复配起泡剂在防灭火泡沫凝胶中耐温试验研究

2022-03-19童丹丹

江西化工 2022年1期

童丹丹

(山西天成元矿山安全技术咨询有限公司，山西太原 032001)

引言

煤炭是一种容易自燃的能源产品，在井下生产工作面采空区的煤炭自燃现象尤为突出[1]。一旦发生煤炭危险事故，轻则造成工作面封闭，重则发生人员伤亡，带来重大经济损失。煤矿中常用的防灭火技术分为物理防治和化学防治，物理防灭火技术的代表为黄泥注浆施工，但缺点在于扩散范围得不到保障、浆体易流失；化学防治是以注入凝胶泡沫达到氧气隔绝的效果，从而起到防灭火的目的[2-3]。本文对传统的防灭火凝胶起泡剂进行了复配改进，新的凝胶可以通过产生泡沫覆盖煤炭表面，阻止煤体氧化自燃，并可以弥补单一成分泡沫凝胶的诸多缺点。

1 泡沫凝胶防灭火技术特点

泡沫凝胶是一种通过化工技术加工制作而成胶体：在水浆中加入一定比例的添加剂后，并和氮气充分搅拌，最后得到混合而成的固态凝胶颗粒。泡沫凝胶在未成胶前具有泡沫的特性，具有一定的流动性与扩散性，粘结性较差；在成胶过程中，黏度逐渐增加，凝胶又展现出固相特征，有良好的覆盖作用和封堵性。泡沫凝胶主要成分为丙烯酰胺和乙酰丙酮丙烯酰胺等聚合物，在实际使用中发现，单一成分的起泡剂对生成的凝胶的流动性、流量大小和扩散范围的掌控并不好。为了解决这一问题，将以起泡剂的复配为重点工作对泡沫凝胶技术进行研发。复方发泡剂在水浆生成泡沫至凝胶的过程中，可以把大量的水固结在凝胶体内，降低溃浆的发生概率，大幅度提高了浆水在采空区里的滞留率；同时，复配发泡剂所产生的凝胶能以泡沫为载体对煤体表面的浮煤进行全方位覆着，且能固结85%以上水分并形成凝胶层。在用于煤层防灭火时，复配发泡剂能融合单一化工材料的有点保持起到煤体保湿并隔绝O2的作用，还有有效吸热控温、防止自燃的功能。

2 复配发泡剂的制备

起泡剂的复配试验是防灭火泡沫凝胶制备的关键试验之一，在确定复配比例之前，先需用打击法对所选单一起泡剂的气泡水平进行统一的评比，测定所选单一起泡剂的综合性能。然后通过设计正交实验得到发泡剂的最佳复配方案，进行大量的测试，调整复配发泡剂的总浓度，测试发泡剂综合性能的最佳水平。最后对筛选得到的复配起泡剂的耐温稳定性能进行研究，并与普通煤矿常用灭火剂和AOS泡沫剂的性能进行了对比。

3 发泡剂浓度的筛选

根据发泡剂性能特点，每一种发泡剂都会在某一浓度达到其性能最佳的配比方案，本次复配发泡剂的发泡实验，将采用每种单一化工发泡剂的配比进行参考。复配发泡剂，如果添加物的浓度偏低，会造成出泡量低、泡体易破且半径不均匀的情况；如果添加物浓度过高，则会导致泡沫整体太粘稠，不利于在煤层中的流动，且会造成用料量大、成本增加等问题。最终，确定三种添加物(C2H4O起泡剂、阴离子起泡剂和富非离子起泡剂)的混合比例为3：3：2，采用孔盘打击法，分别计算了不同浓度下发泡剂的发泡体积和析液半衰期，计算出其最佳综合性能，统计见表1和图1：随着复配发泡剂添加物浓度的提高，其综合性能呈上升趋势，但在0.4之后综合性能的提升较为缓慢，因此决定浓度最佳为40%[4]。

表1 不同浓度下复配泡沫的综合性能

图1 复配发泡剂综合性能随发泡剂浓度变化趋势图

4 温度对泡沫剂泡沫性能的影响

通过对不同温度下对起泡剂的影响可以判断起泡剂的耐热性。本次试验选择温度测试范围为40 ℃-80 ℃，所对比的三种起泡剂分别为：0.4%复配发泡剂、煤矿灭火常用泡沫剂和AOs起泡剂。对比标准为起泡剂体积V0(mL)和 t1/2 析液半衰期(s)，实验数据结果总结见表2。

表2 温度对发泡剂泡沫性能的影响

图2为不同温度对发泡剂起泡体积的影响曲线图，研究发现，在不同温度影响下，3种起泡剂的起泡体积有着相同的变化律，随温度的上升呈先升后降的变化趋势，并同时在60 ℃时达到最高点。这一变化规律可以解释为：当温度处于40 ℃-60 ℃时，溶液中所包含的水分子和泡沫剂分子之间热运动剧烈，活化程度处于高位状态。此时起泡剂的分子运动动能强于水溶液中水分子对其的吸附力，大量起泡剂分子向水的表面凝结，表面活性增大，所以起泡力有了一定程度的增大；当水温超过60 ℃时，已经形成的泡沫壁中的水分子由于水温过高而导致产生蒸发作用，泡沫壁厚度变薄，失水率快速升高，泡沫较之前易受破坏，因此起泡数和起泡体积出现了下降[5]。同时可以看出，复配发泡剂相较于普通煤矿常用发泡剂和AOS发泡剂有更好的起泡率，所生成的起泡体积也更大[5-6]。

图2 不同温度下三种发泡剂发泡体积的影响趋势图

图3为不同温度下，泡沫剂析液半衰期的变化规律，可以看出，3种泡沫剂析液半衰期随温度的升高而呈缩短状态。在相同温度下，复配发泡剂所受温度升高的影响比煤矿灭火常用泡沫剂和 AOS小，且复配发泡剂的持水能力要明显高于这两者。对此可以解释为：随着温度的持续升高，液体中的水分子由于活化程度较强，运动剧烈导致更容易脱离液膜的束缚而蒸发，由于水分的减少使得泡沫壁壁厚减小、韧度减弱，容易造成破泡现象，同时又进一步加快了失水速率。受这两个方面的影响，起泡剂析液半衰期因此随着温度的升高降低[7-8]。