楊云峰

摘要：

針對煤礦井下存在的煤自燃問題，開發(fā)了穩(wěn)定性好、保水率高的礦用防滅火凝膠泡沫材料。在固定0.8%發(fā)泡劑、1%穩(wěn)泡劑、8%凝膠劑、2.2%交聯(lián)劑條件下，引入聚乙烯醇提升凝膠泡沫材料固水性能及凝膠泡沫的防滅火性能，對比分析在不同濃度配比下礦用凝膠泡沫凝膠狀態(tài)、保水率等。選取凝膠狀態(tài)較好、保水率較高的凝膠泡沫配比。將5%聚乙烯醇PVA和5%乙二醇EG配比的礦用凝膠泡沫、傳統(tǒng)水玻璃凝膠泡沫和水分別注入燃燒的煤體，對比分析注入前后高溫火源測點溫度的實時變化。結果表明，在傳統(tǒng)凝膠泡沫中加入5%聚乙烯醇和5%乙二醇的凝膠泡沫具有較高保水率、穩(wěn)定性和滅火性能，可有效撲滅煤炭火焰，控制煤炭燃燒。

關鍵詞：防滅火；凝膠泡沫；聚乙烯醇；滅火性能

引言

煤炭資源是促進社會經濟發(fā)展的重要產業(yè)之一。然而隨著開采深度和強度的不斷加大，煤礦生產中安全問題也日益凸顯。國內外研究學者做了大量關于礦用防滅火材料的研究[1]。礦用防滅火凝膠泡沫是在水漿中加入添加劑后與氮氣（或壓縮空氣）均勻混合形成泡沫，泡沫壁中的液體在添加劑作用下迅速轉變?yōu)槟z，最終形成固態(tài)凝膠與氣體組成混合體系。凝膠泡沫在膠凝前具有泡沫特性和黏度相對較低，流動與擴散性良好；膠凝后黏度逐漸增加，又具有凝膠的特性和良好的保水、覆蓋、降溫與封堵性[2]。凝膠泡沫材料既能克服一般水性泡沫易破裂失水快的缺點，又可克服凝膠擴散性能差的缺點，因此在煤礦防滅火領域發(fā)揮重要作用。然而，傳統(tǒng)水玻璃凝膠泡沫仍然存在泡沫強度低、穩(wěn)定性差、保水性差等缺點，因此有必要開發(fā)一種凝膠性能良好、保水穩(wěn)定的全新礦用凝膠泡沫材料[3]。

聚乙烯醇（PVA）是一種高分子有機化合物，無毒無味，外觀呈白色片狀、絮狀或粉末狀，具有良好的保水性和穩(wěn)定性。因此聚乙烯醇是加入水玻璃凝膠泡沫的理想材料。本研究通過實驗，以成膠時間、保水率為依據(jù)，對比添加不同比例聚乙烯醇和乙二醇后的凝膠泡沫強度、熱穩(wěn)定性等參數(shù)，確定用于滅火的新型礦用凝膠泡沫中組分的最佳配比，并通過高溫煤體滅火實驗研究驗證礦用凝膠滅火材料的防滅火性能。

一、實驗部分

（一）實驗材料

十二烷基硫酸鈉（分析純）、水玻璃（硅酸鈉，分析純）購自某集團化學試劑有限公司；月桂基聚氧乙烯醚硫酸鈉（分析純）、丙三醇（分析純）、碳酸氫鈉（分析純）、聚乙烯醇（分析純）、乙二醇（1788）購自某公司；煤樣選用某煤礦煙煤，其工業(yè)分析結果見表1。

（二）凝膠泡沫材料制備

實驗選用復配發(fā)泡劑為十二烷基硫酸鈉：月桂基聚氧乙烯醚硫酸鈉（SDS：AES）以3∶1的比例復配的總濃度為0.8%的溶液、穩(wěn)泡劑丙三醇濃度為1%、膠凝劑水玻璃硅酸鈉WG濃度為8%、交聯(lián)劑碳酸氫鈉濃度為22%。選定聚乙烯醇（PVA）的質量分數(shù)為3%、5%，乙二醇（EG）的質量分數(shù)為3%、5%。

其中，固定0.8%發(fā)泡劑＋1%穩(wěn)泡劑＋8%凝膠劑＋2.2%交聯(lián)劑，不加入聚乙烯醇的傳統(tǒng)水玻璃凝膠泡沫為第1組；加入3%聚乙烯醇（PVA）和3%乙二醇（EG）為第2組；加入3%聚乙烯醇（PVA）和5%乙二醇（EG）為第3組；加入5%聚乙烯醇（PVA）和3%乙二醇（EG）為第4組；加入5%聚乙烯醇（PVA）和5%乙二醇（EG）為第5組。

