矿用聚氨酯材料放热致灾成因及控制

2022-05-08王斌斌

现代工业经济和信息化 2022年3期

王斌斌

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

引言

近年来，在科学理论支撑下，有机化学迅速发展，越来越多的有机固化材料面世。现阶段，有机固化泡沫材料堵漏充填技术在我国得到了广泛应用，其中聚氨酯材料在煤矿等工作环境中发挥了重要的作用。在此利用实验，探究矿用聚氨酯材料在应用过程中的放热及温度变化，并分析聚氨酯材料温度及燃烧之间的关系，以期为相关人员提供些许参考。

1 升温氧化及热分解实验设计

对材料进行升温氧化实验，可从中获得各可燃材料的临界温度。所谓的临界温度是指在升温氧化实验中起始温度和试样温度的交叉点，此温度便是材料由被动升温转变为主动升温的转折点，通过比较各材料的临界温度，可从中得出不同材料的热稳定性能高低。而热分解实验可对聚氨酯材料进行热分解，从中获得该材料的热分解特性。通过上述两种实验可较为全面地了解聚氨酯材料特性，从而总结该材料在矿井应用阶段的放热规律，以期为矿井下火灾管控提供参考[1]。

1.1 升温氧化实验装置

此实验需要用到升温氧化装置和热分解装置，具体有气相色谱仪、数据处理工作站及升温氧化反应室等单元构成，如图1 所示。

图1 升温氧化及热分解实验装置示意图

1.2 升温氧化及热分解实验过程

1）制样。结合实验需求选择合适的粒度和质量。

2）供气。对实验材料进行实验，空气供给量有重要作用。但需要注意的是，仅升温氧化实验需要供气，热分解实验无需此步骤。进行升温氧化时，应将空气供给量设置为30 mL/min，且供给的空气中保证氧气体积含量达到20.90 %。

表1 实验参数

3）升温方式。为了保证实验顺利完成，检测到可燃物的临界温度，将装置设置为每隔15 min，温度升高25 ℃，同时将气室温度设定为恒温保持5 min，并对此段时间内获取的数据进行详细记录。主要记录可燃物试样的最低温度和气体预热通管温度。确保数据及气体采集完成之后，再提升温度，重复上述操作[2]。

4）测量气体体积分数。熟练地应用气相色谱仪分析指标气体浓度（体积分数）。

5）为了保证数据信息的真实度和可信度，并具有参考价值，每组实验重复进行三次，以三次实验的平均值作为最终结果。

2 实验结果与分析

2.1 温度数据结果与分析

聚氨酯在180 ℃时与气室温度存在交叉点，此时已经达到临界温度。结合实验过程分析，在整体流程中聚氨酯试样温度平稳上升，未出现大幅度骤增情况。具体温度数据如下页图2 所示。

由图2 可知，在230 ℃以下时，聚氨酯无较大变化，在临界温度之后呈现稳定升温的趋势。同时在实验过程中，聚氨酯试样在120 ℃时出现大量的烟雾，同时产生了刺激性气味的气体。由此可知，聚氨酯在实际工作环境下，虽然120 ℃不会出现明火，但产生的烟雾和气味仍会对工作进展产生阻碍。

图2 升温氧化试验过程中聚氨酯试样温度详细数据

2.2 指标气体参数结果与分析

实验中获得的各项指标气体参数如表2 所示，其中获取的各类温度、初始体积分数等均具有统计学意义，确保获取的数据有分析价值。

表2 聚氨酯指标气体参数

聚氨酯材料的指标气体中CO2体积分数变化较为明显，与临界温度相比，时间基本吻合，这表明聚氨酯在达到临界温度时处于快速氧化阶段。在达到230 ℃时，CH4和其他烷烃类气体体积分数较低，在矿井下不会加速火灾进程。但该种材料在低温供氧状态下会有CO2出现，这一特征可作为检测聚氨酯材料的标志。

