新型凝胶泡沫材料阻化性能实验研究

王建国，刘 鑫，郑晨光

(西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

煤炭自燃是矿井火灾发生的主要原因[1-2]，占矿井火灾总数的85%～90%，严重影响到煤矿的安全生产[3-4]。煤炭自燃是煤体长期与空气中的O2接触，发生物理、化学反应的结果。当前的防灭火技术有灌浆、三相泡沫、注惰性气体、阻化剂、堵漏风防灭火等技术[5-7]，这些防灭火技术虽可保障煤矿的安全生产，但是仍存在一定的局限性。采用灌浆技术时，浆液能充分地包裹煤体并隔绝煤与O2接触，但其不能有效堆积，从而导致灭火不彻底；三相泡沫的固水特性良好，能将气、液、固三相材料的防灭火性能集于一体，大大提高了防灭火效率，但保水性能不足；采用注入惰性气体进行防治时，惰性气体对发火现场的堵漏风要求较高，无法达到对煤体降温的效果，并且火区较易发生复燃现象[8-10]；在阻化剂防灭火技术中，通常采用阻化剂材料，这些材料虽效果良好，但一些腐蚀性强的材料会对设备造成腐蚀，对人员造成身体伤害[11]；堵漏风防灭火技术所使用的材料可以分为无机类材料和有机类材料，这些材料对矿井封堵裂隙起到了一定的作用，能有效降低发火率[12-15]，但这些材料不能封堵较大的裂隙，并且容易脱落，成本较高。

针对上述防灭火技术中存在的不足，国内外学者对如何制备高效、稳定的凝胶泡沫进行了一系列研究。朱树来[16]通过对比原煤、经凝胶泡沫和氯化钙处理的3种煤样的CO释放量,表明凝胶泡沫在防治煤自燃方面表现出较好的阻化特性；任万兴等[17]通过固水特性实验、扩散模拟实验及封堵漏风实验，研究了凝胶泡沫的防灭火特性，结果表明，凝胶泡沫能有效防治煤自燃；陆新晓等[18]用不同防灭火材料处理同一种煤样，并且通过测量指标气体的释放量，表明凝胶泡沫的阻化率最高,性能最好；李孜军等[19]研制了一种基于水玻璃的凝胶泡沫抑制剂，对有自燃倾向的煤样进行实验分析，实验表明该凝胶泡沫的阻化率为86%，能有效抑制煤自燃；Cheng W M等[20]介绍了一种新型智能凝胶，该凝胶附着在燃煤表面，能显著降低火源温度，并且通过观察分析CO体积分数的变化，得出灭火性能优于其他凝胶，具有防止煤再燃的作用。

国内外学者针对凝胶泡沫的阻化性能做了诸多研究，然而关于凝胶泡沫对煤体的耗氧速率、CO与CH4气体体积分数变化，以及阻化率的影响有待进一步研究。鉴于此，拟通过配制一种防灭火性能优良、稳定性好的新型凝胶泡沫，基于程序升温实验，分析研究不同温度下不同粒径煤样的耗氧速率、CO和CH4气体体积分数、产生率及阻化率的变化过程，从而得出新型凝胶泡沫在不同粒径煤样中的影响规律，对煤自燃防治有积极的意义。

1 实验部分

1.1 实验装置

在该实验中，使用程序升温实验装置进行测定，如图1所示。该装置主要由煤样罐、气体流量计、恒温箱、气相色谱仪、测温表等构成。

图1 凝胶泡沫阻化实验装置示意图

1.2 实验过程及步骤

1.2.1 煤样处理

实验煤样取自子长县志安煤矿，并将煤样粉碎，按照粉碎程度筛分出3种粒径颗粒(<0.9、3～5、6～10 mm)煤样。将煤样分为2组，把经新型凝胶泡沫处理的煤样放入煤样罐中，通入一定流量的空气并对煤样进行加热，利用气相色谱仪分析煤样释放出的指标气体的变化情况。

1.2.2 实验过程

通过正交实验，将表面活性剂月桂酰胺丙基氧化铵和脂肪醇聚氧乙烯醚以1∶1的体积比进行混合。将煤样罐放入初始温度为30 ℃，升温速率为每10 ℃一次的恒温箱中。通过程序升温实验分析凝胶泡沫对原煤的阻化程度，利用气相色谱仪分析对照组与实验组煤样的耗氧速率，以及指标性气体的变化规律。

2 实验结果与分析

2.1 凝胶泡沫对煤体耗氧速率的影响

煤的耗氧速率不仅与温度、O2体积分数等因素有关，更与煤的粒度大小直接相关。将实验数据代入公式(1)可得出实验前后不同粒径煤样随温度变化的耗氧速率：

(1)

式中：V(t)为煤体的耗氧速率，mol/(cm3·s)；t为温度,℃；Q为空气流量，cm3/s；S为煤样罐面积，cm2；zi、zi+1为中心轴处i点与i+1点到入口处距离，cm；φ0为新鲜风流中O2体积分数，10-6；φi、φi+1为测点i与i+1处的O2体积分数，10-6。

