一種利用高導熱纖維防治煤礦採空區自燃災害的方法與流程
2023-07-23 08:38:36 1
本發明涉及一種利用高導熱纖維防治煤礦採空區自燃災害的方法，屬於採礦安全領域。
背景技術：
煤自燃災害普遍存在於我國井工煤礦之中，受開採工藝的影響，煤礦採空區中存在大量遺煤與冒落巖石，為煤氧化自熱提供了良好的蓄熱環境。煤自燃火災發生後會釋放CO等毒害氣體危及礦工生命安全。目前的煤自燃防治方法主要依靠注漿、注氮等技術，雖然能降低採空區內氧濃度抑制燃燒，但是並不能消除採空區內積蓄的熱量，採空區內高溫點依然存在，因為煤、巖導熱性能差，採空區降溫過程緩慢，高溫通常會維持數十天甚至更久。特別對於已經發生自燃火災的採空區，密封火區後恢復生產的時間周期長，且啟封后容易發生火區復燃。為了解決這一問題，核心在於消除採空區內的積聚熱量。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種利用高導熱纖維防治煤礦採空區自燃災害的方法，利用高導熱纖維，在採空區內部纖維網絡，附在採空區遺煤氧化自燃區域，在自燃多發區域密集鋪設；最終將纖維束連結到採空區外部的循環冷卻裝置，將採空區內熱量消除，降低採空區溫度，起到防治自燃災害的效果。
本發明提供了一種利用高導熱纖維防治煤礦採空區自燃災害的方法，在煤礦採空區鋪設高導熱纖維，覆蓋採空區內遺煤氧化自熱的主要區域，高導熱纖維吸收煤氧化自燃釋放的熱量，在工作面迴風隅角處將纖維匯集成束連接到採空區外部，纖維束與循環冷卻裝置連接，利用循環冷卻裝置吸收導熱纖維傳遞的熱量，降低採空區內部溫度，起到預防採空區遺煤氧化自燃和降低火區溫度的作用。
進一步地，所述易自燃危險區域是指採空區內遺煤氧化自熱的主要區域。即採空區內漏風速率介於0.24-0.10 m/min、或氧氣濃度介於5%-15%的區域。
為了保障纖維的優良導熱特性，良好的物理強度與耐腐蝕抗氧化，所述高導熱纖維由納米銅為基料，與高導熱材料、以及塑性添加劑、抗氧化劑複合製成，複合成的高導熱纖維直徑為3-10mm；製備的過程為：將粒徑為15μm的金屬銅粉末用機械研磨設備二次研磨成粒徑為10-100nm的納米銅顆粒，對其進行親水改性，同時將高導熱材料粉碎研磨成粒徑100nm的顆粒，將改性納米銅顆粒、高導熱材料顆粒、塑性添加劑按質量200:100:10進行混合，然後將混合好的粉末放入模具中，在1200℃與300kg/cm2壓力的條件下熱壓燒結成型，再加入質量3~5份的抗氧化劑加壓熔融，熔融溫度為200 ℃，加熱至200 ℃後恆溫20 min，壓力為500kg/cm2。
進一步地，所述親水改性過程是：浸泡在質量分數為6.0~7.5%的NaOH和質量分數為4.5~5.5%的K4O7P2的混合溶液中進行改性；高導熱纖維中納米銅、高導熱材料、塑性添加劑、抗氧化劑的質量配比為16.0-19.0：5.0-8.0：0.3-0.8：0.1-0.2；所述高導熱材料為氮化硼、碳纖維或石墨中的一種；所述塑性添加劑為聚丙烯腈、聚苯硫醚或瀝青中的一種；所述抗氧化劑為2，6-二叔丁基對甲酚、丁基羥基茴香醚或N-苯基-1-萘胺中的一種。
所述的高導熱纖維在採空區內部分散，在採空區迴風隅角聚集成一束，為了避免熱量在傳遞過程中的逸散，高導熱纖維的內芯外包高效隔熱材料，束管外包阻燃防靜電包層。
