高吸水性聚合物抑制煤自燃进程的阶段阻化特性研究.pdf

科学技术创新 2023.21高吸水性聚合物抑制煤自燃进程的阶段阻化特性研究闫虎君1，于贵生2,3，朱辉1，赵亚洲1，俞卫星1（1.华亭煤业集团有限责任公司，甘肃 华亭；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺）引言作为一个产煤大国，煤炭长期一直占据着我国的主要能源地位，而在煤炭开采过程中，煤炭自燃又是我国煤矿生产过程中面临的主要灾害之一1，严重威胁着煤矿安全生产。为了对煤炭自燃进行有效的治理和预防，国内外已有很成熟的技术方法了，如注浆、注氮、喷洒阻化剂、注惰性气体等其他各种防灭火材料，这些技术方法在煤炭火灾防治中发挥着重要作用，但也存在一定缺陷。如氮气易随采空区漏风扩散，不易滞留火区；黄泥灌浆容易顺沟流失，不易形成胶体、稳定性差，甚至恶化工作面环境；喷洒阻化剂对煤体自燃作用区域有限，作用时效性短；凝胶流动性差，扩散范围较小；三相泡沫虽然能在防灭火区域向高处堆积，但泡沫破裂后大量水浆容易流失，很难实现长期密封火灾区域2-5。以上防灭火技术材料虽各有特点，但尚需一种成胶时间可控、热稳定性好、灭火效果显著等优点的高吸水性聚合物。因此，拟提出性能更加完备的矿用大骨料堆积隔离材料，为了促进该技术的进一步发展和推广，必须对其阻化特性与灭火性能进行系统地研究。1高吸水性聚合物介绍与选用高吸水性聚合物具有三维网状结构，且有很强的亲水性基团，它通常能够吸收数百倍以上的水，在高温受压的情况下也具有良好的持水能力6。高吸水性聚合物种类繁多，但适合防治煤自燃的防灭火材料并不多，而矿用大骨料堆积隔离材料是一款新型的成本低、效果好的防灭火阻化材料，它是由甲、乙两种单浆液以 1颐1 体积比混合制成，其中：甲材料是以铝土矿与超缓凝剂烧制形成；乙材料是以石膏与速凝剂复合形成；甲、乙单浆液分别配水（料水比为 1颐5）形成7-8。因此，选用高吸水性聚合物（矿用大骨料隔离材料）来研究其性能与对煤阻燃的效果。2高吸水性材料性能测试2.1溶胀动力学2.1.1测试方法分别称取 0.5 g 甲、乙材料干样品进行混合，并用纱布包裹放置于烧杯中，在烧杯中加入足量的蒸馏水，将烧杯放在恒温箱中，每隔 5 min 对样品进行一次称量，按照公式（1）计算得出吸水倍率。实验测得了作者简介：闫虎君（1986-），男，本科，安全工程师，研究方向：矿井“一通三防”管理。摘要院为防治高地温条件下采空区遗煤自然发火，研制一种新型高吸水性聚合物-矿用大骨料堆积隔离材料，通过实验测试高吸水性聚合物对煤自燃进程的阻燃特性。研究结果表明：高吸水性聚合物不仅具有良好的吸水性，而且在高温下固水能力强，如在 90 益下保温 180 min，水的失重率要比大骨料高出 17%左右；封堵性能实验测得负压值持续保持在-0.028 MPa，具有很好的覆盖性和堆积性；程序升温煤氧化实验中，明显抑制了煤自燃氧化进程，增加了初始生成 CO 时间和 CO 的生成量。因此，矿用大骨料堆积隔离材料可作为一种有效地防治采空区煤炭自燃的新型防灭火材料。关键词：高吸水性聚合物；防灭火材料；煤自燃进程；阻燃性能；防灭火特性中图分类号院TD75文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤21-0080-0480-2023.21 科学技术创新大骨料分别在 15 益、35 益、55 益、75 益下随时间变化的吸水倍率，并依据时间变化绘制溶胀动力学曲线。（1）式中：琢 为吸水率；m2为大骨料吸水后的质量；m1为大骨料的原始质量。2.1.2测试结果实验得出大骨料材料的吸水倍率与吸水速率，见图 1。从图中可以看到，吸水率在 0耀40 min 内显著增加，最大吸水倍率为 374.7；曲线的斜率即为材料的吸水速率，随着温度的升高，吸水速率也是越来越快，到达溶胀平衡的时间也越短。原因分析：大骨料吸水溶胀过程中，在温度没有达到临界溶解温度时，随着温度的升高，使得大骨料中亲水性基团活跃度提高，加快了材料的吸水速率，表现出良好的吸水性能；其次在 55耀75 益下，大骨料吸水后很快就到达了临界溶解温度，高的温度破坏了原来水分子形成的有序结构，迫使大骨料凝结，快速释放水分。图 1大骨料产品的溶胀动力学曲线2.2热稳定性2.2.1测试方法准备 2 个盛有等量蒸馏水的烧杯，其次向一个烧杯中加入 1 g 大骨料，静置 40 min 后将 2 个烧杯置于恒温干燥箱中，每隔 30 min 进行一次称量，称重完立即放回。用此方法，分别在 30 益、60 益、90 益条件下测试大骨料与水的保水率。保水率按照公式（2）计算，如下：（2）式中：为保水率，%；为初始质量，g；为加温失水后质量，g。