李 季，宋富美，康懷宇

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

煤礦的作業(yè)環(huán)境大部分在井下，井下作業(yè)本身?xiàng)l件較差，存在的有毒有害氣體和物質(zhì)比較多，主要有:一氧化碳(CO)、硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、煤塵巖塵等［1］。礦井中的有毒有害氣體和物質(zhì)有些是成煤過程中生成的，存在于煤體裂隙、孔隙中;有些存在于煤層、頂、底板巖石或其他物質(zhì)中。當(dāng)這些有毒有害氣體和物質(zhì)超過臨界值時(shí)，就會對人體產(chǎn)生危害，有時(shí)還會發(fā)生燃燒、爆炸等事故，危及井下作業(yè)人員的身體健康和安全［2］。

目前，煤礦主要防治有毒有害氣體的手段是礦井通風(fēng)，利用機(jī)械或自然通風(fēng)動力，使地面空氣進(jìn)入井下，并在井巷中作定向和定量的流動來稀釋和排除井下少量析出的有毒有害氣體和礦塵具有一定的優(yōu)勢［3］，但是對類似于具有開放性裂隙的孔洞、裂縫、采空區(qū)、巷道掘進(jìn)爆破等引起的大量有毒有害氣體的泄漏時(shí)［4］，單單采用通風(fēng)的方法來防治有毒有害氣體，難以滿足要求，有時(shí)由于受到通風(fēng)壓力的影響，還可能導(dǎo)致積存于采空區(qū)、孔洞的大量有毒有害氣體被置換出來［5］，而造成事故。

因此，針對煤礦井下有毒有害氣體泄漏強(qiáng)度大、空間條件復(fù)雜、巷道掘進(jìn)爆破作業(yè)對密封劑強(qiáng)度要求苛刻等特點(diǎn)，本文提出了利用硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為密封劑，并對密封劑的主要安全性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測定，為煤礦井下防治有毒有害氣體泄漏提供理論依據(jù)。

1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫的實(shí)驗(yàn)室配制

1.1 實(shí)驗(yàn)材料組成

硬質(zhì)聚氨酯泡沫是一種合成材料，具有多孔性、相對密度小、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)。在安全領(lǐng)域中，常作為煤礦的錨固材料、密封材料、燃油箱的防爆材料和過濾材料等［6］。

配制出適合煤礦防治有毒有害氣體的聚氨酯材料要具備快速發(fā)泡、泡沫迅速覆蓋、泡沫穩(wěn)定不易破碎、防滲透性強(qiáng)、具備抗靜電能力、反應(yīng)放熱較低等特點(diǎn)。聚氨酯原料主要由異氰酸酯、蔗糖聚醚多元醇、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑、交聯(lián)劑、阻燃劑等組成［7，8］。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

通過正交實(shí)驗(yàn)法和單因素實(shí)驗(yàn)法，得出38組實(shí)驗(yàn)配比方案。按照配比方案分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)配比為(均用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示):異氰酸酯及輔料50.0%，蔗糖聚醚多元醇27.82%，發(fā)泡劑7.65%，催化劑0.49%，阻燃劑、穩(wěn)定劑及交聯(lián)劑共占14.04%。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

1)將蔗糖聚醚多元醇、發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑、泡沫穩(wěn)定劑、交聯(lián)劑按照上述配比進(jìn)行混合作為白料，其外觀為明黃色粘稠液體。

2)將異氰酸酯與輔料混合作為黑料，其外觀為黑褐色粘稠狀液體。

3)將黑料與白料快速混合并攪拌至均勻，靜置約40 s后，試劑由原褐色變成乳白色并開始發(fā)泡膨脹，到發(fā)泡停止共用約5 min(環(huán)境溫度為:12.6℃，濕度為13.8%)。

