新型礦井凝膠防滅火材料的特性試驗研究

王海鵬

(潞安集團 李村煤礦,山西 長治 046600)

隨著礦井開采進程的不斷推進,巷道延伸變長,通風(fēng)系統(tǒng)變得較為復(fù)雜;工作面開采深度變大,瓦斯?jié)舛戎饾u增大,煤層自燃率也逐漸增大。采高增大,采空區(qū)遺留煤量也明顯增多,若采空區(qū)密封不實或作業(yè)不規(guī)范,則會存在較大的煤層自燃隱患,特別是對于本身具有自燃傾向的煤層,煤層自燃威脅更為顯著[1]。而煤層的自燃多數(shù)發(fā)生在工作面、采空區(qū)、高冒區(qū)以及停采線附近,純粹的采用注漿、噴阻化劑以及注惰性氣體等方式,都存在著各自的缺陷,例如漿液無法實現(xiàn)對高位煤體的防治，阻化劑具有較強的化學(xué)腐蝕性，惰性氣體易泄漏等等[2]。為此需要對礦井煤層自燃防滅火材料進一步優(yōu)化,確保礦井能安全、經(jīng)濟、高效地生產(chǎn)。

1　試驗材料及作用原理

本次試驗采用凝膠泡沫作為煤層防滅火材料,主要成分由發(fā)泡劑、稠化劑以及交聯(lián)劑三部分組成,將上述材料按某種配比配置成漿液,再通過氮氣進行發(fā)泡處理,在所形成的泡沫外壁上稠化劑與交聯(lián)劑會發(fā)生凝膠反應(yīng),從而形成凝膠防滅火材料[3-4]。

稠化劑選取聚丙烯酰胺,當(dāng)與水混合之后會發(fā)生水解作用,水解之后的部分酰胺基團會被替換為羧基,具有較強的親水性,除此之外還會分解產(chǎn)生部分的HPAM,它可以使高分子親水端與水分形成氫鍵締合,使溶液中的各分子之間形成緊密的網(wǎng)狀骨架,顯著提高配置漿液的粘稠度。

交聯(lián)劑選取生物膠體(PX),這種交聯(lián)劑與HPAM混合之后形成氫鍵復(fù)合物,粘度高于兩者單體溶液的黏度,兩者的混合同時增強了溶液的膠結(jié)性。

發(fā)泡劑為復(fù)合發(fā)泡劑,單一種類的發(fā)泡劑很難形成高倍數(shù)泡沫,至少需要按一定比例混合兩種發(fā)泡劑才能形成高強度液膜。試驗選用烷基磺酸鹽、酸乙醇胺鹽、烷基苯磺酸鈉以及十二烷基硫酸鈉四種發(fā)泡劑進行試驗。當(dāng)其與水混合之后,通入氣體能夠使氣泡與液體之間形成穩(wěn)定液膜,親水基一側(cè)與水分子結(jié)合,疏水基一端與疏水分子結(jié)合,使溶液中的兩種互不相溶的組分間形成一種穩(wěn)定的膜,這種膜的強度直接決定了氣泡的質(zhì)量[5-6]。水為普通自來水。

2　試驗路線

本次試驗從發(fā)泡劑著手,首先確定發(fā)泡劑種類及各種類之間的組分配比,再確定發(fā)泡劑的最佳質(zhì)量濃度。然后根據(jù)已確定的發(fā)泡劑參數(shù)選取稠化劑與交聯(lián)劑的質(zhì)量比與混合濃度比,由此得到凝膠泡沫滅火材料的最優(yōu)試驗配比。

3　試驗方案與數(shù)據(jù)分析

1)初選四種發(fā)泡劑配置復(fù)合發(fā)泡劑,分別為烷基磺酸鹽、酸乙醇胺鹽、烷基苯磺酸鈉以及十二烷基硫酸鈉。對四種發(fā)泡劑進行兩兩組合,配置后的復(fù)合發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5‰,取稠化劑與交聯(lián)劑質(zhì)量濃度分別為3‰不變,所得泡沫體積如表1所示。

表1　不同組合復(fù)合發(fā)泡劑的發(fā)泡體積Table 1　Foaming volume of different composite foaming agents

