巖粉撒布組合物及其使用方法

巖粉撒布組合物及其使用方法
【專利摘要】本發明公開了巖粉撒布（rock?dusting）組合物及用于將組合物施用于礦的表面的方法，所述組合物由巖粉（例如，石灰石或其他礦物粉塵）、水、泵送助劑和聚合物（例如，丙烯酰胺均聚物、丙烯酰胺共聚物及其組合）構成。組合物具有足以使聚合物(i)將水分子分散在組合物內，和(ii)在組合物干燥時消失以在干燥組合物中形成空隙空間的水含量和聚合物含量。組合物可用于抑制由煤礦中煤粉和/或瓦斯點燃造成的火焰和/或火的蔓延。
【專利說明】巖粉撒布組合物及其使用方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及巖粉撒布(rock dusting)組合物及其使用方法。所述組合物由巖粉(例如，石灰石或其他礦物粉塵)、水、泵送助劑(pumping aid)和聚合物(例如，丙烯酰胺均聚物、丙烯酰胺共聚物及其組合)構成，并且施用于礦的表面。組合物可用于抑制由煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃造成的火焰和/或火的蔓延。
【背景技術】
[0002]眾所周知，火和爆炸是地下采礦領域中的重大危險源。由于在地下煤礦中存在原有的易爆易燃材料，例如甲烷氣體和煤粉，所以火和爆炸的危險在煤礦開采中尤其嚴峻。
[0003]可容易地理解這種火和爆炸的原因。易燃材料一般與基于有機化學品的材料(例如煤)的開采有關。不僅煤自身是易燃的，而且開采作業產生煤和煤粉的小碎片，其被引入到空氣中。這種材料在適當條件下很可能是易燃的并且甚至是易爆的。
[0004]已發現烴類氣體與煤礦作業相關。最常見的氣體是甲烷氣體，天然氣的主要組分。與煤礦一起還發現了較少量的其他類似的易燃烴類氣體。在煤礦作業期間釋放的氣態物質本身是極其危險的。
[0005]煤礦作業可經常產生足夠的火花來點燃易燃和易爆物質。煤礦作業需要使用有可能產生火花的許多類型的電氣設備以及其它類型的機器。產生火花的機器和電氣裝置，以及極其易爆和易燃的煤粉和相關瓦斯的組合導致了危險的情況。
[0006]潛在的火花產生裝置與地下礦井中發現的極易燃物質的組合導致了多次的災難。此外，地下爆炸和火特別難 以存活。例如，爆炸可引起部分礦井巷道的坍塌。地下火和爆炸產生大量有害氣體，所述有害氣體可容易地引起地下礦工和其他地下工作人員的人身傷害或死亡。因此，可以看出，地下礦井作業中的火和爆炸是所有相關人員尤為關心的問題。
[0007]為了防止地下礦井作業中的火和爆炸已嘗試了多種解決方案。一種盡量減小火和爆炸可能性的常規方法是在礦井內部中撒布惰性材料。在一些情況下，期望完全覆蓋礦井巷道的內墻、頂棚和地面。將惰性材料添加到環境中有助于使礦井內的環境氣氛維持在不易爆或不易燃的條件下。惰性材料撒布到礦井的內墻上，充分稀釋礦井中的礦塵和甲烷，使得氣氛不能使爆炸或火蔓延。覆蓋層還有助于防止更多的煤粉等逸出到礦井巷道的空氣中。
[0008]撒粉作為防止礦井中爆炸和火的方法已被本領域所接受。根據聯邦煤礦健康和安全法(Federal Coal Mine Health and Safety Act)公布的條例下,撒粉現在是許多礦井中的要求。
[0009]礦業安全與健康管理局(MineSafety and Health Administration, “MSHA”)的條例規定，煤礦等的內部應覆蓋有巖粉的覆蓋層。MSHA提出了有關巖粉使用和撒布的條例。
[0010]管理巖粉的使用和管理的大量政府條例現已到位。需要巖粉的情況也通過具體條例進行了詳細規定。因此，礦井運營商現在發現他們處于需要遵守大量關于巖粉撒布的條例的位置上。因此，在煤礦中進行巖粉撒布經常不再僅是解決潛在危險情況的一種替代方法，而是在許多情況下絕對需要的。
[0011]如上文所述，在地下煤礦中，利用暴露巖石表面的石粉撒布來防止和抑制在開采過程期間產生的煤粉和甲烷氣體點燃造成的火。石粉撒布包括用細磨過的石灰石粉塵覆蓋礦的表面。粉塵粘附至礦井的壁上，防止火在礦井中沿未開采煤的暴露表面蔓延。在礦井中的煤粉和瓦斯點燃的情況下，爆炸和火的沖擊將引起松散粘附的粉塵從礦的表面掉下，以產生抑制火焰蔓延并使火停止的石灰石粉塵-空氣懸浮體。
[0012]將巖粉施用于礦壁通常通過干噴來完成。該方法的缺點在于，由于要使需要量的粉塵粘附至礦壁，所以大量粉塵可成為氣載的。為了降低氣載的濃度，將水添加到撒粉混合物中，然而，為維持可泵送混合物的需水量導致很大部分的產物脫落(sloughing)到礦井地面。可將粘合劑添加至濕混材料中以增加粘度，然而隨著產物干燥，其將結塊到礦壁，阻礙了在甲烷爆炸中的足夠分散。
[0013]本領域中需要可施用于礦的表面(例如，壁、頂棚和地面)的巖粉組合物，其中在施用期間盡可能減少了氣載顆粒或消除氣載顆粒。本領域中還需要這樣的巖粉組合物，其在爆炸波/沖擊情況下作為粉狀材料而不是團塊或塊狀物從礦的表面分散，從而抑制可由甲烷點燃發生的任何爆炸。
