防滅火材料對(duì)煤自燃氧化性能的阻化性能研究

防滅火材料對(duì)煤自燃氧化性能的阻化性能研究

預(yù)防氣體泄漏的材料可分為有機(jī)凝膠、厚合體和復(fù)合膠體。廣泛應(yīng)用于礦火的預(yù)防和控制，具有良好的滅火效果。膠體材料的滅火機(jī)理主要有吸熱降溫、隔絕煤氧接觸、堵塞漏風(fēng)通道等。不同種膠體材料的成分不同,物理和化學(xué)性質(zhì)不同,對(duì)煤自燃的阻化作用也不相同。筆者通過對(duì)高分子膠體,水玻璃,粉煤灰復(fù)合膠體和黃土復(fù)合膠體等膠體材料處理過的煤樣進(jìn)行煤自燃程序升溫試驗(yàn),測定煤樣升溫速率和指標(biāo)氣體的含量及放熱強(qiáng)度等參數(shù)隨溫度的變化,從而分析不同種膠體材料對(duì)煤自燃的阻化特性。1橡膠材料的阻化性能試驗(yàn)1.1試驗(yàn)過程分析煤自燃過程是一個(gè)煤氧復(fù)合并積聚熱量的過程,在這個(gè)過程中煤氧復(fù)合反應(yīng)越劇烈,消耗的O2越多,產(chǎn)生的CO等氣體越多,煤體升溫速率越快,為此,在散熱條件相同的條件下,可以通過煤自燃程序升溫試驗(yàn),模擬煤低溫氧化自燃過程的升溫條件和環(huán)境,對(duì)比原煤和用膠體材料處理過的煤樣在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的CO、CO2和CH4等氣體的濃度及產(chǎn)生率等特征參數(shù)的量值及變化,同時(shí)考察不同膠體作用下煤樣的升溫速率,從而判定膠體材料對(duì)煤自燃的抑制作用及每種膠體材料的作用效果。1.2試驗(yàn)罐及儀器試驗(yàn)裝置系統(tǒng)主要由程序升溫試驗(yàn)箱、煤樣反應(yīng)罐、氣路系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)和氣體分析系統(tǒng)5個(gè)部分組成,如圖1所示。試驗(yàn)采用BPG-9070A精密鼓風(fēng)干燥箱作為程序升溫試驗(yàn)箱,內(nèi)部裝有風(fēng)扇,保證箱內(nèi)溫度均勻。煤樣反應(yīng)罐是一個(gè)直徑9.5cm,長25cm的鋼管,試驗(yàn)時(shí)在鋼管內(nèi)裝入處理過的煤樣,為使通氣均勻,上下兩端分別留有2cm左右自由空間(采用直徑165μm銅絲網(wǎng)托住煤樣)。氣路系統(tǒng)主要由SPB-3型全自動(dòng)空氣泵、進(jìn)氣管、流量計(jì)、預(yù)熱管和排氣管(即氣體采集管)組成,預(yù)熱管為長2m的銅管,置于程序升溫箱內(nèi),保證進(jìn)氣溫度與煤樣溫度基本相同,排氣管路長2m,管徑2mm,采用針管注射器取樣。測溫系統(tǒng)分為箱溫顯示器和煤溫?zé)犭娕继綔y器2個(gè)部分。氣體分析系統(tǒng)為SP-3430型氣相色譜儀。1.3復(fù)合膠片的制備試驗(yàn)煤樣取自山東趙樓煤礦,將整塊煤破碎并對(duì)篩分出粒徑在0.6~1.0cm的顆粒密封。用電子天平稱取1kg原煤12份,分別標(biāo)號(hào)為1號(hào)—12號(hào),將各煤樣分別作如下處理:1號(hào)和7號(hào)煤樣分別置于空氣中5h;2號(hào)和8號(hào)分別與2kg自來水混合,浸泡12h;3號(hào)和9號(hào)分別與2kg水玻璃凝膠(水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,NaHCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%)