防灭火性能（精选7篇）
防灭火性能 篇1
酚醛泡沫具有优良的阻热、耐火性能,是国内各大煤矿企业广泛用于事故灾害防治的材料之一,主要可用于充填空洞,防止瓦斯聚积;喷涂巷道,防止煤岩裂隙渗透瓦斯;修筑密闭墙和防火墙,达到灭火防火的目的;还可浇注于松散煤层中便于安全采煤,增加产量[1,2,3,4,5]。目前国内外使用的酚醛泡沫普遍存在发泡倍数低,有效期短等问题,其原因是发泡树脂的活性较低,而制备发泡树脂时,反应温度、时间和催化剂用量对其发泡效果影响较大[6,7,8,9]。因此,笔者采用实验研究的方法,着重分析反应温度、时间和催化剂用量对酚醛树脂的理化性能的影响,探索最佳的酚醛树脂的合成条件。
1 酚醛树脂的合成反应
1.1 实验步骤
向集热式恒温加热磁力搅拌器水浴中的三只烧瓶中依次加入苯酚和20%的催化剂水溶液,当温度达到45℃时按甲醛、苯酚的摩尔比为1.6加入多聚甲醛,在不同的反应温度和反应时间下初步制备酚醛树脂[10]。
1.2 反应机理
首先,甲醛与苯酚在催化剂碱溶液的催化作用下发生加成反应,生成邻、对位羟甲基酚,其反应式如下:
然后羟甲基酚与邻、对位氢发生缩合反应,脱去一分子的水,其反应式为:
或羟甲基与羟甲基之间进行缩合产生醚键,由于醚键不稳定,加热后分解形成次甲基,其反应式为:
一羟甲基苯酚和二羟甲基苯酚、三羟甲基苯酚与苯酚间发生缩聚反应,最终形成分子量大小不同的多聚体酚醛树脂。
2 酚醛树脂的性能表征
2.1 固含量的测定
精确称取树脂1~2 g,放置到已知质量的表面皿上,然后放入温度约为150℃的烘箱内烘1 h左右,取出放入干燥箱冷却0.5 h称重,固含量按式(4)计算:
式中:W1为表面皿的质量,g;W2为树脂和表面皿的质量,g;W3为干燥后树脂和表面皿的质量,g。
2.2 黏度的测定
采用NDJ-1旋转黏度计测定黏度。用烧杯取约200 g酚醛树脂,冷却至室温25℃,然后将旋转黏度计的探针没入树脂液面下,使刻度线与液面齐平,待指针稳定后读数并记录相关数据,单位为m Pa·s。
2.3 游离苯酚含量的测定
酚醛树脂与足量溴标准溶液反应,过量的Br2用KI和盐酸与之反应,反应析出的I2用0.1 mol/L的硫代硫酸钠(Na2S2O3)标准溶液标定,从而测得酚醛树脂中游离苯酚的含量。
试样中游离苯酚的含量按式(5)计算:
式中:V1为空白实验所消耗Na2S2O3的体积,m L;V2为滴定所消耗Na2S2O3的体积,m L;N为Na2S2O3的摩尔浓度,mol/L;G为树脂样品的质量,g。
2.4 p H值的测定
采用p HS-3D型酸度计测定p H值。先用标定溶液标定仪器,然后用蒸馏水清洗电极头部,把电极浸入树脂溶液中,用玻璃棒搅拌,使溶液均匀,待读数稳定后读出p H值并记录相关数据。
2.5 游离甲醛含量的测定
试样中游离甲醛的含量按式(6)计算:
式中:N1为氢氧化钠标准溶液的摩尔浓度,mol/L;V3为消耗氢氧化钠标准溶液的体积,m L;G1为树脂样品的质量,g。
2.6 凝胶时间的测定
采用电热板法测凝胶时间,即在电热板上插上温度计,使其恒温在160℃。取1 g的酚醛树脂样品,摊在铁板上,待树脂即刻熔化时开始计时,测定树脂从熔融到开始拉丝所经历的时间,这一时间称为该温度下树脂的凝胶时间。测定3次取其平均值作为树脂的凝胶时间。
2.7 酚醛树脂羟甲基指数的测定
