防控高温煤岩裂隙的膏体泡沫研制及应用*

鲁　义，陈　立，邹芳芳，熊珊珊

(1. 湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭 411201; 2. 湖南科技大学 煤矿安全开采湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201; 3. 湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201)

0　引言

矿井火灾是煤矿主要灾害之一，其中由于煤岩裂隙漏风导致的煤自燃火灾事故占矿井火灾总数的90%以上[1]。根据国家安监总局煤矿事故查询系统不完全统计[2]，2002-2016年期间共发生770起瓦斯爆炸事故，其中30%以上诱因为煤自燃。我国新疆、宁夏、内蒙等省还存在大面积的煤田火灾，每年烧损煤量1 000～1 360万吨，经济损失超过200亿元[3]。神东、陕北、黄陇、宁东和晋北等大型煤炭基地，煤层埋藏浅、层间距近、地表漏风严重，自然发火也十分频繁[4]。此外，因瓦斯抽放漏风[5]和沿空掘进遗留小煤柱压碎漏风[6]引起的煤炭自燃问题也变得十分突出。国内外通常采用灌浆[7]、注氮气[8]、注泡沫[9]、喷洒阻化剂[10]、注凝胶和复合胶体[11]等防灭火技术来防治矿井煤自燃。采用灌浆技术，覆盖范围小、不能向高处堆积、易形成“拉沟”现象，对于缺水少土矿区，常规的灌浆实施困难；采用注氮气技术，氮气具有惰化火区、扩散范围广等特点，但氮气易随漏风逸散，灭火降温能力也较弱；采用喷洒阻化剂技术，阻化剂腐蚀井下设备和危害工人身心健康，防灭火效果也不甚理想；采用注凝胶和复合胶体技术，凝胶或复合胶体流量小、成本高、扩散范围小；泡沫稳定时间不长，破灭后难以持续封堵高温煤岩裂隙[12]。

基于以上分析可以得出，防治煤炭自燃的关键在于防控高温煤岩裂隙。而泡沫体材料具有良好的裂隙渗流扩散能力、能向高处堆积、对高温煤岩裂隙进行立体覆盖，为此，研发了一种膏体泡沫材料对高温煤岩裂隙进行覆盖降温、封堵、阻化来防治煤炭自燃。采用正交试验对其最佳配方进行确定，并将材料应用现场煤自燃火区进行防控高温煤岩裂隙。

1　实验过程

1.1　实验原材料

聚丙烯酰胺(纯度98%)，粉煤灰(SiO2、Al2O3含量≧60%)，硅粉(纯度96%)，普通硅酸盐425型水泥(水泥细度≦5.0%)，二水合氯化钙(纯度99%)，六水合氯化镁(纯度99%)，十二烷基硫酸钠(纯度98%)，十二醇(分析纯)。

1.2　制备工艺

膏体泡沫基本的制备过程可以分为4个步骤：(1)在干粉搅拌器中首先将粉煤灰、普通硅酸盐425型水泥、硅粉、六水合氯化镁、二水合氯化钙搅拌均匀形成混合粉体，其中各组分的掺量相对于复合粉体质量分别为65.4 wt.%，23.1 wt.%，10.5 wt.%，0.4 wt.%，0.6 wt.%；(2)将2.5 wt.%十二烷基硫酸钠与2 wt.%十二醇复配制成的复合表面活性剂；(3)将聚丙烯酰胺，混合粉体、复合表面活性剂加入到水中形成复合膏体；(4)复合膏体在发泡装置中进行发泡。发泡装置为一个混合器，其内置有中空螺旋杆，中空螺旋杆上开设有出风口。压风风压为0.3～0.4 MPa，供风量与复合膏体体积比为10∶1，压风从中空螺旋杆内部喷出，与在螺旋通道(转速为150～200 r/min)中推进搅拌的复合膏体进行扰流混合，形成的涡街转化成为湍流，并按照一定的频率产生涡旋，动能的损失作用在复合膏体上，进而形成膏体泡沫。该混合工艺针对复合膏体保水多、粘度大不易与气体接触的特点，在复合膏体运动轨迹中从内部供气发泡。

