王斌斌

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

引言

近年來，在科學(xué)理論支撐下，有機化學(xué)迅速發(fā)展，越來越多的有機固化材料面世?，F(xiàn)階段，有機固化泡沫材料堵漏充填技術(shù)在我國得到了廣泛應(yīng)用，其中聚氨酯材料在煤礦等工作環(huán)境中發(fā)揮了重要的作用。在此利用實驗，探究礦用聚氨酯材料在應(yīng)用過程中的放熱及溫度變化，并分析聚氨酯材料溫度及燃燒之間的關(guān)系，以期為相關(guān)人員提供些許參考。

1 升溫氧化及熱分解實驗設(shè)計

對材料進行升溫氧化實驗，可從中獲得各可燃材料的臨界溫度。所謂的臨界溫度是指在升溫氧化實驗中起始溫度和試樣溫度的交叉點，此溫度便是材料由被動升溫轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃由郎氐霓D(zhuǎn)折點，通過比較各材料的臨界溫度，可從中得出不同材料的熱穩(wěn)定性能高低。而熱分解實驗可對聚氨酯材料進行熱分解，從中獲得該材料的熱分解特性。通過上述兩種實驗可較為全面地了解聚氨酯材料特性，從而總結(jié)該材料在礦井應(yīng)用階段的放熱規(guī)律，以期為礦井下火災(zāi)管控提供參考[1]。

1.1 升溫氧化實驗裝置

此實驗需要用到升溫氧化裝置和熱分解裝置，具體有氣相色譜儀、數(shù)據(jù)處理工作站及升溫氧化反應(yīng)室等單元構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 升溫氧化及熱分解實驗裝置示意圖

1.2 升溫氧化及熱分解實驗過程

1）制樣。結(jié)合實驗需求選擇合適的粒度和質(zhì)量。

2）供氣。對實驗材料進行實驗，空氣供給量有重要作用。但需要注意的是，僅升溫氧化實驗需要供氣，熱分解實驗無需此步驟。進行升溫氧化時，應(yīng)將空氣供給量設(shè)置為30 mL/min，且供給的空氣中保證氧氣體積含量達到20.90 %。

表1 實驗參數(shù)

3）升溫方式。為了保證實驗順利完成，檢測到可燃物的臨界溫度，將裝置設(shè)置為每隔15 min，溫度升高25 ℃，同時將氣室溫度設(shè)定為恒溫保持5 min，并對此段時間內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)進行詳細記錄。主要記錄可燃物試樣的最低溫度和氣體預(yù)熱通管溫度。確保數(shù)據(jù)及氣體采集完成之后，再提升溫度，重復(fù)上述操作[2]。

4）測量氣體體積分數(shù)。熟練地應(yīng)用氣相色譜儀分析指標(biāo)氣體濃度（體積分數(shù)）。

5）為了保證數(shù)據(jù)信息的真實度和可信度，并具有參考價值，每組實驗重復(fù)進行三次，以三次實驗的平均值作為最終結(jié)果。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 溫度數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

聚氨酯在180 ℃時與氣室溫度存在交叉點，此時已經(jīng)達到臨界溫度。結(jié)合實驗過程分析，在整體流程中聚氨酯試樣溫度平穩(wěn)上升，未出現(xiàn)大幅度驟增情況。具體溫度數(shù)據(jù)如下頁圖2 所示。

由圖2 可知，在230 ℃以下時，聚氨酯無較大變化，在臨界溫度之后呈現(xiàn)穩(wěn)定升溫的趨勢。同時在實驗過程中，聚氨酯試樣在120 ℃時出現(xiàn)大量的煙霧，同時產(chǎn)生了刺激性氣味的氣體。由此可知，聚氨酯在實際工作環(huán)境下，雖然120 ℃不會出現(xiàn)明火，但產(chǎn)生的煙霧和氣味仍會對工作進展產(chǎn)生阻礙。

圖2 升溫氧化試驗過程中聚氨酯試樣溫度詳細數(shù)據(jù)

2.2 指標(biāo)氣體參數(shù)結(jié)果與分析

實驗中獲得的各項指標(biāo)氣體參數(shù)如表2 所示，其中獲取的各類溫度、初始體積分數(shù)等均具有統(tǒng)計學(xué)意義，確保獲取的數(shù)據(jù)有分析價值。

表2 聚氨酯指標(biāo)氣體參數(shù)

聚氨酯材料的指標(biāo)氣體中CO2體積分數(shù)變化較為明顯，與臨界溫度相比，時間基本吻合，這表明聚氨酯在達到臨界溫度時處于快速氧化階段。在達到230 ℃時，CH4和其他烷烴類氣體體積分數(shù)較低，在礦井下不會加速火災(zāi)進程。但該種材料在低溫供氧狀態(tài)下會有CO2出現(xiàn)，這一特征可作為檢測聚氨酯材料的標(biāo)志。

2.3 聚氨酯材料熱分解實驗結(jié)果與分析

以60 g 的聚氨酯為例進行實驗，該種物質(zhì)在升溫達到230 ℃時，可大約產(chǎn)生1.50 ml 的氣體。試樣在試驗之后，體積會縮減。通過實驗可知，聚氨酯材料在熱量集聚狀態(tài)下，本身會出現(xiàn)熱分解，此時該材料表面會出現(xiàn)孔洞，孔洞的出現(xiàn)導(dǎo)致聚氨酯材料由于外力而出現(xiàn)裂縫。

