防治煤矿有毒有害气体泄漏的密封剂主要性能实验研究

李 季，宋富美，康怀宇

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

煤矿的作业环境大部分在井下，井下作业本身条件较差，存在的有毒有害气体和物质比较多，主要有:一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、煤尘岩尘等［1］。矿井中的有毒有害气体和物质有些是成煤过程中生成的，存在于煤体裂隙、孔隙中;有些存在于煤层、顶、底板岩石或其他物质中。当这些有毒有害气体和物质超过临界值时，就会对人体产生危害，有时还会发生燃烧、爆炸等事故，危及井下作业人员的身体健康和安全［2］。

目前，煤矿主要防治有毒有害气体的手段是矿井通风，利用机械或自然通风动力，使地面空气进入井下，并在井巷中作定向和定量的流动来稀释和排除井下少量析出的有毒有害气体和矿尘具有一定的优势［3］，但是对类似于具有开放性裂隙的孔洞、裂缝、采空区、巷道掘进爆破等引起的大量有毒有害气体的泄漏时［4］，单单采用通风的方法来防治有毒有害气体，难以满足要求，有时由于受到通风压力的影响，还可能导致积存于采空区、孔洞的大量有毒有害气体被置换出来［5］，而造成事故。

因此，针对煤矿井下有毒有害气体泄漏强度大、空间条件复杂、巷道掘进爆破作业对密封剂强度要求苛刻等特点，本文提出了利用硬质聚氨酯泡沫作为密封剂，并对密封剂的主要安全性能进行实验室测定，为煤矿井下防治有毒有害气体泄漏提供理论依据。

1 硬质聚氨酯泡沫的实验室配制

1.1 实验材料组成

硬质聚氨酯泡沫是一种合成材料，具有多孔性、相对密度小、比强度高等特点。在安全领域中，常作为煤矿的锚固材料、密封材料、燃油箱的防爆材料和过滤材料等［6］。

配制出适合煤矿防治有毒有害气体的聚氨酯材料要具备快速发泡、泡沫迅速覆盖、泡沫稳定不易破碎、防渗透性强、具备抗静电能力、反应放热较低等特点。聚氨酯原料主要由异氰酸酯、蔗糖聚醚多元醇、催化剂、泡沫稳定剂、发泡剂、交联剂、阻燃剂等组成［7，8］。

1.2 实验方案

通过正交实验法和单因素实验法，得出38组实验配比方案。按照配比方案分别进行实验，得出最优的实验配比为(均用质量分数表示):异氰酸酯及辅料50.0%，蔗糖聚醚多元醇27.82%，发泡剂7.65%，催化剂0.49%，阻燃剂、稳定剂及交联剂共占14.04%。

1.3 实验过程

1)将蔗糖聚醚多元醇、发泡剂、催化剂、阻燃剂、泡沫稳定剂、交联剂按照上述配比进行混合作为白料，其外观为明黄色粘稠液体。

2)将异氰酸酯与辅料混合作为黑料，其外观为黑褐色粘稠状液体。

3)将黑料与白料快速混合并搅拌至均匀，静置约40 s后，试剂由原褐色变成乳白色并开始发泡膨胀，到发泡停止共用约5 min(环境温度为:12.6℃，湿度为13.8%)。

(4)测量发泡后的体积为发泡前体积的31倍，图1为配制的聚氨酯成型材料。

图1 硬质聚氨酯泡沫剖面图

2 密封剂力学性能测定

防治煤矿有毒有害气体的硬质聚氨酯泡沫需要有较高的抗压、抗拉、抗冲击力等力学性能。一方面受到作业过程无意识破坏，造成有毒有害气体的大量析出，另一方面，煤矿常常进行爆破作业，强大的震动力对密封剂产生一定的压力、拉力和冲击力，若聚氨酯泡沫的力学性能较差，则无法承受压力、拉力和冲击力而造成破坏，将会导致有毒有害气体的大量涌出，严重影响工人的健康和安全。因此有必要对聚氨酯的压缩、拉伸、冲击性能进行测试，以了解硬质聚氨酯材料的力学性能，研究其在密封有毒有害气体使用中的安全性。

2.1 压缩强度测定

2.1.1 依据测试标准与实验仪器

压缩性能测试一般是针对硬质聚氨酯泡沫材料力学性能的一项指标，按硬质泡沫塑料压缩试验方法Test method for compression of rigid cellular plastics(GB 8813－88)进行测定。