1.3　关键性能分析方法

1)保水率

试验装置是东莞市科昶检测仪器有限公司生产的KQ-1202型热风循环干燥箱，温度范围为RT～300℃，升温时间为RT～100℃约10分钟，精确度为±0.5℃，均匀度为±1.0%，加热功率为8 kW。取质量为1 000 g的膏体泡沫放入试验箱中，设置检测温度为150℃，升温恒定后保持10 h，待膏体泡沫恢复至常温，从恒温槽中取出，使用电子天平测定此时膏体泡沫的质量，按公式(1)计算保水率：

(1)

式中：η为检测温度下膏体泡沫的保水率，%；m1为恢复常温后膏体泡沫的质量，g；m0为膏体泡沫初始质量，g。

2)发泡倍数

测量制备后的膏体泡沫密度(ρ1)和未发泡时复合膏体的密度(ρ0)，得出发泡倍数为两者密度之比。

3)阻化率

煤热解过程时要产生多种气体，且各种气体产生的最低温度，以及气体生成量和煤温之间的关系因煤质不同而异。因此，采用自主研制的煤自燃特性测试系统(图1)，并通过检测指标气体CO浓度来测定膏体泡沫的阻化率。试验煤样来自萍乡矿业集团安源煤矿，经过破碎和筛分，样品为50 g，粒度为40～80目。将煤样置于铜质煤样罐内，将煤样罐置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、出气气路和温度探头(探头置于煤样罐的几何中心)，检查气路的气密性。测试时向煤样内通入50 mL/min的干空气。在程序控温箱控制下对煤样进行加热，当达到指定测试温度100℃时候，恒定温度5 min后采取气样进行气体成分和浓度分析。计算原煤样和膏体处理过煤样两组煤样释放CO量的差值，阻化率的计算公式为：

(2)

式中：ε为阻化率，%；h0为原煤样检测时CO释放量，mg/m3；h1为阻化样检测时CO释放量，mg/m3。

1—干空气瓶；2—减压阀；3—稳压阀；4—稳流阀；5—压力表；6—气阻；7—流量传感器；8—隔热层；9—控温箱；10—气体预热铜管；11—进气管；12—出气管；13—煤样罐；14—铂电阻温度传感器；15—风扇；16—加热器；17—控制器；18—数据采集系统；19—气相色谱仪；20—计算机图1　煤自燃特性测试系统Fig.1　Test system for the characteristic of coal spontaneous combustion

1.4　正交试验方案设计

为了研究聚丙烯酰胺、复合表面活性剂、混合粉体的最佳配比，利用正交实验分析法进行分析。选取保水率、发泡倍数、阻化率作为指标，选取聚丙烯酰胺浓度(A)、复合表面活性剂浓度(B)、混合粉体浓度(C)作为因素，研究这3个因素与3个指标的关系，每个因素选用5个水平，正交试验水平因素设计如表1所示。

表1　正交试验水平因素设计

2　实验结果分析

按照表1所示的正交试验水平因素设计开展试验，得到试验结果如表2所示。

表2　正交试验结果

根据表2试验结果，按照正交试验数据分析进行逐步求解，可得出最佳配方为A4B4C4，即当聚丙烯酰胺的浓度为70 g/L，复合表面活性剂为19.5 g/L，混合粉体的浓度为270 g/L时，膏体泡沫综合性能最佳，经过试验测试该方案情况下膏体泡沫的保水率为85.31%，发泡倍数为9.62，阻化率为70.31%。与正交试验表中的配方试验结果相比较，综合性能更优。膏体泡沫作为一个泡沫流体体系，在现场防治煤火的过程中，其在高温煤岩裂隙中渗流扩散能力，对高温壁面的吸热降温特性，自身在受热情况下的稳定性都与其泡孔结构有关。因此，采用BT-1600图像颗粒分析系统对膏体泡沫进行微观表征，放大10倍情况下的泡孔结构分布如图2所示 ，放大100倍情况下的泡孔液膜及其附着颗粒分布如图3所示。

