一种防治煤矿自燃的凝胶智能灭火系统

本发明属于智能灭火的，具体涉及一种防治煤矿自燃的凝胶智能灭火系统。

背景技术：

1、

2、为防治煤炭自燃，国内外广泛采用灌浆、喷洒阻化剂、注惰性气体、注胶体、注三相泡沫、气雾阻化剂、均压防灭火、固化泡沫堵漏风等技术。在灌浆材料方面，主要是黄泥、粉煤灰，此外还有矸石、砂子、水泥砂浆、石膏、高水材料等。这些技术对保证矿井安全生产起到重要作用，但还存在一些问题：如黄泥灌浆会消耗大量农田，粉煤灰堵漏效果差，矸石制浆成本高；水玻璃-铵盐凝胶产生有毒有味的氨气，高分子胶体流动性差，渗透范围较小；三相泡沫强度低，稳定性较差，无法保证封堵的持久性；有机泡沫材料成本高，反应过程放热，存在不安全因素；惰性气体易随漏风扩散，不易滞留在注入的区域内。

3、凝胶材料因其成胶前良好的流动性、渗透性,成胶后极佳的保水性、堵漏隔氧特性等特点越来越受到国内外学者的关注。无机温敏性水凝胶具有成本低、流动性大、成胶速度快等优点，但是无机凝胶也存在保水能力差、不易降解、产生刺激性气体等显著缺点，而有机温敏性水凝胶虽然来源广泛、绿色环保和易降解，但是有机凝胶的成本高、流动性差、不易输送。所以单独的无机温敏性水凝胶和有机温敏性水凝胶对于矿井煤自燃防治来说存在一定局限性，如果将传统凝胶运用于矿井煤阻燃灭火，凝胶在输送过程中管道易淤堵，无法最快速度输送凝胶至灭火点进行灭燃。

4、而且采用凝胶材料灭火现目前缺乏系统的装置对煤矿自然区进行智能灭火，无法及时感知采空区地表煤层发火情况，无法确定加入凝胶的时机，也不能确定凝胶注入的具体位置，严重了影响灭火效率，导致凝胶运用在煤炭上的灭火精准度低。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种防治煤矿自燃的凝胶智能灭火系统，灭火效率高、精确性强、安全性高，解决因采用常规灭火材料对煤炭自燃进行灭火具有造价高、灭火效率低、危险系数高，采用常规单一凝胶具有成本高、流动性差、不易输送，缺乏煤炭自燃智能灭火系统导致灭火效率低、精准度低的问题。

2、为此，本发明所采用的技术方案为：一种防治煤矿自燃的凝胶智能灭火系统，包括数据采集模块、数据处理模块、智能识别风险模块和温敏凝胶智能灭火模块，所述数据采集模块包括位于采空区地面矩阵排布的钻孔和布设在钻孔内的传感器，所述传感器包括气体传感器和温度传感器，所述数据处理装置包括无线自组织网络、交换机和接收传感器数据的地面监测终端，所述地面监测终端包括监控主机和视频监控器，所述智能识别风险模块能根据数据处理装置的处理结果智能启动温敏凝胶智能灭火模块，所述温敏凝胶智能灭火模块包括凝胶制备装置、与凝胶制备装置出料口对接且连通钻孔顶部的凝胶输送管路、输送水至凝胶制备装置内的供水系统和输送凝胶原料至凝胶制备装置内的凝胶原料罐，所述凝胶制备装置内壁安装有浓度测试仪，所述凝胶原料罐、供水系统的出料管均设有与浓度测试仪数据连接的流量智能调节阀，从而智能调控凝胶浓度至合格，所述凝胶制备装置的出料管设有流量智能调节阀和加压泵；

3、所述凝胶制备装置内制备的凝胶包括如下重量份的组分：基料4～10份、引发剂0.3～1.5份、交联剂0.3～2份、成膜剂6～15份、阻燃剂0.3～2份、水50～200份，所述基料由基料a和基料b重量比按照1～5：0.5～5混合而成，所述基料a包括如下重量份的组分：1～3份甲基纤维素、1～1.5份羧甲基纤维素钠和0.5～1份羟丙基甲基纤维素，所述基料b包括如下重量份的组分：1～3份n-异丙基丙烯酰胺、1～1.5份n-乙基丙烯酰胺和0.5～1份n,n-二乙基丙烯酰胺，所述交联剂为n,n’-亚甲基双丙烯酰胺，所述引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾。

4、作为上述方案的优选，所述成膜剂包括氯化钠、聚乙二醇，所述阻燃剂包括三聚氰胺甲醛树脂、硼酸、碳酸氢钠、氢氧化镁、氢氧化铝。

5、进一步优选为，所述钻孔内上下间隔设有传感器安装分支孔，用于安装传感器，不会影响阻碍凝胶的输送同时还能及时监测煤层内部情况，并传输起火点精确位置至地面监测终端。