[0014]本公開提供了許多優點，其將隨著下面的描述而變得明顯。

【發明內容】

[0015]將由巖粉(例如，石灰石或其他礦物粉塵)、水、泵送助劑和聚合物(例如，丙烯酰胺均聚物、丙烯酰胺共聚物及其組合)構成的組合物施用于礦的表面。將巖粉與水混合以得到第一混合物，將泵送助劑添加到第一混合物中以得到第二混合物，將聚合物與第二混合物共混以得到第三混合物。聚合物和泵送助劑也可直接共混到灌漿線(grout line)中。將第三混合物噴灑到礦的表面(例如，壁、頂棚和地面)上并使其干燥成非粘結性團塊。用噴灑裝置施用組合物，使其粘附到`礦的表面。組合物可噴灑至適合于防止和抑制由煤粉和甲烷氣體點燃造成的火的厚度。在施用后，組合物的低水含量使水能夠蒸發，得到容易撒布的細且弱粘結性的材料的干團塊。
[0016]本公開部分地涉及包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的組合物。
[0017]本公開還部分地涉及包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的發泡的或加氣的組合物。
[0018]本公開進一步部分地涉及包含巖粉和聚合物的組合物。
[0019]本公開又進一步部分地涉及包含巖粉和聚合物的發泡的或加氣的組合物。
[0020]本公開還部分地涉及施用在煤礦表面上的組合物。該組合物包含團聚的顆粒。所述團聚顆粒包含具有巖粉顆粒與之附接的聚合物鏈。
[0021]本公開進一步部分地涉及用于制備組合物的工藝。該工藝包括:a)提供包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的組合物；和b)在足以形成團聚顆粒的絮凝條件下使組合物絮凝。團聚顆粒包含具有巖粉顆粒與之附接的聚合物鏈。
[0022]本公開又進一步部分地涉及用于制備組合物的工藝。該工藝包括:a)將巖粉與水混合以得到第一混合物山)將泵送助劑添加到第一混合物以得到第二混合物；和c)將聚合物共混到第二混合物中以得到組合物。
[0023]本公開還部分地涉及用于制備組合物的工藝。該工藝包括:a)將巖粉與水混合以得到第一混合物山)將泵送助劑與聚合物混合以得到第二混合物；和c)將第二混合物添加到第一混合物中以得到組合物。
[0024]本公開進一步部分地涉及用于制備發泡的或加氣的組合物的工藝。該工藝包括:
a)將巖粉與水混合以得到第一混合物；b)將泵送助劑與聚合物混合以得到第二混合物；c)將第二混合物添加到第一混合物以得到組合物；和d)攪拌混合該組合物以得到發泡的或加氣的組合物。
[0025]本公開又進一步部分地涉及用于在表面上形成組合物的工藝。該工藝包括:a)將巖粉與水混合以得到第一混合物；b)將泵送助劑添加到第一混合物中以得到第二混合物；
c)將聚合物共混到第二混合物中以得到第三混合物；d)將第三混合物施用于表面；和e)使第三混合物在表面上干燥。
[0026]本公開還部分地涉及用于在表面上形成組合物的工藝。該工藝包括:a)將巖粉與水混合以得到第一混合物山)將泵送助劑與聚合物混合以得到第二混合物；c)將第二混合物添加到第一混合物中以得到組合物；d)將組合物施用于表面；和e)使組合物在表面上干燥。
[0027]本公開進一步部分地涉及用于在表面上形成組合物的工藝。該工藝包括:a)將巖粉與水混合以得到第一混合物；b)將泵送助劑與聚合物混合以得到第二混合物；c)將第二混合物添加到第一混合物中以得到第三混合物；d)攪拌混合第三混合物以得到發泡的或加氣的組合物；e)將組合物施用于表面；和f)使發泡的或加氣的組合物在表面上干燥。
[0028]本公開又進一步部分地涉及對煤礦表面進行撒粉的方法。該方法包括:a)提供包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的組合物山)將組合物施用于煤礦表面；和(3)使組合物在煤礦表面上干燥。
`[0029]本公開還部分地涉及對煤礦表面進行撒粉的方法。該方法包括:a)提供包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的組合物；b)攪拌混合該組合物以得到發泡的或加氣的組合物；
c)將發泡的或加氣的組合物施用于煤礦表面；和d)使發泡的或加氣的組合物在煤礦表面上干燥。
[0030]本公開進一步部分地涉及用于抑制由煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃造成的火焰和/或火蔓延的方法。該方法包括:a)提供包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的組合物；b)將組合物施用于煤礦表面；和c)使組合物在煤礦表面上干燥。在煤礦表面上干燥的組合物對于煤礦表面具有足夠的粘附性，使得在煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃后，來自爆炸和/或火的沖擊就使至少一部分巖粉從煤礦表面脫落，以產生抑制煤礦中火焰和/或火蔓延的巖粉-空氣懸浮體。