由表可知選取A1:A3=1:1時,發(fā)泡效果最明顯,兩種發(fā)泡劑在一定程度上能實現(xiàn)協(xié)同增效作用,增加了發(fā)泡的效果。反之,當(dāng)其中兩兩組合的發(fā)泡劑的組分比例超過某一比值時,則會反過來抑制發(fā)泡劑的作用效果,這是由于發(fā)泡劑的成分不同,導(dǎo)致其對水質(zhì)中各離子間的敏感程度也不相同。因此,可知等比例配置A1、A3可以最大程度提高液膜分子間的引力,即液膜強度最高。

2)確定發(fā)泡劑種類及配比之后,需確定發(fā)泡劑占配置溶液的質(zhì)量濃度,選取發(fā)泡劑質(zhì)量濃度1‰、2‰、3‰、4‰、5‰和6‰。分別對材料的發(fā)泡體積與表面張力進行分析。不同發(fā)泡劑濃度對氣泡性質(zhì)的影響關(guān)系見圖1。

圖1　不同發(fā)泡劑濃度對氣泡性質(zhì)的影響關(guān)系Fig.1　Effects of foaming agent concentration on bubble properties

由圖1可知,隨著發(fā)泡劑質(zhì)量濃度的不斷增大,發(fā)泡體積不斷減小,但泡沫的表面張力逐漸增大。特別是當(dāng)濃度值高于4‰時,泡沫體積變化率較為平穩(wěn),且表面張力也幾乎不變。由此可知,當(dāng)溶液加入發(fā)泡劑之后,發(fā)泡劑分子與水分子進行了迅速搭接,空氣與液體之間的接觸面積減小,泡沫體積瞬間增大,液體分子的表面張力也隨之減弱。但是當(dāng)發(fā)泡劑濃度逐漸增大至3‰～4‰這段范圍內(nèi)時,發(fā)泡劑對溶液的作用效果幾乎達到了飽和狀態(tài),發(fā)泡劑與水分子中的各組分間已經(jīng)形成了致密的液膜,且此時溶液中的氣體性質(zhì)基本穩(wěn)定,氣泡的體積與表面張力也達到理想值。繼續(xù)增大發(fā)泡劑含量之后,這些多出的發(fā)泡劑不會對溶液中各分子進行搭接,而是單獨以分子的形式存在于溶液中并且不會發(fā)生分散,以膠狀結(jié)構(gòu)懸浮在溶液中,即4‰為發(fā)泡劑的最佳濃度值。

3)確定發(fā)泡劑種類及最優(yōu)配比之后,取稠化劑與交聯(lián)劑的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6‰,通過改變二者比例,對漿液的泡沫體積與泡沫黏度進行分析,從而確定兩者的最后質(zhì)量之比,選取稠化劑與交聯(lián)劑質(zhì)量比梯度為:0:10、1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1和10:0。稠化劑與交聯(lián)劑混合作用效果見圖2,不同質(zhì)量比時的稠化劑與交聯(lián)劑發(fā)泡效果見圖3。

圖2　稠化劑與交聯(lián)劑混合作用效果圖Fig.2　Mixing effect of thickener and cross-linking agent

圖3　不同質(zhì)量比時的稠化劑與交聯(lián)劑發(fā)泡效果圖Fig.3　Foaming effects of thickener and cross-linking agent at different mass ratios

由圖2中的兩條黏度變化線對比可知,添加單一稠化劑之后,溶液黏度在5‰之后會發(fā)生明顯的提升,但是當(dāng)采用稠化劑與交聯(lián)劑混合之后,溶液黏度在2‰之后就會提高,且在5‰之后的提升速度遠遠高于單一稠化劑。其原因是兩種高分子添加劑在溶液中的分子會發(fā)生空間重疊,稠化劑中的雙螺旋結(jié)構(gòu)與交聯(lián)劑中的半乳糖支鏈結(jié)構(gòu)在空間上構(gòu)成了穩(wěn)定的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)具有較強的穩(wěn)定性,大大增強溶液的黏度。