当红外光通过样品时,样品中的不同基团对不同波长的红外光产生选择性吸收[11]。根据比尔—朗波特定律,测量酚醛树脂红外光谱图上羟甲基的吸收带(1 020 cm-1)和苯基的吸收带(1 610 cm-1)的吸光度,按照式(7)来计算酚醛树脂的羟甲基指数:
式中:CH2OH Index为酚醛树脂的羟甲基指数;A1为羟甲基中C—O的伸缩振动在1 020 cm-1处产生的吸光度;A0为苯基C=C的伸缩振动在1 610 cm-1处产生的吸光度。
3 实验结果分析
3.1 反应温度、时间对黏度的影响
1)催化剂溶液加入量为10 g时,反应温度、时间对酚醛树脂黏度的影响如图1所示。
图1 加入10 g催化剂溶液时树脂黏度变化情况
2)催化剂溶液加入量为20 g时,反应温度、时间对酚醛树脂黏度的影响如图2所示。
图2 加入20 g催化剂溶液时树脂黏度变化情况
由图1和图2可知,随着反应时间的延长,反应温度的升高,以及催化剂用量的增加,树脂的黏度在逐渐增大,这说明树脂的反应程度逐渐加深,缩聚反应加快,树脂分子量逐渐增大,缩聚反应使分子链逐步增长,不断生成长分子链的高分子,黏度增大。在相同条件下,对制得的树脂进行发泡实验,得出催化剂溶液加入量为20 g,反应温度为75℃、反应时间为3 h、黏度为2 250 m Pa·s时效果最好。
3.2 反应温度、时间对固含量的影响
1)催化剂溶液加入量为10 g时,反应温度、时间对酚醛树脂固含量的影响如图3所示。
图3 加入10 g催化剂溶液时树脂固含量变化情况
2)催化剂溶液加入量为20 g时,反应温度、时间对酚醛树脂固含量的影响如图4所示。
图4 加入20 g催化剂溶液时树脂固含量变化情况
由图3和图4可知,随着反应时间的延长,反应温度的升高,以及催化剂用量的增加,酚醛树脂的固含量呈直线逐渐增加,这说明在反应初期苯酚和甲醛之间主要发生羟甲基化反应,形成加成产物,树脂的分子量比较小,因此酚醛树脂的固含量较低;但随着反应时间延长,体系中存在羟甲基,酚醛树脂更容易发生缩聚反应,树脂分子量增大,因此树脂的固含量也增大。
3.3 反应温度、时间对游离甲醛、游离苯酚含量的影响
1)催化剂溶液加入量为10 g时,反应温度、时间对酚醛树脂中游离甲醛、游离苯酚含量的影响如图5和图6所示。
图5 加入10 g催化剂溶液时树脂中游离甲醛含量变化情况
图6 加入10 g催化剂溶液时树脂中游离苯酚含量变化情况
2)催化剂溶液加入量为20 g时,反应温度、时间对酚醛树脂中游离甲醛、游离苯酚的影响如图7和图8所示。
图7 加入20 g催化剂溶液时树脂中游离甲醛含量变化情况
图8 加入20 g催化剂溶液时树脂中游离苯酚含量变化情况
由图5~8的走势可以看出,随着反应时间的延长,反应温度的升高,催化剂用量的增加,酚醛树脂中游离甲醛、游离苯酚的含量呈现逐渐减少的趋势,这是因为反应时间短,许多多聚甲醛和苯酚并没有参加反应,所含的游离甲醛和游离苯酚量多,反应时间的延长促进了苯酚与甲醛的充分反应,保证反应具有足够的时间向生成酚醛树脂的方向进行,降低了游离甲醛、游离苯酚的含量,所以反应时间对酚醛树脂中游离甲醛、游离苯酚含量的影响是比较大的。从图5和图7可以看出,制得的酚醛树脂中游离甲醛含量在1.66%~2.01%,由图6和图8可知,制得的酚醛树脂中游离苯酚含量在7.92%~10.32%。当温度为75℃、反应时间为4 h时酚醛树脂中的游离甲醛已经降到最低为1.66%,游离苯酚也已经降到最低为7.92%,如果再延长反应时间,树脂中游离甲醛、游离苯酚的含量可能仍会有较少量的降低,但降低量并不明显,且容易产生凝胶现象。