[0031]本公開又進一步部分地涉及用于抑制由煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃造成的火焰和/或火蔓延的方法。該方法包括:a)提供包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的組合物；
b)攪拌混合該組合物以得到發泡的或加氣的組合物；c)將發泡的或加氣的組合物施用于煤礦表面；和(1)使發泡的或加氣的組合物在煤礦表面上干燥。在煤礦表面上干燥的組合物對于煤礦表面具有足夠的粘附性，使得在煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃后，來自爆炸和/或火的沖擊就使至少一部分巖粉從煤礦表面脫落，以產生抑制煤礦中火焰和/或火蔓延的巖粉-空氣懸浮體。
[0032]本公開的優點在于，在施用期間沒有產生過多的氣載粉塵，因此免除了在施用期間疏散區域中員工的需要。與干式石粉撒布相比，該工藝要清潔得多并且浪費少的多。施用后，組合物的低水含量使得組合物中的水能夠蒸發，得到了團聚顆粒(例如，包含具有巖粉顆粒與之附接的聚合物鏈的團聚顆粒)的干團塊，所述干團塊易于撒布并且性質與用于常規石粉撒布工作中的干粉塵的性質相似。在煤礦表面上干燥的組合物對煤礦表面具有足夠的粘附性，使得在在煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃后，來自爆炸和/或火的沖擊就使至少一部分巖粉顆粒從聚合物鏈中脫離以產生巖粉-空氣懸浮體。該巖粉-空氣懸浮體抑制由煤礦中煤粉和/或瓦斯點燃造成的火焰和/或火的蔓延。
[0033]參照下面的附圖和詳細描述可理解本公開更多的目的、特征和優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1是用于制備巖粉撒布組合物、將組合物噴灑到礦壁上和使組合物干燥成非粘結性團塊的本公開工藝的示意圖。
[0035]圖2描繪了使巖粉顆粒保持分開的與巖粉顆粒附接的聚合物鏈。
[0036]圖3描繪了涉及聚合物和懸浮巖粉顆粒以形成團聚顆粒的絮凝過程。
【具體實施方式】
[0037]本公開提供了用于防止和抑制煤礦中火的組合物，以及對礦的表面進行撒粉以防止和抑制火和爆炸的方法，所述方法通過用使組合物粘附于礦的表面的噴灑裝置施用組合物來實現。
[0038]本公開包括包含巖粉(例如，石灰石粉塵)、聚合物(例如，丙烯酰胺均聚物或共聚物)、泵送助劑(例如，月桂醚硫酸鹽)和水的組合物。本公開還包括包含巖粉(例如，石灰石粉塵)和聚合物(例如，丙烯酰胺均聚物或共聚物)的組合物。本公開的組合物包括發泡的和非發泡的，加氣的和非加氣的組合物兩者。
[0039]本公開利用了水溶性聚合物的粘結性能，其使得濕混的巖粉撒布材料以比用任何目前常規方法可獲得的層更厚的層粘附至礦壁。因為巖粉被濕式施用，所以消除了布置期間進入懸浮體中的微粒。當將抗結塊聚合物添加到撒布粉末和水的混合物中時，撒粉組合物將變稠并發生輕微凝膠化。這會在濕的狀態時使水分子在團塊中分散。隨著使該材料在礦壁上干燥，聚合物將消失。當聚合物消失時，巖粉撒布團塊中將存在空隙空間。根據所用的聚合物的劑量和類型，該空隙空間按體積計在3%與50%之間變化。
[0040]當經歷礦井爆炸/沖擊時，這種撒粉組合物將作為細粉末而不是小塊分散，這與如果干式施用撒粉組合物會出現的分散體類似。在煤礦表面上干燥的組合物對煤礦表面具有足夠的粘附性，使得在在煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃后，來自爆炸和/或火的沖擊就使至少一部分巖粉顆粒從聚合物鏈脫離以產生巖粉-空氣懸浮體。巖粉-空氣懸浮體抑制由煤礦中煤粉和/或瓦斯點燃造成的火焰和/或火的蔓延。
[0041]巖粉撒布材料可由任意細的惰性粉末組成，所述惰性粉末是天然土制品或者副產物(例如飛灰或硅灰)。用于本公開的組合物的合適巖粉可以是由MSHA批準市售的惰性土制品材料。MSHA將巖粉定義為粉碎的石灰石、白云石、石膏、硬石膏、頁巖、土磚或其他惰性材料，優選淺色的，100%可穿過20目/線性英寸的篩并且70%或以上可穿過200目/線性英寸的篩。參見30C.F.R.29.4。[0042]可用于本公開的組合物的示例性巖粉材料包括例如，磨碎的石灰石、F級飛灰、C級飛灰、硅灰、石膏、硬石膏、膨脹性粘土、非膨脹性粘土和細磨過的尾礦。其它的示例性巖粉材料包括白云石、菱鎂礦和大理石。這些材料或礦物優選是不溶于水的、不易燃的并且可包括惰性的有機鹽或無機鹽。粉塵也可由所列組分的混合物構成。這些粉塵材料的特征在于容易摻入到組合物中。組合物可用少量水施用并且一旦干燥后就恢復為抑制火和爆炸所必需的干燥的，可空氣分散的粉末。