试样尺寸:厚度为50±1mm;试样基面:圆形，直径为60mm，试样两平行面的平行度公差不应超过1%。

实验仪器:微机控制电子万能试验机，粤制03000102号。

测试时，将每个试样置于压缩试验机两平板的中央，活动板以2 mm/min的速率压缩试样，相对形变至少要达到10%。

2.1.2 测试结果

1)试样描述

初始试样为浅黄色固体，表面光滑，孔隙均匀，不酥脆，压缩后出现皱痕，图2为压缩后的试样。

图2 压缩后的试样

2)压缩曲线

压缩开始后，随着变形的增加，曲线初始显著上升，达到最大值后，曲线变得比较平缓。3)相对形变为10%时的压缩应力F10=变形为10%时的压力;S0=试样面积。

2.2 拉伸强度测定

2.2.1 依据测试标准与实验仪器

拉伸强度测试是针对硬质聚氨酯泡沫材料力学性能的重要的技术指标，按硬质泡沫塑料拉伸性能试验方法 Test method for tensile properties of rigid cellular plastics(GB 9641－88)进行测定。

拉伸试样尺寸:哑铃状试样，总长度为150±0.5 mm;夹具间距离为100 mm;标距为50±0.1 mm;端部宽度40 mm;窄小部分宽度为25±0.1 mm;试样厚度10±0.1 mm。

实验仪器:微机控制电子万能试验机，粤制03000102号。

测试拉伸强度时，夹持试样使试样纵轴与上、下夹具中心连线相重合，要松紧适宜，以免试样滑脱，借助可动夹具，使施加在试样上的力均匀地分布在试样上。夹具移动为5 mm/min。

2.2.2 拉伸强度测试结果

1)断裂拉伸应力

2)扯断永久变形

将断裂后的试样放置3 min，再把断裂的两部分吻合在一起，测量标距数值与原始标距之差为0.964 mm，则扯断永久变形为:

2.3 冲击强度测定

2.3.1 依据测试标准与实验仪器

两端式同轨双车模式的立体仓库较单台堆垛机立体仓库的主要区别在于，同一巷道上两台堆垛机同时工作，两台堆垛机根据性能将货架划分成存在交集的两块工作区域。因此，出/入库频率高的货物应均衡放置于巷道两端的出/入库台附近，以均衡两台堆垛机作业时长，使存储效率最优。鉴于此特点，适用于单台堆垛机独立作业的存储效率优先原则的目标函数不再适用于两端式同轨双车运行模式，需要对两端式同轨双车运行模式货位分配问题进行研究。

冲击强度是用来衡量硬质聚氨酯材料韧性的一项重要指标，按照硬质塑料简支梁冲击试验方法Plastics－Determination of charpy impact strength of rigid materials(GB/T 1043－93)进行测定。

冲击试样尺寸:试样尺寸长度l=120 mm，宽度b=15 mm，厚度d=10 mm，支撑线间距离是70 mm。

实验仪器:简支梁冲击试验机(XJJ－5J)。

将试样放置在两支承钳口的上平面上，试样侧面与支承钳口的支承刀刃靠近，冲击线位于两支座正中，选择能量为1J的摆锤一次冲击使试样破坏，并读取表盘读数。

2.3.2 冲击强度测试结果

2.4 测定结果分析

通过对硬质聚氨酯材料进行压缩、拉伸、冲击强度的测试，可以得出当压缩变形达到10%时其压缩应力为0.8502 MPa，材料断裂时的拉伸应力为0.206 MPa，最大冲击强度可达2.66 kJ/m2，能够承受爆破作业时的强大振动力所引起的压力、拉力和冲击力，满足煤矿施工时的力学性能要求。因此硬质聚氨酯泡沫可以很好地应用于防治煤矿巷道掘进爆破引起的大量有毒有害气体的泄漏，是一种优良的密封材料。

3 密封剂尺寸稳定性能测定

在对煤矿有毒有害气体进行密封的过程中，硬质聚氨酯的尺寸是否稳定至关重要。在密封条件下，如果硬质聚氨酯泡沫塑料的尺寸易变，尤其是有缩小的趋势时，将会严重影响到其密封性能，可能造成有毒有害气体的二次泄漏，因此对硬质聚氨酯泡沫进行尺寸稳定性测试十分必要。

3.1 依据标准与实验仪器

尺寸稳定性测试一般是针对硬质聚氨酯泡沫塑料的一项指标，按照硬质泡沫塑料尺寸稳定性试验方法Test method for dimensional stability of rigid cellular plastics(GB 8811－88)进行测定。