3.4 反应温度、时间对凝胶时间的影响
1)催化剂溶液加入量为10 g时,反应温度、时间对酚醛树脂凝胶时间的影响如图9所示。
图9 加入10 g催化剂溶液时树脂凝胶时间变化情况
2)催化剂溶液加入量为20 g时,反应温度、时间对酚醛树脂凝胶时间的影响如图10所示。
图1 0 加入20 g催化剂溶液时树脂凝胶时间变化情况
图9与图10表明,随着反应时间的延长,反应温度的升高,催化剂用量的增加,酚醛树脂的凝胶时间呈现逐渐缩短的趋势。以图9为例,在70℃的恒温下,反应时间从2 h增加到3 h时,酚醛树脂的凝胶时间由32.12 s缩短到29.72 s,当反应时间进一步增加到4 h时,凝胶时间缩短到24.10 s,这说明反应时间短,体系主要发生加成反应,反应程度低,酚醛树脂黏度较低,固含量也较低,因此凝胶所需的时间就长。如果反应温度升高,反应程度就会加快,树脂缩聚反应加快,树脂的黏度也会增大,固含量也会增大,从而凝胶时间就会缩短。
3.5 反应温度、时间对羟甲基指数的影响
1)催化剂溶液加入量为10 g时,反应温度、时间对酚醛树脂中羟甲基指数的影响如图11所示。
图1 1 加入10 g催化剂溶液时树脂的羟甲基指数变化情况
2)催化剂溶液加入量为20 g时,反应温度、时间对酚醛树脂中羟甲基指数的影响如图12所示。
图1 2 加入20 g催化剂溶液时树脂的羟甲基指数变化情况
由图11与图12可以看出,随着反应时间的延长,酚醛树脂的羟甲基指数总体上呈现逐渐增大的趋势。以图11为例,在催化剂加入量为10 g、反应温度为70℃的恒温下,反应时间从2 h增加到3 h时,酚醛树脂的羟甲基指数由1.51增加到2.49,当反应时间进一步增加到4 h时,羟甲基指数降低到2.17,说明羟甲基指数随着反应时间的增加开始时段会迅速地增加,当反应达到一定时间后会有所下降,这是因为苯酚的羟甲基化反应速度较快,在反应的初期就可以大量完成,所以随着恒温反应时间的延长,酚醛树脂中的羟甲基含量最初是增加的,即羟甲基指数是增大的;当羟甲基含量达到一定值后,聚合反应的速度大于羟甲基化的速度,于是酚醛树脂中的羟甲基含量便开始下降。
通过对以上不同反应条件下合成的酚醛树脂做发泡实验,经过反复实验观测,得出发泡效果最好的酚醛树脂合成条件是20%的催化剂溶液20 g,反应温度75℃,反应时间3 h,其各项性能指标是:黏度为2 250 m Pa·s,固含量为76.5%,p H值为8.19,游离甲醛含量为1.73%,游离苯酚含量为8.89%,凝胶时间为28.76 s,羟甲基指数为1.51。
4 结论
1)在一定的范围内,随着反应温度的升高、反应时间的延长、催化剂用量的增加,酚醛树脂的黏度、固含量、羟甲基指数是呈逐渐增加的趋势,而酚醛树脂中游离甲醛、游离苯酚、凝胶时间呈逐渐减少的趋势。
2)对制备的酚醛树脂样品在相同条件下进行发泡实验,得出发泡效果最好的合成条件是20%的催化剂溶液20 g,反应温度75℃,反应时间3 h。
参考文献
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复合胶体防灭火材料的性能研究 篇2
