ЗАТВЕРДЕВАЮЩИЙ ПЕНОМАТЕРИАЛ, СОДЕРЖАЩИЙ УГОЛЬНУЮ ЗОЛУ, ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к затвердевающему пеноматериалу и способу его получения, в частности, к затвердевающему пеноматериалу, содержащему угольную золу, для предотвращения самовозгорания угля, и к способу его получения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Самовозгорание угля представляет собой одно из основных природных бедствий в угольных шахтах и серьезно угрожает безопасности производства и сохранности жизни в угольных шахтах. В основном причиной катастрофических пожаров в угольных месторождениях становится самовозгорание угля из-за воздушных течей и поступления кислорода через трещины поверхности. Самовозгорание угля в подземной шахте в основном наблюдается на выработанных участках, заброшенных карьерах, линиях остановки добычи, зонах геологических структур и областях частого обрушения угольных тоннелей, где существуют каналы воздушных течей. Для предотвращения самовозгорания угля в Китае и других странах применяют такие способы, как кольматаж, инертный газ, ингибитор, гель и полиуретановая пена и тому подобные. Однако все эти способы имеют некоторые недостатки: способ кольматажа активно расходует грунт и не подходит для областей с нехваткой грунта, а жидкий раствор, как правило, просачивается вниз и не может герметизировать маленькие трещины; инертные газы, как правило, смешиваются с протекающим воздухом, а также их сложно удерживать в области закачки; гели солей аммония выделяют токсичные и вредные газы, а коллоидный раствор может легко покрыться трещинами; ингибиторы могут разъедать подземное оборудование и подвергают опасности физическое и психологическое здоровье работников, а предотвращение и тушение огня при этом не идеально; органические затвердевающие пеноматериалы могут достигать удовлетворительных результатов, но они дорого стоят и имеют высокие требования к окружающей температуре. В последние годы был освоен новый способ с применением трехфазной пены для предотвращения и тушения самовозгорания угля в угольных шахтах. Этот способ значительно превосходит общепринятые способы и материалы для предотвращения и тушения пожаров и может отвечать требованиям для предотвращения и тушения пожаров на больших площадях. Трехфазные пеноматериалы недостаточно прочные и не затвердевают; в то время как в некоторых случаях требуются застывающие пеноматериалы, обладающие высоким расширением пены, которые могут затвердевать и обладают подходящей прочностью, чтобы заполнять, герметизировать и предотвращать самовозгорание угля.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для решения проблем из предшествующего уровня техники, связанных с предотвращением самовозгорания угля, в настоящем изобретении предложен застывающий пеноматериал, содержащий угольную золу, для предотвращения самовозгорания угля, который может понижать концентрацию кислорода в остаточном пространстве угля, имеет низкий коэффициент теплопроводности, значительный теплоизолирующий эффект, удобен в обращении, безопасен и дешево стоит.

Затвердевающий пеноматериал, содержащий угольную золу, согласно настоящему изобретению содержит следующие ингредиенты в массовых частях (мас.ч.): 40-60 мас.ч. воды, 100 мас.ч. угольной золы, 25-40 мас.ч. порошкообразный состав, выделяющий газ в ходе химической реакции, 3-5 мас.ч. ускорителя, 2-4 мас.ч. активатора, 1-2 мас.ч. пластификатора и 1 мас.ч. стабилизирующего пену состава.

Порошкообразный состав, выделяющий газ химическим путем, получают, соблюдая следующие пропорции в массовых частях (мас.ч.): 24-35 мас.ч. полугидрат сульфата кальция и 1-5 мас.ч. бикарбоната натрия, которые вступают в химическую реакцию друг с другом, с образованием инертного газа (т.е. газообразногоый диоксида углерода) и, таким образом, с формированием пены в жидком известковом растворе; ускоритель получают, соблюдая следующие пропорции, в мас.ч.: 1-2 мас.ч. глиноземистого клинкера, 1 мас.ч. карбоната натрия и 1-2 мас.ч. обожженной извести, где глиноземистый клинкер состоит из следующих ингредиентов в массовых процентах: 94 мас.% алюмината натрия, 4 мас.% оксида алюминия и 2 мас.% алюмосиликата кальция; активатор получают, соблюдая соотношения для смешивания в мас.ч.: 0,8-1,6 мас.ч. оксида магния и 1,2-2,4 мас.ч. хлорида магния; пластификатор получают, соблюдая соотношения для смешивания, в мас.ч.: 0,5-1 мас.ч. лигносульфоната кальция и 0,5-1 мас.ч. продукта конденсации нафталинсульфоната и формальдегида, причем содержание Na₂SO₄ в продукте конденсации нафталинсульфоната и формальдегида <3%; стабилизирующий пену состав получают, соблюдая соотношения для смешивания в мас.ч.: 0,2 мас.ч. бутилового эфира этиленгликоля, 0,3 мас.ч. нанокремния и 0,5 мас.ч. гидроксиэтилцеллюлозы; время застывания может быть отрегулировано путем подбора массовых долей между ускорителем, активатором и пластификатором.