[0043]巖粉可包括由MSHA定義的材料，例如粉碎的石灰石、白云石、石膏、硬石膏、頁巖、土磚或其他惰性材料。巖粉優選是淺色的，100%可穿過20目/線性英寸的篩并且70%或以上可穿過200目/線性英寸的篩。巖粉的粒徑應符合適用的MSHA指南。
[0044]本公開的組合物中巖粉的濃度可在寬范圍中變化，并且僅需要在噴灑后覆蓋礦的表面所必需的最小量。一般來說，根據巖粉的組成，基于所施用組合物的重量，范圍為約25重量百分比或以下至40重量百分比或以上，優選約27重量百分比至約31重量百分比，并且更優選約28重量百分比至約30重量百分比的巖粉濃度對于大多數組合物應該是足夠的。
[0045]本公開的組合物表現出基于所施用組合物重量的約15重量百分比至約40重量百分比，優選約25重量百分比至約29重量百分比，并且更優選約28重量百分比至約32重量百分比的水含量。施用后，材料的低水含量使得水快速蒸發，得到易于撒布的團聚顆粒(例如，包含具有巖粉顆粒與之附接的聚合物鏈的團聚顆粒)的干團塊。組合物具有足以使聚合物(i)將水分子分散在組合物內，和(ii)在組合物干燥時消失以在干燥組合物中形成空隙空間的水含量和聚合物含量。
[0046]撒粉組合物的含水量取決于利用聚合物實現最佳結果的撒粉材料的類型。最佳結果可解釋為在使聚合物有效的范圍內的撒粉組合物中所需的含水百分比。聚合物有效的含水量范圍通常是不可泵送的并且需要在添加聚合物或空氣夾帶之前向巖粉和水中添加單獨的市售的泵送助劑。
[0047]用于本公開的組合物的示例性泵送助劑包括例如摻入組合物中的發泡劑和氣體，例如空氣。泵送助劑是本領域已知的常規材料。合適的發泡劑包括例如月桂醚硫酸鹽、月旨肪醇乙氧基化物的硫酸鹽、脂肪醇的硫酸酯、脂肪酸的硫酸鹽、脂肪酸的磺酸鹽、脂肪酸的乙氧基化物、脂肪酸的羧酸鹽、鏈烷醇酰胺、鏈烷醇胺、烷基芳基磺酸鹽、聚環氧乙烷-聚環氧丙烷嵌段共聚物、烷基酚乙氧基化物、含碳氟化合物的表面活性劑、烯烴磺酸鹽、烯烴硫酸鹽、水解蛋白質及其混合物。發泡劑可以是干燥粉末或液體。優選的發泡劑包括月桂醚硫酸鹽。用于本公開組合物的合適的泵送助劑可得自賓夕法尼亞州艾倫鎮(Allentown)的Cellular Concrete LLC0
[0048]本公開的組合物中發泡劑的濃度可在寬范圍中變化，并且僅需要使組合物可泵送所必需的最小量。一般來說，根據發泡劑的組成，基于所施用組合物的體積，范圍為約33體積百分比至48體積百分比，優選約40體積百分比至約49體積百分比，并且更優選約45體積百分比至約49體積百分比的發泡劑濃度對于大多數組合物應該是足夠的。水與發泡劑的稀釋比可一般為約3:1至約30:1，優選約10:1至約35:1。稀釋比是發泡劑組成的函數并且由組合物的典型用途和最終用途特征決定。
[0049]用于本公開的組合物的泵送助劑可作為發泡劑起作用并且也可作為聚合物分散劑起作用。優選地，泵送助劑(例如，發泡劑)以不僅足以使得組合物可泵送而且足以使聚合物分散的量存在于本公開的組合物中。聚合物分散使得聚合物能夠最佳絮凝。
[0050]用于本公開的泵送助劑可包括空氣夾帶。美國專利N0.5，080，534中描述了用于低水材料輸送的示例性空氣夾帶，其公開內容通過引用并入本文。
[0051]用于本公開的組合物中的示例性聚合物包括例如抗結塊的水溶性聚合物。聚合物是本領域已知的常規材料。合適的聚合物包括例如丙烯酰胺均聚物、丙烯酰胺共聚物、丙烯酰胺均聚物與丙烯酰胺共聚物的組合以及淀粉醚的聚合物。優選的聚合物包括丙烯酰胺均聚物、丙烯酰胺共聚物、以及丙烯酰胺均聚物與丙烯酰胺共聚物的組合。聚合物可以是非離子型或陽離子型的。聚合物的最小分子量應該為至少25，000道爾頓，優選最小分子量為至少約1，000，000道爾頓。可用于本公開的組合物中的聚合物的分子量為約25，000道爾頓至約5，000, 000道爾頓，優選約1，000, 000道爾頓至約5，000, 000道爾頓，并且更優選約I,000, 000道爾頓至約3，000, 000道爾頓。
[0052]聚合物可以是液體或粉末形式。使用液體聚合物的優點與在濕巖粉中分散有關。液體聚合物會更有效地進入巖粉漿料中分散，從而需要較少的機械混合。依賴于噴嘴處對在漿料中分散的限制，也可在噴嘴處添加液體聚合物。使用粉末聚合物的優點是較低的運輸和處理重量，缺點是增加了機械混合需要。可用于本公開組合物中的合適的聚合物可得自于 Cellular Concrete LLC0
