煤炭自燃是煤炭开采过程中的主要灾害之一,为了防治煤自燃,国内外相继开发了多种防灭火技术,其中凝胶作为一种新型防灭火材料近些年来开始受到重视。然而目前防治煤自燃的凝胶材料主要是具有流动性的粘性凝胶和可凝固的凝胶。可凝固的凝胶预防煤炭自燃的效果更好。现有的可凝固的凝胶如水玻璃凝胶,极限变形率低,在采动影响下随着煤岩层变形而易发生破裂,防治漏风能力下降。因此研制弹性力学特性优异的新型弹性凝胶材料对防治煤自燃具有重要意义。基于此,本文通过变量控制和正交复配实验,优选出弹性高分子凝胶的配方,并分析其凝固前的流体力学特性和凝固后的弹性力学特性,然后从聚合和交联机理角度阐释胶凝机制,最后通过自燃阻化实验考察其阻化效果并分析阻化机理。以ASD为基料,BIR为引发剂,CMJ为交联剂进行了凝胶的配制实验研究。通过复配实验并结合成胶时间、成胶前粘度以及成胶形态和矿井实际防灭火需要等因素,最终确定ASD、BIR和CMJ的浓度分别为15%、4.5%和3%时配制的凝胶效果最好。相应组分质量配方为:ASD 17.6 g+BIR 5.5 g+CMJ 3.1 g+水100mL。其成胶时间为10~15 min,成胶前粘度为2800~3000 mPa·s。利用粘度测试仪测定不同温度下表观粘度、剪切应力和零切粘度随剪切应力的变化规律。研究表明弹性高分子凝胶成胶前属于带有屈服应力的假塑型流体。利用电子万能试验机测定成胶后的力学性能。结果表明相比未加交联剂的高分子凝胶,在一定CMJ浓度范围内(1~5%)添加交联剂的高分子凝胶的抗压强度、极限应变和弹性模量等力学参数显著提高,表现出明显的弹性力学特征。其中CMJ浓度在3~4%时配制的凝胶弹性力学特性最好。基于高分子化学聚合及交联理论阐释了弹性高分子凝胶的胶凝机制。凝胶过程分为自由基聚合和高分子交联两个阶段。首先在链引发、链增长和链终止三个基元反应的接续作用下完成自由基聚合,聚合生成的线性高分子化合物在交联剂的作用下相互键合成具有三维网状空间结构的稳定分子,从而形成具有较好弹性的高分子凝胶,最后基于聚合反应动力学推导出凝胶形成过程中的自由基聚合总动力学方程式,为工艺优化提供理论指导。利用煤自燃特性测试系统考察了淮北信湖(XH)和上海大屯(DT)两种煤样的弹性凝胶阻化煤样的阻化特性。实验发现原煤及阻化煤样产生的CO浓度和耗氧量和耗氧速率均随着温度的升高逐渐增加,阻化煤样的上述三种指标均低于原煤,其中又以经弹性高分子凝胶阻化处理的煤样最低;弹性高分子凝胶的阻化率相比其它两种无机盐阻化剂明显提高,100℃时经过弹性高分子凝胶阻化的XH和DT煤样阻化率均超过70%。以耗氧量为基础,利用Arrhenius公式对阻化前后的煤样氧化反应活化能进行了计算,计算结果表明经弹性高分子凝胶阻化的煤样表观活化能比原煤和其它两种阻化煤样高,最高增幅达55%。上述研究表明弹性高分子凝胶具有良好的抑制煤自燃效果,其主要通过包裹煤体、减少煤的暴露面、堵塞漏风通道、降低氧浓度、吸收热量、降低煤体温度和阻断煤自燃链式自由基反应等途径起到阻化作用。综上所述,弹性高分子凝胶具有弹性好、胶凝时间可控和阻化效果明显等优点,是一种良好的新型防灭火材料。研究成果为凝胶防灭火材料的探索与研究提供了新的思路和方法,对煤自燃火灾防治具有重要的理论和实践指导意义。该论文有图36幅,表17个,参考文献110篇。