防治煤自燃的高穩(wěn)定泡沫凝膠的制備及其特性研究

蔡春城

（上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦，江蘇 徐州 221600）

孔莊煤礦7303綜采工作面北為-760 m等高線，南到7301 工作面溜子道，東至KF13 斷層，西至Ⅲ5 采區(qū)人行下山。工作面對應(yīng)地面標高+33.38 m，工作面標高為-641.6～ -764.7 m，工作面走向長1 015.0 m，傾向長205.0 m （斜長217 m），煤層厚度2.90～5.00 m，平均厚度3.20 m，工作面煤層傾角在15°～25°，平均傾角19°，工作面斜面積211 175 m2。7303 工作面過斷層期間，由于回采推進速度慢，斷層區(qū)域采空區(qū)及頂煤存在煤炭自燃風險，因此為加強工作面過斷層期間采空區(qū)防滅火工作，確保工作面的安全生產(chǎn)，研制了一種新型防滅火材料即高穩(wěn)定性泡沫凝膠[1-6]。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗原料：水玻璃（WG），40 °Bé，模數(shù)3.3，含量34%，山東優(yōu)索化工科技有限公司（中國）；碳酸氫鈉（NaHCO3），含量≥ 99.5%，pH 值（50 g/L，25 ℃）≤8.6，水不溶物≤0.01%，分析純；改性有機硅聚醚乳液（MPS），含量55%，臨沂綠森化工有限公司；復(fù)合表面活性劑（CFA）：主要包含脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉和十二烷基硫酸鈉。

1.2 制備流程

（1）制備質(zhì)量濃度為0.7 %的CFA 溶液，然后加入一定量的MPS 進行攪拌直至均勻。 （2）加入一定量的WG 并攪拌均勻。（3）加入一定量的NaHCO3溶液，機械攪拌發(fā)泡。

具體制備流程如圖1。

圖1 高穩(wěn)定性泡沫凝膠的制備流程

1.3 高穩(wěn)定性泡沫凝膠的性能表征

1.3.1 成膠時間

將NaHCO3溶液加入到WG 中混合并充分攪拌5 s，停止攪拌后即開始計時T1，每隔2 s 輕微晃動樣品并觀察漿液流動狀態(tài)，直至漿液凝固，記錄時間T2，成膠時間T=T2-T1。

1.3.2 微觀結(jié)構(gòu)

采用徠卡電子顯微鏡（DVW5000HD，Japan）觀察泡沫的微觀結(jié)構(gòu)。利用圖像分析軟件，分析泡沫體系中氣泡尺寸的分布特征及演化過程[7-9]。

1.3.3 滅火試驗

用柴油作為點火材料。滅火材料包括水、傳統(tǒng)泡沫凝膠和高穩(wěn)定性泡沫凝膠。滅火試驗裝置包括熱電偶、注漿插管、鐵架臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。熱電偶放置在煤堆中間，滅火劑流速為60～80 L/s，灌注壓力為0.6～1 MPa。滅火過程：用柴油引燃煤堆，使用注漿插管將滅火劑灌注到燃燒10 min 后的煤堆，用熱電偶監(jiān)測燃燒過程中溫度的變化。滅火試驗重復(fù)三次，結(jié)果取平均值。

1.4 高穩(wěn)定性泡沫凝膠的現(xiàn)場應(yīng)用

預(yù)先對井下液壓支架架間煤體進行鉆孔，隨后通過鉆孔向煤體注入泡沫凝膠。每個支架均布設(shè)3個鉆孔：架前鉆孔、架中鉆孔和架后鉆孔。

2 試驗結(jié)果

2.1 成膠時間

表2 顯示了不同濃度NaHCO3和WG 對成膠時間的影響。從表中可以看出，隨著WG 和NaHCO3濃度的增加，發(fā)泡溶液的粘度逐漸增加，成膠時間逐漸縮短。這主要是因為隨著WG 和NaHCO3濃度的增加，二者之間發(fā)生的無機縮聚反應(yīng)得到加速，從而大大縮短了成膠時間。考慮到現(xiàn)場應(yīng)用的限制，如管道運輸和成本，膠凝時間一般應(yīng)控制在1～5 min。因此，WG 和NaHCO3的濃度最終分別以10wt%～11wt%和3wt%～4wt%最佳。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

圖2 顯示了傳統(tǒng)泡沫凝膠和高穩(wěn)定性泡沫凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。從圖2（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，在0～1 h 泡沫粗化的過程中，兩種泡沫凝膠中的小氣泡都合并成了大氣泡，泡沫表面積變小。傳統(tǒng)泡沫凝膠的氣泡平均尺寸從1.37 mm 增加到2.46 mm，高穩(wěn)定性泡沫凝膠的氣泡平均尺寸從0.62 mm 增加到0.89 mm，這說明高穩(wěn)定性泡沫凝膠具有更好的穩(wěn)定性。這主要是因為高穩(wěn)定性泡沫凝膠的氣泡液膜更穩(wěn)定，減緩了氣體的擴散速度和液體的流動速度，減弱了氣泡的粗化和析液。

