童丹丹

(山西天成元礦山安全技術(shù)咨詢有限公司，山西 太原 032001)

引言

煤炭是一種容易自燃的能源產(chǎn)品，在井下生產(chǎn)工作面采空區(qū)的煤炭自燃現(xiàn)象尤為突出[1]。一旦發(fā)生煤炭危險事故，輕則造成工作面封閉，重則發(fā)生人員傷亡，帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。煤礦中常用的防滅火技術(shù)分為物理防治和化學(xué)防治，物理防滅火技術(shù)的代表為黃泥注漿施工，但缺點(diǎn)在于擴(kuò)散范圍得不到保障、漿體易流失；化學(xué)防治是以注入凝膠泡沫達(dá)到氧氣隔絕的效果，從而起到防滅火的目的[2-3]。本文對傳統(tǒng)的防滅火凝膠起泡劑進(jìn)行了復(fù)配改進(jìn)，新的凝膠可以通過產(chǎn)生泡沫覆蓋煤炭表面，阻止煤體氧化自燃，并可以彌補(bǔ)單一成分泡沫凝膠的諸多缺點(diǎn)。

1 泡沫凝膠防滅火技術(shù)特點(diǎn)

泡沫凝膠是一種通過化工技術(shù)加工制作而成膠體：在水漿中加入一定比例的添加劑后，并和氮?dú)獬浞謹(jǐn)嚢?，最后得到混合而成的固態(tài)凝膠顆粒。泡沫凝膠在未成膠前具有泡沫的特性，具有一定的流動性與擴(kuò)散性，粘結(jié)性較差；在成膠過程中，黏度逐漸增加，凝膠又展現(xiàn)出固相特征，有良好的覆蓋作用和封堵性。泡沫凝膠主要成分為丙烯酰胺和乙酰丙酮丙烯酰胺等聚合物，在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，單一成分的起泡劑對生成的凝膠的流動性、流量大小和擴(kuò)散范圍的掌控并不好。為了解決這一問題，將以起泡劑的復(fù)配為重點(diǎn)工作對泡沫凝膠技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。復(fù)方發(fā)泡劑在水漿生成泡沫至凝膠的過程中，可以把大量的水固結(jié)在凝膠體內(nèi)，降低潰漿的發(fā)生概率，大幅度提高了漿水在采空區(qū)里的滯留率；同時，復(fù)配發(fā)泡劑所產(chǎn)生的凝膠能以泡沫為載體對煤體表面的浮煤進(jìn)行全方位覆著，且能固結(jié)85%以上水分并形成凝膠層。在用于煤層防滅火時，復(fù)配發(fā)泡劑能融合單一化工材料的有點(diǎn)保持起到煤體保濕并隔絕O2的作用，還有有效吸熱控溫、防止自燃的功能。

2 復(fù)配發(fā)泡劑的制備

起泡劑的復(fù)配試驗(yàn)是防滅火泡沫凝膠制備的關(guān)鍵試驗(yàn)之一，在確定復(fù)配比例之前，先需用打擊法對所選單一起泡劑的氣泡水平進(jìn)行統(tǒng)一的評比，測定所選單一起泡劑的綜合性能。然后通過設(shè)計正交實(shí)驗(yàn)得到發(fā)泡劑的最佳復(fù)配方案，進(jìn)行大量的測試，調(diào)整復(fù)配發(fā)泡劑的總濃度，測試發(fā)泡劑綜合性能的最佳水平。最后對篩選得到的復(fù)配起泡劑的耐溫穩(wěn)定性能進(jìn)行研究，并與普通煤礦常用滅火劑和AOS泡沫劑的性能進(jìn)行了對比。