[0053]本公開的組合物中聚合物的濃度可在寬范圍中變化，并且僅需要允許濕混巖粉撒布材料以比用任何目前常規方法得到的層更厚的層粘附于礦壁所必需的最小量。一般來說，根據聚合物的組成，基于所施用組合物的重量，范圍為約0.001重量百分比或以下至約0.1重量百分比或以上，優選約0.002重量百分比至約0.005重量百分比，并且更優選約0.002重量百分比至約0.004重量百分比的聚合物濃度對于大多數組合物應該是足夠的。添加到組合物中的聚合物的濃度取決于聚合物分子量。聚合物分子量越高，聚合物濃度越低。如果為了泵送目的而在撒粉混合物中需要較高濃度的水分，則需要較高濃度的聚合物。組合物具有足以使聚合物(i)將水分子分散在組合物內，和(ii)在組合物干燥時消失以在干燥組合物中形成空隙空間的水含量和聚合物含量。
[0054]聚合物產生與巖粉顆粒附接并且保持顆粒分開的鏈，如圖2和圖3所示。這允許更快的干燥，伴隨通過更快干燥和所連接顆粒之間的空間而產生空隙空間。聚合物將干燥并消失，留下巖粉顆粒之間弱的粘結和空隙。空隙允許空氣(例如，來自甲烷爆炸)沖入以進入粉塵團塊中并使顆粒從壁上斷開并且使顆粒彼此斷開。空隙空間占組合物體積的約3%至約50%。
[0055]可添加不干擾本公開組合物的火防止和抑制性能的其它成分。例如，在使用C級飛灰時可使用硼砂以用于凝結控制。
[0056]本公開的優選組合物包括巖粉和聚合物的混合物，其含水量在約26重量百分比至約29重量百分比之間。表面活性劑泵送助劑以使漿料密度降低約33百分比至48百分比的量存在。這是按漿料重量計約0.1重量百分比至0.3重量百分比的濃度。抗結塊共聚物以按漿料重量計1%的劑量存在。
[0057]本公開的工藝涉及:a)將巖粉與水混合以得到第一混合物，b)將泵送助劑添加到第一混合物中以得到第二混合物，和c)將聚合物共混到第二混合物中以得到本公開的組合物。泵送助劑和聚合物也可注入泵后的灌漿流中。可使用具有注射口的三通來實現此目的。可使用壓力低于約125psi的壓縮空氣來推動組合物離開噴嘴，以產生較大噴灑半徑所需的較高流量和足夠速度。
[0058]在另一個實施方案中，本公開的工藝涉及:a)將巖粉與水混合以得到第一混合物；b)將泵送助劑與聚合物混合以得到第二混合物；和c)將第二混合物添加到第一混合物中以得到本公開的組合物。本公開的工藝還包括d)攪拌混合該組合物以得到發泡的或加氣的組合物。攪拌混合應產生足以使聚合物分散的表面積。
[0059]特別地，本公開的工藝涉及:a)提供包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的組合物，和b)在足以形成團聚顆粒的絮凝條件下使組合物絮凝。團聚顆粒包含具有巖粉顆粒與之附接的聚合物鏈。團聚顆粒可在使用或不使用泵送助劑時形成，然而，它們優選在使用發泡劑時形成。
[0060]本公開還涉及用于在表面上形成組合物的工藝。參照圖1，該工藝包括:a)將巖粉與水混合以得到第一混合物102，b)在混合容器中或在灌漿線中將泵送助劑添加到第一混合物中以得到第二混合物104，c)在混合容器中或在灌漿線中將聚合物共混到第二混合物中以得到第三混合物106，d)將第三混合物施用于表面108，和e)使第三混合物在表面108A上干燥。
[0061]在另一個實施方案中，本公開涉及用于通過以下過程在表面上形成組合物的工藝:a)將巖粉與水混合以得到第一混合物；b)將泵送助劑與聚合物混合以得到第二混合物；c)將第二混合物添加到第一混合物以得到組合物；d)將組合物施用于表面；和e)使組合物在表面上干燥。本公開的工藝還涉及攪拌混合該組合物以得到發泡的或加氣的組合物，并將發泡的或加氣的組合物施用于表面。使發泡的或加氣的組合物干燥以在表面上形成組合物。攪拌混合應產生足以使聚合物分散的表面積。
[0062]用于本公開的工藝(例如，絮凝)的反應條件，例如溫度、壓力和接觸(例如，混合、時間)也可變化很大并且本文中可采`用這些條件的任意合適組合。工藝溫度優選在約5°C至約25°C之間，并且更優選在約12°C至約15°C之間。通常在環境溫度和壓力下進行該工藝并且接觸時間可從約幾秒或幾分鐘到數小時或更久間變化。可以以任意順序將成分添加到反應混合物中。對于所有步驟，所采用的攪拌時間的范圍可以是約0.1小時至約400小時，優選約I小時至75小時，并且更優選約4小時至16小時。
[0063]在一個實施方案中，以上工藝中描述的第二混合物優選是包含表面活性劑(泵送助劑)、共聚物、己二醇和水的合成的表面活性劑聚合物濃縮物。合成的表面活性劑聚合物濃縮物可得自 Cellular Concrete LLC。
[0064]本公開的方法涉及將巖粉撒布材料施用于礦的表面(例如，壁、頂棚和地面)。撒粉材料可以是細的惰性粉末、天然土制品或副產物(例如飛灰或硅灰)。該材料濕式使用并且以比干式施用時可得到的層更厚的層施用于礦壁。因為材料濕式施用，所以在布置期間消除了幾乎所有的氣載微粒。可使用大多數市售巖粉撒布裝置將材料噴灑到礦的表面上。在爆破/沖擊情況下，產物從礦壁上分散開，抑制了可由甲烷點燃發生的任何爆炸。
