代 杰,王忠橋,曹 軍,韓建磊,邢占一

(1.棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 柴里煤礦,山東 棗莊 277519;2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院, 山東 青島 266590)

煤自燃內(nèi)因火災(zāi)是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。隨著煤炭行業(yè)的不斷發(fā)展,預(yù)防煤自然發(fā)火成為煤炭開采前必須做好的重要工作之一[1-3]。在煤炭開采的過程中,會產(chǎn)生大量的煤矸石、煤泥等廢棄物,造成大量的環(huán)境污染和資源浪費(fèi),面對煤自燃風(fēng)險(xiǎn)和廢棄物資源的現(xiàn)狀,急需解決這些問題的方法[4-6]。

煤泥是洗煤廠經(jīng)清洗篩選后產(chǎn)生的較難再次利用的廢棄產(chǎn)物,主要由煤粉、水、骨石粉組成,產(chǎn)量較多,具有較多水分和較大粘度,這些特點(diǎn)使其可以考慮作為防滅火材料的一部分[7-9]。隨著抑制煤自燃防滅火材料的研發(fā),生物質(zhì)凝膠逐漸應(yīng)用至煤礦防滅火領(lǐng)域中。楊苗苗等[10]通過木質(zhì)素、羧甲基纖維素和聚乙烯醇等材料,制備出用于抑制煤自燃的防滅火凝膠,通過良好的溶脹性和保水性對煤的氧化過程進(jìn)行有效抑制。郭行[11]通過優(yōu)選出羥丙基甲基纖維素與碳酸鈉與煤制油氣化灰渣復(fù)合制備出煤制油氣化灰渣凝膠用于抑制煤自燃,該產(chǎn)物通過抑制官能團(tuán)參與氧化反應(yīng)來有效控制煤自燃。Han Chao等[12]以海藻酸鈉、L-乳酸鈣、烷基糖苷和茶皂素為原料,制備了一種新型生物質(zhì)海藻酸鈉凝膠泡沫,能有效降低煤樣溫度,撲滅煤火。Wang liang等[13]通過將魔芋葡甘聚糖與粉煤灰混合制備了一種新型生物質(zhì)復(fù)合溫敏凝膠,有效預(yù)防了煤炭自燃。對于煤泥資源的浪費(fèi)以及新型凝膠的研發(fā)現(xiàn)狀,通過將煤泥與凝膠復(fù)合應(yīng)用于抑制煤自燃,是在煤礦防滅火領(lǐng)域一種新的思路。

本文利用廢棄煤泥與凝膠作為煤泥漿基防滅火材料,用于抑制煤自燃,通過對煤泥的理化性質(zhì)進(jìn)行了分析,并與凝膠復(fù)合使用,通過與煤的協(xié)同燃燒,確定了煤泥漿基防滅火材料的阻燃性能,并通過現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證了應(yīng)用效果。

1 煤泥理化性質(zhì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用柴里煤礦洗煤廠的浮選尾煤,除含水率分析與粘度分析外,因煤泥不同,產(chǎn)出時(shí)間的含水量不同,實(shí)驗(yàn)無法統(tǒng)一,故選用經(jīng)過干燥處理的煤泥作為實(shí)驗(yàn)材料。

1.2 粒度測定

在實(shí)驗(yàn)前對煤泥進(jìn)行破碎處理,采用激光粒度分析儀對煤泥進(jìn)行分析。使用激光粒度儀測試樣品時(shí),用小燒杯取約0.5 g樣品,加入約40 mL去離子水,超聲振蕩1 min;將制備好的待測樣品倒入激光粒度儀,開始分析后會自動生成測試報(bào)告[14]。

1.3 黏度測定及工業(yè)分析

由于煤泥中一般含有較多的黏土類礦物,加之水分含量較高,粒度組成細(xì),所以大多數(shù)煤泥黏性大,有黏度的煤泥可以有效在煤的表面起到隔氧的作用,所以通過旋轉(zhuǎn)型黏度計(jì)測試煤泥的黏度。并采用工業(yè)分析儀對煤泥的各組分含量進(jìn)行分析[15]。1.4含水率測定

用分析天平稱取一定量的樣品,記下樣品重量G1,將樣品放置于105～110 ℃的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥2 h,每20 min稱取樣品質(zhì)量,記為G2,按照下式計(jì)算樣品中的含水率,并進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)取平均值。

式中:X為含水率,%;G1為燒杯與烘干前式樣重量,g;G2為燒杯與烘干后式樣重量,g.