Способ получения затвердевающего материала, содержащего угольную золу, согласно настоящему изобретению включает следующие этапы:

этап 1: добавление 40-60 мас.ч. воды, 0,2 мас.ч. бутилового эфира этиленгликоля, 0,3 мас.ч. нанокремния и 0,5 мас.ч. гидроксиэтилцеллюлозы в специальную емкость с перемешиванием А, а затем перемешивание полученного раствора со скоростью 3000±100 оборотов в минуту при помощи мешалки в течение 2 мин. с образованием однородного вспененного раствора;

этап 2: добавление 100 мас.ч. угольной золы, 1-2 мас.ч. глиноземистого клинкера, 1 мас.ч. карбоната натрия, 1-2 мас.ч. обожженной извести, 0.8-1.6 мас.ч. оксида магния, 1,2-2,4 мас.ч. хлорида магния, 0,5-1 мас.ч. лигносульфоната кальция и 0,5-1 мас.ч. продукта конденсации нафталинсульфоната и формальдегида в аппарат для сухого перемешивания В и перемешивание полученного порошка со скоростью 3000±100 оборотов в минуту при помощи мешалки в течение 3 мин. с образованием перемешанного порошка; этап 3: добавление перемешанного порошка, полученного в аппарате для перемешивания В, в однородный вспененный раствор, в специальной емкости для перемешивания А, и перемешивание смеси со скоростью 12000±500 оборотов в минуту с помощью мешалки в специальной емкости для перемешивания А в течение 2 мин. с образованием перемешанного жидкого известкового раствора, выдерживание перемешанного жидкого известкового раствора с образованием пены, с формированием затвердевающего пеноматериала, содержащего угольную золу, для предотвращения самовозгорания угля. Полезные эффекты: в соответствии с описанной выше технической схемой в настоящем изобретении в воде полугидрат сульфата кальция и бикарбонат натрия вступают в химическую реакцию с образованием инертного газа (т.е. газообразного диоксида углерода), и формированием таким образом пены в жидком известковом растворе; благодаря стабилизующему пену составу (т.е. состоящему из бутилового эфира этиленгликоля, нанокремния и гидроксиэтилцеллюлозы), твердые частицы равномерно распределены и суспендированы в жидком известковом растворе; время затвердевания можно регулировать путем подбора массовых соотношений между ускорителем, активатором и пластификатором; таким образом, в конечном счете получается жидкий пеноматериал, содержащий угольную золу, который имеет низкую массу, обладает фактором расширения пены 8~15, а вспененная жидкость может равномерно покрывать рыхлую угольную породу и обладает высокой способностью проникать в трещины, настраиваемым временем затвердевания, высокой прочностью на сжатие (>1,5 МПа); в ходе процесса вспенивания высвобождается некоторое количество инертного газа (т.е. газообразного диоксида углерода), который может значительно понижать концентрацию кислорода в остаточном пространстве угля; кроме того, затвердевающий пеноматериал, содержащий угольную золу, обладает низким коэффициентом теплопроводности, который может приводить к хорошему эффекту теплоизоляции, а затвердевающий пеноматериал, содержащий угольную золу, удобен в обращении, безопасен и дешево стоит. Он может покрывать угольную породу и быстро изолировать ее от кислорода, эффективно герметизировать каналы воздушных течей и трещины в угольной породе и предотвращать окисление угля. Этот материал имеет большое значение для предотвращения и тушения самовозгорания угля.

