形状记忆水凝胶（SMH）在预防煤自燃中的应用：性能优化与工程实践研究

本文针对传统硅酸钠水凝胶在防煤自燃应用中存在的保水性差、堆积性不足及可塑性低等问题，开发了一种新型形状记忆水凝胶（SMH）。研究通过凝胶时间、流动堆积性、热保水性等指标优化材料配方（APAM 0.4 wt.%、CB 4 wt.%、促凝剂7.3–11.3 wt.%），并利用电子顺磁共振谱与煤低温氧化全过程测试证明SMH可显著降低煤中自由基浓度（平均抑制效率达89.5%）。现场应用表明SMH能有效填充高位裂隙、降低漏风率（U型压差计液面差增加44.3%，工作面漏风量减少10.26%），为矿山压力下随裂隙变形的弹性水凝胶研发提供科学依据。

　　

Highlight

Materials

实验所用原材料包括液体硅酸钠（LSS，波美度39.4，模数3.3，含量36.5%）、粉末促凝剂（超纯级，含量≥99.5%，pH≤8.6（50 g·L^?1，25°C））、钙基膨润土（CB，分析纯，砷≤0.001）和阴离子聚丙烯酰胺（APAM，分析纯，分子量1200万，pH 5–7，阴离子值1.2–1.6）。其中LSS购自山东优索化工科技有限公司，粉末促凝剂、CB和APAM采购自天津中联化学试剂有限公司。

Gelation mechanism of shape memory hydrogel

随着以硅酸钠溶液和促凝剂为主导的凝胶反应进行，溶液pH持续下降，氢离子（H⁺）浓度升高。具体反应过程如下：首先，浆液中的H₂SiO₄^2?和H₃SiO₄^?与H⁺结合形成原硅酸，随后发生聚合反应，即通过氧原子与H₃SiO₄^?反应生成硅酸二聚体。接着，硅酸二聚体继续与H₃SiO₄^?反应形成三聚体、四聚体乃至更高级的硅酸聚合物，最终形成三维网络结构凝胶。

Basic information of coal mines

山西保利金庄煤业有限公司主要开采9#和10#煤层。9#煤层采用房柱式开采，已开采完毕并封闭。而101101综采工作面位于10#上煤层，平均距上覆9#煤层7.5 m，存在大面积采空区。该工作面距下伏未开采的10#下煤层1.5 m，10#下煤层平均厚度为1.88 m。

Conclusions

本研究利用液体硅酸钠（LSS）、促凝剂、钙基膨润土（CB）和阴离子聚丙烯酰胺（APAM）合成了有机-无机互穿网络水凝胶，进而开发出特别适用于预防和控制煤自燃的形状记忆水凝胶（SMH）。该水凝胶在山西保利金庄煤业有限公司101101综放工作面进行了防灭火应用，结果表明其能有效填充高位裂隙、发挥水分蒸发吸冷效应，显著降低工作面漏风率，为矿山压力下随裂隙变形的弹性水凝胶研发提供了理论与实践基础。