2 防滅火凝膠制備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

基于前人大量關(guān)于防滅火凝膠的研究,選擇阻燃效果良好的基體和單體材料,制備出與煤泥復(fù)合使用的生物質(zhì)阻燃凝膠[16-17]。主要的實(shí)驗(yàn)材料為:羧甲基纖維素、丙烯酸、丙烯酰胺、過硫酸銨、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺,實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

2.2 制備流程

準(zhǔn)確稱量3 g的羧甲基纖維素于500 mL燒杯中,加入300 mL去離子水?dāng)嚢柚寥芙?糊化30 min,隨后在65 ℃條件下將中和度70%的丙烯酸溶液與一定量的丙烯酰胺加入燒杯中,再向其中加入0.02 g的引發(fā)劑過硫酸銨,充分?jǐn)嚢杌旌?在65 ℃下引發(fā)1 h,最后緩慢將N,N-亞甲基雙丙烯酰胺加入反應(yīng)燒杯中,反應(yīng)2 h得到透明色膠體,即防滅火凝膠。制備流程如圖1所示。

圖1 制備流程

3 煤泥漿基防滅火材料阻燃性能測定

3.1 最佳添加配比

以水灰質(zhì)量比1∶0.8、1∶1、1∶1.2的高濃度煤泥漿為對象,并且添加不同比例的凝膠,分別為0.1 %、0.2 %、0.3 %、0.4 %,研究不同水灰比與不同凝膠添加量煤泥漿的膠凝時(shí)間特性參數(shù),得出煤泥漿防滅火材料各組分的最佳添加配比。

3.2 協(xié)同燃燒實(shí)驗(yàn)

采用錐形量熱儀對原煤、原煤與煤泥漿防滅火材料測定熱放熱速率(HRR)、煙霧釋放率(RSR)等數(shù)據(jù),輻射功率35 kW,對原煤與加入防滅火材料的燃燒性能進(jìn)行了比較[18]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 煤泥粒度分析

激光粒度儀測定結(jié)果如圖2所示。

圖2 煤泥粒徑分布

煤泥長期堆積在地面,由于自然風(fēng)化作用,堆積成塊。在大塊煤泥中添加膠凝之后,膠凝分子并不能很好地與煤泥分子進(jìn)行接觸,影響化學(xué)反應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致添加劑起不到應(yīng)有的效果。因此,在實(shí)驗(yàn)前對煤泥進(jìn)行破碎處理,并進(jìn)行了粒徑分析,其粒徑分布如圖2所示。從圖2可以看出,煤泥經(jīng)過破碎以后,粒徑主要集中為中細(xì)粒徑,3 mm以上所占比重為21%,0.1～3 mm比重為63.9%,0.1 mm以下為15.1%,該粒徑分布適合于煤泥漿的配制。

4.2 煤泥黏度及工業(yè)分析

通過干燥后對煤泥進(jìn)行工業(yè)分析以及未干燥的煤泥進(jìn)行黏度測定,確定煤泥所構(gòu)成的組分。干燥煤泥樣品的水分為18.31%、灰分為44.12%、揮發(fā)分為13.42%、固定碳為24.15%,且黏度達(dá)到76.4 Pa·s,其中較高的水分含量以及高黏度可以使煤泥覆蓋在煤表面起到隔氧降溫的作用,但是由工業(yè)分析得到煤泥中的固定碳含量也較高,仍具有自燃的危險(xiǎn),所以需要將其與凝膠進(jìn)行復(fù)配再進(jìn)行運(yùn)用。

4.3 煤泥含水率測定

對沒有干燥的煤泥進(jìn)行含水率測定,結(jié)果如圖3所示。通過2 h鼓風(fēng)干燥箱的干燥,煤泥間的水分逐漸蒸發(fā)。由圖3可以看出,未經(jīng)過干燥的煤泥中含有較多的水分,經(jīng)干燥后,測定的煤泥含水率為36.13 %,由此看來,煤泥中含有充分的水分能夠?qū)γ鹤匀歼^程進(jìn)行降溫滅火,并且通過黏度覆蓋在煤層表面起到隔氧的作用,對煤自燃起到很好的抑制作用,因此,煤泥中有較多的水分、較大的黏度是其作為阻燃材料的優(yōu)勢。