(4)測量發(fā)泡后的體積為發(fā)泡前體積的31倍，圖1為配制的聚氨酯成型材料。

圖1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫剖面圖

2 密封劑力學(xué)性能測定

防治煤礦有毒有害氣體的硬質(zhì)聚氨酯泡沫需要有較高的抗壓、抗拉、抗沖擊力等力學(xué)性能。一方面受到作業(yè)過程無意識破壞，造成有毒有害氣體的大量析出，另一方面，煤礦常常進(jìn)行爆破作業(yè)，強(qiáng)大的震動力對密封劑產(chǎn)生一定的壓力、拉力和沖擊力，若聚氨酯泡沫的力學(xué)性能較差，則無法承受壓力、拉力和沖擊力而造成破壞，將會導(dǎo)致有毒有害氣體的大量涌出，嚴(yán)重影響工人的健康和安全。因此有必要對聚氨酯的壓縮、拉伸、沖擊性能進(jìn)行測試，以了解硬質(zhì)聚氨酯材料的力學(xué)性能，研究其在密封有毒有害氣體使用中的安全性。

2.1 壓縮強(qiáng)度測定

2.1.1 依據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)儀器

壓縮性能測試一般是針對硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料力學(xué)性能的一項(xiàng)指標(biāo)，按硬質(zhì)泡沫塑料壓縮試驗(yàn)方法Test method for compression of rigid cellular plastics(GB 8813－88)進(jìn)行測定。

試樣尺寸:厚度為50±1mm;試樣基面:圓形，直徑為60mm，試樣兩平行面的平行度公差不應(yīng)超過1%。

實(shí)驗(yàn)儀器:微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，粵制03000102號。

測試時(shí)，將每個試樣置于壓縮試驗(yàn)機(jī)兩平板的中央，活動板以2 mm/min的速率壓縮試樣，相對形變至少要達(dá)到10%。

2.1.2 測試結(jié)果

1)試樣描述

初始試樣為淺黃色固體，表面光滑，孔隙均勻，不酥脆，壓縮后出現(xiàn)皺痕，圖2為壓縮后的試樣。

圖2 壓縮后的試樣

2)壓縮曲線

壓縮開始后，隨著變形的增加，曲線初始顯著上升，達(dá)到最大值后，曲線變得比較平緩。3)相對形變?yōu)?0%時(shí)的壓縮應(yīng)力F10=變形為10%時(shí)的壓力;S0=試樣面積。

2.2 拉伸強(qiáng)度測定

2.2.1 依據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)儀器

拉伸強(qiáng)度測試是針對硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料力學(xué)性能的重要的技術(shù)指標(biāo)，按硬質(zhì)泡沫塑料拉伸性能試驗(yàn)方法 Test method for tensile properties of rigid cellular plastics(GB 9641－88)進(jìn)行測定。

拉伸試樣尺寸:啞鈴狀試樣，總長度為150±0.5 mm;夾具間距離為100 mm;標(biāo)距為50±0.1 mm;端部寬度40 mm;窄小部分寬度為25±0.1 mm;試樣厚度10±0.1 mm。

實(shí)驗(yàn)儀器:微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，粵制03000102號。

測試?yán)鞆?qiáng)度時(shí)，夾持試樣使試樣縱軸與上、下夾具中心連線相重合，要松緊適宜，以免試樣滑脫，借助可動夾具，使施加在試樣上的力均勻地分布在試樣上。夾具移動為5 mm/min。

2.2.2 拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果

1)斷裂拉伸應(yīng)力

2)扯斷永久變形

將斷裂后的試樣放置3 min，再把斷裂的兩部分吻合在一起，測量標(biāo)距數(shù)值與原始標(biāo)距之差為0.964 mm，則扯斷永久變形為:

2.3 沖擊強(qiáng)度測定

2.3.1 依據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)儀器

兩端式同軌雙車模式的立體倉庫較單臺堆垛機(jī)立體倉庫的主要區(qū)別在于，同一巷道上兩臺堆垛機(jī)同時(shí)工作，兩臺堆垛機(jī)根據(jù)性能將貨架劃分成存在交集的兩塊工作區(qū)域。因此，出/入庫頻率高的貨物應(yīng)均衡放置于巷道兩端的出/入庫臺附近，以均衡兩臺堆垛機(jī)作業(yè)時(shí)長，使存儲效率最優(yōu)。鑒于此特點(diǎn)，適用于單臺堆垛機(jī)獨(dú)立作業(yè)的存儲效率優(yōu)先原則的目標(biāo)函數(shù)不再適用于兩端式同軌雙車運(yùn)行模式，需要對兩端式同軌雙車運(yùn)行模式貨位分配問題進(jìn)行研究。