В сравнении с предшествующим уровнем техники настоящее изобретение обладает следующими преимуществами:

(1) Затвердевающий пеноматериал, содержащий угольную золу, для предотвращения самовозгорания угля, предложенный в настоящем изобретении, использует самостоятельно вспенивающуюся систему, в которой происходит реакция между полугидратом сульфата кальция, бикарбонатом натрия и водой с образованием инертного газа. Все три ингредиента представляют собой безопасные для окружающей среды материалы, а выделяющийся в ходе химической реакции инертный газ (диоксид углерода) может понижать концентрацию кислорода в остаточном пространстве угля.

(2) Затвердевающий пеноматериал, содержащий угольную золу, для предотвращения самовозгорания угля, предложенный в настоящем изобретении, получен в основном из широкодоступного сырья, включая угольную золу, полугидрат сульфата кальция и бикарбонат натрия, а способ его получения прост.

(3) В затвердевающем пеноматериале, содержащем угольную золу, для предотвращения самовозгорания угля, предложенном в настоящем изобретении, вспененная жидкость может очень хорошо покрывать угольную породу, обладает высокой способностью проникать в трещины и имеет регулируемое время затвердевания.

(4) Затвердевающий пеноматериал, содержащий угольную золу, для предотвращения самовозгорания угля, предложенный в настоящем изобретении, имеет низкую массу (фактор расширения пены составляет 8~15), обладает высокой прочностью на сжатие (>1,5 МПа) и низким коэффициентом теплопроводности, может достигать хорошего эффекта теплоизоляции и отлично подходит для применения в области предотвращения самовозгорания угля.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вариант реализации 1: затвердевающий пеноматериал, содержащий угольную золу, содержит следующие ингредиенты в массовых частях (мас.ч.): 40-60 мас.ч. воды, 100 мас.ч. угольной золы, 25-40 мас.ч. порошкобразного состава, выделяющего газ в ходе химической реакции, 3-5 мас.ч. ускорителя, 2-4 мас.ч. активатора, 1-2 мас.ч. пластификатора и 1 мас.ч. стабилизирующего пену состава.

Порошкообразный состав, выделяющий газ в ходе химической реакции, состоит из полугидрата сульфата кальция и бикарбоната натрия, которые вступают в химическую реакцию с образованием диоксида углерода, с образованием таким образом пены в жидком известковом растворе. Два этих ингредиента смешаны в следующих пропорциях в массовых частях (мас.ч.): 24-35 мас.ч. полугидрата сульфата кальция и 1-5 мас.ч. бикарбоната натрия; ускоритель состоит из глиноземистого клинкера, карбоната натрия и обожженной извести и приготовлен с соблюдением следующих пропорций в мас.ч.: 1-2 мас.ч. глиноземистого клинкера, 1 мас.ч. карбоната натрия и 1-2 мас.ч. обожженной извести, где глиноземистый клинкер состоит из следующих ингредиентов, в массовых процентах: 94 мас.% алюмината натрия, 4 мас.% оксида алюминия и 2 мас.% алюмосиликата кальция; активатор представляет собой отвердитель на основе магния, состоящий из оксида магния и хлорида магния в мас.ч.: 0,8-1,6 мас.ч. оксида магния и 1,2-2,4 мас.ч. хлорида магния; пластификатор состоит из лигносульфоната кальция и продукта конденсации нафталинсульфоната и формальдегида и приготовлен с соблюдением следующих пропорций в мас.ч.: 0,5-1 мас.ч. лигносульфоната кальция и 0,5-1 мас.ч. продукта конденсации нафталинсульфоната и формальдегида, причем в продукте конденсации нафталинсульфоната и формальдегида содержание Na₂SO₄ <3%; стабилизирующий пену состав состоит из бутилового эфира этиленгликоля, нанокремния и гидроксиэтилцеллюлозы и приготовлен с соблюдением следующих пропорций в мас.ч.: 0,2 мас.ч. бутилового эфира этиленгликоля, 0,3 мас.ч. нанокремния и 0,5 мас.ч. гидроксиэтилцеллюлозы; стабилизирующий пену состав способствует равномерному распределению и суспендированию твердых частиц в жидком известковом растворе и может понизить разницу между объемными плотностями верхней, средней и нижней частей затвердевающего пеноматериала, содержащего угольную золу, так что распределение размеров пор окажется равномерным, структура пор может быть значительно улучшена, а нитевидные поры могут быть уменьшены.

