煤炭在我国能源领域中一直占据着不可动摇的基础地位。随着我国大型煤矿的机械化水平的提高,在开采过程中一直存在的困扰煤矿安全高效生产的问题也逐渐升级;其中,尤以矿井内因火灾显得尤为突出。为提高煤矿内因火灾的防治效果,研制了以粉煤灰复合CMC高分子水溶液为基料金属离子为关键交联因子的复合凝胶。该凝胶结合了粉煤灰的抑制煤氧化的功能同时还具备凝胶良好的流动性、堵漏性、胶结碎煤块和良好的稳定性等优点。设计粉煤灰和CMC水溶液的正交复合试验以及复合基料和交联剂的的正交配制试验,结合复合凝胶的流变特性和成胶时间优选出适用于煤矿井下灭火的A2B2、A3B2复合凝胶。复合凝胶的胶凝速度可通过缓释剂控制,以此来控制复合凝胶的胶凝时间。利用安东帕MCR-302流变仪研究了复合凝胶浆液的流变性,复合凝胶浆液具备剪切稀化的特性,随着剪切速率的增加粘度变小,而剪切力逐渐增加。复合凝胶的剪切速率突然增大时,其粘度骤降;剪切速率突然降至0.1S-1时,复合凝胶需要10s恢复到稳定状态,且稳定后粘度较初始状态降低30%。当凝胶浆液流出管口时,浆液粘度的降低更有利于浆液在火区范围内扩散。复合凝胶可在5min内基本填满碎煤层,填充率可达89.3%。复合凝胶材料的堵漏风性能显著,试验发现该材料可将漏风率降低350%左右;阻化实验表明复合凝胶可有效阻止煤氧结合,显著降低密闭蓄热环境内CO生成量,较水玻璃凝胶效果好。运用自主设计制造的实验炉模拟煤炭自燃实验中发现:当风量较大时,已发火的火区更容易向回风方向发展,在回风方向上容易形成二次高温区的潜在发火区。当漏风量较小时,次生高温区会产生在靠近漏风侧一端。在注胶灭火实验中发现,注胶位置的选择对灭火效果有明显的影响。在高温火区与通风回路之间预先注胶的整体灭火效果要较直接向高温火区中心注胶好,该方法首先将潜在的次生高温区降温覆盖,排除了次生发火的危险,最后灭高温火区,如此,实验结果显示对整个实验炉内部的温度控制程度较好,高温区域可较直接灭火提前2h降至低温,并且最低温度可至39℃,较直接向火区中心注胶灭火低28℃。分析、阐述了复合凝胶材料的防灭火机理:复合凝胶可降低煤吸附氧气的速率,减少化学反应,惰化和减少煤内部的活性官能团和自由基;复合凝胶一方面可减少煤氧反应释放的热量,另一方面可加快煤氧接触面附近的散热,使煤体温度升势减缓,从而有效防止煤炭自燃。本文通过实验分析和理论研究,对复合凝胶的流变性、堵漏性、成胶稳定性、防灭火机理做了系统的研究和分析;将粉煤灰的阻化效果融入到高分子水凝胶中,复合凝胶各项性能基本满足煤矿井下防灭火需求。提出“先围后灭”的注胶灭火思路,为以后复合凝胶的现场推广应用奠定了理论基础。