因此, 这些技术的开展也存在一定的局限性。复合胶体防灭火材料的选用, 不仅在很大程度上减少了火灾发生的次数, 而且为企业的发展也起到了至关重要的推动作用。
1 复合胶体防灭火原理
复合胶体主要是由基料与微量复合剂及微量促凝剂制成的。其中, 发挥作用最大的就是基料, 其具有吸水体积膨胀的功能, 能够对大量的水分子进行控制, 从而大大提高水的灭火性能, 提升复合胶体的防灭火性能。
通常来说, 复合胶体防灭火原理可以从以下4个方面进行分析:
1.1 复合胶体对煤体孔隙、裂隙的充填
由于复合胶体是一种介于固体和液体之间的材料, 因此, 其自身便存在一种可以灭火的优点。同时, 在胶体处于初始状态下的时候, 其本身具有一定的可流动性, 可以渗透到各种煤体的孔隙和裂隙当中, 继而随着时间的推移慢慢固化, 固化之后的液体随着流动性的消失, 便可对煤体中存在的空隙和裂隙进行填充, 产生堵塞漏风、隔绝氧气的特性, 从而起到阻止煤氧接触和惰化煤体表面的作用。其次, 由于胶体与煤体之间存在较大的作用力, 从而导致二者之间存在的界面降低, 因而粘附力较强, 能够在一定程度上起到隔绝着火物体与氧气接触和提高冷却吸热效果。
1.2 复合胶体与煤体之间的机械键合
由于不同胶体的胶凝时间不同, 因此, 在对复合胶体的材料进行选择的时候, 都必须要结合实际的使用条件。一般来说, 矿井灭火对胶体凝胶时间的要求在几十秒到10分钟之间。当流入煤体孔隙和裂隙中的胶体固化之后, 就会产生相应的机械键合, 这是存在于煤和胶体接触面上的一种普遍现象, 这种现象会导致二者之间存在很强的结合力, 使其难以分开。除此之外, 复合胶体与煤体之间的机械键合还能够起到增加导热和阻止煤氧化放热的作用。
1.3 复合胶体对煤体的阻化作用
目前, 煤层自燃发火的危险已经成为了煤矿企业发展过程中所面临的一项重要问题。据分析, 煤层自燃发火的过程主要是因为煤氧化放热而引起的煤体温度升高, 促使反应加速, 从而导致煤层着火的现象发生。而复合胶体具有阻化性, 能够消除自由基, 此外, 胶体中还含有多种离子和分子, 一些结构是亲电试剂, 它们能够与煤表面提供的电子活性结构发生化学吸附, 形成络合物, 使煤表面更加稳定, 从而使表面活性结构失去活性, 使煤氧化吸附和化学反应减少从而有效地降低煤氧复合氧化的速度, 阻止煤自燃的现象发生。
1.4 复合胶体对煤体的吸热降温作用
一般来说, 胶体自身均存在一定程度的固水性, 能够使一定量的水固定在胶体网状结构骨架中, 从而使其失去原有的流动性。正因为胶体自身存在这种特定, 才能充分发挥其灭火的优点, 而且还能够有效弥补由于水流动性较强和工作面顶部等因素引起的灭火效果不理想的问题。
此外, 由于胶体内所含的水分比较大, 当其温度升高的时候, 其本身能够吸取大量的热能, 从而导致周围环境的温度有所下降, 从而很大程度上降低了火灾发生的概率。
2 复合胶体的阻化性能实验
在进行复合胶体的阻化性能实验之前, 实验人员应该充分分析在不同温度下, 几种有机材料性能所产生的变化, 通过分析的结果对实验的内容进行详细设计。这里的材料主要指的是复合胶体和水, 而相应的变化主要是指二者在高温环境下自身温度的变化和失水情况。对这两种材料性能变化的分析, 工作人员可以通过实验的方式来完成, 在得出相应的结果之后, 再开始着手进行复合胶体的阻化性能实验。