采用共混法[4]分別制備5組凝膠泡沫。在裝有去離子水的燒杯中配置質量分數(shù)為8%的硅酸鈉溶液，按比例稱取碳酸氫鈉粉末和聚乙烯醇（PVA）粉末，依次緩慢加入至硅酸鈉溶液中，邊傾倒邊攪拌至完全溶解。向混合均勻的溶液中滴加一定質量分數(shù)的乙二醇（EG），用玻璃棒攪拌2min后等待凝膠體系形成[5]。

（三）保水性測試

實驗按照凝膠泡沫的配置方法制備100ml傳統(tǒng)水玻璃凝膠泡沫（第1組）、第2組、第3組、第4組、第5組凝膠泡沫，設置真空干燥箱溫度分別為40℃、50℃、60℃…130℃、140℃和150℃，將裝有五種材料的燒杯置于干燥箱內恒溫加熱12h，并每隔一小時取出進行稱重，并按照公式2.1計算不同溫度下傳統(tǒng)水凝膠泡沫和其他4種不同配比的礦用凝膠泡沫每小時的保水率。選擇60℃、90℃、120℃和150℃四個溫度點觀察凝膠泡沫保水率的變化。

W=m2m1×100%

式中，W為保水率；m1為某一溫度下凝膠泡沫的初始質量；m2為此溫度恒定一段時間后凝膠泡沫的質量。

（四）滅火性能測試

將煤體碎成粒徑均勻的小塊，平均分為三份，每份5kg，分為三組進行。實驗選用5%PVA+5%EG礦用防滅火凝膠泡沫最佳配比，對比組選擇水玻璃凝膠泡沫（08%復合發(fā)泡劑+1%穩(wěn)泡劑+8%膠凝劑+2.2%交聯(lián)劑）和水。三組實驗在爐中加入相同質量和規(guī)格的煤塊，在煤堆中心布置一個溫度測點，通過熱電偶監(jiān)測煤體中心點溫度變化。熱電偶直徑為5mm，測量溫度高達1300℃，精度為±0.1℃。點燃煤堆，在煤堆充分燃燒20min后分別注入制備的新型礦用防滅火凝膠泡沫材料（配比為5%PVA和5%EG）、傳統(tǒng)水玻璃凝膠泡沫和水。通過插在煤堆中的熱電偶記錄整個滅火過程中爐內溫度的變化，連接溫度測試儀在電腦上記錄數(shù)據(jù)。實驗過程中注入材料質量與煤炭質量比為1∶5。觀察三種滅火材料對高溫火源的覆蓋狀態(tài)隨時間的變化情況及滅火過程中的煤體溫度變化。

二、結果與結論

（一）成膠狀態(tài)分析

采用玻璃棒測量法對上述5組凝膠泡沫進行凝膠強度的測試分析，以檢驗其成膠狀態(tài)。在裝有凝膠泡沫的燒杯杯口上方約20cm處，固定一玻璃棒，松開玻璃棒使其落入杯中，根據(jù)玻璃棒的落入深度表征凝膠泡沫的成膠強度，落入深度與成膠強度呈反比關系。實驗結果如表2所示。

對比第1、2、3組實驗，當PVA濃度相同時，凝膠泡沫的插入深度隨EG濃度的升高而減少。對比第1、4、5組實驗，當EG濃度相同時，凝膠泡沫的插入深度隨PVA濃度的升高而減少。在5組實驗中，第5組（實驗組分為8%WG+2.2%NaHCO3+5%PVA+5%EG）實驗的下落深度最小，成膠強度越強，且表現(xiàn)為彈性，在取出玻璃棒后凝膠泡沫會在一定時間內恢復原狀。因此引入聚乙烯醇（PVA）的水玻璃凝膠泡沫的成膠強度良好、抗擾動性強，承受外部破壞的能力較強，且成膠強度最強的最佳組分配比為第5組實驗8%WG+2.2%NaHCO3+5%PVA+5%EG。

（二）保水率分析

60℃、90℃、120℃和150℃四種溫度條件下，恒溫12h后，凝膠泡沫的保水率變化，如圖1示?？梢钥闯觯Ｋ逝c時間呈反比關系。恒溫溫度越高，同一段時間內凝膠泡沫的保水率越小、保水率降低速度越快，在這四個溫度點下，五種材料的保水率為：第5組＞第4組＞第3組＞第2組＞第1組。

