粉煤灰基瓦斯封堵材料的制备及性能优化研究

摘要

煤炭是我国能源结构构成基础，如何有效封堵瓦斯气体是我国煤矿安全生产工作的重中之重。采用瓦斯封堵材料进行煤矿井下壁面封堵可以有效防止瓦斯气体逸出，改善煤矿安全生产条件。然而，现行主流瓦斯封堵产品难以满足煤矿井下复杂的应用环境要求，仍需要进一步开发出更为经济、安全和有效的瓦斯封堵材料。此外，由于煤壁的强疏水性和材料粉料分散稳定性较差，会影响瓦斯封堵材料的实际应用效果。
　　本文首先利用超细粉煤灰(UFA)的性能优势，与有机苯丙乳液相耦合，开发出了新型的瓦斯封堵材料，探究了UFA对材料综合瓦斯封堵性能的影响，并通过功能助剂的引入，深入分析了消泡剂和分散剂对综合瓦斯封堵性能的优化机理。此外，根据现有封堵材料气密性检测方法的不足，本文还提出了一种适用于瓦斯封堵材料气密性的检测方法。主要研究内容为:
　　(1)通过探究了UFA添加量对涂层综合性能的影响，确定出UFA最佳添加量为60％。在该添加量下，测得涂层7d吸水率仅为5.0％，无处理抗拉强度为3.09MPa、断裂伸长率为80％、粘结强度为0.72MPa，符合GB/T23445-2009《聚合物水泥防水涂料》中规定的Ⅱ级标准要求;阻燃性能和抗静电性能符合煤炭行业MT113-1995规定的煤矿井下瓦斯密封材料的安全标准要求。通过扫描电镜、空气密封性能的测定，进一步综合考察了该材料的瓦斯封堵性能。该材料力学性能较优，孔隙结构致密，具有良好的空气密封性能，应用于煤矿井下将确保瓦斯封堵长期有效。UFA的加入，不仅使煤矿井下壁面瓦斯封堵材料的性能得以提升，同时大幅降低了原料成本，为粉煤灰的综合利用提供一条全新途径。
　　(2)通过Zeta电位测定、粒径分析、红外光谱和SEM-EDS联用的表征手段，研究了分散剂六偏磷酸钠（SHMP）对各粉料分散行为的影响;并利用DLVO理论通过颗粒间相互作用能的计算，探究了SHMP对体系中典型粉料如UFA、炭黑、石墨的作用机理。石墨与炭黑表面的疏水化作用是其发生团聚的主要因素，分散剂SHM的加入可以增大颗粒间的静电斥力和空间位阻，防止涂料粉料颗粒间的相互团聚，确保粉料长时间内稳定分散，为封堵材料实际应用过程中综合瓦斯封堵性能的提升提供了理论参考。
　　(3)通过测定不同消泡剂对瓦斯封堵材料与煤壁接触角的影响，得出磷酸三丁酯(TBP)对接触角的降低效果基本不受材料乳液浓度的影响，降低幅度可达30％～40％，有效改善了材料在煤壁表面的润湿性。以TBP作为首选消泡剂，进一步探究了其对材料微观结构、粘结强度、气密性和材料与煤样微观结合情况的影响。结果表明TBP的加入可以优化材料表面微观形貌、内部微观结构，提升材料的气体密封性能;同时TBP也可以使材料与煤壁在接触界面处粘结更为紧密，并在煤样内部达到有效渗透，从而切实提升材料在实际应用过程中的综合瓦斯封堵效果。
　　(4)通过自主设计的瓦斯封堵材料气密性检测装置，实现了模拟煤矿井下壁面瓦斯涌出环境进行材料气密性的检测。该测试装置体积小、设备投入低、操作简单，所测数据可靠，与市面上薄膜、片层材料气密性的测试费相比，检测成本很低，比较适合煤壁涂料的实验室测试研究。
　　本文以UFA为主要粉料原料开发出了新型瓦斯封堵材料，所制备出的材料具有力学性能强、气密性优的特点，弥补了当前同类材料相关性能的不足，并为粉煤灰的资源化利用提供了一条新途径;通过功能助剂的引入，有效改善了材料的分散稳定性和在煤壁表面的润湿性，确保了材料实际应用过程中综合瓦斯封堵性能的提升。

目录

摘要

第一章 文献综述

1．1 瓦斯封堵材料研究现状

1．1．1 煤矿井下瓦斯涌出环境概述

1．1．2 瓦斯封堵材料的种类及应用现状

1．2 UFA及其在瓦斯封堵材料中的应用

1．2．1 粉煤灰的资源化利用现状

1．2．2 UFA在瓦斯封堵材料中的应用

1．3 功能助剂在瓦斯封堵材料中的应用

1．3．1 消泡剂及其在瓦斯封堵材料中的应用

1．3．2 分散剂及其在瓦斯封堵材料中的应用

1．4 瓦斯封堵材料气密性检测方法评述

1．5 问题的提出及研究意义

1．6 本文的主要内容

第二章 原材料与实验方法

2．1 实验材料

2．2 实验设备

2．3 实验方法

2．3．1 封堵材料制备工艺流程

2．3．2 封堵材料制备方法

2．3．3 封堵材料性能测试方法

2．3．4 表征分析方法

第三章 UFA基瓦斯封堵材料的制备及性能研究

3．1 实验材料与方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 UFA特征分析

3．2．2 UFA添加量对材料表观性能的影响

3．2．3 UFA添加量对材料7d吸水率的影响

3．2．4 UFA添加量对材料拉伸性能的影响

3．2．5 UFA添加量对材料粘结强度的影响

3．2．6 材料气密性能测定

3．2．7 材料阻燃与抗静电性能测定

3．3 本章小结

第四章 分散剂SHMP对材料分散稳定性影响研究

4．1 实验材料与方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 材料分散稳定性测定

4．2．2 分散剂SHMP添加量对材料分散稳定性的影响

4．2．3 添加SHMP后静置时间对各粉料分散稳定性的影响

4．2．4 分散剂SHMP对材料的分散稳定机理研究

4．2．5 沉降实验

4．3 本章小结

第五章 消泡剂对UFA基瓦斯封堵材料性能影响研究

5．1 实验材料与方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 不同消泡剂对材料表面化学性质的影响

5．2．2 TBP对材料综合瓦斯封堵效果的影响

5．2．3 TBP对不同材料与煤样的微观结合及其对密封效果的影响

5．3 本章小结

第六章 一种新型瓦斯封堵材料气密性的检测方法

6．1 新型气密性检测装置

6．2 检测方法

6．2．1 气密性测试方法

6．2．2 气密性计算方法

6．3 检测结果对比分析

6．4 本章小结

第七章 结论

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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