一般来说, 对于复合胶体的阻化性能实验的整体设计过程如下所示:
2.1 试验设计
在对复合胶体的阻化性能实验进行设计的时候, 要对煤层自燃现象进行分析, 考虑到在自燃过程中, 唯一不可缺少的就是对氧气的需要。因此, 在对实验进行设计的时候, 就应该将此项问题作为重点来考虑, 通过对不同阻化剂对氧气的阻缓效果进行考察, 从而选择合适的阻化剂。本实验主要选用复合胶体和无机阻化剂氯化镁阻化剂来完成实验操作, 在实际操作过程中, 比较二者在同等条件下与氧气反应所放出CO的体积分数, 一般来说, 放出CO的体积分数越大, 就说明该阻化剂对氧气的阻缓效果就越差, 反之则说明其阻化剂具有较好的阻缓效果。本实验主要采用的是程序升温实验系统来对复合胶体和氯化镁抑制煤炭氧化自燃性能进行研究。为了能够确保实验的效果能够达到预期的目标, 在进行具体操作之前, 应该根据实验的具体需求和特点来对实验中所采取的程序升温实验装置进行必要的完善与优化, 实验具体设计如图1所示:
图中数字1-9分别代表的是空气瓶、减压阀、玻璃转子流量计、程序升温控制箱、进气预热紫铜管、煤样罐、出气紫铜管、热电偶温度测量仪以及气袋。
2.2 试验结果
通过对上述实验进行分析, 得出的各种材料处理过的烘样CO体积分数随温度的变化效果如图2所示:
从图中我们可以看出, 随着煤体温度的不断升高, 每组试样所产生CO的体积分数也会随之产生变化。通过比较我们可以看出, 各个曲线几乎全部处于原样曲线之下, 这就说明阻化剂的存在使得煤氧化反应产生CO的量比未添加阻化剂的条件下减少。而且从图中可以看到, 复合胶体和氯化镁 (20) 均表现出很好的阻化效果, 尤其在煤温升到120℃以后, 基本抑制住了CO的产生。对比图2中曲线可以看出, 原样实验曲线是非常高的, 特别是在100℃以上阶段, 这一趋势极其明显。说明随温度升高, CO随温度产生率是不断增加的。添加阻化剂后的试验曲线, 相应温度下这一比值均低于原样, 特别是在100℃以上阶段, 其值是远低于原样的相应值的, 复合胶体和氯化镁 (20) 均表现出很好的阻化效果。
3 结语
综上所述, 通过对复合胶体的阻化性实验分析, 我们能够看出, 复合胶体防灭火技术能够大大提高水的灭火性能, 从而是其具有良好的防灭火性能。随着我国煤矿企业发展脚步的不断加快, 对煤层自燃火灾的控制也必然会得到相关人员的高度重视, 为了能够更好的将复合胶体防灭火技术在煤矿企业发展过程中的作用充分发挥出来, 工作人员在未来的时间里, 应该不断对此技术进行更新与完善, 使其能够为我们煤矿企业的可持续发展起到更好的推动作用。
参考文献
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防灭火性能 篇3
煤炭自燃是我国煤矿的主要自然灾害之一[1]。为防治煤炭自燃,国内外广泛采用灌浆、喷洒阻化剂、注惰气等防灭火技术,其中阻化剂是目前研究的热点。
阻化剂的使用有2个关键:一是材料的阻化性能;二是将阻化剂向目标煤体的准确输送。因此对阻化剂的研究也可以对应分为2类,其中对“准确输送”的研究主要集中于研制阻化剂的有效载体。目前使用的气雾阻化剂和三相泡沫就是对阻化剂载体的积极探索。但是气雾的喷洒距离有限,而三相泡沫发泡倍数较低,泡沫的稳定性差,易于破灭。
