礦用防滅火固體泡沫材料試驗研究

2021-07-04 02:52:50賈鵬輝

煤炭與化工 2021年5期

賈鵬輝

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西呂梁033602）

0 引言

由于近些年來我國采煤技術的飛速發展，特厚煤層放頂煤開采及瓦斯抽采技術取得空前進步，工作面開采后采空區遺煤較多，自然發火問題越發凸顯[1-2]。根據最近的統計結果，我國開采的煤層90%以上屬于自燃煤層或者易自燃煤層，因自然發火引發的礦井火災達到總數的85%以上[3]。在25個主要產煤大省里，共有130個以上礦區因煤層自然發火問題而受到不同程度的影響，寧夏寧東礦區、陜北神東礦區等地方每年都發生因為自然發火引發CO濃度超限的問題[4]，每年給礦井造成巨大的經濟損失，甚至發生人員傷亡事故[5-6]。

為有效防治煤炭自然發火，科研人員開展了大量的試驗研究，研究出的防滅火技術有，阻化劑、注惰氣、泡沫樹脂、預防性灌漿、凝膠等[7-11]，但這幾種防滅火技術也存在不足。比如阻化劑不易均勻分噴灑在煤體表面，腐蝕井下設備，影響工作人員的身體健康；注惰氣降溫滅火效果差，注氮機需經常維護，惰氣伴隨工作面漏風擴散[12]；膠體防滅火材料多數為銨鹽類構成，易反應產生有毒氣體—氨氣，膠體材料的防滅火成本較高；預防性灌漿擴散區域有限，只能沿著地勢低的地方流，很難流向地勢高的地方，漿液很難均勻覆蓋浮煤，堆積效果差，易產生“拉溝”現象，易跑液和潰漿[13]；固體泡沫充填密閉時只需將2種原料充分混合注入井下，簡單易行，可有效封堵漏風地點，封閉效果好，同時具有固化前流動性好、固化后粘結性強、堆積性好且凝固速度可調控、價格低廉等優點[14]。因此，本文通過實驗研究，改變固體泡沫2種材料的配比以得到最大發泡倍數，在斜溝煤礦23103尾巷進行現場實踐，以提高礦井火災防治效果。

1 添加沙前后固體泡沫的發泡試驗

1.1 試驗方法

將規定量的原料A和發泡劑B通過注射器吸至模具里，同時將直徑2 mm的沙子添加到模具里，之后攪拌直至均勻，等到原料A和發泡劑B完全發泡凝固成型之后，根據阿基米德原理實測泡沫的總體積，同時根據發泡倍數的計算公式：發泡倍數=（樣品總體積）/（沙子體積+原料總體積）核算原料A和發泡劑B的發泡倍數。

1.2 未添加沙時固體泡沫的發泡試驗

想得到在配比不一致的條件下原料A與發泡劑B的發泡倍數，按照不同配比把原料A與發泡劑B隨機劃分為18組開展試驗研究。試驗數據見表1，利用數值軟件生成發泡倍數和不同配比之間的變化曲線如圖1所示。

圖1 發泡倍數與不同配比之間的曲線Fig.1 Curve between foaming ratio and different ratio

表1 固體泡沫在未添加沙時的發泡數據Table 1 Foaming data of solid foam without adding Gaza

從圖1中可以看出，隨著A料和B料配比的變化，固體泡沫的發泡倍數先是升高接著下降，曲線形狀是拋物線，曲線有個峰值點，即當A料和B料為1∶1.2的配比時，固體泡沫的發泡倍數達到最大，最大發泡倍數是16.83。所以為了確保固體泡沫達到最大的發泡倍數，選擇A料和B料的最佳配比為1∶1.2即可達到目的。

1.3 添加沙子之后發泡特性研究

設置A料和B料為1∶1.2的配比時，分成15組樣品開展試驗，研究當含沙質量分數不同時固體泡沫的發泡倍數。通過搜集整理得到相關實驗數據，具體見表2。依據實驗數據利用數值模擬軟件得到固體泡沫發泡倍數與含沙質量分數之間的變化曲線，如圖2所示。

圖2 固體泡沫發泡倍數隨著含沙質量分數的變化曲線Fig.2 The change curve of solid foam foaming ratio with the content of sediment

從圖2中看出，伴隨含沙質量分數的變化，固體泡沫的發泡倍數開始產生明顯的變化，總體變化趨勢為先增后減。通過表2實驗數據得到，第20號和21號試驗樣品產生的發泡平均倍數是14.211，其樣品的含沙質量分數是22.73%；第22號和23號試驗樣品產生的發泡平均倍數是14.229，其樣品的含沙質量分數是27.27%。因此當樣品中的含沙質量分數達到25%時，固體泡沫具有最大的發泡倍數，最大發泡倍數可達到14.220。

表2 含沙質量分數不同時發泡倍數試驗數據Table 2 Test data of foaming times with different content of sand