[0065]本公開的對煤礦表面進行撒粉的方法涉及:a)提供包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的組合物山)將組合物施用于煤礦表面；和(3)使組合物在煤礦表面上干燥。本公開的方法還涉及攪拌混合該組合物以得到發泡的或加氣的組合物，將發泡的或加氣的組合物施用于煤礦表面，和使發泡的或加氣的組合物在煤礦表面上干燥。攪拌混合應產生足以使聚合物分散的表面積。優選地，在煤礦表面上干燥的發泡的或加氣的組合物對于煤礦表面具有足夠的粘附性，在在煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃后，來自爆炸和/或火的沖擊就使至少一部分巖粉從煤礦表面脫離，從而產生抑制煤礦中火焰和/或火蔓延的巖粉-空氣懸浮體。
[0066]在一種優選的制備方法中，發泡的漿料組合物可通過在罐中將石灰石粉塵與水攪拌混合以得到漿料混合物來制備。槳式混合器位于罐的底部以提供攪拌混合。在單獨的容器中，將泵送助劑(例如，表面活性劑)與聚合物混合以得到表面活性劑/聚合物混合物。將表面活性劑/聚合物混合物添加到罐中的漿料混合物中。通過槳式混合器將罐中的內容物攪拌混合以得到發泡的漿料組合物。攪拌混合應產生足以使聚合物分散的表面面積。可任選地將另外的石灰石粉塵添加到罐的內容物中并通過槳式混合器攪拌混合。
[0067]發泡的漿料組合物包含巖粉和聚合物的混合物，其含水量為約26重量百分比至約40重量百分比。表面活性劑泵送助劑以按發泡的漿料組合物重量計約0.1重量百分比至0.6重量百分比濃度的量存在。抗結塊共聚物以按發泡的漿料組合物重量計1%的劑量存在。
[0068]然后通過螺桿泵將發泡的漿料組合物由罐泵送至噴嘴用于噴灑。在噴嘴末端之前是混合三通(mixing tee),其包括來自罐的衆料供應線之外還包括來自液壓驅動壓縮機的空氣供應線。空氣供應線用于供應用于將發泡的漿料組合物噴灑到礦的表面上的空氣。可使用壓力低于約125psi的壓縮空氣來推動發泡的漿料組合物離開噴嘴，以產生較大噴灑半徑所需的較高流量和足夠速度。
[0069]然后將發泡的漿料組合物噴灑到礦的表面上。噴灑使得發泡的漿料組合物粘附于礦井的表面，使得能夠施用多個層直至達到期望厚度。每個層的厚度通常小于約1/32英寸。發泡的漿料組合物的密度大于約60磅/立方英尺。
[0070]本公開的一個實施`方案包括用于使用組合物噴灑礦的表面的方法，所述組合物包含巖粉(例如，石灰石、白云石、菱鎂礦、F級飛灰、硅灰、石膏、硬石膏、非膨脹性粘土、細磨過的尾礦及其混合物的粉塵)、水、泵送助劑(例如，月桂醚硫酸鹽)和聚合物(例如，丙烯酰胺均聚物或共聚物)。該方法涉及將組合物輸送至噴射噴嘴(其可通過泵送或通過氣力輸送來實現)，以及將組合物噴灑到礦的表面上。組合物粘附于礦井的礦的表面并脫水或失去水分以形成多孔覆蓋層，例如具有空隙空間的覆蓋層。在本公開整篇中提及礦時，其還意指包括米礦場。
[0071]用于對煤礦表面進行撒粉的優選方法包括:選擇適當的混合容器；將干巖粉粉末和水添加到容器；在混合容器的排出處，在泵軟管之前添加三通以注射泵送助劑和抗結塊共聚物；和將材料噴灑到礦壁上。
[0072]用于將組合物施用于煤礦表面的優選方法包括:選擇在限定空間中具有槳式混合器的混合容器。混合容器的大小優選為至少13立方英尺。混合器應具有可完全混合巖粉與水的足夠的混合速度。在混合容器的排出處是泵，可在至少約50psi的壓力下泵送的螺桿泵或活塞式泵。泵的輸出應最小為3加侖/分鐘。在泵的排出處，添加三通以注射泵送助劑表面活性劑和抗結塊聚合物。將泵送助劑和抗結塊聚合物添加至鋼制加壓罐中。然后用空氣將該罐加壓至約IOOpsi至200psi。然后將加壓的表面活性劑泵送助劑和抗結塊聚合物注射到泵軟管中并將所得組合物噴灑到礦壁上。噴嘴由噴射流的節流口組成，其將產生速度和壓力。該速度和壓力將使得產物能夠噴灑到礦壁上。
[0073]如上所述的，施用巖粉的最常用方法是干式的。這是因為巖粉在施用時是非粘結性的。在甲烷爆炸的情況下，巖粉會作為粉末分散。由于沒有使用導致巖粉粘結的水，所以不會發生結塊。在濕式噴灑應用中，在使巖粉干燥時，巖粉變成固體粘結團塊。因此，在甲烷爆炸的情況下，巖粉會分散成團塊或塊狀物。巖粉將沒有對礦井爆炸有效的細度(表面積)。本公開使得巖粉能夠在濕式施用時作為粉末剝離(約300微米或更小)，使得巖粉在甲烷爆炸中有效。本公開的材料將與干式撒布法相似地分散。
[0074]由于多個原因，本領域中通常不使用濕式噴灑巖粉的方法。該方法對于濕巖粉在礦壁上干燥所花費的時間太長。當濕巖粉干燥時，其粘結性太大而不能在甲烷爆炸的情況下從礦壁上剝離。如果巖粉確實剝離，則其將以塊狀物而不是細粉末剝離。