为了克服现有阻化剂载体存在的不足,促进煤自燃阻化剂的使用,研制了新型的煤自燃阻化剂载体——高性能泡沫。高性能泡沫发泡倍数高、稳定时间长、流动性和堆积性好,能够使阻化剂和目标煤体充分有效地接触,阻化性能得到充分的发挥。
高性能泡沫的发泡倍数主要由发泡剂决定,稳定时间则由发泡剂和稳泡剂的复配效果决定。根据文献资料和初步试验结果,笔者优选出3种表面活性剂作为发泡剂,并根据表面活性剂复配原理来选择多种稳泡剂进行复配,研究确定高性能泡沫的最佳配方。
1 实验部分
1.1 主要材料
1) 十二烷基苯磺酸钠(ABS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)和十二烷基硫酸钠(SDS)3种发泡剂;
2) 优选的十六烷基溴化胺(GTAB)、三乙醇胺、明胶、聚苯烯酰胺、稳泡剂1(wp1)、氯化钠、淀粉、果胶、阿拉伯胶和稳泡剂2(wp2)等作为稳泡剂。
1.2 实验方法和实验装置
泡沫性能主要指发泡性能和稳泡性能。发泡性能用发泡能力表征,其表示表面活性剂溶液(不管其浓度如何)在外界做功条件下所能达到的最大体积;稳泡性能用析液半衰期评价,泡沫液析出一半所需时间称为析液半衰期。
评价表面活性剂泡沫性能的方法很多[2],试验采用Ross-Miles法对发泡剂的发泡能力进行评价,用Waring Blender法对泡沫性能进行全面评价和研究。
使用的实验装置主要有罗氏泡沫仪和Waring Blender搅拌器。
2 实验结果与分析
2.1 发泡剂选择
用Ross-Miles法对十二烷基硫酸钠(SDS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)和十二烷基苯磺酸钠(ABS)在室温条件下,浓度均为0.40%时的泡沫性能进行研究比较,结果如表1所示。
从表1中可以看出,SDS在很小的溶液浓度下就具有较高的发泡能力,其发泡性能优于AES和ABS,故选择十二烷基硫酸钠作为发泡剂。
2.2 发泡剂复配体系的研究
根据表面活性剂复配理论,实验中选择合适的助剂与发泡剂SDS复配来研究形成稳定水基泡沫的配方。根据稳泡机理[3],稳泡剂分为2种:一类稳泡剂,作为一种活性物质加入发泡液中,通过协同作用增强表面吸附分子的相互作用,使表面吸附膜强度增大以提高泡沫的稳定性;二类稳泡剂,可以提高泡沫原液的液相黏度,并能形成弹性薄膜,因而可以明显延长泡沫的半衰期。
2.2.1 一类稳泡剂的复配研究
用十六烷基溴化胺(GTAB)、三乙醇胺、明胶、聚苯烯酰胺、稳泡剂1(wp1)和氯化钠等助剂与十二烷基硫酸钠复配来研究稳定性水基泡沫的配方。
实验发现十六烷基溴化胺与十二烷基硫酸钠复配有很好的协同作用,复配体系泡沫的稳定性显著提高;而溶液的发泡能力随着十六烷基溴化胺浓度的增加而降低。少量的无机盐氯化钠对十二烷基硫酸钠也有一定的增效作用,但较高浓度的无机盐会起消泡作用。
稳泡剂1与十二烷基硫酸钠复配,泡沫黏稠细腻,而且有很高的稳定性。从表2可以看出,发泡能力总体有所增大,而泡沫的稳定性大大地提高了。这是因为加入稳泡剂1后,稳泡剂分子参与表面活性剂胶团形成的过程是容易自发进行的自由能降低的过程,使胶团容易形成,所以使十二烷基硫酸钠的发泡能力增大。同时,稳泡剂1的加入不仅可以减慢泡沫内部的排液速度,还可以减慢靠近液膜的排液速度,从而可以在很大程度上增加泡沫的稳定性。