表1 不同濃度碳酸氫鈉和水玻璃對成膠時間的影響規(guī)律

圖2 0 h 和1 h 泡沫的微觀結(jié)構(gòu)

2.3 滅火性能

圖3 顯示了水、傳統(tǒng)泡沫凝膠和高穩(wěn)定性泡沫凝膠進行滅火實驗所得的溫度曲線。從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，溫度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，溫度升高對應(yīng)著煤炭燃燒階段，溫度降低對應(yīng)著滅火階段。煤炭在燃燒一段時間后，溫度達到600 ℃，然后用等量的滅火材料進行滅火，煤堆中的熱電偶測量到溫度快速下降，這表明三種滅火材料都有良好的冷卻降溫效果。其中，在用水和傳統(tǒng)泡沫凝膠進行滅火時發(fā)現(xiàn)，兩種滅火材料易流失、蒸發(fā)，不能完全覆蓋煤體，并且會出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象，不具備長時間的防滅火性能；而在用高穩(wěn)定性泡沫凝膠進行滅火時發(fā)現(xiàn)，其具有較好的堆積附著性，能夠長時間的包裹煤體，并且不會出現(xiàn)煤堆復(fù)燃的現(xiàn)象，具有理想的防滅火性能。上述滅火結(jié)果的差異主要是因為高穩(wěn)定性泡沫凝膠具有較高的穩(wěn)定性，其中的水分在蒸發(fā)后可在煤體表面形成穩(wěn)定性能良好的凝膠隔氧膜，阻斷煤體與氧氣的進一步接觸而氧化，起到了窒息滅火的作用。

圖3 不同防滅火材料的滅火效果

2.4 礦井總回風流CO 濃度的變化情況

圖4 展現(xiàn)了壓注高穩(wěn)定泡沫凝膠后礦井總回風流CO 濃度的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，未壓注高穩(wěn)定泡沫凝膠時，礦井總回風流中CO 濃度超過2.4×10-5（例如，2021 年6 月7 日高達1×10-4）。2021 年6 月21 日—2021 年7 月2 日循環(huán)壓注高穩(wěn)定泡沫凝膠，CO濃度迅速降低，穩(wěn)定在1×10-5以下。停止壓注泡沫凝膠后，CO 濃度依然較低。這表明高穩(wěn)定泡沫凝膠具有良好的防滅火效果。

圖4 壓注泡沫凝膠前后礦井總回風流CO 濃度的變化情況

2.5 防滅火機理

圖5 顯示了高穩(wěn)定性泡沫凝膠的滅火機理。首先，高穩(wěn)定性泡沫凝膠具有良好的堆積附著性，能夠很好地包裹住高溫煤體并借助自身含有的大量水分對煤體進行物理降溫，其中的水分在吸收大量熱量后會相變?yōu)樗魵舛⑹А．敻叻€(wěn)定性泡沫凝膠失水到一定程度后，促使其中的凝膠組分濃度變大，成膠時間縮短，進而在煤體表面形成凝膠隔氧膜，形成的凝膠隔氧膜能夠阻斷煤體與氧氣的接觸，從而防止煤的進一步氧化。

圖5 高穩(wěn)定性泡沫凝膠的滅火機理

3 結(jié)論

為預(yù)防和控制采空區(qū)煤自燃，本文利用WG、NaHCO3、CFA 和MPS 研發(fā)出一種高穩(wěn)定性泡沫凝膠，對比分析了泡沫凝膠的成膠時間、微觀結(jié)構(gòu)和滅火效果，闡明了高穩(wěn)定性泡沫凝膠的防滅火機理，主要結(jié)論總結(jié)如下：

（1）高穩(wěn)定性泡沫凝膠的穩(wěn)定性隨著WG 和NaHCO3的摻量增加而增加，成膠時間隨著WG 和NaHCO3的摻量增加而縮短。WG 和NaHCO3的濃度優(yōu)選為10wt%～11wt%和3wt%～4wt%。

（2）與傳統(tǒng)泡沫凝膠相比，高穩(wěn)定性泡沫凝膠的氣泡尺寸更小且均勻，并且隨著時間的增加，氣泡尺寸變化幅度小，這說明高穩(wěn)定性泡沫凝膠具有較好的穩(wěn)定性。

（3）通過滅火實驗發(fā)現(xiàn)，高穩(wěn)定性泡沫凝膠具有良好的堆積附著性和降溫效果，在失水一定程度后，其能夠在煤體表面形成凝膠隔氧膜，從而進一步阻止了煤與氧氣的接觸，具有較好的防滅火效果。

（4）現(xiàn)場監(jiān)測CO 氣體濃度的數(shù)據(jù)表明，礦井總回風流中CO 濃度遠低于2.4×10-5，泡沫凝膠的應(yīng)用效果顯著。