將凝膠泡沫輸送至采空區(qū)中，材料在外界溫度的作用下體系內的水分將逐漸蒸發(fā)。水分流失一方面使凝膠泡沫的固水吸熱能力降低，另一方面會因缺水導致體系內部空間網狀結構遭到破壞。傳統(tǒng)水玻璃凝膠泡沫和礦用凝膠泡沫的保水率均隨溫度升高呈現(xiàn)快速下降的趨勢。經聚乙烯醇（PVA）改性的凝膠泡沫在60℃-150℃的溫度下8h后仍有36.53%-97.29%的含水率，較高的含水率可保證礦用凝膠泡沫有效預防和治理煤自燃問題，避免因煤自然發(fā)火導致礦井火災事故的發(fā)生。基于以上基礎性能測試的實驗結果，綜合考慮材料性能和制備成本，選定5號（5%PVA+5%EG）作為滅火材料。

（三）滅火性能分析

選用5%PVA+5%EG配比的礦用凝膠泡沫、傳統(tǒng)水玻璃凝膠泡沫和水分別注入燃燒的煤體，對比分析注入前后高溫火源測點溫度的實時變化，如圖2所示。

注入水后，在其接觸煤體的瞬間產生大量水蒸氣，同時有部分水流出實驗箱體。過程中，煤體溫度從689.1℃快速下降到332℃，但注入水源9min后煤體溫度重新上升，火焰出現(xiàn)復燃現(xiàn)象，此后煤體溫度保持在430℃左右并呈上升趨勢。

注入傳統(tǒng)水玻璃凝膠泡沫后，煤溫會在前7min內持續(xù)下降至365.7℃，出現(xiàn)小幅度增長后再次下降，最終在燃燒時間為40min時溫度再次上升。這是因為當水玻璃凝膠泡沫注入燃燒煤體后，首先是其中含有大量水分與煤體接觸，溫度有一定程度下降，之后因為材料中膠凝體系在煤中流動速度較慢，滲透煤體需要時間，煤體溫度略有上升。但當凝膠形成之后，煤體表面形成覆蓋層并在煤中裂隙起到充填作用，煤溫迅速持續(xù)降低，因水玻璃凝膠泡沫失水易開裂的缺陷，在40min后覆蓋煤體的效果降低，出現(xiàn)復燃現(xiàn)象。

相較于水玻璃凝膠泡沫，本實驗選用配比為5%PVA+5%EG礦用凝膠泡沫成膠時間短，在短時間內即可包裹煤體、固水降溫。20min內溫度由689.7℃降至45.2℃左右，此時認為火源基本被撲滅，且滅火過程中未出現(xiàn)復燃現(xiàn)象。

對比三種滅火材料，礦用凝膠泡沫（5%PVA+5%EG）含水量較高，在滅火前期和水效果相差不多。隨著膠凝體系形成，存在于三維網狀結構中水分子被緊緊鎖住。同時，聚乙烯醇（PVA）內旋轉容易，柔性較好，提高了膠凝體系的韌性，不易破碎。礦用凝膠泡沫（5%PVA+5%EG）通過在煤體表面和裂隙進行覆蓋和封堵起到較好的滅火效果。

結語

通過對比添加不同配比的聚乙烯醇（PVA）和乙二醇（EG）的礦用凝膠泡沫凝膠狀態(tài)，在固定0.8%發(fā)泡劑＋1%穩(wěn)泡劑＋8%凝膠劑＋2.2%交聯(lián)劑條件下，添加了5%聚乙烯醇（PVA）和5%乙二醇（EG）的礦用凝膠泡沫具備更好凝膠性能，更適合作為礦用防滅火材料。通過測試在添加5組不同濃度PVA和EG在40–150℃真空干燥箱內，以60℃、90℃、120℃、150℃為溫度觀測點，觀測其保水率的變化，最終得到了添加5%PVA＋5%EG的凝膠泡沫具有較好保水性和穩(wěn)定性。5%PVA+5%EG配比礦用凝膠泡沫具有良好穩(wěn)定性、保水性和PVA結構的特殊性，能在煤體表面和裂隙進行覆蓋和封堵以達到較好的滅火效果，有效控制煤炭燃燒。

參考文獻

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[5]段西凱，周睿，何勇軍.礦用超吸水防滅火凝膠制備及性能研究[J].煤礦安全，2023，54（02）：71-76.