凝胶泡沫处理前后3种不同粒径煤样的耗氧速率随温度的变化曲线如图2所示。

图2 不同粒径煤样的耗氧速率

从图2可以看出，在30～60 ℃时，对照组和实验组煤样的耗氧速率无明显变化；当温度上升至70～120 ℃时，实验组煤样耗氧速率低于对照组煤样耗氧速率；当温度高于120 ℃时，煤样处理前后的大粒径煤样的耗氧速率差值为391.28×10-11mol/(cm3·s)、中粒径煤样的耗氧速率差值为438.51×10-11mol/(cm3·s)、小粒径煤样的耗氧速率差值为978.4×10-11mol/(cm3·s)。这是因为：在30～60 ℃时，温度较低，煤氧反应不剧烈；在70～120 ℃及高于 120 ℃时，煤体表面附着的凝胶泡沫能有效地将煤与O2隔绝，阻止煤氧复合反应，以此达到防灭火的目的。

2.2 凝胶泡沫对煤体CO、CH4体积分数及其产生率变化的影响

通过研究凝胶泡沫对煤体CO体积分数及其产生率的影响，进而确定煤自燃的程度。煤氧化初期，在解吸作用的影响下会有少量CH4出现，当煤温达到裂解温度时，解吸与氧化并存。CO及CH4的产生率计算公式如下：

(2)

(3)

凝胶泡沫处理前后不同粒径煤样的CO、CH4体积分数及其产生率随温度的变化曲线见图3～6。

图3 不同粒径煤样的CO体积分数变化曲线

从图3和图4可知，30～70 ℃时，对照组与实验组粒径<0.9、3～5、6～10 mm 3种煤样CO气体的体积分数及其产生率都较低，这是由于该过程中煤的自燃氧化过程较为缓慢，气体产生量较少所致；80～120 ℃时，实验组和对照组粒径<0.9、3～5、6～10 mm 3种煤样的CO体积分数及其产生率开始均呈上升趋势，且实验组的上升趋势及上升速率明显低于对照组，说明凝胶泡沫材料对煤的自燃氧化过程具有阻化效果，能够防止煤自燃；在130～170 ℃时，实验组和对照组煤样的CO体积分数及其产生率大幅增高，且对照组的气体增长量及增长速率明显高于实验组，对照组粒径<0.9 mm煤样组的气体增长曲线最高，3～5 mm和6～10 mm煤样组的气体增长曲线较为接近，但整体上高于同样接近的实验组3种粒径的气体变化曲线。在该过程中，未经凝胶泡沫处理的对照组煤样热量积聚加速，发生剧烈的煤氧复合作用，产生大量气体，且粒径越小其氧化过程越强烈；而实验组3种经凝胶泡沫处理过的煤样也发生了氧化并且CO体积分数有所增高，但相比于对照组，相同温度下的气体体积分数及其产生率是远远不及的，说明凝胶泡沫对阻止煤自燃氧化起到了良好的抑制作用。

图4 不同粒径煤样的CO产生率变化曲线

由图5和图6可知，在30～70 ℃时，实验组与对照组煤样的CH4体积分数及其产生率呈上升趋势，实验组煤样的CH4体积分数及其产生率略低于对照组，这是因为在煤氧化初期时，CH4的体积分数与产生率大多数是煤中吸附的CH4经过解吸作用所致；70～120 ℃时，两组煤样的CH4体积分数及其产生率变化曲线大幅上升，并且实验组的增长率低于对照组，这是由于，在此阶段经凝胶泡沫处理的煤样，其吸附CH4的释放量减小；130～170 ℃时，对照组与实验组粒径<0.9、3～5、6～10 mm 3种煤样CH4体积分数及其产生率都大幅上升，但实验组3种粒径煤样的变化率始终低于对照组。由此可以得出，凝胶泡沫对CH4的生成起到了抑制作用，同时也对煤自燃的防治起到了一定作用。

图5 不同粒径煤样的CH4体积分数变化曲线

图6 不同粒径煤样的CH4产生率变化曲线

2.3 凝胶泡沫对煤体阻化率的影响

由于粒径的不同，其CO产生率也不同，当温度达到100 ℃时，经凝胶泡沫处理前后煤样所释放的CO量是不同的，将对照组与实验组释放的CO体积分数差值与对照组煤样释放的CO体积分数的百分比称为阻化率。通过阻化率可进一步判断凝胶泡沫的阻化效果，阻化率ECO计算公式如下：

(4)

式中：A为对照组煤样在100 ℃时释放的CO体积分数，10-6；B为实验组煤样在100 ℃时释放的CO体积分数，10-6。

凝胶泡沫处理前后不同粒径煤样释放的CO体积分数如表1所示。

表1 凝胶泡沫处理前后不同粒径煤样释放的CO体积分数

由表1中数据可计算得出，在100 ℃时，粒径<0.9 mm煤样的阻化率为59.23%，粒径3～5 mm煤样的阻化率为61.69%，粒径6～10 mm煤样的阻化率为65.63%，进而得出不同粒径煤样的阻化性能关系为：大粒径>中粒径>小粒径。

3 结论

1)煤的粒径不同，其耗氧速率也不同。在耗氧速率相同，以及释放相同体积分数的CO和CH4时，经处理后的煤样要比原煤的温度分别延后30 ℃和35 ℃。

2)30～70 ℃时，不同粒径煤样的CO、CH4气体体积分数随温度变化较为缓慢，且随温度升高而逐渐增大，但CO和CH4产生率变化均不大。当CO达到100～120 ℃裂解温度时，其体积分数增加量及产生率差异较大；当CH4处于70～120 ℃裂解阶段时，其体积分数及产生率骤增。

3)煤体表面附着的凝胶泡沫能有效地将煤与O2隔绝，阻止煤氧复合反应，以此达到防灭火的目的；不同粒径煤样的阻化性能关系为大粒径>中粒径>小粒径。