添加凝胶条件下的黄泥浆抑制煤炭自燃实验研究

刘继勇

（阳泉煤业（集团）有限责任公司，山西 阳泉045000）

黄泥浆防灭火的主要原理是基于泥浆将高温区域的破碎煤炭块进行包裹处理，进而对煤炭与空气的完全隔绝，以实现抑制煤炭氧化自热和自燃事故的产生。基于泥浆良好的流动性，可以更有效地对煤炭块之间缝隙进行全方位包裹。除此以外，泥浆凝固后，可对煤炭块表面进行全方位的包裹[1-4]。实验通过在等量的煤样中添加最佳配比的黄泥浆添加凝胶材料，对煤样自燃性测试的相关参数进行对比，对比最佳配比的黄泥浆添加凝胶材料和其他固液防灭火材料在抑制煤炭氧化自燃过程的差异，验证其抑制煤炭自燃效果的效果及能力。

1 实验方法及过程

1.1 实验方法

与煤自燃程序升温实验相同，黄泥浆添加凝胶材料抑制煤炭自燃的实验同样采用程序升温装置和气相色谱仪，在其他条件相同的情况下，将配制的最佳配比的黄泥浆添加凝胶材料抑制煤炭氧化自燃性能的作为研究目标，分别用最佳配比的黄泥浆添加凝胶材料、纯黄泥浆、黄泥浆添加无机凝胶以及黄泥浆添加有机凝胶来处理上述实验相同的煤样，重复进行相同的程序升温过程，然后通过分析、处理实验过程直接得到的数据，理论分析实验过程中的变化规律，以此分析黄泥浆添加凝胶材料抑制煤炭氧化自燃的性能。

1.2 实验条件及过程

煤样选择取粒度 0～0.9、0.9～3、3～5、5～7、7～10 mm 部分各 20%混合，实验煤量为 1.0 kg。

将实验煤样与各种固液两态防灭火材料的浆液都以 1.0 kg∶600 mL 的比例混合。用电子天平称取一定质量的水，再分别称取基料、促凝剂和高分子添加物，保证各自的质量分数为4%、5%、0.75‰，先溶解高分子，再分成2 份溶液分别溶解基料和促凝剂，然后按照水土比4∶1 称取一定量的黄土，将黄土导入基料和促凝剂的混合溶液中，搅拌均匀，然后将制备好的材料以溶液的形式倒入煤样罐中，安装好煤样罐准备实验。

各组程序升温供气流量、程序升温速率、采集气体温度点都与煤自燃程序升温实验保持一致。每组实验具体配比见表1。

表1 对比试验材料和配比方式明细表Table 1 List of comparative test materials and proportioning methods

2 实验结果

2.1 CO 的浓度变化

不同固液两态材料的煤样经过煤炭程序升温氧化产生的一氧化碳气体浓度变化的线如图1、图2。

从图1 可以看出，随着煤温的升高，随着氧化反应的加剧，CO 的浓度都是随煤温升高而增加[5-8]；经过处理的煤样的曲线几乎全部处于原煤样的曲线之下，固液两态材料对CO 产生总量上具有一定的抑制作用，其中最佳配方对煤自燃的抑制效果最佳，其次是黄泥浆分别添加无机材料和有机材料，纯黄泥浆的抑制效果较差。

图1 程序升温实验CO 随温度变化特性曲线Fig.1 Characteristics of CO as a function of temperature during a programmed temperature rise experiment

图2 低温状态下CO 随温度变化特性曲线Fig.2 Characteristics of CO as a function of temperature at low temperatures

从图2 可以看出，各种配比材料在高温阶段虽然对对煤氧化自燃产生的CO 具有一定的抑制作用，但在低温状态下（80 ℃以下）对CO 产生反而起到了一定的促进作用。其根本原因是水的极性削弱了煤空间交联键的结合力，使煤中的交联键更容易断裂，导致固液两态材料对煤自燃的影响变为促进作用。正常状态下，水的抑制作用大致在80 ℃左右，而试验表明胶体材料的抑制作用发生在70 ℃左右，根本原因是胶体材料具有封堵性和固水性，进而使得水和煤分子的作用受到了区域性的抑制。

2.2 O2 的浓度变化

根据各组防灭火材料实测得到O2浓度数据，对比原煤样的程序升温实验数据，绘制的O2浓度随温度变化曲线如图3。

从图3 可以看出，随着温度的升高，煤氧复合加剧，O2消耗增加[9-10]；对比4 条处理煤样和原煤样的曲线变化趋势，原煤样程序升温实验中O2浓度随温度变化的下降趋势要比处理煤样的要快，更早的达到了相对低的值；高温情况下，O2浓度的差别明显，最佳配方处理的煤样的O2浓度最高，O2浓度越高说明煤氧化速度越慢，煤氧过程受到抑制；各种实验材料对煤样的耗氧速率及CO 的产生量都具有一定的抑制作用，其中最佳配方的抑制效果最好。

图3 程序升温实验O2 浓度随温度变化特性曲线Fig.3 Characteristic curves of O2 concentration as a function of temperature

2.3 CH4 的浓度变化

原煤样与被处理的煤样产生的CH4浓度随温度变化情况如图4。

图4 程序升温实验CH4 浓度随温度变化特性曲线Fig.4 Characteristic curves of CH4 concentration as a function of temperature

由图4 可以看出，低温状态下，各条曲线CH4变化特性均是缓慢上升；100 ℃左右，处理煤样的固液两态材料中含有大量的水，其中水会吸收热量变成水蒸气，降低了溢出的CH4气体的浓度，尤其是用纯黄泥浆处理的煤样，在实验过程中观察出气口的现象，热的水蒸气非常明显；高温状态下，原煤样产生的CH4远大于被处理的煤样产生的CH4。

2.4 CO2 的浓度变化

程序升温实验二CO2浓度随温度变化曲线如图5。由图5 可以看出，CO2产生的规律和CO 的整体大致相同，被处理的煤样产生的CO2的量都低于原煤样产生的CO2的量。

最佳配方处理的煤样产生的CO2的量最低，说明最佳配方对煤自燃的抑制效果最好。黄泥浆处理的煤样产生CO2的整体趋势和原煤的一致，其抑制效果最差。

图5 程序升温实验CO2 浓度随温度变化曲线Fig.5 Curves of temperature change of carbon dioxide concentration with temperature

3 结 论

1）比较各组实验中标志气体浓度随温度的变化曲线，可以看到黄泥浆添加凝胶材料处理煤样后的CO、CO2、CH4的产量明显下降，比纯黄泥浆的效果要好很多，尤其是最佳配比制成的材料效果最好。

2）黄泥浆添加凝胶材料在程序升温过程中的耗氧速率和CO 产生率整体低于原煤的相应值，虽然在低温黄泥浆添加凝胶材料由于其自身含水特性对煤自燃有一定的促进作用，但是90 ℃以后耗氧速率、耗氧速率的增幅及CO 产生率都远低于原煤，说明此后的阶段黄泥浆添加凝胶材料的存在可以降低煤体在氧化自燃过程中的耗氧速率，反映其对煤氧化自燃过程的抑制作用。

3）黄泥浆添加凝胶材料能改善纯黄泥浆的保水性能和流动性能，而且还能明显改善其阻化性能，无论是黄泥浆添加无机材料还是黄泥浆添加有机材料都能将其阻化率提高一倍，而且最佳配比制成的黄泥浆添加凝胶材料的阻化率均达到80%以上。