煤自燃是影响矿井安全生产的主要灾害之一,目前常用的自燃防治技术在发挥其自身优越性的同时均存在一定程度的不足。近年来,随着新材料的研发,特别是高分子聚合物材料的发展速度及应用范围大大超过了传统材料,其形成的凝胶集固水、堵漏、降温于一体并得到广泛应用。据此,本论文开展了矿用CMC/AlCit防灭火凝胶的制备与特性研究,主要取得了以下研究成果:(1)通过羧甲基纤维素钠(CMC)、交联剂柠檬酸铝(AlCit)和p H改性剂葡萄糖酸-δ-内酯(GDL)延迟交联反应制备了矿用CMC/AlCit防灭火凝胶,具有制备容易、成胶时间可控、稳定性好等特点。根据不同配比下凝胶的成胶时间、成胶效果以及矿井防灭火相关要求,确定了用于封闭堵漏和扑灭高温火源的凝胶配比为:3%CMC+8%Al Cit+2%GDL,成胶时间2~3min;用于阻化浮煤自燃的凝胶配比为:2.5%CMC+8%AlCit+1.5%GDL,成胶时间约10min。水中高价离子、初始pH值和温度等对其成胶时间和效果有一定影响。(2)基于流变学测试分析,CMC/Al Cit交联体系整个成胶过程可分为诱导期(100~200s)、反应加速期(200~1200s)和反应终止期,最终通过CMC主链上-COO-基团和Al3+配位形成三维网状结构的胶体,其中CMC和AlCit的临界浓度分别为2%和5%,粉煤灰的加入不宜超过30%。该凝胶属屈服假塑性流体,在反应180s后流变本构方程为76.002.340.4?(10)(28)??(5),其剪切稀化特性利于在管路中流动和在防灭火区域的堆积和封堵,形成的胶体启动压力达820Pa,远大于工作面的漏风压差,同时具有良好的粘弹性和触变性,可有效封堵采空区裂隙和漏风,并减少有毒有害气体的涌出,适用于巷帮、高冒区等高位火灾的处理。(3)利用自制的封堵性能装置测定了不同装煤高度和CMC/AlCit凝胶配比下胶体承压能力,最大可达8673Pa,具有较强的抗压性能;在180℃下胶体完全蒸发时间是水的1.88~2.54倍,具有良好的固水性和热稳定性。(4)通过程序升温实验研究了凝胶对煤自燃标志气体、交叉点温度和活化能的影响,并结合TG、DSC和FTIR实验测试了添加凝胶前后煤体升温氧化过程中质量、热量以及官能团的变化,结果表明经凝胶处理的煤样较原煤样的交叉点温度提高了13.9℃以上,反应的活化能增加了38%以上,同时氧化生成的标志气体减少了34.5%以上;同时还减缓了煤样质量的变化、降低了热量的释放、增大了活化能,脂肪族C-H官能团增加了20%的同时C=O类官能团减少30%,说明凝胶的加入有效降低了煤自燃过程的反应速度,抑制了煤氧反应进程,且比CaCl2的阻化效果更好。(5)利用自行研制的小型和中型灭火试验台(装煤量达2m3),分别模拟煤堆、巷道顶板、煤柱自燃并实施CMC/AlCit凝胶灭火,结果表明CMC/AlCit凝胶通过润湿包裹,形成液膜隔氧;产生机械键合,堵塞漏风通道,降低氧气浓度;惰化煤体表面活性结构,降低反应速率;固结大量水分、吸热降温等几方面实现综合防灭火,具有安全性好、经济性好、稳定性好、火区复燃性低等优点。(6)建立了CMC/AlCit凝胶防灭火现场制备和操作方案,提出了煤层顶板、煤柱、采空区和支架等不同自燃危险区域的防灭火工艺,并在南峰煤业9103工作面进行了应用,有效治理了火区,从而为矿井火灾防治提供了一项新的技术手段,具有广阔的应用前景。