从表2可见,十二烷基硫酸钠和稳泡剂1复配体系的水基泡沫稳定性较高,析液半衰期已达1 h以上。考虑到水基泡沫在应用中需要较高的稳定性,实验中选择十二烷基硫酸钠和稳泡剂1复配体系作为对水基泡沫配方继续研究的对象。
2.2.2 二类稳泡剂的复配研究
为了进一步提高水基泡沫的稳定性,选用了淀粉、果胶、阿拉伯胶和稳泡剂2(wp2)等增稠剂与十二烷基硫酸钠和稳泡剂1的体系复配,复配体系中十二烷基硫酸钠质量浓度为0.6%,稳泡剂1浓度为0.5%,改变增稠剂的浓度并进行了一系列试验,结果发现淀粉、果胶、阿拉伯胶对十二烷基硫酸钠和稳泡剂1复配体系的泡沫性能增效不显著,而稳泡剂2对复配体系有很强的增效作用。稳泡剂2浓度对十二烷基硫酸钠和稳泡剂1复配体系泡沫性能的影响试验结果见表3。
当稳泡剂2浓度为0.5%时体系的发泡能力较大,泡沫稳定性也较好。得到的水基泡沫成黏稠细腻光滑的膏状,稳定性有了很大提高。
至此,确定的高性能泡沫配方如下:发泡剂十二烷基硫酸钠质量浓度为0.6%,稳泡剂1浓度为0.5%,稳泡剂2 浓度为0.5%。
2.3 环境温度对复配体系泡沫性能的影响
考虑到水基泡沫在室外环境中的应用,而环境温度是无法控制的,因而做了1组高低温试验来考察环境温度对水基泡沫稳定性的影响。按配方配制发泡液,高速搅拌1 min后,分别将形成的水基泡沫放入冰箱的冷藏室、冷冻室和不同温度的烘箱中进行高低温试验,结果见图1。温度对泡沫的稳定性影响较大,随着温度的升高,气体分子运动加剧,泡沫的稳定性急剧下降。
2.4 pH值对复配体系泡沫性能的影响
温度为25 ℃时,按配方配制泡沫液,高速搅拌1 min后,比较不同pH值对泡沫性能的影响。从图2可以看出,溶液的pH值对泡沫性能的影响较大,在强酸条件下发泡能力较低;随着pH值的增加,发泡能力增大,在pH值等于7的中性环境中发泡能力达到最大;在碱性条件下发泡能力又有所降低。同
样,泡沫的稳定性也是随着pH值的增加先增大而后降低,在强酸条件下泡沫很不稳定,在强碱环境中较酸性条件下稳定,在中性环境最稳定。
3 结论
1) 经过复配研究确定的泡沫液配方:发泡剂十二烷基硫酸钠质量浓度为0.6%,稳泡剂1(wp1)浓度为0.5%,稳泡剂2(wp2) 浓度为0.5%,水100 mL。按此配方的泡沫液经高速搅拌1 min后,发泡倍数高,形成的水基泡沫稳定性高,且泡沫细腻光滑,成黏稠的膏状。
2) 温度对泡沫的稳定性影响较大,随着温度的升高,泡沫的稳定性急剧下降。
3) 溶液的pH值对泡沫性能的影响较大,溶液的发泡能力和稳泡性都随着pH值的增加先增大,达到最大后又有所降低。泡沫性能在中性环境达最佳。
摘要：提出用高性能泡沫作为煤自燃阻化剂的载体,使阻化剂和目标煤体充分有效地接触,以充分发挥阻化性能。优选出3种表面活性剂作为发泡剂,根据表面活性剂复配原理来选择多种稳泡剂进行复配,确定了高性能泡沫的最佳配方;研究了环境温度和泡沫溶液酸碱度对泡沫稳定性的影响。
关键词：煤自燃,阻化剂,泡沫,稳定性
参考文献
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防灭火性能 篇4
1 32213 (1) 综采面灭火情况简介
