一种矿用高渗透性温敏逆相变凝胶、制备方法及应用

本发明涉及煤矿采空区防灭火，具体涉及一种矿用高渗透性温敏逆相变凝胶及其制备方法与应用。

背景技术：

1、煤炭自燃是威胁煤炭安全的重大灾害之一，煤在有氧环境中会与氧气发生氧化反应并积蓄热量，导致煤温缓慢上升，当煤温超过临界温度后煤温将剧烈上升并发生自燃。煤自燃不仅损坏煤炭资源，更会引发矿井火灾、瓦斯爆炸等重大事故，对井下工作人员生命安全和设备安全造成巨大威胁。为营造安全的开采环境，必须对煤自燃问题采取有效的防治措施。

2、矿井采空区的空洞区垮落后形成的冒落空隙与离层裂隙为采空区遗煤提供了大量的漏风通道，导致采空区成为煤矿最易发生煤炭自燃的区域，60％的自燃火灾发生在采空区。凝胶防灭火技术具有良好的力学性能和保水性能，可以对对裂隙起到一定的堵漏作用，对煤体起到良好的隔绝降温作用。目前有机凝胶来源广泛、易降解、可以达到相变效果，但是也存在成本高、不易运输、流动性差的特点。无机凝胶成本低、成胶速度快、流动性较好，但也存在无法温控、不易降解等缺点。此外，相对于注浆防灭火，凝胶防灭火存在黏度较大无法深入煤体的缺点。

3、cn113174270a专利提出一种抑制煤自燃温敏相变凝胶材料在低温状态下初始黏度较低，可运送胞衣阻化剂，遇到高温煤体粘度变大，但是该方法并未解决凝胶无法渗透到遗煤深部的难题。

4、由此可见，寻找出一种环保、无毒、经济性合理、能够在高温状态下深入煤体深部的防灭火凝胶材料是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术的不足，提供一种矿用高渗透性温敏逆相变凝胶及其制备方法与应用，该凝胶材料由最常见的硅酸凝胶包裹温控阻燃微胶囊组成，初始状态为黏度较高的凝胶状；经过火区高温点时，微胶囊外壳熔化释放出其中的无机盐阻化剂，与硅酸凝胶反应，导致凝胶发生逆相变，黏度逐渐降低，稀化的凝胶与无机盐阻化剂形成溶胶—无机盐复合阻化液体系，渗流进高温裂隙中，起到协同阻燃的效果，所用组分不会污染环境，无毒无害，来源广泛，成本可控。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种矿用高渗透性温敏逆相变凝胶的制备方法，步骤如下：

3、s1、将温敏相变材料加热至熔融状态；

4、s2、在惰性气体氛围条件下向熔融状态的温敏相变材料中逐次逐量加入无机盐类阻化剂并搅拌均匀，从而使无机盐类阻化剂颗粒均匀分布在熔融状态的温敏相变材料，搅拌过程需要保证温度比温敏相变材料的相变温度高4℃～8℃从而保证温敏相变材料始终处于熔融状态；其中无机盐类阻化剂为粉末状态，温敏相变材料与加入的无机盐类阻化剂的重量份数比为：温敏相变材料30～40份，无机盐类阻化剂60～70份，温敏相变材料为疏水相温敏壁材；

5、s3、向混合液体中加入明胶和司盘80搅拌均匀后降温冷却得到固体产物，其中明胶为0.3～0.8份，司盘80为0.3～0.8份；

6、s4、将固体产物破碎研磨至粒径为40～60目的固体颗粒，固体颗粒即为温敏微胶囊，温敏微胶囊为温敏相变材料包裹无机盐类阻化剂的结构，由于制备过程部分温敏微胶囊无法确保温敏相变材料完整包裹无机盐类阻化剂，因此将碎研磨的固体颗粒置入冷水5～10分钟洗去没有被温敏相变材料完整包裹的酸性盐粉末以及破碎时泄露的酸性盐粉末，干燥后备用；

7、s5、将晾干后的温敏微胶囊加入到硅酸钠溶液中混合均匀，温敏微胶囊与硅酸钠溶液的质量比为1:5～1:8，硅酸钠溶液的质量浓度为2％～4％；之后再向硅酸钠溶液中加入酸性物质从而与硅酸钠反应产生凝胶后通过复分解反应，利用强酸制弱酸的原理使硅酸钠形成硅酸凝胶，使温敏微胶囊均匀分布在硅酸凝胶中形成高渗透性温敏逆相变凝胶；