由圖3可知,交聯(lián)劑與稠化劑會形成穩(wěn)定的三圍網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),且交聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,泡沫體積與泡沫黏度都逐漸增大,表面發(fā)泡性逐漸增強,但是當(dāng)其質(zhì)量占比超出一半之后,未發(fā)生重疊的半乳糖支鏈破壞了整個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),反而減小了溶液的黏度,且此時溶液呈現(xiàn)為不均勻狀。因此,選取交聯(lián)劑與稠化劑的最佳質(zhì)量配比為5:5。

4)根據(jù)已確定的最優(yōu)比例不變,改變交聯(lián)劑與稠化劑的總質(zhì)量濃度為1‰、2‰、3‰、4‰、5‰,通過分析混合溶液的發(fā)泡性與析液特性,選取最優(yōu)質(zhì)量濃度。聚合添加劑質(zhì)量濃度對氣泡性能的影響關(guān)系見圖4。

由圖4可知當(dāng)交聯(lián)劑、稠化劑質(zhì)量濃度為1‰時,漿液的黏度較低,官能基團無法形成穩(wěn)定的交接點,混合后漿液不均勻,甚至還會出現(xiàn)分層現(xiàn)象,表面大量水分子仍處于獨立分布狀,此時發(fā)泡性較弱。當(dāng)質(zhì)量濃度增大至3‰時,聚合添加劑中含有大量的羥基,這些羥基能夠與水分子形成穩(wěn)定的氫鍵,從而將水分子牢牢地鎖在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,氣泡質(zhì)量與發(fā)泡性能達到極限。當(dāng)質(zhì)量濃度達到3‰,繼續(xù)增大聚合添加劑的質(zhì)量濃度只會增大漿液的黏度,反而影響了漿液的質(zhì)量,反作用于氣泡,降低了氣泡質(zhì)量，因此,可選取3‰作為聚合添加劑的質(zhì)量濃度。

圖4　聚合添加劑質(zhì)量濃度對氣泡性能的影響關(guān)系Fig.4　Effects of the mass concentration of polymer additives on bubble performance

由此可以得到發(fā)泡劑選用1:1配置,質(zhì)量濃度為4‰;稠化劑與交聯(lián)劑質(zhì)量濃度比為1:1,質(zhì)量濃度為3‰。經(jīng)測試此類新型發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)可達15倍,并且所配置的漿液流動性能較好,具有較高的可泵性。

4　試驗效果

采用上述配比配置漿液,對其流動度、微觀構(gòu)造以及成膜強度進行觀測,可得圖5。

如圖5-a所示,配置的漿液具有較好的流動性,且成膠時間約為20 min,當(dāng)漿液靜置1 d之后會在其表面形成圖5-b中的致密薄膜。通過對薄膜進行測試,其表觀黏度可達13 500 mPa·s,能夠牢牢地附著在煤體表面,起到隔絕空氣的作用;液膜表面張力為35.5 mN/m,其大小不足水的一半,即具有較強的滲透性,能夠快速地在煤體表面進行擴散,甚至可以到達水無法達到的地方。如圖5-d所示,將配置的泡沫均勻地抹在蘸有酒精的紗布上,對其進行酒精燈加熱,可得抗燃燒時間長達352 min,為水的14.1倍,具有較高的阻火特性。如圖5-e所示,將堆積的煤炭進行點燃,采用新型凝膠材料的滅火時間僅為965 s,所用時間與普通泡沫滅火材料相比縮短了一半以上,材料消耗量節(jié)約了將近90%,且形成的泡沫具有較高的抗溫性。

5-e　滅火試驗圖5　新型凝膠材料效果圖Fig.5　Effect picture of the new gel

5　結(jié)論

通過試驗可以得到新型凝膠材料的最佳配比為:發(fā)泡劑選取烷基磺酸鹽與烷基苯磺酸鈉質(zhì)量比為1:1,濃度取4‰;稠化劑與交聯(lián)劑質(zhì)量比為5:5,濃度取3‰。按照此比例配置凝膠材料,可以發(fā)現(xiàn)漿液流動性、氣泡穩(wěn)定性、抗溫性以及阻火特性都遠遠高出普通滅火材料,能夠充分滿足礦井滅火的基本需求,可行性較高。