[0075]本公開使巖粉組合物能夠以比常規濕法少約25%的水含量噴灑。這主要是由于泵送助劑的使用。泵送助劑通常是使漿料粉塵移動通過軟管的表面活性劑或空氣。巖粉組合物通常在施用到表面后24小時內干燥。聚合物將使材料能夠在以濕的狀態施用時是粘附性的，而在使其干燥時是非粘附性的。如果發生甲烷爆炸，這使得材料能夠作為粉末而不是塊狀物分散。
[0076]本公開的組合物可以以期望厚度沉積在煤礦表面上。例如，在煤礦表面上形成的覆蓋層的厚度的范圍可以是約0.25cm至約2.5cm,優選約0.5cm至約2cm,并且更優選約1.5cm至約1.8cm。利用濕的組合物施用巖粉的優點在于，當輸送濕的組合物(例如通過使用噴灑裝置)時，其使濕的組合物粘附于礦的表面，從而能夠施用多個層直至達到期望的厚度。另外，在施用期間沒有產生過量的粉塵，從而可能消除在過程期間疏散礦井的需要。
[0077]本公開的組合物 將濕式撒粉技術與聚合物結合起來以允許適當干燥并提高巖粉撒布特性。根據礦井空氣流速和濕度，巖粉通常在24小時內干燥。
[0078]本公開的組合物的流動性足以被泵送和噴灑至礦壁表面，例如壁、頂棚和地面。組合物可用允許組合物粘附于煤礦表面的噴灑裝置施用。因為組合物濕式施用，所以其可形成適合于特定應用的任意厚度。組合物具有足以使聚合物(i)將水分子分散在組合物內，和(ii)在組合物干燥時消失以在干燥組合物中形成空隙空間的水含量和聚合物含量。
[0079]撒施設備可用在本公開的方法中。撒施設備可以是完全液壓動力單元，其可通過電池或柴油伊動力輸出(diesel scoop power takeoff )液壓回路驅動。所述設備包括軟管(例如，50英尺)和由最終使用者噴灑作業者操作的噴嘴，所述噴灑作業者由鏟(scoop)作業者幫助以運行所述單元。撒施設備使得能夠在可允許的地方，分批處理產物和面噴灑作業。根據礦井的高度和寬度，典型的分批作業使得巖粉施用能夠用于200英尺的肋拱和頂棚的覆蓋。在與本發明同一日期提交的共同審理的美國專利申請序列號(0007545USU)中描述了可用于本公開方法中的優選撒施設備，其通過引用并入本文。
[0080]本公開的組合物可在礦井的地下場所中制備。為了形成組合物，可在移動罐中共混巖粉和水的混合物。在罐底部可以是分段螺旋螺桿(auger screw)，其可提供共混成分所需的混合動作。槳式混合器可用于將成分共混成均勻組合物中。該混合容器也可用來共混泵送助劑和聚合物，或者，泵送助劑和聚合物可在泵之后注射到灌漿流中以進行混合。
[0081]移動罐可在地下移動并且定位至礦井中可需要撒粉活動的任意可進入區域。在處于礦井中施用的位置后，可使用移動罐上或附近的泵將組合物通過軟管和噴嘴泵送，在這里將組合物施用于礦的表面，例如壁、頂棚和地面。如果在混合容器中共混，則組合物中的一些可能在撞擊礦的表面時損失。如果將聚合物注入灌漿流中則不會發生損失。本公開的組合物的低水含量促進了流變學硬化，使得團塊粘稠，并且促進粘附于表面并使得材料能夠積累到期望厚度。由噴嘴噴灑的組合物的速度應使得組合物能夠保留在表面上并在發生爆炸和礦井火的情況下保持組合物性能所需的性質。
[0082]此外，如果組合物要施用在多于一處地方，材料可在第一地點制造并泵送至礦井中的站點。在那里，可保存材料以根據需要使用，而不用必須在整個礦井中長距離地運輸大罐中的材料。
[0083]例如，組合物可通過連續的螺桿泵施用，以將組合物泵送至氣動施用噴嘴。使用該噴嘴使得能夠將足夠的組合物施用到礦的表面上。另外，組合物可使用無氣系統施用。無氣系統中最簡單的形式可以省略噴嘴并僅依賴于由連續螺桿泵產生的壓力來施用材料。
[0084]本公開的多種修改和變化對于本領域技術人員是顯而易見的，并且應理解，這樣的修飾和變化包括在本申請的范圍以及權利要求的精神和范圍中。
實施例
[0085]評估噴灑的巖粉/聚合物組合物以確定空隙空間的量。下表A列出巖粉/聚合物組合物,組合物中聚合物的量和由該組合物產生的空隙空間的量。
[0086]表 A
【權利要求】
1.一種組合物，其包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物。
2.根據權利要求1所述的組合物，其具有足以使所述聚合物(i)將水分子分散在所述組合物內，和使所述聚合物(ii)在所述組合物干燥時消失以在所述干燥組合物中形成空隙空間的水含量和聚合物含量。
3.根據權利要求2所述的組合物，其中所述空隙空間占按所述組合物體積的約3%至約50%。
4.根據權利要求2所述的組合物，其中所述水含量為所述組合物重量的約15%至約40%。
5.根據權利要求1所述的組合物，其中所述聚合物選自丙烯酰胺均聚物、丙烯酰胺共聚物、丙烯酰胺均聚物與丙烯酰胺共聚物的組合、以及作為淀粉醚的聚合物。
6.根據權利要求1所述的組合物，其中所述巖粉選自磨碎的石灰石、F級飛灰、C級飛灰、硅灰、石膏、硬石膏、膨脹性粘土、非膨脹性粘土、細磨過的尾礦及其混合物。