Вариант реализации 2: сначала добавляли 50 мас.ч. воды, 0,2 мас.ч. бутилового эфира этиленгликоля, 0,3 мас.ч. нанокремния и 0.5 мас.ч. гидроксиэтилцеллюлозы в специальную емкость для перемешивания А, перемешивали смешанный раствор со скоростью 3000±100 оборотов в минуту в течение 2 мин при помощи мешалки с образованием равномерно вспененного раствора; далее в аппарат для сухого перемешивания В добавляли 100 мас.ч. угольной золы, 1 мас.ч. глиноземистого клинкера, 1 мас.ч. карбоната натрия, 1 мас.ч. обожженной извести, 1,2 мас.ч. оксида магния, 1,8 мас.ч. хлорида магния, 0,5 мас.ч. лигносульфоната кальция и 0,5 мас.ч. продукта конденсации нафталинсульфоната и формальдегида, где содержание Na₂SO₄ в продукте конденсации нафталинсульфоната и формальдегида составляет <3%, а глиноземистый клинкер состоит из следующих ингредиентов в массовых процентах: 94 мас.% алюмината натрия, 4 мас.% оксида алюминия и 2 мас.% алюмосиликата кальция, перемешивали смешанный порошок со скоростью 3000±100 оборотов в минуту в течение 3 мин при помощи мешалки с образованием перемешанного порошка; в конце добавили перемешанный в аппарате для сухого перемешивания В порошок в равномерно вспененный раствор, в специальной емкости для перемешивания А, и перемешивали смесь со скоростью 12000±500 оборотов в минуту в течение 2 мин при помощи мешалки с образованием перемешанного жидкого раствора; затем оставляли, пока жидкий раствор не даст пену, с получением затвердевающего пеноматериала, содержащего угольную золу, для предотвращения самовозгорания угля. Закачивали полученный затвердевающий пеноматериал, содержащий угольную золу, для предотвращения самовозгорания угля при давлении 3 МПа с помощью наземного переносного впрыскивающего насоса через транспортирующий раствор трубопровод в поверхностные трещины в угольном месторождении, нуждающемся в герметизации, для защиты угольной породы, снижения и контроля воздушных течей, с целью предотвращения самовозгорание угля.

Вариант реализации 3: сначала добавляли 60 мас.ч. воды, 0,2 мас.ч. бутилового эфира этиленгликоля, 0,3 мас.ч. нанокремния и 0,5 мас.ч. гидроксиэтилцеллюлозы в специальную емкость для перемешивания А, перемешивали смешанный раствор со скоростью 3000±100 оборотов в минуту в течение 2 мин при помощи мешалки с образованием равномерно вспененного раствора; далее в аппарат для сухого перемешивания В добавляли 100 мас.ч. угольной золы, 2 мас.ч. глиноземистого клинкера, 1 мас.ч. карбоната натрия, 2 мас.ч. обожженной извести, 1,6 мас.ч. оксида магния, 2,4 мас.ч. хлорида магния, 1 мас.ч. лигносульфоната кальция и 1 мас.ч. продукта конденсации нафталинсульфоната и формальдегида, причем содержание Na₂SO₄ в продукте конденсации нафталинсульфоната и формальдегида составляет <3%, а глиноземистый клинкер состоит из следующих ингредиентов в массовых процентах: 94 мас.% алюмината натрия, 4 мас.% оксида алюминия и 2 мас.% алюмосиликата кальция, перемешивали со скоростью 3000±100 оборотов в минуту в течение 3 мин при помощи мешалки с образованием перемешанного порошка; в конце добавляли порошок, перемешанный в аппарате для сухого перемешивания В, в равномерно вспененный раствор в специальной емкости для перемешивания А, и перемешивали со скоростью 12000±500 оборотов в минуту в течение 2 мин при помощи мешалки с образованием перемешанного жидкого известкового раствора; затем оставляли, пока жидкий известковый раствор не даст пену, чтобы получить затвердевающий пеноматериал, содержащий угольную золу, для предотвращения самовозгорания угля. Закачивали полученный затвердевающий пеноматериал, содержащий угольную золу, для предотвращения самовозгорания угля при давлении 2 МПа с помощью подземного переносного впрыскивающего насоса через трубопровод транспортирующий раствор, в скважины в подземной выработанной области. Жидкий затвердевающий пеноматериал, содержащий угольную золу, достигает поверхности рыхлой горной породы, изолирует уголь от кислорода и тем самым предотвращает самовозгорание угля.