混合,浸泡12h;4號(hào)和10號(hào)分別與2kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的高分子膠體混合,浸泡12h;5號(hào)和11號(hào)分別與2kg水土質(zhì)量比為1∶1的黃土復(fù)合膠體混合(懸浮劑和膠凝劑添加量分別為0.1%),浸泡12h;6號(hào)和12號(hào)分別與2kg水灰質(zhì)量比為1∶1的粉煤灰復(fù)合膠體混合(懸浮劑和膠凝劑添加量分別為0.1%),浸泡12h;將各煤樣與混合物置于孔徑為0.5mm的鐵絲網(wǎng)上5h,待無水珠滴落后裝入試驗(yàn)爐開始試驗(yàn)。將處理好的煤樣裝入試驗(yàn)爐中,設(shè)定空氣流量為120mL/min,預(yù)先通入空氣30min后,開始加熱升溫。1號(hào)—6號(hào)煤樣升溫過程中保證程序升溫箱的溫度始終比煤溫高30℃,煤溫每上升10℃記錄箱溫和時(shí)間,直到170℃;7號(hào)—12號(hào)煤樣升溫過程中,控制升溫速率為20℃/h,煤溫每升高10℃取氣1次,利用氣相色譜儀分析氣體成分。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1煤體升溫速率的變化煤自燃程序升溫試驗(yàn)主要是利用程序升溫箱加熱煤樣,從而在短時(shí)間內(nèi)模擬煤低溫氧化自燃過程,為此,在試驗(yàn)過程中煤氧復(fù)合反應(yīng)放出的熱量對(duì)煤溫升高的影響可以忽略不計(jì)。而整個(gè)試驗(yàn)過程中所采用的煤完全相同,箱溫和煤溫的差值始終控制在30℃,其他條件完全相同,那么此時(shí)造成煤樣升溫速率不同的最主要的原因就是煤樣處理效果不同,即水和膠體材料的作用導(dǎo)致煤樣升溫速率不同,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出,80℃以前,干煤的升溫速率明顯低于混有水和膠體材料煤樣的升溫速率,這是由于水的傳熱速率較大,且水蒸氣具有一定的加熱作用。此時(shí)水分和膠體材料的存在能夠促進(jìn)煤體升溫,從一定程度上促進(jìn)了煤自燃的發(fā)生。其促進(jìn)作用以水最大,其次為黃土、粉煤灰、水玻璃和高分子。80—100℃,各個(gè)煤樣的升溫速率差別較大,干煤仍然保持原升溫速率升溫,而處理過的煤樣升溫速率則大幅度降低,降低的程度和前一階段對(duì)煤氧復(fù)合反應(yīng)的促進(jìn)程度成正比,這從一定程度上反映了各種膠體材料的保水能力,其中高分子材料的保水能力最好,水玻璃次之,然后依次為粉煤灰復(fù)合膠體和黃土復(fù)合膠體,而水處理的煤樣,由于水處于游離狀態(tài),所以最容易散失,而水分在蒸發(fā)的過程中,吸收大量的熱,膠體材料保水能力越好,水分蒸發(fā)越慢,升溫速率越低。100℃以后,由于水分蒸發(fā)殆盡,各煤樣又恢復(fù)到最初的升溫速率,且比干煤的升溫速率略高。雖然在80℃以前和100℃以后的階段,水分和膠體材料對(duì)煤升溫氧化起到了一定的促進(jìn)作用,但其在80—100℃這一階段抑制了煤樣升溫,且持續(xù)的時(shí)間大概占整個(gè)升溫時(shí)間的50%~75%,而煤樣最終達(dá)到170℃的時(shí)間也比干煤靠后很多。所以總體上,膠體材料對(duì)煤升溫氧化具有一定的抑制作用,且這種抑制作用比水強(qiáng)。2.2水和膠體材料對(duì)煤的耗氧速率的影響根據(jù)前人大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,原始煤體中不存在CO,但存在CO2、CH4等氣體。