矿用喷涂堵漏风自修复材料性能研究及工程应用

喷涂堵漏风是防止煤自燃的有效手段之一。针对传统水泥基喷涂堵漏风材料脆性大、易开裂、堵漏风效果差的弊端,提出以微生物及结晶矿物为自愈合剂,研制出生物胶囊和矿物胶囊以及一种生物–矿物–纤维协同自修复材料。研究了不同养护湿度和养护时间对材料裂缝自修复能力的影响。结果表明:当养护湿度为100%相对湿度、养护时间为35 d时,研制的生物胶囊和矿物胶囊可以将裂缝完全修复,裂缝最大修复宽度为1260μm。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)探究了自修复材料裂缝区域修复产物的晶型及元素组成,发现裂缝处的修复产物为球碳镁石、花瓣状的水菱镁矿以及大量由细菌矿化产生的球形方解石,这些修复产物在一定程度上起到了密闭裂缝的作用;EDS能谱分析证实了修复产物为MgCO_(3)和CaCO_(3)。当养护湿度为100%时,材料具有最高的堵漏风率(97.15%),比同养护条件的对照组试样高出73.62%。最后将自修复材料用于沿空煤柱喷涂堵漏风,结果显示该材料在6个月内未发现明显裂隙,与传统水泥砂浆相比,该材料具有更长的使用寿命和更好的预防效果。

黄原胶和氧化镁改性黏土-水泥基新型喷涂堵漏风材料的制备及特征

针对传统黏土-水泥喷涂堵漏风材料(CCC)强度差、易开裂、堵漏风效率低的问题,提出经黄原胶(XG)和氧化镁(MgO)改性制备黏土-水泥基新型喷涂堵漏风材料(XM-CCC)。通过析水率测试、浆液时变性和流变性试验,确定了0.6的最佳水固质量比和20%(质量分数)最佳黏土掺量。通过力学性能试验和限制膨胀率试验确定了1.5%(质量分数)的XG最佳掺量和5%(质量分数)的MgO最佳掺量,XM-CCC的7 d抗压强度达到25.33 MPa、抗折强度达到9.18 MPa,21 d限制膨胀率稳定在0.028%左右。基于此,结合表征手段对XM-CCC的形成机理和堵漏风机理进行探究。结果表明,XG中羟基、羧基等活性官能团与浆液颗粒表面的Ca^(2+)发生螯合作用,黏土颗粒被束缚在水泥颗粒的水化产物间,促进了XM-CCC力学性能的提升。MgO水化生成的六方板状Mg(OH)_(2)晶体支承在体系的孔隙中,提高了XM-CCC的抵御收缩能力。孔隙结构方面,XG改变了XM-CCC的孔结构,降低了平均孔径;Mg(OH)_(2)晶体充填孔隙,产生的晶体生长压力可以抵御孔隙压力,保持基体不开裂,同时降低了孔隙率;XG与MgO的共同作用使XM-CCC的气体渗透系数仅为1.47×10^(-12),远低于围岩渗透系数。经济性上,XM-CCC取材方便、制作简单,成本较低,喷涂工艺简单灵活。现场应用结果表明,XM-CCC的涂层均匀、完整,抗开裂与封闭性能较好,具有良好的应用前景。

矿用新型水泥-粉煤灰基喷涂堵漏风材料性能研究

采空区自燃是煤炭开采中面临的重大灾害之一,不仅会浪费煤炭资源、造成大量经济损失,还会引发事故导致人员伤亡。为了减少氧气向采空区泄漏,常常沿采空区侧煤壁喷涂堵漏风材料,以封堵因采掘活动产生的煤壁裂隙。以水泥-粉煤灰为基体材料,用羟丙基甲基纤维素(HPMC)和磷酸三丁酯(TBP)共同改性制备新型喷涂堵漏风材料。通过析水率测试、保水率测试、力学性能测试和水泥基材料与煤界面接触角测试,得出了不同掺量的HPMC和TBP对涂层性能的影响。试验结果表明,当水固比为0.5、粉煤灰掺量为20%、HPMC掺量为0.2%、TBP掺量为0.08%时,材料综合性能最佳。浆液析水率低于5%,材料7d抗压强度和抗折强度可分别达到16.70MPa和5.02MPa,相比于纯水泥-粉煤灰材料提高了6.57%和2.87%,改性后浆液与煤的初始接触角降低了21.83°。最终,根据X射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析和扫描电子显微镜分析,得出了外加剂对水泥水化机理及微观结构的影响。

防灭火喷涂材料黏附及封堵性能试验研究

为改善煤矿井下巷道喷涂防灭火材料黏附性差,易开裂、易脱落及封堵效果差等问题,研制了一种以粉煤灰为骨料,普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏为基料,可再分散乳胶粉(VAE)为外加剂的防灭火喷涂材料。通过单轴抗压强度实验、煤岩多相多场真三轴动态渗流实验以及扫描电镜实验等,研究了VAE对喷涂材料的黏附性能、胶结性能、力学性能、封堵性能的影响。结果表明,加入VAE可以促进水化产物中丝状黏结桥的形成,实现黏结桥与水化产物的铆接、桥连,构成一个致密的网络结构。这不仅可以提升喷涂材料的抗开裂能力,同时增强了材料与煤结合后的黏附性能、胶结性能以及封堵性能。加入1%VAE的喷涂材料能够充分包裹住煤体,在煤体表面形成致密的涂层,有效隔绝空气与煤体接触,从而预防煤自燃,研发的材料对防治巷道顶部煤自燃具有一定作用。