3 發(fā)泡劑濃度的篩選

根據(jù)發(fā)泡劑性能特點(diǎn)，每一種發(fā)泡劑都會在某一濃度達(dá)到其性能最佳的配比方案，本次復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，將采用每種單一化工發(fā)泡劑的配比進(jìn)行參考。復(fù)配發(fā)泡劑，如果添加物的濃度偏低，會造成出泡量低、泡體易破且半徑不均勻的情況；如果添加物濃度過高，則會導(dǎo)致泡沫整體太粘稠，不利于在煤層中的流動，且會造成用料量大、成本增加等問題。最終，確定三種添加物(C2H4O起泡劑、陰離子起泡劑和富非離子起泡劑)的混合比例為3：3：2，采用孔盤打擊法，分別計算了不同濃度下發(fā)泡劑的發(fā)泡體積和析液半衰期，計算出其最佳綜合性能，統(tǒng)計見表1和圖1：隨著復(fù)配發(fā)泡劑添加物濃度的提高，其綜合性能呈上升趨勢，但在0.4之后綜合性能的提升較為緩慢，因此決定濃度最佳為40%[4]。

表1 不同濃度下復(fù)配泡沫的綜合性能

圖1 復(fù)配發(fā)泡劑綜合性能隨發(fā)泡劑濃度變化趨勢圖

4 溫度對泡沫劑泡沫性能的影響

通過對不同溫度下對起泡劑的影響可以判斷起泡劑的耐熱性。本次試驗(yàn)選擇溫度測試范圍為40 ℃-80 ℃，所對比的三種起泡劑分別為：0.4%復(fù)配發(fā)泡劑、煤礦滅火常用泡沫劑和AOs起泡劑。對比標(biāo)準(zhǔn)為起泡劑體積V0(mL)和 t1/2 析液半衰期(s)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果總結(jié)見表2。

表2 溫度對發(fā)泡劑泡沫性能的影響

圖2為不同溫度對發(fā)泡劑起泡體積的影響曲線圖，研究發(fā)現(xiàn)，在不同溫度影響下，3種起泡劑的起泡體積有著相同的變化律，隨溫度的上升呈先升后降的變化趨勢，并同時在60 ℃時達(dá)到最高點(diǎn)。這一變化規(guī)律可以解釋為：當(dāng)溫度處于40 ℃-60 ℃時，溶液中所包含的水分子和泡沫劑分子之間熱運(yùn)動劇烈，活化程度處于高位狀態(tài)。此時起泡劑的分子運(yùn)動動能強(qiáng)于水溶液中水分子對其的吸附力，大量起泡劑分子向水的表面凝結(jié)，表面活性增大，所以起泡力有了一定程度的增大；當(dāng)水溫超過60 ℃時，已經(jīng)形成的泡沫壁中的水分子由于水溫過高而導(dǎo)致產(chǎn)生蒸發(fā)作用，泡沫壁厚度變薄，失水率快速升高，泡沫較之前易受破壞，因此起泡數(shù)和起泡體積出現(xiàn)了下降[5]。同時可以看出，復(fù)配發(fā)泡劑相較于普通煤礦常用發(fā)泡劑和AOS發(fā)泡劑有更好的起泡率，所生成的起泡體積也更大[5-6]。

圖2 不同溫度下三種發(fā)泡劑發(fā)泡體積的影響趨勢圖

圖3為不同溫度下，泡沫劑析液半衰期的變化規(guī)律，可以看出，3種泡沫劑析液半衰期隨溫度的升高而呈縮短狀態(tài)。在相同溫度下，復(fù)配發(fā)泡劑所受溫度升高的影響比煤礦滅火常用泡沫劑和 AOS小，且復(fù)配發(fā)泡劑的持水能力要明顯高于這兩者。對此可以解釋為：隨著溫度的持續(xù)升高，液體中的水分子由于活化程度較強(qiáng)，運(yùn)動劇烈導(dǎo)致更容易脫離液膜的束縛而蒸發(fā)，由于水分的減少使得泡沫壁壁厚減小、韌度減弱，容易造成破泡現(xiàn)象，同時又進(jìn)一步加快了失水速率。受這兩個方面的影響，起泡劑析液半衰期因此隨著溫度的升高降低[7-8]。

圖2 不同溫度下三種發(fā)泡劑析液半衰期的影響趨勢圖

5 結(jié)束語

本文利用正交法確定了阻化泡沫的配方，即將C2H4O起泡劑、陰離子起泡劑和富非離子起泡劑)的混合比例為3：3：2，綜合濃度為40%。然后對不同溫度下的三種發(fā)泡劑進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)復(fù)配發(fā)泡劑較常用滅火泡沫劑和AOS發(fā)泡劑有更強(qiáng)的耐溫性。