试样尺寸:长度为100mm;宽度为100mm;厚度为25 mm。

实验仪器:恒温试验箱、塑料模具、直尺、游标卡尺、钢锯、刀。

3.2 实验过程

测量各个试样三个不同位置的长度(L1，L2，L3)，宽度(W1，W2，W3)及五个不同点的厚度(T1，T2，T3，T4，T5);试样测试的位置如图 3 所示。将试样水平放置在试验箱内的金属网上，间隔至少25 mm，调节温度至23～25℃;20±1小时后，取出试样，再放置1小时后，按照规定测量试样尺寸，并目测检查试样，测试时间共40天。

3.3 测定结果分析

在实验条件下放置30天后，目测试样，表面状态、形状、颜色、大小等均无变化。

通过测量，计算尺寸变化率可知，在实验条件下，试样的长度、宽度、厚度变化都很小，不到0.3%，而且略微有膨胀趋势，对聚氨酯的密封性能有正面影响。

图3 测试试样尺寸的位置

测试结果表明，硬质聚氨酯泡沫塑料具有良好的尺寸稳定性，不必担心由于尺寸变化造成有毒有害气体二次涌出等现象，与水泥等材料风干后的密封性相比，具有明显的优势。

4 密封剂粘结性能测定

作为煤矿有毒有害气体的密封材料，硬质聚氨酯泡沫必须具有良好的气密性，否则可能会导致有毒有害气体的再次涌出，污染作业环境，影响作业人员健康。此次实验通过测定硬质聚氨酯泡沫与煤的粘结性能来评价该密封剂的气密性。

4.1 实验测量

1)实验仪器:材料试验机(TY8000)。

2)实验方法:

相同粘结位置不同种煤样测试:煤样种类的选择均来自于高瓦斯突出的矿井－平顶山矿、赵各庄矿、唐山矿、淮北芦岭矿、鑫龙红岭矿，五种煤样分别与聚氨酯硬泡粘结(粘结面积相同)，分别测量界面的最大承受压剪力，并计算其粘结强度。

同种煤样不同粘结位置测试:取粘结强度最低的一种煤样，分别选取不同位置与聚氨酯硬泡粘结，测量界面的最大承受压剪力，并计算粘结强度。

3)试样尺寸:

不同煤样测量:试样尺寸为50 mm×100 mm×20 mm，粘结面积为50 mm×40 mm。

不同位置测量:试样尺寸为20 mm×120 mm×20 mm，粘结长度取:10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm，90 mm，100 mm。

4.2 测定结果分析

分别从5个具有高瓦斯突出特性的矿山中选取煤样，测试不同煤样与聚氨酯硬泡材料的粘结程度。在其他环境条件均相同的情况下，得到的粘结强度值如表1所示。

表1 聚氨酯硬泡与不同煤样的粘结强度值

由表1的数据可知，与聚氨酯硬泡材料粘结程度最好的是淮北芦岭矿，粘结强度最小的是红岭矿煤，五种煤与聚氨酯硬泡粘结强度的平均值为427.25 kPa。

取粘结强度最小的红岭矿煤样，在煤块的不同长度位置处与聚氨酯硬泡粘结(粘结宽度均为20 mm)，得到的粘结强度值如表2。

表2 煤样不同位置处与聚氨酯硬泡粘结强度值

由表2的数据可知，因10 mm处粘结面积较小，得到的粘结强度误差较大，去掉该值后求煤样在不同位置处与聚氨酯硬泡粘结强度的几何平均数为387.95 kPa，该值作为高瓦斯突出矿井与聚氨酯硬泡封孔材料的平均粘结强度值。

由实验数据可知，聚氨酯硬泡材料与煤样粘结的强度较大，在粘结处不易造成漏气，从而具有良好的密封性能，可以在防治煤矿有毒有害气体泄漏的密封中安全使用。

5 结论

1)配制出适合防治煤矿有毒有害气体泄漏的密封剂——硬质聚氨酯泡沫材料，具有发泡迅速，发泡倍数高、泡沫均匀、致密等特点，能够满足现场实际要求。

2)配制出的硬质聚氨酯泡沫塑料具有较好的力学性能，当压缩相对形变约为10%时，其抗压强度约为0.8 MPa，材料断裂时的拉伸应力为0.206 MPa，最大冲击强度可达2.66 kJ/m2，能够承受爆破作业时的强大振动力所引起的压力、拉力和冲击力;

3)配制出的硬质聚氨酯泡沫具有良好的尺寸稳定性，30天其变形小于0.3%;

4)配制出的硬质聚氨酯泡沫与高瓦斯突出矿井煤样的平均粘结强度值为387.95 kPa，其粘结强度较大，具有良好的气密性，可以有效防治煤矿有毒有害气体的泄漏。

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