本發(fā)明涉及礦用防滅火，具體涉及一種用于煤礦采空區(qū)頂部的防滅火粘附凝膠、制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、煤炭是世界的重要能源，鋼鐵、電力行業(yè)等對煤炭的需求量很大，而伴隨煤炭開采強(qiáng)度增加，災(zāi)害和事故時(shí)有發(fā)生。其中，由煤炭自燃引起的火災(zāi)是重大火災(zāi)之一，不僅造成煤炭資源損失，而且產(chǎn)生大量有毒有害氣體，對環(huán)境和人員健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，預(yù)防和控制礦井火災(zāi)是確保煤礦安全開采的關(guān)鍵。在煤炭開采中，凝膠類防滅火材料因其優(yōu)良的降溫與堵漏風(fēng)特性，且保水性強(qiáng)、成膠時(shí)間可控，在控制采空區(qū)煤炭自燃、封堵采空區(qū)漏風(fēng)通道等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，研究者提出的礦用凝膠，如水玻璃凝膠、復(fù)合型凝膠、聚合物凝膠。

2、現(xiàn)有技術(shù)有關(guān)礦用防滅火凝膠方面的研究報(bào)道有：

3、申請?zhí)?02011059830.3公開了一種礦用防滅火凝膠材料及其制備方法，該材料由固體混合物與水按照水固比為6-16：1混合而成，所述固體混合物包括以下按重量份數(shù)計(jì)的組分：固體水玻璃11-14份、促凝劑6-8份、粉煤灰12-16份、活化劑10-14份、硅酸鎂鋁4-8份和鈉基膨潤土40-60份；固體水玻璃的模數(shù)為2.0-2.5，通過調(diào)節(jié)水固比，向固態(tài)混合物中加入水，即提供了一種保水性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、成膠時(shí)間可調(diào)的防滅火凝膠。申請?zhí)?02311202427.5公開了一種礦用水凝膠防滅火材料及其制備方法，該方法包括：步驟一、將固體水玻璃、碳酸氫鈉、聚乙烯醇和碳化硅混合攪拌均勻得固體混合物；步驟二、向固體混合物中加入水，攪拌均勻，即得水凝膠防滅火材料。申請?zhí)?02410518409.6公開了一種鋼渣基礦用防滅火凝膠材料的制備方法，包括如下步驟：(1)將鋼渣、硅灰、al2o3混合，得到固體混合料；(2)將步驟(1)所得固體混合料、堿激發(fā)劑和水混合后反應(yīng)得到漿料；(3)在步驟(2)所得漿料中加入促凝劑，反應(yīng)后倒入模具，靜置成膠，得到鋼渣基礦用防滅火凝膠材料。

4、上述現(xiàn)有技術(shù)的防滅火凝膠材料在防治煤自燃方面雖起到了一定的作用，但在采空區(qū)頂部應(yīng)用時(shí)存在粘附性弱、易脫落的弊端。

5、由此可見，現(xiàn)有技術(shù)有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的之一在于提供一種用于煤礦采空區(qū)頂部的防滅火粘附凝膠的制備方法，其制備得到的凝膠特別適用于煤礦采空區(qū)頂部，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的堵漏性、阻化性、粘附性和保水性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

3、一種用于煤礦采空區(qū)頂部的防滅火粘附凝膠的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)制備海藻酸鈉溶液：將一定量的海藻酸鈉粉末溶解在蒸餾水中，在一定溫度下攪拌加熱形成均勻的溶液；

5、(2)制備納米粘土-聚多巴胺復(fù)合材料：將納米粘土的懸浮液與多巴胺混合，再加入緩沖溶液，在堿性條件下多巴胺進(jìn)入具有層狀結(jié)構(gòu)的納米粘土層間并原位聚合形成納米粘土-聚多巴胺復(fù)合材料；

6、(3)將所述的納米粘土-聚多巴胺復(fù)合材料與海藻酸鈉溶液混合并攪拌，得到混合溶液一；

7、(4)將氫氧化鈉水溶液加入到丙烯酸中進(jìn)行部分中和，并向中和所得溶液中加入所述的混合溶液一，得到混合溶液二；向所述的混合溶液二中加入引發(fā)劑、交聯(lián)劑，攪拌均勻得到混合溶液三；

8、(5)將混合溶液三在一定溫度下經(jīng)過攪拌成膠，成膠過程中丙烯酸在引發(fā)劑、交聯(lián)劑的作用下自由基聚合形成聚丙烯酸，聚丙烯酸的分子鏈與海藻酸鈉通過氫鍵的相互作用形成互穿的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，納米粘土-聚多巴胺復(fù)合材料中含有的鄰苯二酚基團(tuán)與聚丙烯酸、海藻酸鈉的羥基形成氫鍵相互作用，得到防滅火粘附凝膠。