图2　泡孔尺寸及分布Fig.2　Bubble size and distribution

图3　泡孔液膜及其附着颗粒分布Fig.3　Attached particles in bubble liquid membrane

由图2可得，膏体泡沫的泡孔分布较均匀，孔径大小在100～300 μm之间，经统计，平均孔径约为165 μm，孔壁厚度约为10.2 μm。因此，当其渗流封堵在裂隙中时，能很好的阻止高温热源温度以气体导热、对流的方式在煤岩裂隙进行蔓延扩散。由图3可得，混合粉体能够较均匀的分布在膏体泡沫的液膜中，其中的粉煤灰、水泥、硅粉等颗粒导热系数低、辐射吸收比大[13]，所以当其覆盖在高温煤岩体表面时能够起到阻热和抑制热辐射的作用，这同时也增加了膏体泡沫所能承受的极限环境温度。此外，图3中还可观察到泡孔液膜载体呈现网状结构。这主要是因为膏体载体为聚丙烯酰胺，其化学式为—[CH2CH]nCONH2—，其吸水时，首先是离子型亲水基团在水分子的作用下开始离解，阴离子固定在高分子链上，阳离子作为可移动离子在树脂内部维持电中性，由于网络具有弹性，因而可容纳大量水分子[14]。水进入到网状结构中，会使得整个泡膜体系的自由焓降低，能够更好的对高温煤体进行降温，同时只有当水分子的热运动超过高分子网络的束缚力后，水才挥发逸出[15]，所以膏体泡沫具有很好的热稳定性。

3　现场应用

3.1　工作面基本情况

南方某矿3220采区302工作面位于3220采区3129皮带道～3127皮带道之间，工作面东以矿井边界为界，西以3127皮带道二平石门为界。所采煤层为大槽煤层，结构复杂，厚度变化大，含夹石1～4层，厚度0.2～1.5 m。工作面受断层等地质构造影响，底板坡度变化大，对开采有较大影响。大槽煤层为自燃发火煤层，发火期3～6个月。绝对瓦斯涌出量为1.2 m3/min，相对瓦斯涌出量为0.78 m3/t。大槽煤层具有煤尘爆炸危险，爆炸指数为43.98%。在1月1日工作面多处地点出现CO超限，CO浓度大于300 ppm的地点主要集中302 4部溜子头5 m、302 3部溜子尾、302 4号抽放孔、302尾掘2号钻孔、3127三石门密闭内、3127二石门密闭内。其中三石门密闭内CO浓度高达700 ppm，出现了C2H2，C2H4浓度为150 ppm，并且能闻到浓烈的煤焦味。

3.2　火区范围分析

由于302工作面靠近进风侧部分所采区域为已采的301工作面，由于矿井开采资源紧张问题，所以对301工作面进行了复采，漏风严重。靠回风侧区域为实体煤，但由于工作面下方施工了底板瓦斯抽放巷道，向上部煤层施工了大量抽放钻孔，所以该实体煤区域实际上煤层裂隙扰动大，存在一定漏风。为了进一步判定火区范围，利用工作面回风顺槽已经有的1#和2#钻场瓦斯抽放钻孔，并在工作面施工了3#、4#、5# 3个钻场，通过钻孔采集气样，观测分析，发现在5个钻场钻孔中1月1日-1月4日期间的CO平均浓度如下，1#-1孔约为480 ppm，2#-1孔约为440 ppm，3#-1孔约为500 ppm，4#-1孔约为280 ppm，5#-1孔约为260 ppm。同时在工作面进风顺槽与五斗交汇处也存在CO浓度超限，该浓度在1月1日，1月2日，1月3日，1月4日连续4 d出现在每天11:00-15:00之间CO异常涌出，浓度高达150 ppm。经过与现场工程技术人员井下实地监测和分析，判定了工作面煤层主要的发火区域位置处在原301工作面回风顺槽与三石门交汇处附近的区域，如图4所示。此外考虑到进风顺槽煤壁连续4 d在中午左右出现的CO异常涌出，得出进风顺槽与进风五斗交汇处煤体由于长期处于漏风，存在煤自燃高温点，如图4所示。

