用于地下煤柱自主隔氧的温敏矿物灌浆料

《Scientific Reports》：Thermoresponsive mineral grout for autonomous oxygen isolation in underground coal pillars

　　摘要开发了一种热响应矿物基灌浆复合材料（GC），用于快速封堵地下煤柱中的裂隙网络，旨在消除氧气侵入并防止采空区自燃。漏风引发的煤层自燃对矿山安全构成严重威胁。传统密封材料，如快硬型硫铝酸盐（CSA）-水玻璃体系和聚氨酯材料，存在热失控风险、耐火性差以及参数控制复杂等问题。GC浆体由Mg(OH)?、Al(OH)?、超细水泥和NIPAM接枝膨润土组成。该浆体在20 °C下保持200 mm的流动性以实现深层渗透，但当温度达到40 °C及以上时，可在3分钟内迅速增稠，形成致密的隔氧屏障。绝热量热测试显示，其最大温升仅为18.4 °C（ΔTmax = 18.4 °C，tmax = 7.8 h），分别为聚氨酯体系和水泥-水玻璃体系实测值的13%和52%，从而最大限度地降低了大量注浆时的热失控风险。实验室显微CT扫描证实，连通孔隙（> 50 μm）减少了85%，且煤-灌浆界面无裂纹。在中国内蒙古鸿庆河煤矿三号煤层的102辅运巷道现场试验中，在采矿诱发的动载荷条件下，30天内将O?浓度从9%至17%降至1%至5%，并将CO浓度降至0 ppm。28天抗压强度达到30.1 MPa（水灰比w/c = 0.7），且未观察到泌水或收缩裂缝。原材料成本分析表明，GC（185美元/t）的5年生命周期成本比聚氨酯低35%。其ΔTmax远低于中国煤矿灌浆实践中采用的60 °C热安全限值（AQ/T 1089–2020，该标准针对聚合物材料发布，此处作为保守基准使用），且采空区O?浓度维持在GB 51,078?2015规定的7%临界氧浓度以下，GC为煤矿防火提供了一种低放热、耐火且环境友好的有机密封材料替代方案。