2.2.2测试结果实验测得大骨料与水在不同温度下随时间变化的保水率曲线见图 2。从图中可以看出，随着时间变化，蒸馏水和大骨料保水率呈现递减趋势，但大骨料保水率会慢慢趋于平缓；相同温度下，随时间变化，大骨料的保水率都要比蒸馏水高的多；相同的加热时间里，温度越高大骨料与蒸馏水的保水率越小，且水的保水率是急剧变小。图 2蒸馏水与大骨料随温度、时间变化的保水率曲线2.3封堵漏风特性2.3.1测试方法通过一种实验装置进行测试，装置由抽气泵、负压表、柱形容器和模拟局部破碎煤层等几部分组成，其中金属网上是 300 mm 厚的模拟破碎煤层（粒径为25耀35 mm）。实验过程：将配制好的大骨料防灭火浆体注入到破碎煤层封堵段，待浆体全部覆盖住停止注浆，静置 3 min 待初凝后，开启抽气泵，等负压表数值稳定时，关闭抽气泵停止抽气，观察负压表记录数值，并绘制时间-压力值变化曲线。2.3.2测试结果由实验得到如图 3 所示的负压曲线变化，在抽气泵停止前，压力呈线性降低，达到峰值；抽气泵停止后，气压逐渐回升，并在 50 min 后稳定在-0.028MPa。这是由于煤体间空隙率存在各向异性，大骨料注入时扩散不均匀，导致某些微小空隙内扩散不到，在负压的作用下，大骨料在孔隙里发生蠕动重新分布，因此负压有所回升，当间隙内大骨料分布均匀并将所81-科学技术创新 2023.21有裂隙封堵住后，负压逐渐趋于稳定。图 3大骨料封堵性能测试结果3高吸水性材料煤阻燃效果3.1程序升温实验实验采用程序升温氧化实验系统9。实验系统由供气单元、程序升温单元和气体样品分析单元 3 部分组成，其中供气单元可以对送入的干空气进行预热处理；程序升温单元置有煤样罐，能实现恒温与程序升温，可控温度范围为室温至 350 益；气体样品分析单元为气相色谱仪，分析煤样罐出气口中气体组分浓度。以华亭煤矿煤 5 层煤为实验煤样，破碎筛分出粒径 0.30耀0.45 mm 的煤样，称取 30 g 样品 3 份进行充氮封装，依次编号为 1#耀3#，其中 1#煤样不做处理，2#煤样加入 10 g 水搅拌均匀，3#煤样加入 10 g 大骨料浆液搅拌均匀。将处理过的煤样放入煤样罐进行实验，供给 60 mL/min 的干空气，升温速率为 1 益/min，温度范围 30耀260 益，煤样温度每上升 10 益取气样 1次，并利用色谱仪分析。3.2实验结果分析选取 CO 作为指标气体考察高吸水性聚合物对煤的阻燃效果，如图 4 所示为各试样升温过程中 CO 浓度变化量。可以看出：不同煤样产生 CO 的初始温度是不同的，原煤样约水处理煤样约大骨料处理煤样，这是由于水或大骨料很明显的抑制了煤自燃的进程和氧化物的生成；不同煤样在各个温度下 CO 生成量也不同，氧化物的生成量体现了煤氧反应程度，实验过程中水或大骨料处理煤样的 CO 生成量均有所降低，但是水处理煤样中水分蒸发完，抑制煤氧反应作用减弱，氧化产物开始递增，而大骨料处理煤样在高温下不仅水分散失较少，持续吸收反应热的同时，凝结在煤体表面，隔绝煤氧接触与阻止热传递的作用，抑制了煤氧反应，故氧化产物生成量更少，对煤的阻燃效果更好。图 4不同煤样 CO 生成量变化曲线4结论（1）通过溶胀热力学测试，表明大骨料防灭火材料能在短时间内吸收大量水分，且高温下失水较少，具备良好的保水性能，这对防治煤氧化自燃有重要作用。（2）该大骨料具有良好的流动性和堆积性，能有效覆盖煤体表面，渗透到煤体裂隙之间封堵漏风，有效隔绝了煤与氧气的接触，抑制了煤自燃的进程。（3）与水比较，大骨料堆积隔离材料能隔绝氧气且持续吸收煤氧反应热，使氧化产物生成初始温度更高，生成量更少，明显抑制煤自燃的进程，阻燃效果更佳。因此，矿用大骨料堆积隔离材料可作为一种新型防灭火材料，值得在防治煤炭自燃领域加以研究和推广。参考文献1梁运涛,侯贤军,罗海珠,等.我国煤矿火灾防治现状及发展对策J.煤炭科学技术,2016,44(6):1-6.2朱红青,胡超,周全涛,等.泥浆泡沫性能及影响因素研究J.矿业科学学报,2019,4(4):343-348.3王银.煤矿综放工作面防灭火技术研究J.中国资源综合利用,2021,39(1):48-50.4秦波涛,张雷林.