所述高導熱纖維的內芯外包高效隔熱材料為珍珠巖/矽酸鈉/丙烯酸異辛酯三元共聚物，該共聚物由珍珠巖、矽酸鈉、丙烯酸異辛酯共聚物按質量配比為40-60:30-45:6-10製成，製備的過程為：用電子天平按比例稱量珍珠巖與丙烯酸異辛酯置於1 000mL玻璃燒杯中，勻速攪拌30min後加入100mL蒸餾水，繼續慢速攪拌20m in後再按比例加入矽酸鈉， 慢速攪拌至混合均勻為止;稱取300g 的混合物加入模具中，利用50t壓力機壓製成塊狀材料後進行微波處理，最終取出靜置冷卻；製成後需在800KW功率下微波輻照8-10分鐘。
所述高導熱纖維的束管外包的阻燃防靜電包層，由改性合成樹脂添加阻燃材料與助劑製成；其組成成分和比例為：丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物樹脂、硫酸鋇、鄰苯二甲酸二異癸酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯、聚苯醚酮、LDH-MCA納米複合阻燃材料、氧化聚乙烯蠟按90-120：30-65：20-45：8-16：5-10：3-9：5-7組成。其中，LDH-MCA納米複合阻燃材料的製備過程為：首先準確稱取三聚氰酸0.2g和三聚氰胺0.2g置於100mL去離子水中，超聲處理2h，加入0.02mol/L的氫氧化鈉溶液，得到混合的懸濁液；然後將LDH（水滑石）和尿素加入懸濁液中，Al3+和Mg2+濃度分別為0.05mol/L和0.10mol/L，尿素濃度0.60mol/L，超聲處理1h；將混合液加入500mL聚四氟乙烯反應釜中，採用水熱法在90℃下反應24h；冷卻至室溫後，過濾並收集底部固態殘留物，去離子水洗滌，50℃乾燥，製備出 LDH-MCA納米複合阻燃材料。
當導熱纖維不夠，需要續接時，使用快速接頭連接兩根纖維。
所述冷卻裝置由導熱管、冷卻液、輸送管路、閥門構成。進一步地，冷卻裝置內的冷卻液由水、丙三醇、聚乙二醇、萘乙酸、磷酸二氫鈉、氫氧化鉀、羥基乙叉二膦酸按組成，質量配比為：48:30:7:2:1.5:1.5:10。
本發明的有益效果：
（1）本發明可以安全高效防治煤礦採空區自燃火災，加快火區啟封速度並降低復燃風險。
（2）利用高導熱纖維防治煤礦採空區自燃災害的方法，可以在採空區內鋪設多條纖維，覆蓋範圍廣，也可根據易自燃危險區域針對性鋪設；使用簡便，操作靈活，可以高效消除採空區內部的積聚熱量，且使用壽命長。
（3）利用高導熱纖維防治煤礦採空區自燃災害的方法，不需要向採空區內注入N2、CO2等惰性氣體，可以防止井下窒息事故的發生，安全性高。
（4）僅僅依靠熱傳導消除採空區內部熱量，不使用化學試劑，對採空區及下部地層無汙染，屬於綠色環保型技術。
附圖說明
圖1是高導熱纖維的示意圖。
圖2是高導熱纖維束管的示意圖。
圖3是高導熱纖維在煤礦採空區內部布置示意圖。
圖中：1是納米銅纖維內芯，2是高導熱纖維層，3是樹脂包層，4是保溫層，5高導熱纖維，6是煤礦回採工作面，7是採空區，8是高導熱纖維束管。
具體實施方式
下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限於以下實施例。
實施例1：
某煤礦工作面採用用放頂煤工藝，採高5.1m，採空區傾向長度為207m，煤層自燃傾向性為I類易自燃煤層，自熱發火期為28天，開採過程中遺煤較多，採空區自然發火嚴重，採空區自燃危險區域判定為工作面後方30-80m範圍，為了降低工作面自燃危險，保障礦井安全生產，分別沿工作面進迴風順槽均勻鋪設100條高導熱纖維，高導熱纖維材質為納米銅-氮化硼複合纖維，纖維直徑為5mm，長度為200m，在採空區內部均勻分散鋪設，大約按每2m間隔1條布置，同時布置溫度探頭測量採空區內部溫度。隨著工作面逐步回採，高導熱纖維被掩埋進入採空區，分布在採空區最易自燃的氧化區域內，遺煤在氧化的過程中，不斷散發熱量。掩埋進入採空區內的高導熱纖維持續不斷的吸收採空區內部遺煤氧化產生的熱量。導熱纖維連接到採空區外部時，纖維與冷卻裝置內的導熱管相接觸，通過冷卻裝置內流經的液氮冷卻液冷卻，吸收採空區內的熱量，最終實現降低採空區內部溫度，實測對比布置高導熱纖維前後，採空區內部各測點溫度從最高54.7℃降低至32.5℃，表面該技術方案可以實現保障煤礦安全生產的目的。
