一种矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料及其制备方法与应用与流程

本发明属于煤自燃防灭火，涉及一种凝胶泡沫材料，具体涉及一种矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、煤炭在我国能源结构中仍占据重要地位，在煤炭开采过程中常伴随产生大量的矿井水和粉煤灰等工业液体及固体废弃物。矿井水通常含有较高浓度的溶解盐类、悬浮颗粒及多种离子成分，如na+、ca2+、mg2+和so42-等，若未经处理直接排放，不仅会造成水资源浪费，还可能对地表水体及生态环境造成污染。同时，粉煤灰作为燃煤电厂排放量最大的工业固体废弃物之一，其长期堆存不仅占用大量土地资源，还可能产生扬尘污染和重金属浸出等环境问题。因此，实现矿井水和粉煤灰等废液、废固的资源化利用，成为当前煤矿绿色开采与固废综合利用领域的重要研究方向。

2、近年来，凝胶及凝胶泡沫类防灭火材料因具有良好的流动性、覆盖性和隔氧性能，被广泛应用于矿井煤自燃防治领域。同时，已有研究将粉煤灰、煤矸石等工业固废引入凝胶或泡沫体系中，以降低材料成本并提高资源利用效率。但现有的防灭火材料应用较多的，是通过将无机胶凝组分、交联组分、发泡组分与水混合制备，材料体系多以清水或去离子水作为分散介质或反应介质，在实际大规模应用时存在水资源消耗较大的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料，该凝胶泡沫材料具有绿色环保、凝胶时间可控、成本低廉等优点，能够实现对废液、废固的综合利用，实现对煤炭采空区遗煤的隔氧覆盖，最终实现对矿井煤炭自燃的高效持久防治。

2、本发明的目的之二是提供该矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料的制备方法，该方法制备过程无需高温、高压等复杂反应条件，操作方便，适合矿区等场景的现场制备和规模化应用。

3、本发明的目的之三是提供该矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料的用途。

4、为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料，其由以下重量百分比的原料制成：羧甲基纤维素钠0.1~0.3 wt%、海藻酸钠0.7~0.9 wt%、发泡剂为0.2~0.4 wt%、粉煤灰为2~4 wt%、硅酸钠为10~15 wt%、碳酸氢钠为1~3 wt%，其余为矿井水；所述发泡剂由α-烯烃磺酸盐和烷基聚葡萄糖苷复配组成。

5、优选的，所述羧甲基纤维素钠与海藻酸钠的质量比为1：9。

6、优选的，所述发泡剂由质量比3:1的α-烯烃磺酸盐和烷基聚葡萄糖苷复配组成。

7、优选的，所述的粉煤灰为二级粉煤灰。

8、第二方面，本发明还提供了上述矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料的制备方法，具体步骤为：

9、1）以矿井水为溶剂，分别配制质量浓度为1 wt%的羧甲基纤维素钠溶液和1 wt%的海藻酸钠溶液，并按照羧甲基纤维素钠与海藻酸钠质量比为1~3:7~9进行混合，搅拌得到均匀的复合悬浮剂；

10、2）按比例将发泡剂加入复合悬浮剂中，常温下搅拌，得到均匀的复合悬浮发泡液；

11、3）按比例将粉煤灰加入到上述复合悬浮发泡剂，常温下搅拌使粉煤灰在溶液中完全分散，得到粉体悬浮液；

12、4）按比例将硅酸钠加入到粉体悬浮液中，常温下搅拌，得到均匀的交联悬浮液；

13、5）按比例将碳酸氢钠加入到交联悬浮液中，在常温下分散后，快速机械搅拌10~20s，得到矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料。

14、优选的，步骤1）-步骤4）中所述的搅拌速率为200~300 r/min；步骤5）中所述的搅拌速率为600~800 r/min。

15、第三方面，本发明还提供了上述矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料在矿井煤自燃防治方面的应用。