防治煤炭自燃的多相凝胶泡沫制备82-2023.21 科学技术创新Study on the Stage Inhibition Characteristicsof Superabsorbent Polymer Inhibiting CoalSpontaneous Combustion ProcessYan Hujun1,Yu Guisheng2,3,Zhu Hui1,Zhao Yazhou1,Yu Weixing1(1.Huating Coal Industry Group Co.,Ltd.,Huating，China;2.Middling Coal Science and Engineering GroupShenyang Research Institute Co.,Ltd.,Fushun，China;3.State Key Laboratory of Coal Mine SafetyTechnology,Fushun，China)Abstract:In order to prevent the natural ignition of coal in the goaf under high ground temperature con原ditions,a new superabsorbent polymer-mining bulk bulk accumulation isolation material was developed,andthe flame retardant characteristics of superabsorbent polymer on the spontaneous combustion process of coalwere tested by experiments.The results show that superabsorbent polymer not only has good water absorption,but also has strong water fixing ability at high temperature,such as 180 min at 90 毅C,the weight loss rateof water is about 17%higher than that of large aggregate;The negative pressure value measured in the plug原ging performance experiment was continuously maintained at-0.028 MPa,which had good coverage andstacking,and the programmed heating coal oxidation experiment obviously inhibited the spontaneous combus原tion oxidation process of coal,and increased the initial CO generation time and CO generation.Therefore,thebulk aggregate accumulation isolation material for mining can be used as a new type of fire-proof material toeffectively prevent and control the spontaneous combustion of coal in goafs.Key words:high water absorbent polymer;fire prevention and extinguishing materials;coal spontaneouscombustion process;flame retardant performance;fire prevention and extinguishing characteristics实验研究J.中南大学学报(自然科学版),2013,44(11):4652-4657.5余明高,王亮,李海涛,等.我国煤矿防灭火材料的研究现状及发展趋势J.矿业安全与环保,2022,49(4):22-36.6Chunyu Chang,Bo Duan,Jie Cai,Lina Zhang.Super原absorbenthydrogelsbasedoncelluloseforsmartswelling and controllable delivery J.European Poly原mer Journal,2009,46(1).7李树静,韦昌新,高明,等.矿用大骨料堆积隔离材料在典型小窑隐蔽火源治理中的应用J.煤矿安全,2020,51(7):156-160.8任万兴,郭庆,左兵召,等.泡沫凝胶防治煤炭自燃的特性与机理J.煤炭学报,2015,40(S2):401-406.9董凯丽,王俊峰,梁择文,等.矿用 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