本實施例中使用的材料及工況條件為：
所述高導熱纖維由納米銅為基料，與高導熱材料，以及塑性添加劑，抗氧化劑複合製成，複合成的高導熱纖維直徑為3-10mm；
製備的過程為：將粒徑為15μm的金屬銅粉末用機械研磨設備二次研磨成粒徑為10-100nm的納米銅顆粒，對其進行親水改性，同時將高導熱材料粉碎研磨成粒徑100nm的顆粒，將改性納米銅顆粒、高導熱材料顆粒、塑性添加劑按質量200:100:10進行混合，然後將混合好的粉末放入模具中，在1200℃與300kg/cm2壓力的條件下熱壓燒結成型，再加入質量4份的抗氧化劑加壓熔融，熔融溫度為200 ℃，加熱至200 ℃後恆溫20 min，壓力為500kg/cm2。
所述親水改性過程是：浸泡在質量分數為6.0~7.5%的NaOH和質量分數為4.5~5.5%的K4O7P2溶液中進行改性；高導熱纖維中納米銅、高導熱材料、塑性添加劑、抗氧化劑的質量配比為16.0-19.0：5.0-8.0：0.3-0.8：0.1-0.2；
所述高導熱材料為氮化硼；
所述塑性添加劑為聚丙烯腈；
所述抗氧化劑為N-苯基-1-萘胺。
所述高導熱纖維的內芯外包高效隔熱材料為珍珠巖/矽酸鈉/丙烯酸異辛酯三元共聚物，該共聚物由珍珠巖、矽酸鈉、丙烯酸異辛酯共聚物按質量配比為40-60:30-45:6-10製成，製備的過程為：用電子天平按比例稱量珍珠巖與丙烯酸異辛酯置於1 000mL玻璃燒杯中，勻速攪拌30min後加入100mL蒸餾水，繼續慢速攪拌20m in後再按比例加入矽酸鈉， 慢速攪拌至混合均勻為止;稱取300g 的混合物加入模具中，利用50t壓力機壓製成塊狀材料後進行微波處理，最終取出靜置冷卻；製成後需在800KW功率下微波輻照8-10分鐘。
所述高導熱纖維的束管外包的阻燃防靜電包層，由改性合成樹脂添加阻燃材料與助劑製成；其組成成分和比例為：丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物樹脂、硫酸鋇、鄰苯二甲酸二異癸酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯、聚苯醚酮、LDH-MCA納米複合阻燃材料、氧化聚乙烯蠟按90-120：30-65：20-45：8-16：5-10：3-9：5-7組成；其中，LDH-MCA納米複合阻燃材料的製備過程為：首先準確稱取三聚氰酸0.2g和三聚氰胺0.2g置於100mL去離子水中，超聲處理2h，加入0.02mol/L的氫氧化鈉溶液，得到混合的懸濁液；然後將水滑石和尿素加入懸濁液中，Al3+和Mg2+濃度分別為0.05mol/L和0.10mol/L，尿素濃度0.60mol/L，超聲處理1h；將混合液加入500mL聚四氟乙烯反應釜中，採用水熱法在90℃下反應24h；冷卻至室溫後，過濾並收集底部固態殘留物，去離子水洗滌，50℃乾燥，；製備出 LDH-MCA納米複合阻燃材料。
冷卻裝置內的冷卻液由水、丙三醇、聚乙二醇、萘乙酸、磷酸二氫鈉、氫氧化鉀、羥基乙叉二膦酸按組成，質量配比為：48:30:7:2:1.5:1.5:10。