凝强度/MPa
终凝强度/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
软
较软
0.10
0.20
0.27
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td="14262">0.09
0.12
0.50
0.80
0.98
从表1可以看出，在水、晋城黄土、引发剂、增稠悬浮剂用量一定的条件下，通过改变胶凝剂的用量可调节成胶时间和所成胶体的强度，胶凝剂用量越大则成胶埋单越短（见图1），胶体的强度越大（见图2）。当向600g黄土与300ml水制成的泥浆中加入9g引发剂，其体积有所膨胀，再加入0.15g增稠悬浮剂后，泥浆变稠、悬浮性提高，长距离输送不会堵塞管路。在上述浆液中加入60g胶凝剂，1min内即可成胶，胶体初凝强度约为0.2MPa，终凝强度约0.8Mpa，30d后不干裂。由此可知，用水、黄土、引发剂、增稠悬浮剂，胶凝剂等按设计比例配成的塑性胶体充填封堵材料已经能够满足巷道封堵需要，成胶时间也能满足工艺要求。
图1 胶凝剂用量对胶凝的影响
图2 胶凝剂用量对胶凝强度的影响
3 中试试验
在实验场地建立浇注模板（1.2m×1.2m×2.4m），向水土比为1:2的泥浆中，按用水量质量的3％、0.2‰分别加入引发剂和增稠悬浮剂，制成浆液。再加入占水量20％的胶凝剂后灌入模板中，使其在模板中固结，浇注体高度不低于2m。考察浇注工艺，观测浇注的充填材料的初凝强度、终凝强度、可堆积性、收缩率，从而为工业应用打下基础。实验步骤如下：
1）按实验系统图连接好设备；
2）连接电源、水管；
3）打开齿轮泵的回流，并启动齿轮泵，调节调流阀至指定流量后停泵，将回流阀关闭，打开注胶阀门；
4）按比例将各种材料在搅拌桶内配好；
5）打开泥浆泵的回流，并启动泥浆泵，调节调流阀至指定流量后停泵，将回流阀关闭，打开流胶阀门；
6）上述工作准备就绪后，同时打开泥浆泵和齿轮泵开始注胶。
中试试验工艺流程见图3。
图3 塑性胶体充填封堵材料中试试验流程图
实验过程中搅拌桶内每次加入水250kg，土500kg，引发剂8kg，悬浮剂5g，搅拌均匀后的总体积为500L，土密度约为2 000kg/m3。泥浆泵流量为4.2m3/h，胶凝剂的流量为450kg/h。向模具内注入胶体共3m3，模具内胶体堆积高度约2m。
加入悬浮剂后，浆液明显增稠，泥浆悬浮性变好；混合浆液从管口喷出后很快发生胶凝，并具有一定的初凝强度，1min后即可踩踏，能够堆积成2m高的墙体；从下部向上部，胶体强度逐渐变小，说明随着时间的延长和胶体受压收缩，其强度增加。
试验表明，塑性胶体充填封堵材料初凝后脱水极少，能够满足脱水要坟，且水主要积聚在墙体的上层，可以通过墙体上层处的岩隙渗透排出，墙体下层没有水渗出。
4 结论
1）将水、黄土、引发剂、增稠悬浮剂、胶凝剂等按1 000:2 000:30:0.2:200比例配制而成的塑性胶体充填封堵材料，1min内即可成胶，能够迅速形成有一定形状的塑性胶体，该胶体初凝强度大于0.2MPa，终凝强度大于0.8MPa，30d后不干裂，可在井下巷道中建立密闭墙，堵塞漏风，为防止煤层自燃或者为了防止有害气体扩散建立密闭墙提供了一种行之有效的方法。
2）通过中试试验，考察了浇注工艺，进一步证明了塑性胶体（黄土）充填封堵材料能够满足巷道封堵需要，成胶时间也能满足工艺要求，从而为工业应用打下基础。
《矿业安全与环保》 （罗振敏、张辛亥、张向荣）
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