添加凝膠條件下的黃泥漿抑制煤炭自燃實驗研究

劉繼勇

（陽泉煤業（集團）有限責任公司，山西 陽泉045000）

黃泥漿防滅火的主要原理是基于泥漿將高溫區域的破碎煤炭塊進行包裹處理，進而對煤炭與空氣的完全隔絕，以實現抑制煤炭氧化自熱和自燃事故的產生。基于泥漿良好的流動性，可以更有效地對煤炭塊之間縫隙進行全方位包裹。除此以外，泥漿凝固后，可對煤炭塊表面進行全方位的包裹[1-4]。實驗通過在等量的煤樣中添加最佳配比的黃泥漿添加凝膠材料，對煤樣自燃性測試的相關參數進行對比，對比最佳配比的黃泥漿添加凝膠材料和其他固液防滅火材料在抑制煤炭氧化自燃過程的差異，驗證其抑制煤炭自燃效果的效果及能力。

1 實驗方法及過程

1.1 實驗方法

與煤自燃程序升溫實驗相同，黃泥漿添加凝膠材料抑制煤炭自燃的實驗同樣采用程序升溫裝置和氣相色譜儀，在其他條件相同的情況下，將配制的最佳配比的黃泥漿添加凝膠材料抑制煤炭氧化自燃性能的作為研究目標，分別用最佳配比的黃泥漿添加凝膠材料、純黃泥漿、黃泥漿添加無機凝膠以及黃泥漿添加有機凝膠來處理上述實驗相同的煤樣，重復進行相同的程序升溫過程，然后通過分析、處理實驗過程直接得到的數據，理論分析實驗過程中的變化規律，以此分析黃泥漿添加凝膠材料抑制煤炭氧化自燃的性能。

1.2 實驗條件及過程

煤樣選擇取粒度 0～0.9、0.9～3、3～5、5～7、7～10 mm 部分各 20%混合，實驗煤量為 1.0 kg。

將實驗煤樣與各種固液兩態防滅火材料的漿液都以 1.0 kg∶600 mL 的比例混合。用電子天平稱取一定質量的水，再分別稱取基料、促凝劑和高分子添加物，保證各自的質量分數為4%、5%、0.75‰，先溶解高分子，再分成2 份溶液分別溶解基料和促凝劑，然后按照水土比4∶1 稱取一定量的黃土，將黃土導入基料和促凝劑的混合溶液中，攪拌均勻，然后將制備好的材料以溶液的形式倒入煤樣罐中，安裝好煤樣罐準備實驗。

各組程序升溫供氣流量、程序升溫速率、采集氣體溫度點都與煤自燃程序升溫實驗保持一致。每組實驗具體配比見表1。

表1 對比試驗材料和配比方式明細表Table 1 List of comparative test materials and proportioning methods

2 實驗結果

2.1 CO 的濃度變化

不同固液兩態材料的煤樣經過煤炭程序升溫氧化產生的一氧化碳氣體濃度變化的線如圖1、圖2。

從圖1 可以看出，隨著煤溫的升高，隨著氧化反應的加劇，CO 的濃度都是隨煤溫升高而增加[5-8]；經過處理的煤樣的曲線幾乎全部處于原煤樣的曲線之下，固液兩態材料對CO 產生總量上具有一定的抑制作用，其中最佳配方對煤自燃的抑制效果最佳，其次是黃泥漿分別添加無機材料和有機材料，純黃泥漿的抑制效果較差。

圖1 程序升溫實驗CO 隨溫度變化特性曲線Fig.1 Characteristics of CO as a function of temperature during a programmed temperature rise experiment

圖2 低溫狀態下CO 隨溫度變化特性曲線Fig.2 Characteristics of CO as a function of temperature at low temperatures