图4　302工作面火区分析及钻孔布置Fig.4　Fire zones analysis and drilling layout in 302 working face

3.3　钻孔压注膏体泡沫

由以上分析，可得工作面前方煤层实质上已经处于一个高温环境，而防治火区的根本在于对高温煤体进行灭火降温并及时控制好漏风通道，为此1月4日晚上在3#、4#、5#钻场分别再施工2号、3号两个钻孔。于1月5日早班(8:00)开始，从5个钻场的2号、3号钻孔分流压注膏体泡沫，共计压注泡沫量为中300 m3。5个钻场的1号钻孔作为监测点，进行取样分析，工作面主要监测点CO浓度变化如图5所示。

图5　压注膏体泡沫前后主要监测点CO浓度变化Fig.5　Change of CO concentration in the main monitoring points before and after the injection of foam

从图5中可以看出，在1月5日早班以前，工作面前方煤层火区内煤自燃指标气体CO浓度均有一定的上升，但上升的幅度不大，这主要是因为1月3日开始已经对工作面的风量进行调整，使得工作面配风量从380 m3减少到200 m3，但是仅仅通过通风系统的调整还不能很好的抑制火区的进一步发展。1月5日早班，从钻孔分流压注膏体泡沫后，可以看出各个监测点CO浓度都开始迅速下降，当班下降幅度达到100 ppm以上。这主要是因为压注钻孔布置较多，且工作面具有23～28°的倾角，煤层裂隙受扰动尺度较大，膏体泡沫本身对裂隙具有很好的渗流扩散能力，所以膏体泡沫能够在较短的时间达到预先判定的火区和高温点，对高温煤岩体进行覆盖降温，对裂隙通道进行封堵，从温度和漏风供氧两个方面阻止了火区的蔓延和发展。至1月6日晚班，钻孔监测点CO浓度均降低到80 ppm以下，三石门密闭CO降低为105 ppm。在1月7日晚班，1-5#钻场钻孔监测点CO浓度分别降低到22 ppm，18 ppm，23 ppm，14 ppm，14 ppm，三石门密闭处CO也降低到36 ppm。可见，经过压注膏体泡沫3天后，工作面火区情况得到了良好的控制。

4　结论

1)采用正交试验法，以保水率、发泡倍数、阻化率作为指标，聚丙烯酰胺(A)、复合表面活性剂(B)、混合粉体(C)作为因素， 得出了膏体泡沫的综合性能最佳的配比为A4B4C4：A为70 g/L，B为19.5 g/L，C为270 g/L。

2)对膏体泡沫进行微观表征，得出其平均孔径约为165 μm，孔壁厚度约为10.2 μm。进而分析了液膜的组成，载体为聚丙烯酰胺吸水溶胀，液膜上均匀分布粉煤灰、水泥、硅粉等颗粒；载体吸水后的网状结构使得整个泡膜体系的自由焓降低，能够更好的对高温煤体进行降温并增加了水分子热运动的束缚力；液膜附着颗粒能够起到阻热和抑制热辐射的作用，增加膏体泡沫所能承受的极限环境温度，使得膏体泡沫具有很好的热稳定性。

3)将膏体泡沫应用于南方某矿302复采工作面火区治理，火区范围内钻孔和密闭处监测点CO浓度显著下降，表明其能对高温煤岩裂隙进行封堵降温，进而抑制煤炭自燃。

[1]梁运涛, 罗海珠. 中国煤矿火灾防治技术现状与趋势[J]. 煤炭学报, 2008, 33(2): 126-130.

LIANG Yuntao, LUO Haizhu. Current situation and development trend for coal mine fire prevention and extinguishing techniques in China[J]. Journal of Coal Science & Engineering, 2008, 33(2):126-130.

[2]国家安监总局煤矿事故查询系统. http://media.chinasafety.gov.cn

[3]陈晓坤, 桑长波, 马砺, 等. 煤田火区温室气体排放通量及其影响因素研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2016, 12(4): 15-19.