16、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

17、（1）本发明以高矿化度矿井水作为反应介质，其中富含的na+、ca2+、mg2+及so42-等溶解性离子在体系中参与多重物理化学作用。一方面，ca2+、mg2+等金属离子可与悬浮剂中海藻酸钠、羧甲基纤维素钠分子链上的-coo-发生离子交联作用，有利于构建更加稳定的凝胶网络结构，从而提高凝胶泡沫体系的结构强度与稳定性；另一方面，在碱性条件下，矿井水中的离子环境促进粉煤灰中cao、sio2等活性组分的溶解与释放，生成ca2+、硅酸根离子等组分，有利于形成以硅酸盐水化产物为主的凝胶结构，从而增强体系的骨架支撑能力。同时，溶液中na+、so42-等离子可占据煤体表面活性位点，降低氧气在煤体孔隙中的吸附与内部传递，从而对煤低温氧化过程产生抑制与干扰作用，使凝胶泡沫体系在具备物理覆盖与隔氧功能的基础上，同时具有化学抑制能力，从而提升材料的综合防灭火性能。

18、（2）针对高矿化度水环境下泡沫体系易发生盐析及结构失稳的问题，本发明通过复合悬浮剂与耐盐发泡体系的组合应用，使悬浮剂分子链在高离子强度环境中仍能保持良好的分散与稳定性，其中羧甲基纤维素钠与海藻酸钠的-coo-与ca2+、mg2+通过离子桥联方式形成稳定的交联结构。同时，α-烯烃磺酸盐分子中的-so3-亲水基团在高离子强度条件下仍能保持良好的亲水性与界面活性，其疏水烃链可在气液界面定向排列，从而形成稳定的吸附膜；烷基聚葡萄糖苷分子中的多羟基结构可通过氢键作用增强界面膜的致密性。二者复配后在高矿化度环境中形成具有较高界面强度的复合吸附层，有效降低泡沫液膜排液速率，抑制气泡合并与破裂，从而维持凝胶泡沫体系的稳定性。此外，粉煤灰颗粒在凝胶泡沫体系中均匀分散，并在凝胶网络与气泡界面之间形成支撑结构，通过颗粒填充与界面吸附作用，提高体系的抗塌陷能力与保水性能，从而实现材料在复杂矿井水条件下的稳定性与持久性。

19、（3）本发明构建了“离子交联增强-粉煤灰骨架支撑-凝胶泡沫覆盖隔氧”的多机制协同体系。其中，矿井水中的多价离子参与凝胶网络构建并调控体系结构稳定性，粉煤灰通过溶解与反应形成凝胶产物并提供骨架支撑，凝胶泡沫则实现对煤体的覆盖与隔氧作用，多种机制相互耦合，使材料在结构稳定性、流动性及防灭火性能之间达到协同优化。此外，本发明还实现了矿井水中离子资源与粉煤灰固体废弃物的协同利用，在降低材料成本的同时显著提升防灭火效果与持续作用能力，从而实现对矿井煤自燃的高效、持久且具有工程适应性的防治。

1.一种矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料，其特征在于，该材料由以下重量百分比的原料制成：羧甲基纤维素钠0.1~0.3 wt%、海藻酸钠0.7~0.9 wt%、发泡剂为0.2~0.4 wt%、粉煤灰为2~4 wt%、硅酸钠为10~15 wt%、碳酸氢钠为1~3 wt%，其余为矿井水；所述发泡剂由α-烯烃磺酸盐和烷基聚葡萄糖苷复配组成。

2.根据权利要求1所述的一种矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料，其特征在于，所述羧甲基纤维素钠和所述海藻酸钠的质量比为1:9。

3.根据权利要求1所述的一种矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料，其特征在于，所述发泡剂由质量比3:1的α-烯烃磺酸盐和烷基聚葡萄糖苷复配组成。

4.根据权利要求1所述的一种矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料，其特征在于，所述的粉煤灰为二级粉煤灰。

5.一种权利要求1至4任一项所述的矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

6.根据权利要求5所述的矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤1）-步骤4）中所述搅拌的速率为200~300 r/min；步骤5）中所述搅拌的速率为600~800 r/min。

7.权利要求1至4任一项所述的矿井水基粉煤灰凝胶泡沫材料在矿井煤自燃防治方面的应用。