從圖2 可以看出，各種配比材料在高溫階段雖然對對煤氧化自燃產生的CO 具有一定的抑制作用，但在低溫狀態下（80 ℃以下）對CO 產生反而起到了一定的促進作用。其根本原因是水的極性削弱了煤空間交聯鍵的結合力，使煤中的交聯鍵更容易斷裂，導致固液兩態材料對煤自燃的影響變為促進作用。正常狀態下，水的抑制作用大致在80 ℃左右，而試驗表明膠體材料的抑制作用發生在70 ℃左右，根本原因是膠體材料具有封堵性和固水性，進而使得水和煤分子的作用受到了區域性的抑制。

2.2 O2 的濃度變化

根據各組防滅火材料實測得到O2濃度數據，對比原煤樣的程序升溫實驗數據，繪制的O2濃度隨溫度變化曲線如圖3。

從圖3 可以看出，隨著溫度的升高，煤氧復合加劇，O2消耗增加[9-10]；對比4 條處理煤樣和原煤樣的曲線變化趨勢，原煤樣程序升溫實驗中O2濃度隨溫度變化的下降趨勢要比處理煤樣的要快，更早的達到了相對低的值；高溫情況下，O2濃度的差別明顯，最佳配方處理的煤樣的O2濃度最高，O2濃度越高說明煤氧化速度越慢，煤氧過程受到抑制；各種實驗材料對煤樣的耗氧速率及CO 的產生量都具有一定的抑制作用，其中最佳配方的抑制效果最好。

圖3 程序升溫實驗O2 濃度隨溫度變化特性曲線Fig.3 Characteristic curves of O2 concentration as a function of temperature

2.3 CH4 的濃度變化

原煤樣與被處理的煤樣產生的CH4濃度隨溫度變化情況如圖4。

圖4 程序升溫實驗CH4 濃度隨溫度變化特性曲線Fig.4 Characteristic curves of CH4 concentration as a function of temperature

由圖4 可以看出，低溫狀態下，各條曲線CH4變化特性均是緩慢上升；100 ℃左右，處理煤樣的固液兩態材料中含有大量的水，其中水會吸收熱量變成水蒸氣，降低了溢出的CH4氣體的濃度，尤其是用純黃泥漿處理的煤樣，在實驗過程中觀察出氣口的現象，熱的水蒸氣非常明顯；高溫狀態下，原煤樣產生的CH4遠大于被處理的煤樣產生的CH4。

2.4 CO2 的濃度變化

程序升溫實驗二CO2濃度隨溫度變化曲線如圖5。由圖5 可以看出，CO2產生的規律和CO 的整體大致相同，被處理的煤樣產生的CO2的量都低于原煤樣產生的CO2的量。

最佳配方處理的煤樣產生的CO2的量最低，說明最佳配方對煤自燃的抑制效果最好。黃泥漿處理的煤樣產生CO2的整體趨勢和原煤的一致，其抑制效果最差。

圖5 程序升溫實驗CO2 濃度隨溫度變化曲線Fig.5 Curves of temperature change of carbon dioxide concentration with temperature

3 結 論

1）比較各組實驗中標志氣體濃度隨溫度的變化曲線，可以看到黃泥漿添加凝膠材料處理煤樣后的CO、CO2、CH4的產量明顯下降，比純黃泥漿的效果要好很多，尤其是最佳配比制成的材料效果最好。

2）黃泥漿添加凝膠材料在程序升溫過程中的耗氧速率和CO 產生率整體低于原煤的相應值，雖然在低溫黃泥漿添加凝膠材料由于其自身含水特性對煤自燃有一定的促進作用，但是90 ℃以后耗氧速率、耗氧速率的增幅及CO 產生率都遠低于原煤，說明此后的階段黃泥漿添加凝膠材料的存在可以降低煤體在氧化自燃過程中的耗氧速率，反映其對煤氧化自燃過程的抑制作用。

3）黃泥漿添加凝膠材料能改善純黃泥漿的保水性能和流動性能，而且還能明顯改善其阻化性能，無論是黃泥漿添加無機材料還是黃泥漿添加有機材料都能將其阻化率提高一倍，而且最佳配比制成的黃泥漿添加凝膠材料的阻化率均達到80%以上。