7.根據權利要求1所述的組合物，其中所述泵送助劑包含摻入到所述組合物中的表面活性劑或氣體。
8.根據權利要求7所述的組合物，其中所述表面活性劑選自月桂醚硫酸鹽、脂肪醇乙氧基化物的硫酸鹽、脂肪醇的硫酸酯、脂肪酸的硫酸鹽、脂肪酸的磺酸鹽、脂肪酸的乙氧基化物、脂肪酸的羧酸鹽、鏈烷醇酰胺、鏈烷醇胺、烷基芳基磺酸鹽、聚環氧乙烷-聚環氧丙烷嵌段共聚物、烷基酚乙氧基化物、含碳氟化合物的表面活性劑、烯烴磺酸鹽、烯烴硫酸鹽、水解蛋白質及其混合物。
9.根據權利要求1所述的組合物，其中所述泵送助劑以足以使所述聚合物分散的量存在。
10.一種發泡的或加氣的組合物，其包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物。
11.一種用于制備組合物的方法，所述方法包括: a)提供包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的組合物；和 b)在足以形成團聚顆粒的絮凝條件下使所述組合物絮凝，所述團聚顆粒包含具有巖粉顆粒與之附接的聚合物鏈。
12.—種用于制備組合物的方法，所述方法包括: a)將巖粉與水混合以得到第一混合物； b)將泵送助劑與聚合物混合以得到第二混合物； c)將所述第二混合物添加到所述第一混合物中以得到所述組合物；和 d)任選地將所述組合物攪拌混合以得到發泡的或加氣的組合物。
13.一種用于在表面上形成組合物的方法，所述方法包括: a)將巖粉與水混合以得到第一混合物； b)將泵送助劑與聚合物混合以得到第二混合物； c)將所述第二混合物添加到所述第一混合物中以得到所述組合物； d)任選地將所述組合物攪拌混合以得到發泡的或加氣的組合物； d)將所述組合物或者發泡的或加氣的組合物施用于所述表面；和 e)使所述組合物或者發泡的或加氣的組合物能夠在所述表面上干燥。
14.根據權利要求13所述的方法，其中能夠在所述表面上干燥的所述組合物或者發泡的或加氣的組合物包含團聚顆粒，所述團聚顆粒包含具有巖粉顆粒與之附接的聚合物鏈。
15.—種對煤礦表面進行撒粉的方法,所述方法包括: a)提供包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的組合物； b)任選地將所述組合物攪拌混合以得到發泡的或加氣的組合物； c)將所述組合物或者發泡的或加氣的組合物施用于煤礦表面；和 d)使所述組合物或者發泡的或加氣的組合物能夠在所述煤礦表面上干燥。
16.根據權利要求15所述的方法，其中在所述煤礦表面上干燥的所述組合物包含團聚顆粒，所述團聚顆粒包含具有巖粉顆粒與之附接的聚合物鏈。
17.根據權利要求15所述的方法，其中在所述煤礦表面上干燥的所述組合物或者發泡的或加氣的組合物對于所述煤礦表面具有足夠的粘附性，使得在煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃時，來自爆炸和/或火的沖擊使至少一部分所述巖粉顆粒從所述聚合物鏈脫離以產生巖粉-空氣懸浮體。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述巖粉-空氣懸浮體抑制由所述煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃造成的火焰和/或火的蔓延。
19.一種用于抑制由煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃造成的火焰和/或火蔓延的方法，所述方法包括: a)提供包含巖粉、水、泵送助劑和聚合物的組合物； d)任選地將所述組合物攪拌混合以得到發泡的或加氣的組合物；` b)將所述組合物或者發泡的或加氣的組合物施用于煤礦表面；和 c)使所述組合物或者發泡的或加氣的組合物能夠在所述煤礦表面上干燥； 其中在所述煤礦表面上干燥的所述組合物或者發泡的或加氣的組合物對于所述煤礦表面具有足夠的粘附性，使得在所述煤礦中的煤粉和/或瓦斯點燃時，來自爆炸和/或火的沖擊使至少一部分所述巖粉顆粒從所述煤礦表面脫離以產生抑制所述煤礦中的火焰和/或火蔓延的巖粉-空氣懸浮體。
20.根據權利要求19所述的方法，其中在所述煤礦表面上干燥的所述組合物包含團聚顆粒，所述團聚顆粒包含具有巖粉顆粒與之附接的聚合物鏈。
【文檔編號】C09K3/22GK103517962SQ201180069435
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2011年8月11日 優先權日:2011年1月18日
【發明者】布賴恩·彼得·馬斯洛夫, 詹姆斯·愛德華·平克利, 比利·J·布朗, 史蒂文·J·索羅古德, 約翰·C·福多爾 申請人:Dsi 地下系統有限公司