沖擊強(qiáng)度是用來衡量硬質(zhì)聚氨酯材料韌性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，按照硬質(zhì)塑料簡支梁沖擊試驗(yàn)方法Plastics－Determination of charpy impact strength of rigid materials(GB/T 1043－93)進(jìn)行測定。

沖擊試樣尺寸:試樣尺寸長度l=120 mm，寬度b=15 mm，厚度d=10 mm，支撐線間距離是70 mm。

實(shí)驗(yàn)儀器:簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)(XJJ－5J)。

將試樣放置在兩支承鉗口的上平面上，試樣側(cè)面與支承鉗口的支承刀刃靠近，沖擊線位于兩支座正中，選擇能量為1J的擺錘一次沖擊使試樣破壞，并讀取表盤讀數(shù)。

2.3.2 沖擊強(qiáng)度測試結(jié)果

2.4 測定結(jié)果分析

通過對硬質(zhì)聚氨酯材料進(jìn)行壓縮、拉伸、沖擊強(qiáng)度的測試，可以得出當(dāng)壓縮變形達(dá)到10%時(shí)其壓縮應(yīng)力為0.8502 MPa，材料斷裂時(shí)的拉伸應(yīng)力為0.206 MPa，最大沖擊強(qiáng)度可達(dá)2.66 kJ/m2，能夠承受爆破作業(yè)時(shí)的強(qiáng)大振動力所引起的壓力、拉力和沖擊力，滿足煤礦施工時(shí)的力學(xué)性能要求。因此硬質(zhì)聚氨酯泡沫可以很好地應(yīng)用于防治煤礦巷道掘進(jìn)爆破引起的大量有毒有害氣體的泄漏，是一種優(yōu)良的密封材料。

3 密封劑尺寸穩(wěn)定性能測定

在對煤礦有毒有害氣體進(jìn)行密封的過程中，硬質(zhì)聚氨酯的尺寸是否穩(wěn)定至關(guān)重要。在密封條件下，如果硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的尺寸易變，尤其是有縮小的趨勢時(shí)，將會嚴(yán)重影響到其密封性能，可能造成有毒有害氣體的二次泄漏，因此對硬質(zhì)聚氨酯泡沫進(jìn)行尺寸穩(wěn)定性測試十分必要。

3.1 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)儀器

尺寸穩(wěn)定性測試一般是針對硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的一項(xiàng)指標(biāo)，按照硬質(zhì)泡沫塑料尺寸穩(wěn)定性試驗(yàn)方法Test method for dimensional stability of rigid cellular plastics(GB 8811－88)進(jìn)行測定。

試樣尺寸:長度為100mm;寬度為100mm;厚度為25 mm。

實(shí)驗(yàn)儀器:恒溫試驗(yàn)箱、塑料模具、直尺、游標(biāo)卡尺、鋼鋸、刀。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

測量各個試樣三個不同位置的長度(L1，L2，L3)，寬度(W1，W2，W3)及五個不同點(diǎn)的厚度(T1，T2，T3，T4，T5);試樣測試的位置如圖 3 所示。將試樣水平放置在試驗(yàn)箱內(nèi)的金屬網(wǎng)上，間隔至少25 mm，調(diào)節(jié)溫度至23～25℃;20±1小時(shí)后，取出試樣，再放置1小時(shí)后，按照規(guī)定測量試樣尺寸，并目測檢查試樣，測試時(shí)間共40天。

3.3 測定結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)條件下放置30天后，目測試樣，表面狀態(tài)、形狀、顏色、大小等均無變化。

通過測量，計(jì)算尺寸變化率可知，在實(shí)驗(yàn)條件下，試樣的長度、寬度、厚度變化都很小，不到0.3%，而且略微有膨脹趨勢，對聚氨酯的密封性能有正面影響。

圖3 測試試樣尺寸的位置

測試結(jié)果表明，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有良好的尺寸穩(wěn)定性，不必?fù)?dān)心由于尺寸變化造成有毒有害氣體二次涌出等現(xiàn)象，與水泥等材料風(fēng)干后的密封性相比，具有明顯的優(yōu)勢。

4 密封劑粘結(jié)性能測定

作為煤礦有毒有害氣體的密封材料，硬質(zhì)聚氨酯泡沫必須具有良好的氣密性，否則可能會導(dǎo)致有毒有害氣體的再次涌出，污染作業(yè)環(huán)境，影響作業(yè)人員健康。此次實(shí)驗(yàn)通過測定硬質(zhì)聚氨酯泡沫與煤的粘結(jié)性能來評價(jià)該密封劑的氣密性。

