防治煤自燃的高穩定泡沫凝膠的制備及其特性研究

蔡春城

（上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦，江蘇 徐州 221600）

孔莊煤礦7303綜采工作面北為-760 m等高線，南到7301 工作面溜子道，東至KF13 斷層，西至Ⅲ5 采區人行下山。工作面對應地面標高+33.38 m，工作面標高為-641.6～ -764.7 m，工作面走向長1 015.0 m，傾向長205.0 m （斜長217 m），煤層厚度2.90～5.00 m，平均厚度3.20 m，工作面煤層傾角在15°～25°，平均傾角19°，工作面斜面積211 175 m2。7303 工作面過斷層期間，由于回采推進速度慢，斷層區域采空區及頂煤存在煤炭自燃風險，因此為加強工作面過斷層期間采空區防滅火工作，確保工作面的安全生產，研制了一種新型防滅火材料即高穩定性泡沫凝膠[1-6]。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗原料：水玻璃（WG），40 °Bé，模數3.3，含量34%，山東優索化工科技有限公司（中國）；碳酸氫鈉（NaHCO3），含量≥ 99.5%，pH 值（50 g/L，25 ℃）≤8.6，水不溶物≤0.01%，分析純；改性有機硅聚醚乳液（MPS），含量55%，臨沂綠森化工有限公司；復合表面活性劑（CFA）：主要包含脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉和十二烷基硫酸鈉。

1.2 制備流程

（1）制備質量濃度為0.7 %的CFA 溶液，然后加入一定量的MPS 進行攪拌直至均勻。 （2）加入一定量的WG 并攪拌均勻。（3）加入一定量的NaHCO3溶液，機械攪拌發泡。

具體制備流程如圖1。

圖1 高穩定性泡沫凝膠的制備流程

1.3 高穩定性泡沫凝膠的性能表征

1.3.1 成膠時間

將NaHCO3溶液加入到WG 中混合并充分攪拌5 s，停止攪拌后即開始計時T1，每隔2 s 輕微晃動樣品并觀察漿液流動狀態，直至漿液凝固，記錄時間T2，成膠時間T=T2-T1。

1.3.2 微觀結構

采用徠卡電子顯微鏡（DVW5000HD，Japan）觀察泡沫的微觀結構。利用圖像分析軟件，分析泡沫體系中氣泡尺寸的分布特征及演化過程[7-9]。

1.3.3 滅火試驗

用柴油作為點火材料。滅火材料包括水、傳統泡沫凝膠和高穩定性泡沫凝膠。滅火試驗裝置包括熱電偶、注漿插管、鐵架臺和數據采集系統。熱電偶放置在煤堆中間，滅火劑流速為60～80 L/s，灌注壓力為0.6～1 MPa。滅火過程：用柴油引燃煤堆，使用注漿插管將滅火劑灌注到燃燒10 min 后的煤堆，用熱電偶監測燃燒過程中溫度的變化。滅火試驗重復三次，結果取平均值。

1.4 高穩定性泡沫凝膠的現場應用

預先對井下液壓支架架間煤體進行鉆孔，隨后通過鉆孔向煤體注入泡沫凝膠。每個支架均布設3個鉆孔：架前鉆孔、架中鉆孔和架后鉆孔。

2 試驗結果

2.1 成膠時間

表2 顯示了不同濃度NaHCO3和WG 對成膠時間的影響。從表中可以看出，隨著WG 和NaHCO3濃度的增加，發泡溶液的粘度逐漸增加，成膠時間逐漸縮短。這主要是因為隨著WG 和NaHCO3濃度的增加，二者之間發生的無機縮聚反應得到加速，從而大大縮短了成膠時間?？紤]到現場應用的限制，如管道運輸和成本，膠凝時間一般應控制在1～5 min。因此，WG 和NaHCO3的濃度最終分別以10wt%～11wt%和3wt%～4wt%最佳。

2.2 微觀結構

圖2 顯示了傳統泡沫凝膠和高穩定性泡沫凝膠的微觀結構。從圖2（a）、（b）可以發現，在0～1 h 泡沫粗化的過程中，兩種泡沫凝膠中的小氣泡都合并成了大氣泡，泡沫表面積變小。傳統泡沫凝膠的氣泡平均尺寸從1.37 mm 增加到2.46 mm，高穩定性泡沫凝膠的氣泡平均尺寸從0.62 mm 增加到0.89 mm，這說明高穩定性泡沫凝膠具有更好的穩定性。這主要是因為高穩定性泡沫凝膠的氣泡液膜更穩定，減緩了氣體的擴散速度和液體的流動速度，減弱了氣泡的粗化和析液。