8、进一步，温敏相变材料具有疏水性，包括70#氯化石蜡、52#氯化石蜡、聚乙二醇、聚氯乙烯、乙基纤维素、季戊四醇硬脂酸酯的一种或多种混合，温敏相变材料根据需要的熔点决定，熔点应根据煤由缓慢氧化阶段到快速氧化升温阶段的自热临界温度确定，褐煤小于75℃，烟煤小于80℃，无烟煤小于90℃。

9、进一步，惰性气体包括氮气、氦气、二氧化碳；

10、进一步，无机盐类阻化剂包括氯化铵、氯化镁、氯化钠，磷酸二氢铵的一种或多种，向温敏相变材料中加入的无机盐类阻化剂为颗粒结构，粒径为80～120目。

11、进一步，硅酸钠模数为2～3。

12、进一步，酸性物质包括碳酸氢钠、醋酸、盐酸、氯化铵、硫酸铵。

13、一种矿用高渗透性温敏逆相变凝胶的制备方法制备出的矿用高渗透性温敏逆相变凝胶。

14、一种矿用高渗透性温敏逆相变凝胶的应用，使用管道向采空区和易自燃煤层输送矿用高渗透性温敏逆相变凝胶，并使矿用高渗透性温敏逆相变凝胶覆盖全部遗煤并驻留覆盖在高温区域，若煤层高温点升温到75～90℃达到相变温度，则矿用高渗透性温敏逆相变凝胶中的微胶囊的温敏相变材料熔化，将无机盐类阻化剂释放出来与硅酸凝胶反应促使硅酸凝胶稀化，硅酸为带负离子的溶胶，加入电解质阻化剂后阳离子会促使硅酸沉淀，使得凝胶稀化渗透性增加，同时形成阻化剂溶液深入煤层灭火，得粘稠的硅酸凝胶在高温状态下发生逆相变导致凝胶稀化，显著增加凝胶在高温状态下的渗透性，释放出的无机盐类阻化剂形成阻化剂溶液与稀化的凝胶一起深入煤层灭火，解决了传统凝胶由于黏度太大无法渗透到遗煤深部对煤体进行降温，实现了凝胶对煤体的立体防火与梯度阻燃。

15、进一步，当煤层倾角大于25度时，硅酸钠溶液中加增稠剂提高无机温敏相变悬浊液的粘性，增稠剂包括聚丙烯酸钠，聚丙烯酰胺。

16、一种矿用高渗透性温敏逆相变凝胶的应用，在采空区疑似发火区的上游注入矿用高渗透性温敏逆相变凝胶，使凝胶覆盖采空区遗煤，如果矿用高渗透性温敏逆相变凝胶遇到煤体高温点，煤体高温点温度超过温敏微胶囊温敏外层的融化温度后，温敏微胶囊融化释放出无机盐阻化剂，硅酸凝胶逆相变后逐渐稀化，流动性增强，稀化的凝胶与无机盐阻化剂形成溶胶—无机盐复合阻化液体系，无机盐阻化剂在使得硅酸凝胶稀化之后就不会再与硅酸反应了，渗流进高温裂隙中协同阻燃，硅酸胶体中未反应完的硅酸钠可与可燃物质形成硅酸钠膜，可以隔绝氧气；同时无机盐阻化剂能够起到保湿隔氧的效果；溶胶的黏度相比于溶液大，也能起到保水的效果。

17、有益效果

18、与现有技术相比，本发明所提供的一种矿用高渗透性温敏逆相变凝胶及其制备方法与应用，具体有以下优势：

19、本发明矿用高渗透性温敏逆相变凝胶，无毒无害，不会污染环境，来源广泛，价格低廉可控，制作工艺简单高效。硅酸钠是一种水溶性硅酸盐，可作为纸板，木材，耐火材料的粘合剂，用于玻璃制造使玻璃更具有耐火、抗腐蚀等特性，也能用于制造可生物降解的环保材料，能与酸性物质反应形成硅酸凝胶，硅酸是煤矿井下防灭火最常用的无机凝胶。本发明通过微胶囊温控释放，保留硅酸凝胶良好的堵漏性能和保水性能，同时可实现凝胶材料初始状态黏度较大，能够驻留在高温点；火区高温点温度过高时微胶囊外壳熔化释放出无机盐阻化剂使硅酸凝胶逆相变稀化，流动性增强，稀化的凝胶与无机盐阻化剂共同渗透进初始凝胶难以深入的裂隙中实现火区的立体灭火和梯度阻燃。微胶囊粒径在几十微米左右，体积小，可以均匀分布在煤块的缝隙中，覆盖范围广，能在较小的尺度下与硅酸反应。相比于现有的防灭火凝胶，本发明提供的无机硅酸钠凝胶成胶速度快，高温状态下流动性好，价格低廉，安全环保。