圖3 煤泥含水率測定

4.4 煤泥漿基防滅火材料阻燃性能分析

4.4.1 最佳配比實(shí)驗(yàn)

測定最佳配比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和表1所示。

表2 不同配比煤泥漿的膠凝時(shí)間

圖4 煤泥添加凝膠前后效果對比圖

由圖4和表1可得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論:

1) 不同水灰質(zhì)量比的煤泥漿均可發(fā)生膠凝,當(dāng)水灰質(zhì)量比為1∶0.8時(shí),在加大了凝膠的添加量后,煤泥漿的膠凝效果仍然較差,并且在膠凝后短時(shí)間內(nèi)析出大量的水分。當(dāng)水灰質(zhì)量比大于1∶1時(shí),煤泥漿在較低凝膠添加量的情況下即可發(fā)生膠凝,且膠凝后短時(shí)間內(nèi)未有明顯水分析出現(xiàn)象,膠凝效果良好。

2) 煤泥漿的膠凝時(shí)間較短,都在1 min以內(nèi)。向煤泥漿中添加一定配比的凝膠以后,均勻攪拌,漿液在很短的時(shí)間內(nèi)即可發(fā)生膠凝。這說明煤泥漿膠凝速度較快,可應(yīng)用于礦井火災(zāi)的快速撲滅。

3) 膠凝劑添加量相同時(shí),不同水灰質(zhì)量比的煤泥漿膠凝時(shí)間不同,并且煤泥所占比重越大,漿液膠凝時(shí)間越短。同一膠凝劑添加量情況下,水灰質(zhì)量比從(1∶0.8)～(1∶1.2),煤泥漿的膠凝時(shí)間呈逐漸減小趨勢,并且近似呈現(xiàn)出一定的線性變化。這可能是因?yàn)槟z添加量相同時(shí),漿液中的線性高分子材料數(shù)量一定,單位體積內(nèi)的煤泥顆粒越多,煤泥顆粒與凝膠中的線性高分子材料的作用效果越快,從而縮短了漿液的膠凝時(shí)間。

4) 同一水灰質(zhì)量比的煤泥漿,凝膠添加量越多,漿液膠凝時(shí)間越短。這可能是因?yàn)樵谒屹|(zhì)量比一定的條件下,單位體積內(nèi)煤泥顆粒的數(shù)量一定,添加的膠凝劑越多,單位體積內(nèi)煤泥顆粒獲得的線性高分子材料越多,煤泥顆粒與線性高分子材料的反應(yīng)越快,膠凝時(shí)間越短。

當(dāng)水煤泥質(zhì)量比為1∶0.8時(shí),煤泥漿很稀添加大量凝膠劑后,經(jīng)過一段時(shí)間仍有大量水分析出。當(dāng)水煤泥質(zhì)量比為1∶1.2時(shí),不加入凝膠劑煤泥漿就非常粘稠,流動性較差,不易實(shí)際應(yīng)用。圖4為水灰質(zhì)量比1∶1的煤泥漿添加膠凝劑前后的對比圖。從圖中可以看出,不添加膠凝劑的煤泥漿不發(fā)生膠凝,且存在較多空余水分,造成井下排水問題及煤泥自燃危險(xiǎn),添加0.3%膠凝劑后,水分被凝膠固定,基本上失去流動性,對井下采空區(qū)具有很好的覆蓋作用。綜上,考慮應(yīng)用效果和節(jié)約資源的因素,選擇1∶1水灰質(zhì)量比以及0.3%凝膠添加量的比例用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

4.4.2 總釋放熱

圖5為煤樣和煤樣與煤泥漿防滅火材料混合后的總釋放熱 (THR) 曲線。從圖中可以看出,兩個(gè)樣品的THR呈線性增長趨勢,單純煤樣的THR明顯高于加入復(fù)合材料的煤樣,并且原煤樣的曲線稍有變化和波動,在前期60 ℃左右,煤樣的THR突然上升,是由于煤樣吸收足夠量的熱量時(shí),其溫度升高,引起自燃,隨后釋放出大量熱量。而加入復(fù)合材料后,煤樣的曲線較為平穩(wěn),煤泥漿防滅火材料通過隔氧、降溫、結(jié)合自由基等手段在煤燃燒各個(gè)階段起到阻燃作用,控制煤自燃進(jìn)程中熱量的釋放,阻止進(jìn)一步燃燒,降低THR值。一般情況下,THR越低,材料的阻燃性能越好[19]。由此看來,加入煤泥漿防滅火材料后,提高了煤樣的阻燃性能,降低了煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 總釋放熱