表1 不同濃度碳酸氫鈉和水玻璃對成膠時間的影響規律

圖2 0 h 和1 h 泡沫的微觀結構

2.3 滅火性能

圖3 顯示了水、傳統泡沫凝膠和高穩定性泡沫凝膠進行滅火實驗所得的溫度曲線。從圖3 可以發現，溫度呈現出先升高后降低的趨勢，溫度升高對應著煤炭燃燒階段，溫度降低對應著滅火階段。煤炭在燃燒一段時間后，溫度達到600 ℃，然后用等量的滅火材料進行滅火，煤堆中的熱電偶測量到溫度快速下降，這表明三種滅火材料都有良好的冷卻降溫效果。其中，在用水和傳統泡沫凝膠進行滅火時發現，兩種滅火材料易流失、蒸發，不能完全覆蓋煤體，并且會出現復燃現象，不具備長時間的防滅火性能；而在用高穩定性泡沫凝膠進行滅火時發現，其具有較好的堆積附著性，能夠長時間的包裹煤體，并且不會出現煤堆復燃的現象，具有理想的防滅火性能。上述滅火結果的差異主要是因為高穩定性泡沫凝膠具有較高的穩定性，其中的水分在蒸發后可在煤體表面形成穩定性能良好的凝膠隔氧膜，阻斷煤體與氧氣的進一步接觸而氧化，起到了窒息滅火的作用。

圖3 不同防滅火材料的滅火效果

2.4 礦井總回風流CO 濃度的變化情況

圖4 展現了壓注高穩定泡沫凝膠后礦井總回風流CO 濃度的變化情況。從圖中可以發現，未壓注高穩定泡沫凝膠時，礦井總回風流中CO 濃度超過2.4×10-5（例如，2021 年6 月7 日高達1×10-4）。2021 年6 月21 日—2021 年7 月2 日循環壓注高穩定泡沫凝膠，CO濃度迅速降低，穩定在1×10-5以下。停止壓注泡沫凝膠后，CO 濃度依然較低。這表明高穩定泡沫凝膠具有良好的防滅火效果。

圖4 壓注泡沫凝膠前后礦井總回風流CO 濃度的變化情況

2.5 防滅火機理

圖5 顯示了高穩定性泡沫凝膠的滅火機理。首先，高穩定性泡沫凝膠具有良好的堆積附著性，能夠很好地包裹住高溫煤體并借助自身含有的大量水分對煤體進行物理降溫，其中的水分在吸收大量熱量后會相變為水蒸氣而散失。當高穩定性泡沫凝膠失水到一定程度后，促使其中的凝膠組分濃度變大，成膠時間縮短，進而在煤體表面形成凝膠隔氧膜，形成的凝膠隔氧膜能夠阻斷煤體與氧氣的接觸，從而防止煤的進一步氧化。

圖5 高穩定性泡沫凝膠的滅火機理

3 結論

為預防和控制采空區煤自燃，本文利用WG、NaHCO3、CFA 和MPS 研發出一種高穩定性泡沫凝膠，對比分析了泡沫凝膠的成膠時間、微觀結構和滅火效果，闡明了高穩定性泡沫凝膠的防滅火機理，主要結論總結如下：

（1）高穩定性泡沫凝膠的穩定性隨著WG 和NaHCO3的摻量增加而增加，成膠時間隨著WG 和NaHCO3的摻量增加而縮短。WG 和NaHCO3的濃度優選為10wt%～11wt%和3wt%～4wt%。

（2）與傳統泡沫凝膠相比，高穩定性泡沫凝膠的氣泡尺寸更小且均勻，并且隨著時間的增加，氣泡尺寸變化幅度小，這說明高穩定性泡沫凝膠具有較好的穩定性。

（3）通過滅火實驗發現，高穩定性泡沫凝膠具有良好的堆積附著性和降溫效果，在失水一定程度后，其能夠在煤體表面形成凝膠隔氧膜，從而進一步阻止了煤與氧氣的接觸，具有較好的防滅火效果。

（4）現場監測CO 氣體濃度的數據表明，礦井總回風流中CO 濃度遠低于2.4×10-5，泡沫凝膠的應用效果顯著。