3 聚氨酯材料引發(fā)火災(zāi)原因分析

結(jié)合上文的相關(guān)信息可知，聚氨酯材料引發(fā)火災(zāi)的原因主要包括以下兩點：一是礦用聚氨酯自身性能不佳，導(dǎo)熱性、可燃性以及熱分解性不良。結(jié)合上述實驗結(jié)果可知，在熱量積聚狀態(tài)下，聚氨酯材料會出現(xiàn)孔洞，導(dǎo)致材料受力不均，造成表面和內(nèi)部呈現(xiàn)裂縫，有了裂縫之后，氧氣更容易進入聚氨酯材料之中，由于高溫及氧氣的作用，最終導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。二是礦用聚氨酯材料在高溫有氧狀態(tài)下，其自身發(fā)熱加速了煤的自燃進程。礦井中碎煤分布廣泛，由于高溫環(huán)境，具有自燃傾向的碎煤在長時間供氧環(huán)境下，會大幅增加自燃的概率。聚氨酯材料自身可以放熱，這導(dǎo)致煤受到的熱量大幅度增加，在短時間內(nèi)快速升溫，在此條件下，火災(zāi)發(fā)生概率會大幅度增加。

4 礦用聚氨酯材料放熱引發(fā)礦井火災(zāi)的預(yù)防及控制措施

礦用聚氨酯材料在日常使用時，常常會由于自身放熱而引發(fā)安全隱患，并對礦井的工作人員造成嚴重威脅。為了營造安全的施工環(huán)境，當(dāng)前很多單位都通過多種途徑降低安全風(fēng)險?，F(xiàn)階段除了加強對材料性能改進外，還通過施工工藝等方法降低安全事故發(fā)生的頻率。目前礦井應(yīng)用聚氨酯材料時，多數(shù)都是通過控制材料使用量及對工作區(qū)域進行注水等措施保證安全，本文從控制填充量、注水阻化及利用科技手段加強火災(zāi)預(yù)警三方面進行具體闡述。

4.1 科學(xué)準(zhǔn)確計算充填材料最大使用量

計算礦用聚氨酯的使用量，要科學(xué)地結(jié)合熱分解試驗及升溫氧化實驗相關(guān)信息和相關(guān)科學(xué)理論，并考慮實際情況，以礦井環(huán)境及實際條件為參考。一般情況下，為了保證安全，防止礦井下的實際條件考慮不周，會在實際應(yīng)用聚氨酯時，適當(dāng)降低使用量，預(yù)留一個安全系數(shù)[3]。

4.2 切實做好材料施工前后的注水阻化

單純注水對煤的附著力較差，無法充分發(fā)揮預(yù)防火災(zāi)的作用，在聚氨酯施工時，溫度較高，水在短時間內(nèi)便會蒸發(fā)，此時水膜便失去了價值，但聚氨酯釋放的溫度會持續(xù)較長時間，因此單純注水無法滿足實際施工需求。想要營造安全環(huán)境，綜合分析實際情況得出對煤附著力良好、作用效果持久的工藝方案是研究重點。如今，注水阻化已經(jīng)成為一種應(yīng)用范圍較廣、技術(shù)較為成熟的礦井防火技術(shù)。

4.3 利用科技手段落實火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)警

4.3.1 煤自燃標(biāo)志氣體監(jiān)測

煤具有自燃性，在高溫和含氧環(huán)境下，很容易發(fā)生自燃?；诖颂卣?，做好氣體檢測工作具有重要的價值，可有效避免礦下發(fā)生火災(zāi)。煤在燃燒之前，隨著氧化程度不同，會產(chǎn)生不同的氣體，因此實時監(jiān)測礦井氣體濃度，可助力相關(guān)人員確定煤此時的狀態(tài)。因此，在礦上進行作業(yè)時，相關(guān)人員可熟練借助相關(guān)儀器，做好標(biāo)志氣體檢測工作，有效減少火災(zāi)事故發(fā)生頻率。

4.3.2 科學(xué)監(jiān)測煤礦內(nèi)部的溫度

除了標(biāo)志氣體檢測外，科學(xué)監(jiān)測煤礦內(nèi)部溫度也可以有效降低火災(zāi)風(fēng)險。一是加強對聚氨酯這一類充填材料的溫度檢測，結(jié)合升溫氧化試驗數(shù)據(jù)信息，有效判斷充填材料狀態(tài)，從而避免出現(xiàn)火災(zāi)。二是加固堵漏防風(fēng)材料，這部分材料雖然應(yīng)用量較少，但也會對礦井的安全造成影響，堵漏防風(fēng)材料多數(shù)時候都是應(yīng)用于聚氨酯等材料的裂隙之中，起到加固防風(fēng)的作用，與煤也存在較大的接觸面積，因此，加強對該類材料的溫度檢測也是預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的有效措施[4]。

5 結(jié)語

礦用聚氨酯由于自身導(dǎo)熱性、可燃性以及熱分解性不良，在井下高溫有氧狀態(tài)下，會自身放熱引發(fā)火災(zāi)。通過科學(xué)控制填充量，進行注水阻化，并利用科技手段加強火災(zāi)預(yù)警，可以有效減少火災(zāi)事故發(fā)生頻率，降低安全風(fēng)險。