2.3 聚氨酯材料热分解实验结果与分析

以60 g 的聚氨酯为例进行实验，该种物质在升温达到230 ℃时，可大约产生1.50 ml 的气体。试样在试验之后，体积会缩减。通过实验可知，聚氨酯材料在热量集聚状态下，本身会出现热分解，此时该材料表面会出现孔洞，孔洞的出现导致聚氨酯材料由于外力而出现裂缝。

3 聚氨酯材料引发火灾原因分析

结合上文的相关信息可知，聚氨酯材料引发火灾的原因主要包括以下两点：一是矿用聚氨酯自身性能不佳，导热性、可燃性以及热分解性不良。结合上述实验结果可知，在热量积聚状态下，聚氨酯材料会出现孔洞，导致材料受力不均，造成表面和内部呈现裂缝，有了裂缝之后，氧气更容易进入聚氨酯材料之中，由于高温及氧气的作用，最终导致火灾发生。二是矿用聚氨酯材料在高温有氧状态下，其自身发热加速了煤的自燃进程。矿井中碎煤分布广泛，由于高温环境，具有自燃倾向的碎煤在长时间供氧环境下，会大幅增加自燃的概率。聚氨酯材料自身可以放热，这导致煤受到的热量大幅度增加，在短时间内快速升温，在此条件下，火灾发生概率会大幅度增加。

4 矿用聚氨酯材料放热引发矿井火灾的预防及控制措施

矿用聚氨酯材料在日常使用时，常常会由于自身放热而引发安全隐患，并对矿井的工作人员造成严重威胁。为了营造安全的施工环境，当前很多单位都通过多种途径降低安全风险。现阶段除了加强对材料性能改进外，还通过施工工艺等方法降低安全事故发生的频率。目前矿井应用聚氨酯材料时，多数都是通过控制材料使用量及对工作区域进行注水等措施保证安全，本文从控制填充量、注水阻化及利用科技手段加强火灾预警三方面进行具体阐述。

4.1 科学准确计算充填材料最大使用量

计算矿用聚氨酯的使用量，要科学地结合热分解试验及升温氧化实验相关信息和相关科学理论，并考虑实际情况，以矿井环境及实际条件为参考。一般情况下，为了保证安全，防止矿井下的实际条件考虑不周，会在实际应用聚氨酯时，适当降低使用量，预留一个安全系数[3]。

4.2 切实做好材料施工前后的注水阻化

单纯注水对煤的附着力较差，无法充分发挥预防火灾的作用，在聚氨酯施工时，温度较高，水在短时间内便会蒸发，此时水膜便失去了价值，但聚氨酯释放的温度会持续较长时间，因此单纯注水无法满足实际施工需求。想要营造安全环境，综合分析实际情况得出对煤附着力良好、作用效果持久的工艺方案是研究重点。如今，注水阻化已经成为一种应用范围较广、技术较为成熟的矿井防火技术。

4.3 利用科技手段落实火灾监测与预警

4.3.1 煤自燃标志气体监测

煤具有自燃性，在高温和含氧环境下，很容易发生自燃。基于此特征，做好气体检测工作具有重要的价值，可有效避免矿下发生火灾。煤在燃烧之前，随着氧化程度不同，会产生不同的气体，因此实时监测矿井气体浓度，可助力相关人员确定煤此时的状态。因此，在矿上进行作业时，相关人员可熟练借助相关仪器，做好标志气体检测工作，有效减少火灾事故发生频率。

4.3.2 科学监测煤矿内部的温度

除了标志气体检测外，科学监测煤矿内部温度也可以有效降低火灾风险。一是加强对聚氨酯这一类充填材料的温度检测，结合升温氧化试验数据信息，有效判断充填材料状态，从而避免出现火灾。二是加固堵漏防风材料，这部分材料虽然应用量较少，但也会对矿井的安全造成影响，堵漏防风材料多数时候都是应用于聚氨酯等材料的裂隙之中，起到加固防风的作用，与煤也存在较大的接触面积，因此，加强对该类材料的温度检测也是预防火灾发生的有效措施[4]。