9、上述的一種用于煤礦采空區(qū)頂部的防滅火粘附凝膠的制備方法，步驟(1)中，海藻酸鈉溶液中海藻酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～3％，溫度為40～50℃。

10、上述的一種用于煤礦采空區(qū)頂部的防滅火粘附凝膠的制備方法，步驟(2)中，納米粘土的懸浮液的制備步驟為：將膨潤土進(jìn)行機(jī)械粉碎并去除雜質(zhì)；之后進(jìn)行濕法研磨將膨潤土的層狀結(jié)構(gòu)剝離成納米級的多層結(jié)構(gòu)；將機(jī)械粉碎所得膨潤土在水中分散，形成均勻的懸浮液，即得。

11、上述的一種用于煤礦采空區(qū)頂部的防滅火粘附凝膠的制備方法，步驟(2)中，所述的緩沖溶液為甲基氨基甲烷-tris緩沖溶液，堿性條件下ph值為8～9，納米懸浮液與多巴胺的質(zhì)量比為1：2。

12、上述的一種用于煤礦采空區(qū)頂部的防滅火粘附凝膠的制備方法，步驟(3)中，納米粘土-聚多巴胺復(fù)合材料與海藻酸鈉溶液的體積比為1:1。

13、上述的一種用于煤礦采空區(qū)頂部的防滅火粘附凝膠的制備方法，步驟(4)中，將氫氧化鈉水溶液加入到丙烯酸中進(jìn)行中和，中和70％后將其與混合溶液一混合。

14、上述的一種用于煤礦采空區(qū)頂部的防滅火粘附凝膠的制備方法，步驟(4)中，所述的引發(fā)劑為過硫酸鉀溶液，交聯(lián)劑為n，n-亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液；硫酸鉀溶液中硫酸鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3～6％，n，n-亞甲基雙丙烯酰胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2～3％；混合溶液二、引發(fā)劑、交聯(lián)劑的體積比為12：1：1。

15、本發(fā)明的另一目的在于提供上述的制備方法制備得到的防滅火粘附凝膠。

16、本發(fā)明的再一目的在于提供上述的防滅火粘附凝膠的應(yīng)用，其特征在于，所述的應(yīng)用是將所述的粘附凝膠噴在煤炭表面，通過減少煤炭的含氧官能團(tuán)、將煤炭與氧氣隔絕的方式防止煤炭自燃。

17、本發(fā)明防滅火粘附凝膠的制備機(jī)理為：

18、首先丙烯酸在引發(fā)劑和交聯(lián)劑的作用下與自由基聚合形成聚丙烯酸，隨后聚丙烯酸分子鏈與海藻酸鈉通過氫鍵的相互作用，形成互穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。最后，加入的納米粘土-聚多巴胺復(fù)合材料則是通過其含有的鄰苯二酚基團(tuán)與聚丙烯酸和海藻酸鈉的羥基(-oh)形成氫鍵相互作用，三者在交聯(lián)劑、引發(fā)劑的作用下，形成防滅火粘附凝膠。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明帶來了以下有益技術(shù)效果：

20、(1)本發(fā)明利用納米粘土-聚多巴胺復(fù)合材料中含有的鄰苯二酚基團(tuán)與聚丙烯酸、海藻酸鈉的羥基形成氫鍵相互作用，得到防滅火粘附凝膠；納米粘土采用膨潤土進(jìn)行了制備，其具有層狀結(jié)構(gòu)，將納米粘土懸浮液與多巴胺混合時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多巴胺的插層。納米粘土-聚多巴胺復(fù)合材料中含有大量的鄰苯二酚基團(tuán)，能夠與基體通過共價(jià)相互作用及π-π相互作用、陽離子-π相互作用、金屬配位、氫鍵等非共價(jià)作用從而產(chǎn)生持久的粘附作用。納米粘土-聚多巴胺復(fù)合材料特別適合用于解決現(xiàn)有礦用防滅火凝膠粘附性差的問題，使礦用防滅火凝膠具有優(yōu)異的防滅火性能及粘附性能，能夠更有效地防止煤炭自燃。

21、(2)本發(fā)明制備得到的防滅火粘附凝膠具有較強(qiáng)的粘附性能，能夠有效解決傳統(tǒng)凝膠在采空區(qū)頂部易脫落的問題，增加了凝膠的使用時(shí)間，減少了凝膠材料的消耗，從而降低了材料損耗成本。

22、(3)本發(fā)明制備得到的防滅火粘附凝膠保水性好，一方面，煤與凝膠之間的空隙更加緊密，減少空氣的流入，另一方面，防滅火粘附凝膠更好地將煤與氧氣隔絕，防滅火性能顯著提高，從而防止煤炭自燃。