新型矿井凝胶防灭火材料的特性试验研究

王海鹏

(潞安集团 李村煤矿,山西 长治 046600)

随着矿井开采进程的不断推进,巷道延伸变长,通风系统变得较为复杂;工作面开采深度变大,瓦斯浓度逐渐增大,煤层自燃率也逐渐增大。采高增大,采空区遗留煤量也明显增多,若采空区密封不实或作业不规范,则会存在较大的煤层自燃隐患,特别是对于本身具有自燃倾向的煤层,煤层自燃威胁更为显著[1]。而煤层的自燃多数发生在工作面、采空区、高冒区以及停采线附近,纯粹的采用注浆、喷阻化剂以及注惰性气体等方式,都存在着各自的缺陷,例如浆液无法实现对高位煤体的防治，阻化剂具有较强的化学腐蚀性，惰性气体易泄漏等等[2]。为此需要对矿井煤层自燃防灭火材料进一步优化,确保矿井能安全、经济、高效地生产。

1　试验材料及作用原理

本次试验采用凝胶泡沫作为煤层防灭火材料,主要成分由发泡剂、稠化剂以及交联剂三部分组成,将上述材料按某种配比配置成浆液,再通过氮气进行发泡处理,在所形成的泡沫外壁上稠化剂与交联剂会发生凝胶反应,从而形成凝胶防灭火材料[3-4]。

稠化剂选取聚丙烯酰胺,当与水混合之后会发生水解作用,水解之后的部分酰胺基团会被替换为羧基,具有较强的亲水性,除此之外还会分解产生部分的HPAM,它可以使高分子亲水端与水分形成氢键缔合,使溶液中的各分子之间形成紧密的网状骨架,显著提高配置浆液的粘稠度。

交联剂选取生物胶体(PX),这种交联剂与HPAM混合之后形成氢键复合物,粘度高于两者单体溶液的黏度,两者的混合同时增强了溶液的胶结性。

发泡剂为复合发泡剂,单一种类的发泡剂很难形成高倍数泡沫,至少需要按一定比例混合两种发泡剂才能形成高强度液膜。试验选用烷基磺酸盐、酸乙醇胺盐、烷基苯磺酸钠以及十二烷基硫酸钠四种发泡剂进行试验。当其与水混合之后,通入气体能够使气泡与液体之间形成稳定液膜,亲水基一侧与水分子结合,疏水基一端与疏水分子结合,使溶液中的两种互不相溶的组分间形成一种稳定的膜,这种膜的强度直接决定了气泡的质量[5-6]。水为普通自来水。

2　试验路线

本次试验从发泡剂着手,首先确定发泡剂种类及各种类之间的组分配比,再确定发泡剂的最佳质量浓度。然后根据已确定的发泡剂参数选取稠化剂与交联剂的质量比与混合浓度比,由此得到凝胶泡沫灭火材料的最优试验配比。

3　试验方案与数据分析

1)初选四种发泡剂配置复合发泡剂,分别为烷基磺酸盐、酸乙醇胺盐、烷基苯磺酸钠以及十二烷基硫酸钠。对四种发泡剂进行两两组合,配置后的复合发泡剂质量分数为5‰,取稠化剂与交联剂质量浓度分别为3‰不变,所得泡沫体积如表1所示。

表1　不同组合复合发泡剂的发泡体积Table 1　Foaming volume of different composite foaming agents

由表可知选取A1:A3=1:1时,发泡效果最明显,两种发泡剂在一定程度上能实现协同增效作用,增加了发泡的效果。反之,当其中两两组合的发泡剂的组分比例超过某一比值时,则会反过来抑制发泡剂的作用效果,这是由于发泡剂的成分不同,导致其对水质中各离子间的敏感程度也不相同。因此,可知等比例配置A1、A3可以最大程度提高液膜分子间的引力,即液膜强度最高。

2)确定发泡剂种类及配比之后,需确定发泡剂占配置溶液的质量浓度,选取发泡剂质量浓度1‰、2‰、3‰、4‰、5‰和6‰。分别对材料的发泡体积与表面张力进行分析。不同发泡剂浓度对气泡性质的影响关系见图1。

图1　不同发泡剂浓度对气泡性质的影响关系Fig.1　Effects of foaming agent concentration on bubble properties

由图1可知,随着发泡剂质量浓度的不断增大,发泡体积不断减小,但泡沫的表面张力逐渐增大。特别是当浓度值高于4‰时,泡沫体积变化率较为平稳,且表面张力也几乎不变。由此可知,当溶液加入发泡剂之后,发泡剂分子与水分子进行了迅速搭接,空气与液体之间的接触面积减小,泡沫体积瞬间增大,液体分子的表面张力也随之减弱。但是当发泡剂浓度逐渐增大至3‰～4‰这段范围内时,发泡剂对溶液的作用效果几乎达到了饱和状态,发泡剂与水分子中的各组分间已经形成了致密的液膜,且此时溶液中的气体性质基本稳定,气泡的体积与表面张力也达到理想值。继续增大发泡剂含量之后,这些多出的发泡剂不会对溶液中各分子进行搭接,而是单独以分子的形式存在于溶液中并且不会发生分散,以胶状结构悬浮在溶液中,即4‰为发泡剂的最佳浓度值。