CHEN Xiaokun, SANG Changbo, MA Li, et al. Study on emission flux of greenhouse gas in coalfield fire area and its influencing factors[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12(4): 15-19.

[4]刘雷政. 浅埋藏近距离煤层群开采上覆采空区煤自燃危险区域判定[D]. 徐州：中国矿业大学, 2015.

[5]董强, 周西华, 李昂, 等. 低透自燃煤层综放采空区瓦斯与火共治方法研究[J]. 中国安全科学学报, 2016, 26(7): 41-45.

DONG Qiang, ZHOU Xihua, LI Ang, et al. A method for dealing with both gas and fire in low permeability and spontaneous combustion seam full-mechanized mine goaf[J]. China Safety Science Journal, 2016, 26(7): 41-45.

[6]鲁义, 殷召元, 马东, 等. 沿空掘巷工作面停采期煤自燃防治技术[J]. 煤炭科学技术, 2015, 43(3):48-51.

LU Yi, YIN Zhaoyuan, MA Dong, et al. Coal spontaneous combustion prevention technology in mining face of gateway driving along goaf during mining stop period[J]. Coal Science & Technology, 2015, 43(3):48-51.

[7]王维, 戴广龙, 聂士斌. 抑制煤炭自然发火注浆堵漏材料的性能研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2014, 10(11): 107-112.

WANG Wei，DAI Guanglong，NIE Shibin. Research on performance of grouting plugging material for inhibition of coal spontaneous combustion[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2014, 10(11):107-112.

[8]陈全, 王省身. 综放采场自然发火规律及注氮防灭火技术研究[J]. 煤炭学报, 1996, 21(6): 618-623.

CHEN Quan, WANG Xingshen. Study on the spontaneous combustion law of fully mechanized caving mining and the fire prevention technology of nitrogen injection [J]. Journal of China Coal Society, 1996, 21(6): 618-623.

[9]Zhou F B, Wang D M, Zhang Y J, et al. Practice of fighting fire and suppressing explosion for a super-large and highly gas mine[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2007, 17(4): 459-463.

[10]Quintero J A, Candela S A, Ríos C A, et al. Spontaneous combustion of the upper paleocene cerrejón formation coal and generation of clinker in La Guajira Peninsula (Caribbean Region of Colombia)[J]. International Journal of Coal Geology, 2009, 80(3-4): 196-210.

[11]邓军, 徐精彩, 王洪权, 等. 新型复合胶体防灭火技术及应用[J]. 煤矿安全, 2001, 32(12): 42-44.

DENG Jun, XU Jingcai, WANG Hongquan, et al. New composite gel fire extinguishing technology and its application [J]. Safety in Coal Mines, 2001, 32(12): 42-44.

[12]鲁义. 防治煤炭自燃的无机固化泡沫及特性研究[D]. 徐州：中国矿业大学, 2015.

[13]付士峰, 安乐, 张广田, 等. 粉煤灰量对再生轻骨料混凝土的影响[J]. 低温建筑技术, 2016, 38(2):7-10.

FU Shifeng, AN Le, ZHANG Guangtian, et al. Effect of fly ash content on recycled lightweight aggregate concrete [J]. Low Temperature Architecture Technology, 2016, 38(2): 7-10.

[14]宋学锋, 张雅倩. 改性聚丙烯酰胺吸水性树脂的吸水性能及抗碎化性能[J]. 材料导报, 2016, 30(6): 56-60.

SONG Xuefeng, ZHANG Yaqian. Water absorption and fragmentation resistance of modified polyacrylamide absorbent resin [J]. Materials Review, 2016, 30(6): 56-60.

[15]马莹, 张恒, 苑世领. 部分水解的预交联凝胶型聚丙烯酰胺的水化层结构[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(2): 386-394.

MA Ying, ZHANG Heng, YUAN Shiling. Hydration structure of partially hydrolyzed preformed particle gel[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2015, 36(2):386-394.