1.4 添加沙子前后固體泡沫的成本核算

在開展成本核算之前先要獲得試驗用的原料A、原料B和沙子的密度，通過測試計算得到，原料A的密度ρA=1.045 7 g/cm3，原料B的密度ρB=1.133 9 g/cm3，沙子的密度ρs=1.351 g/cm3。計算3種材料的價格，按原料A和B的單價為3萬元/t核算，沙子的單價為40元/t，同時采用K這一修正系數以縮小因測定體積而引起的誤差，K由一組數據中最小體積與平均體積及最大體積與平均體積相比得到，它是一個比值；得到以上數據后核算在添加沙子和未添加沙子后封堵體積空間Vm3時所花費的成本。

（1）未添加沙子時原料A∶B為1∶1.2，16.83的發泡倍數時，通過核算得到K是1.026，那么：

（2）添加25%沙子后沙子體積占到總體積的20%，在原料A∶B為1∶1.2，14.220的發泡倍數時，通過核算得到K是1.02，那么

根據以上核算發現當原料A∶B為1∶1.2時，未添加沙子封堵體積空間V/m3時，所產生的成本C1是1 999.9 V元；添加25%沙子時，所生產的成本C2是1 892.4 V元，顯而易見加沙后成本降低，C2＜C1。所以當礦井封堵工程量較大時，可通過向原料中增加黃沙的手段以減少成本。

2 現場實踐

斜溝煤礦23103尾巷開采結束后由于礦壓顯現、垮落嚴重，在工作面后方100～200 m工作人員難以靠近，一直無法進行封閉。為了提高風量利用率，減少漏風，阻止采空區遺煤自然發火，采取固體泡沫來封閉后部采空區。

（1）試驗開始之前將發泡時間調好，以確保噴槍噴出后才開始發泡[13]。

（2）等管路與泵體連接好后，利用卷尺測出所用高壓管的尺寸，得到其直徑為13 mm，長度為18 m。

（3）試驗地點（固體泡沫發泡封閉采空區處）的巷道形狀為矩形，通過測定其寬度是2.2 m，高度是1.2 m，得到斷面積S是2.64 m2。

（4）兩個地點人員就位后，接到啟動命令后，外側人員啟動機器開始吸取液體，同時記錄好泵的壓力P、注液流量Q以及開始注液時間T1，具體為T1=10:48:41，P=1 MPa、Q=13 L/min；里側人員把噴槍噴出液體時間T記錄好，具體為10:48:54。

（5）封嚴巷道后，將泵停運，記錄好停泵時間T2是11:16，共計注液25 min。共用泡沫液體的重量m是0.5 T，計算得到注液速度v是20 kg/min。

（6）回收所有的設備，試驗結束。

利用上述參數根據ρ=v/Q和V1=m/ρ核算得到，使用防滅火材料的密度ρ是1.55 kg/m3，體積V1是0.32 m3；根據該種材料的發泡倍數為16倍，因此所用的泡沫體積增大到5.17 m3；依據h=V/S和v1=L/（T-T1），泡沫墻的厚度h是1.96 m，液體通過管路時的流動速度v1是1.64 m/s。由上述計算發現，密閉斜溝煤礦23103尾巷采空區過程中，需要使用的注液泵的壓力要達到1 MPa、注液管路的直徑需要達到13 mm的高壓膠管才可滿足長距離輸送泡沫的要求，管路中輸送泡沫的速度是1.64 m/s才可滿足要求。結合上述理論和試驗結果，開展斜溝煤礦23103尾巷采空區密閉工程，在23103工作面正?；夭蓵r，總計消耗20 t的固體泡沫。共計構筑15道擋墻，強化噴射5道密閉墻，封閉堵漏23103尾巷密閉10道及封閉聯絡巷10道。23103工作面開采完成后，對其兩巷相關的巷道進行封閉，總計構筑12道密閉墻，這12道密閉墻全部注入并噴射固體泡沫。在封堵23103工作面時瓦斯涌出量和風量的變化情況見表3。

在封堵23103工作面時，瓦斯濃度和涌出量顯著減少，封堵前瓦斯濃度為1.83%，封堵后瓦斯濃度為0.49%，封堵前瓦斯涌出量為4.87 m3/min，封閉后瓦斯涌出量為1.35 m3/min，降低了72%。因此封堵23103尾巷后堵，能夠有效降低23103工作面采空區漏風，顯著減少采空區瓦斯濃度和涌出量。所以實施固體泡沫封堵采空區安全措施可有效保障23103工作面安全高效回采，對開展工作面防滅火工作極為有利。從表3中得到在封堵23103工作面時，相比封閉前瓦斯涌出量出現增加現象，瓦斯涌出量增大了0.32 m3/min，灌注和噴涂泡沫后瓦斯涌出量發生顯著減少，降低到1.35 m3/min。原因是在開展灌注和噴涂固體泡沫封閉23103工作面時，顯著減少了采空區風量，23103工作面的風量通過聯絡巷到達23103尾巷，把之前積存在聯絡巷內部的瓦斯排放出來，使得在封閉過程中的瓦斯涌出量出現短暫性升高現象。