3)确定发泡剂种类及最优配比之后,取稠化剂与交联剂的总质量分数为6‰,通过改变二者比例,对浆液的泡沫体积与泡沫黏度进行分析,从而确定两者的最后质量之比,选取稠化剂与交联剂质量比梯度为:0:10、1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1和10:0。稠化剂与交联剂混合作用效果见图2,不同质量比时的稠化剂与交联剂发泡效果见图3。

图2　稠化剂与交联剂混合作用效果图Fig.2　Mixing effect of thickener and cross-linking agent

图3　不同质量比时的稠化剂与交联剂发泡效果图Fig.3　Foaming effects of thickener and cross-linking agent at different mass ratios

由图2中的两条黏度变化线对比可知,添加单一稠化剂之后,溶液黏度在5‰之后会发生明显的提升,但是当采用稠化剂与交联剂混合之后,溶液黏度在2‰之后就会提高,且在5‰之后的提升速度远远高于单一稠化剂。其原因是两种高分子添加剂在溶液中的分子会发生空间重叠,稠化剂中的双螺旋结构与交联剂中的半乳糖支链结构在空间上构成了稳定的三维立体网状结构,这种结构具有较强的稳定性,大大增强溶液的黏度。

由图3可知,交联剂与稠化剂会形成稳定的三围网状结构,且交联剂的质量分数逐渐增大,泡沫体积与泡沫黏度都逐渐增大,表面发泡性逐渐增强,但是当其质量占比超出一半之后,未发生重叠的半乳糖支链破坏了整个网状结构,反而减小了溶液的黏度,且此时溶液呈现为不均匀状。因此,选取交联剂与稠化剂的最佳质量配比为5:5。

4)根据已确定的最优比例不变,改变交联剂与稠化剂的总质量浓度为1‰、2‰、3‰、4‰、5‰,通过分析混合溶液的发泡性与析液特性,选取最优质量浓度。聚合添加剂质量浓度对气泡性能的影响关系见图4。

由图4可知当交联剂、稠化剂质量浓度为1‰时,浆液的黏度较低,官能基团无法形成稳定的交接点,混合后浆液不均匀,甚至还会出现分层现象,表面大量水分子仍处于独立分布状,此时发泡性较弱。当质量浓度增大至3‰时,聚合添加剂中含有大量的羟基,这些羟基能够与水分子形成稳定的氢键,从而将水分子牢牢地锁在网状结构中,气泡质量与发泡性能达到极限。当质量浓度达到3‰,继续增大聚合添加剂的质量浓度只会增大浆液的黏度,反而影响了浆液的质量,反作用于气泡,降低了气泡质量，因此,可选取3‰作为聚合添加剂的质量浓度。

图4　聚合添加剂质量浓度对气泡性能的影响关系Fig.4　Effects of the mass concentration of polymer additives on bubble performance

由此可以得到发泡剂选用1:1配置,质量浓度为4‰;稠化剂与交联剂质量浓度比为1:1,质量浓度为3‰。经测试此类新型发泡剂的发泡倍数可达15倍,并且所配置的浆液流动性能较好,具有较高的可泵性。

4　试验效果

采用上述配比配置浆液,对其流动度、微观构造以及成膜强度进行观测,可得图5。

如图5-a所示,配置的浆液具有较好的流动性,且成胶时间约为20 min,当浆液静置1 d之后会在其表面形成图5-b中的致密薄膜。通过对薄膜进行测试,其表观黏度可达13 500 mPa·s,能够牢牢地附着在煤体表面,起到隔绝空气的作用;液膜表面张力为35.5 mN/m,其大小不足水的一半,即具有较强的渗透性,能够快速地在煤体表面进行扩散,甚至可以到达水无法达到的地方。如图5-d所示,将配置的泡沫均匀地抹在蘸有酒精的纱布上,对其进行酒精灯加热,可得抗燃烧时间长达352 min,为水的14.1倍,具有较高的阻火特性。如图5-e所示,将堆积的煤炭进行点燃,采用新型凝胶材料的灭火时间仅为965 s,所用时间与普通泡沫灭火材料相比缩短了一半以上,材料消耗量节约了将近90%,且形成的泡沫具有较高的抗温性。

5-e　灭火试验图5　新型凝胶材料效果图Fig.5　Effect picture of the new gel

5　结论

通过试验可以得到新型凝胶材料的最佳配比为:发泡剂选取烷基磺酸盐与烷基苯磺酸钠质量比为1:1,浓度取4‰;稠化剂与交联剂质量比为5:5,浓度取3‰。按照此比例配置凝胶材料,可以发现浆液流动性、气泡稳定性、抗温性以及阻火特性都远远高出普通灭火材料,能够充分满足矿井灭火的基本需求,可行性较高。