4.4.3 煙釋放速率

圖6顯示了煤樣和煤樣與復(fù)合材料混合后進(jìn)行燃燒的煙霧釋放率(RSR)曲線。這些參數(shù)代表了材料燃燒時(shí)的煙霧生成能力,煙霧生成能力代表煤泥漿復(fù)合材料的抑煙性能,其中熱分解產(chǎn)生的煙氣存在一定的有毒氣體,其發(fā)煙量越小,毒性越小[20]。如圖6所示,兩個(gè)樣本的測試數(shù)據(jù)大小差異較大,煤樣曲線呈現(xiàn)較大的尖峰形曲折,單一煤樣的煙釋放速率明顯高于加入復(fù)合材料混合后的煤樣,煤樣的煙釋放速率峰值高達(dá)3.04 L/s,在與煤泥漿防滅火材料混合后,峰值降低至0.78 L/s.在煤泥漿防滅火材料的作用下,煤樣釋放煙霧的速率和產(chǎn)生煙霧的量都明顯減小,表現(xiàn)出良好的抑煙性能,且煙霧的減少也控制了有毒氣體的產(chǎn)生,減少了環(huán)境污染。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

對采空區(qū)灌注煤泥漿+稠化膠體漿液:稠化膠體由煤泥、水、膠凝劑組成。在地面灌漿池內(nèi)的煤泥漿液中按比例加入膠凝劑(0.3%),攪拌均勻后通過灌漿管路系統(tǒng)輸送至井下。通過對上隅角CO氣體體積分?jǐn)?shù)及溫度的變化情況進(jìn)行分析,驗(yàn)證現(xiàn)場應(yīng)用效果。

從圖7中可以看出,當(dāng)開始注新型煤泥漿基防滅火復(fù)合膠體材料后,采空區(qū)高溫火源點(diǎn)得到了抑制,經(jīng)過注漿材料的灌注后,溫度明顯降至30 ℃以下,使煤溫難以達(dá)到自燃溫度,且上隅角CO體積分?jǐn)?shù)顯著下降,在使用材料后CO體積分?jǐn)?shù)降至24×10-6以下,表明對煤的氧化過程有明顯的抑制作用。結(jié)果表明,新型煤泥漿基防滅火復(fù)合膠體材料對柴里煤礦采空區(qū)取得了明顯的應(yīng)用效果,使柴里煤礦能夠順利安全開采。

圖7 采空區(qū)上隅角CO體積分?jǐn)?shù)及溫度變化情況

6 結(jié) 語

本文以選煤廠廢棄煤泥與常用阻燃凝膠復(fù)合用于抑制煤自燃,通過分析煤泥理化性質(zhì)確定煤泥可以作為防滅火材料的組成部分,通過比較煤泥漿防滅火材料與煤樣混合后的燃燒情況,確定阻燃效果。主要結(jié)論如下:

1) 通過測定煤泥的粒徑、黏度、組分、含水率等理化性質(zhì),確定了煤泥的粒徑分布以及具有較大的黏度和含水率等特性,適用于抑制煤自燃,由于其固定碳含量偏高,所以選擇其與阻燃凝膠復(fù)合使用。

2) 通過測定組分添加量的膠凝時(shí)間,1∶1水灰質(zhì)量比以及0.3%凝膠添加量的比例作為最佳配比。通過錐形量熱儀測定煤泥漿復(fù)合材料與煤樣混合燃燒后的總釋放熱、煙釋放速率,結(jié)果表明,復(fù)合材料有效降低了煤樣的總釋放熱,控制煙霧釋放率在0.78 L/s.煤泥漿基防滅火材料具備良好的阻燃性和抑煙性,能夠降低煤自燃風(fēng)險(xiǎn),保障煤礦安全、綠色開采。

3) 通過利用廢棄煤泥與阻燃凝膠共同抑制煤自燃。現(xiàn)場應(yīng)用表明,能夠有效控制煤自燃過程,保障了礦井安全生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù),提高了資源利用率,為礦井防滅火提供了新的思路。