6、进一步优选为，所述监控主机设有将传感器收集到的数据信息以实时曲线的形式在屏幕上显示的可视化屏幕，所述智能识别风险模块包括通过swot分析法识别风险级别的计算机，且能根据数据处理模块所监测到的环境温度或指标气体浓度异常的测点按照风险级别智能启动凝胶制备装置，通过控制凝胶的输送，达到智能灭火功能。

7、进一步优选为，所述供水系统内设有加热装置，能将常温水加热至60℃～80℃，满足凝胶制备条件，保证凝胶制备反应的充分性。

8、进一步优选为，所述浓度测试仪设定凝胶的正常浓度范围为10.9％～30.5％，设计合理，凝胶的造价成本和灭火效果均能得到保证，所述浓度测试仪连接有信号报警器，及时预警，避免自动调控失败时工作人员未能及时察觉调控。

9、进一步优选为，所述凝胶制备装置内设有折叶式搅拌桨，保证凝胶制备反应的充分性。

10、本发明的有益效果：

11、(1)数据采集模块能通过若干传感器布设的监测网络进行采空区地面的环境温度和煤自燃特征气体(如co、ch4、c2h4和o2)的数据采集，数据处理模块能接收数据采集模块采集到的数据进行分析、显示和处理，从而能对温度和气体浓度的变化进行预测，视频监控器能负责收集巷道内及采空区地面的视频图像，从而提供有效全面的图像支持，所述智能识别风险模块能根据数据处理装置的处理结果智能启动温敏凝胶智能灭火模块，温敏凝胶智能灭火模块能通过凝胶输送管道快速输送贮备凝胶至起火点，整个系统环环相扣，实现智能化煤炭自热灭火的精确性，灭火效率高。

12、(2)凝胶制备装置内壁安装有浓度测试仪，凝胶原料罐、供水系统的出料管均设有与浓度测试仪数据连接的流量智能调节阀，通过浓度测试仪保证凝胶浓度的合格，当备用凝胶使用完后也能及时补充合适浓度的凝胶，充分保障凝胶使用需求，避免出现凝胶供需不足影响下次灭火的情况。

13、(3)通过以温敏性高分子材料为基料，加入有机和无机添加剂，综合无机凝胶和有机凝胶的优点，通过自由基聚合反应，搅拌混合后制得具有温度敏感特性的凝胶，即常温下在采空区内呈液态具有较强的流动性能，接触到高温区域后自动发生相变，由液态变为固态，对高温区域进行快速封堵，灭火迅速，有效避免煤炭自燃范围扩大导致产生的大量co、co2和so2等有毒有害气体，污染环境、危害人的健康和生命、诱发瓦斯、煤尘爆炸事故，造成重大的经济损失等情况发生。

14、(4)传统凝胶的制备方法中，通常是直接加入基料和所有添加剂，而在凝胶基料尚未完全反应成胶的前提下，添加剂的加入会影响水凝胶的内部结构。本方法先将基料、引发剂、交联剂加水混合均匀，使其充分进行自由基聚合反应制成凝胶后再加入其他阻燃剂，更有利于提高温敏性复合水凝胶的保水性。

15、(5)基料a所用材料均属于纤维素基聚合物，这类聚合物具有低毒性、良好的生物相容性和生物降解性。纤维素是世界上蕴藏最丰富的天然高分子化合物，而纤维素基聚合物均是是纤维素的疏水改性产物，在水中表现出温度敏感特性。

16、(6)添加的成膜剂均是具有良好水溶性且无毒的材料，由无机材料和有机材料复配而成。成膜剂可以通过温度诱导桥接作用加速基料的凝胶化过程，同时通过盐析作用使分子链趋向于三维网状结构，进而促使基料成胶，同时增大凝胶的强度。

17、(7)本方法以由过硫酸铵和过硫酸钾为引发剂，以n,n’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，引发剂内部的过氧基(-o-o-)受热断裂，引发相应的单体自由基，从而引发自由基聚合反应，交联剂连接单体自由基以及聚合物的单链，促使分子链间多次反应发生交联，形成具有主链、侧链和交联度的三维网状结构，最终形成温敏性聚合物凝胶。

18、(8)加入引发剂和交联剂的前提下，又加入大量阻燃剂，使其既从物理方面抑制煤自燃又从化学方面起到抑制作用。煤自燃过程是一系列的链式反应，这些链式反应中会产生大量自由基，而这些自由基能够促进煤自燃，阻燃剂的加入能够抵消自由基的数量，进一步阻止煤表面的自由基反应，降低煤氧化的速率。

19、(9)温敏复合凝胶可以固结水分子，保水性优良，在隔绝氧气的基础上，能够持久保持煤体湿润、降低煤温，防止火区复燃，有效优化煤自燃的防灭火效果，提高灭火效率。

20、(10)温敏复合凝胶的制备过程无任何强酸、强碱等有害物质的添加，保证制作过程的工作人员身体安全与健康，也无高温、高压等实验环境的苛刻要求，制备环境要求简单，可进行工业化生产、批量化生产。

21、综上所述，具有系统环环相扣、灭火迅速、灭火效率高、批量化生产等优点。