CO2和CH4一部分以游離狀態(tài)吸附于裂隙與微孔中,一部分吸附于煤大分子內(nèi)部。當(dāng)煤體溫度升高時(shí),吸著和吸附氣體動(dòng)能增加,活性增加,開始逐步脫附。因此,較難分辨煤氧化過程中產(chǎn)生的CO2和CH4氣體是吸附氣體還是氧化分解產(chǎn)生的氣體。為此,本試驗(yàn)將CO產(chǎn)生量和耗氧速率作為分析膠體材料對(duì)煤自燃影響的2個(gè)重要指標(biāo)。煤自燃程序升溫試驗(yàn)中,用不同材料處理的煤樣氧化產(chǎn)生的CO氣體濃度隨煤溫變化的曲線如圖3所示。由圖3可以看出,水和膠體材料對(duì)CO產(chǎn)生量總體上具有一定的抑制作用,其中高分子膠體和水玻璃的抑制效果最好,其次是黃土和粉煤灰,水的抑制效果較差。CO是煤發(fā)生氧化時(shí)產(chǎn)生的氣體,在煤的粒徑,通風(fēng)、散熱條件相同的條件下,同一煤樣溫度相同時(shí)產(chǎn)生的CO濃度應(yīng)該相等,但由于水或者是膠體材料覆蓋在煤樣表面,導(dǎo)致煤與空氣的接觸面積減小,從而氧化速率減慢,CO濃度降低。而由于水的附著力較小,所以對(duì)于隔絕煤樣接觸起到的效果較小,膠體材料特有的凝膠特性能夠使其停留在煤體表面,隔絕煤氧接觸,高分子膠體材料和水玻璃的強(qiáng)度較小,發(fā)生破壞后,在外力作用下,仍能緊密接觸,黃土和粉煤灰膠體材料發(fā)生破壞后形成的漏風(fēng)通道較難恢復(fù)原狀,為此,較容易形成漏風(fēng)通道,氧化速率相對(duì)于高分子材料和水玻璃處理過的煤樣大,CO濃度高。隨著溫度的升高,水分大量散失,導(dǎo)致水和膠體材料對(duì)煤的包裹效果減弱,從而使得CO產(chǎn)生率逐漸增大,這是由于水分蒸發(fā)的過程中產(chǎn)生的膨脹力導(dǎo)致煤體裂隙發(fā)展的緣故。黃土復(fù)合膠體,粉煤灰復(fù)合膠體材料處理的煤樣CO產(chǎn)生率增長較慢,證明其具有一定的保水能力,高分子材料和水玻璃的CO產(chǎn)生率增長更為緩慢,說明其保水能力較好。低溫狀態(tài)下膠體材料對(duì)煤氧復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生CO濃度的影響如圖4所示,由圖4可知,雖在高溫階段水和膠體材料對(duì)煤氧化自燃產(chǎn)生CO具有一定抑制作用,但在70℃以下反而對(duì)煤氧化CO氣體的產(chǎn)生起到一定促進(jìn)作用。由此可推斷水的極性對(duì)煤分子的空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響,水的極性削弱了煤空間交聯(lián)鍵的結(jié)合力,使煤中的交聯(lián)鍵更容易斷裂,此時(shí)水和膠體材料對(duì)煤自燃的影響變?yōu)榇龠M(jìn)作用。此外,水對(duì)CO產(chǎn)生率的抑制作用發(fā)生在75℃左右,而膠體材料的抑制作用發(fā)生在60℃左右,這是由于膠體材料具有一定的固水和封堵作用,從而使水和煤分子的作用受到了一定的抑制。水和膠體材料對(duì)煤樣低溫氧化過程中耗氧速率的影響如圖5所示。由圖5可知,在70℃以前,水和膠體材料對(duì)煤樣耗氧速率具有一定的促進(jìn)作用,其中,水的促進(jìn)作用較為強(qiáng)烈。70℃以后,水和膠體材料對(duì)煤氧化的耗氧速率的影響變?yōu)橐种谱饔?其中,水的抑制作用最差。從總體上看,其抑制作用明顯大于促進(jìn)作用。由此可以看出,水和膠體材料對(duì)煤氧化耗氧速率的影響和對(duì)煤氧化