切顶沿空留巷采空区自燃带分布特征及喷涂堵漏防灭火技术

切顶沿空留巷敞开式采空区自然发火严重,目前尚不明晰该条件下的自然发火特征,故难以采取有效的防治措施。为解决上述难题,构建切顶沿空留巷采空区三维流场PFC-FLUENT耦合计算模型,分析切顶沿空留巷工作面不同通风方式下采空区自燃带分布特征,在此基础上提出切顶沿空留巷阶段性喷涂堵漏技术。研究结果表明:切顶后形成的敞开式采空区与沿空留巷直接贯通,采空区内的气体成分与气体分布发生明显变化。“Y”型通风条件下,切顶沿空留巷采空区自燃带宽度和深度明显增大,且在沿空留巷侧出现条带状自燃带。“W”型通风有利于降低工作面向采空区的漏风,但在切顶沿空留巷尾段开切眼附近出现明显的自燃带,且该自燃带不会随着工作面的推进进入窒息带。对沿空留巷成巷稳定区进行喷涂堵漏能够显著降低采空区的漏风量,改变采空区内部的压力场,减小上隅角一侧采空区内部的自燃带深度和宽度,降低采空区自然发火的危险性。

厚煤层沿空留巷变形漏风机制及多元协同防治技术

为解决厚煤层沿空留巷墙体变形机理及采空区漏风流场不清、瓦斯防治效果不佳的问题,以山西沁城煤矿20107工作面为工程背景,采用力学建模、理论分析研究了沿空留巷顶板断裂位置对应力集中及传播路径的控制作用,并指出断裂线位于留巷外侧时,可有效转移支撑应力并卸压,并提出了分段压裂切顶关键位置的计算方法。采用单元法实测,从采空区漏风量分布及留巷漏风通道两方面,揭示了沿空留巷采空区漏风流场及瓦斯浓度分布规律,进而提出了沿空留巷采空区瓦斯多元防治技术,即采用定向钻孔分段压裂切顶卸压-强化瓦斯抽采超前协同共治为主,弱化转移顶板来压避免墙体变形产生裂隙漏风的同时提高采空区瓦斯抽采效率;采用硅酸盐复合材料对已有墙体裂隙发育区(顶板交界处、插管外壁周围)进行喷涂堵漏,封堵留巷漏风通道;辅以留巷插管参数优化及控风降压,进一步减小采空区漏风及瓦斯涌出,并通过现场考察验证。研究结果表明:①20107采空区漏风以运输巷进风流正压漏入为主、回风侧以高浓瓦斯漏入沿空留巷为主,工作面倾向0~36 m区段正压漏风量332.84 m^(3)/min,占工作面总体漏入采空区风量(572.15 m^(3)/min)58.17%;留巷走向54~108 m区段留巷漏入风量408.45 m^(3)/min,占采空区总体漏入沿空留巷风量(469.01 m^(3)/min)87.09%;②优化后,裂隙带定向钻孔(压裂孔+抽采孔)平均瓦斯抽采纯量为7.46 m^(3)/min,压裂切顶后留巷墙体变形、裂隙控制大幅改善,沿空留巷平均瓦斯体积分数由原0.59%逐渐降至0.34%,实现工作面高效达产。

喷涂聚脲发泡树脂防治漏风的应用研究

以柴沟矿1508工作面树脂喷涂实验为背景,在该工作面的密闭墙外喷涂聚脲发泡树脂,通过考察喷涂前后其上隅角区域的甲烷、一氧化碳和二氧化碳含量的变化,得出喷涂后对防漏风和瓦斯治理的效果十分明显。

矿用高分子塑性封闭材料密闭性能研究

煤炭开采过程中,巷道的通风和密闭性对保障井下安全有序生产和作业人员的生命安全发挥重要作用。普通喷射混凝土存在固结时间长、回弹率高、粉尘质量浓度大等缺点,难以满足矿井安全高效生产的要求。为解决上述问题,研发了KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料,应用于煤矿巷道堵漏风处理。以石圪台煤矿102工作面为背景,采用FLAC^(3D)软件进行数值模拟,得到围岩沉降变形和支护结构应力曲线,并开展现场试验,监测得到机尾安全出口气体浓度曲线,对比了KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料和不同强度的混凝土材料在喷射应用中的效果。研究结果表明,KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料在围岩变形和支护结构受力方面和普通喷射混凝土材料有着相同的效果,且KA GK加强型堵漏风用聚氨酯材料具备固结时间短、延伸率高、韧性好、封闭性好、施工效率高等突出特点,有效弥补了普通喷射混凝土材料的不足。