4.1 實(shí)驗(yàn)測量

1)實(shí)驗(yàn)儀器:材料試驗(yàn)機(jī)(TY8000)。

2)實(shí)驗(yàn)方法:

相同粘結(jié)位置不同種煤樣測試:煤樣種類的選擇均來自于高瓦斯突出的礦井－平頂山礦、趙各莊礦、唐山礦、淮北蘆嶺礦、鑫龍紅嶺礦，五種煤樣分別與聚氨酯硬泡粘結(jié)(粘結(jié)面積相同)，分別測量界面的最大承受壓剪力，并計(jì)算其粘結(jié)強(qiáng)度。

同種煤樣不同粘結(jié)位置測試:取粘結(jié)強(qiáng)度最低的一種煤樣，分別選取不同位置與聚氨酯硬泡粘結(jié)，測量界面的最大承受壓剪力，并計(jì)算粘結(jié)強(qiáng)度。

3)試樣尺寸:

不同煤樣測量:試樣尺寸為50 mm×100 mm×20 mm，粘結(jié)面積為50 mm×40 mm。

不同位置測量:試樣尺寸為20 mm×120 mm×20 mm，粘結(jié)長度取:10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm，90 mm，100 mm。

4.2 測定結(jié)果分析

分別從5個具有高瓦斯突出特性的礦山中選取煤樣，測試不同煤樣與聚氨酯硬泡材料的粘結(jié)程度。在其他環(huán)境條件均相同的情況下，得到的粘結(jié)強(qiáng)度值如表1所示。

表1 聚氨酯硬泡與不同煤樣的粘結(jié)強(qiáng)度值

由表1的數(shù)據(jù)可知，與聚氨酯硬泡材料粘結(jié)程度最好的是淮北蘆嶺礦，粘結(jié)強(qiáng)度最小的是紅嶺礦煤，五種煤與聚氨酯硬泡粘結(jié)強(qiáng)度的平均值為427.25 kPa。

取粘結(jié)強(qiáng)度最小的紅嶺礦煤樣，在煤塊的不同長度位置處與聚氨酯硬泡粘結(jié)(粘結(jié)寬度均為20 mm)，得到的粘結(jié)強(qiáng)度值如表2。

表2 煤樣不同位置處與聚氨酯硬泡粘結(jié)強(qiáng)度值

由表2的數(shù)據(jù)可知，因10 mm處粘結(jié)面積較小，得到的粘結(jié)強(qiáng)度誤差較大，去掉該值后求煤樣在不同位置處與聚氨酯硬泡粘結(jié)強(qiáng)度的幾何平均數(shù)為387.95 kPa，該值作為高瓦斯突出礦井與聚氨酯硬泡封孔材料的平均粘結(jié)強(qiáng)度值。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，聚氨酯硬泡材料與煤樣粘結(jié)的強(qiáng)度較大，在粘結(jié)處不易造成漏氣，從而具有良好的密封性能，可以在防治煤礦有毒有害氣體泄漏的密封中安全使用。

5 結(jié)論

1)配制出適合防治煤礦有毒有害氣體泄漏的密封劑——硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料，具有發(fā)泡迅速，發(fā)泡倍數(shù)高、泡沫均勻、致密等特點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)場實(shí)際要求。

2)配制出的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有較好的力學(xué)性能，當(dāng)壓縮相對形變約為10%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度約為0.8 MPa，材料斷裂時(shí)的拉伸應(yīng)力為0.206 MPa，最大沖擊強(qiáng)度可達(dá)2.66 kJ/m2，能夠承受爆破作業(yè)時(shí)的強(qiáng)大振動力所引起的壓力、拉力和沖擊力;

3)配制出的硬質(zhì)聚氨酯泡沫具有良好的尺寸穩(wěn)定性，30天其變形小于0.3%;

4)配制出的硬質(zhì)聚氨酯泡沫與高瓦斯突出礦井煤樣的平均粘結(jié)強(qiáng)度值為387.95 kPa，其粘結(jié)強(qiáng)度較大，具有良好的氣密性，可以有效防治煤礦有毒有害氣體的泄漏。

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