汝箕沟煤矿是煤与瓦斯突出矿井, 该矿井的32213 (1) 综采面于2010年11月25日早班, 在初次来压的影响下, 在一定程度上导致老顶出现大面积的垮落, 进一步导通裂隙与二1层煤采空区, 通过裂隙原二1层煤采空区小窑隐蔽火区火源产生CO导入32213 (1) 综采面采空区, 造成工作面CO严重超限。在集团公司的正确领导下, 11月27日17时对全矿井灌注大量液态氮和常规氮气实施封闭防灭火处理, 12月16日矿井启封、32213 (1) 综采面安全封闭防灭火, 在32213 (1) 综采面对应的地面上, 通过采取防灭火钻孔措施, 向采面采空区及上方二1煤采空区利用钻孔灌注氮气、液氮、注浆、注水、注胶体灭火剂等, 将氮气和液氮通过工作面机巷、风巷注入封闭区域。同时在32215 (1) 机巷、1930西翼大巷、32213 (1) 风巷向32213 (1) 综采面采空区、二1煤采空区施工探火孔, 在地面实施物探等措施, 进一步摸清工作面火区情况。根据束管监测分析, 连续1个月封闭区域内乙炔、乙烯、CO均已消失, O2在5%以下。通过采取井上下灌注液氮相结合的防灭火措施, 封闭区域灭火效果显著, 32213 (1) 封闭区内具备启封条件, 2011年2月8日矿编制了工作面启封方案经集团公司有关领导会审后进行了安全启封。3月8日工作面恢复生产。
2 使用液态氮防灭火技术的必要性分析
32213 (1) 综采面于2010年11月25日早班发现CO后, 浓度上升速度快, 仅6小时CO浓度就上升到12000ppm。在11月27日对工作面实施封闭, 因CO上升速度快无法控制, 已没有封闭工作面的条件, 被迫将矿井进行暂时封闭。这样一来灾区范围扩大, 下一步灭火和启封所要采取的手段受到空间大、无法有效针对工作面实施防灭火措施的限制。
只有找到能达到以下目的的防灭火措施才能有效进行灭火:第一是能快速对封闭区进行将氧使其不产生爆震, 第二是要能快速降温灭火, 第三是能消除影响工作面产生大量CO未知火源点潜在火灾隐患。
经过上述分析, 只有大量灌注液态氮不受以上条件限制, 还能起到快速降氧、降温和惰化采空区作用。
3 液氮防灭火技术应用
3.1 大量灌注液氮加快封闭区惰化进程
在封闭矿井后, 先后利用铺设至32212 (1) 、32213 (1) 综采工作面的注浆管、压风管、井口密闭向工作面和矿井内部大量灌注液态氮和气氮, 截止矿井启封12月16日地面钻孔和井下总计注液态氮及常规氮气307.67万m3。其中:地面钻孔完成注氮量59.58万m3, 包括注常规氮气量48.3万m3, 注液态氮11.28万m3;井下完成注氮量248.09万m3, 包括注常规气氮71.67万m3, 注液态氮176.42万m3, 注液态氮量占总注氮量的61%。矿井封闭后同时在地面设计施工钻孔, 共安装使用制氮机7台, 其中32212综采面对应地面钻场安装使用2台600m3/h制氮机, 32213 (1) 综采面对应地面钻场安装使用2台600m3/h、1台1000m3/h制氮机, 同时还分别安装一台600m3/h和一台1000m3/h的液转汽化泵, 进而在一定程度上确保了5000m3/h的矿井注氮能力。当只有两台液氮设备的情况下, 通过直接灌注和汽化后灌注的方式进行处理, 在矿封闭后10日内, 其氧含量低于10%, 通过注氮, 仅用25个工作日在井下就能形成较大正压, 在一定程度上使得有效惰化封闭区符合矿井启封条件。在短时间内能够降低封闭区氧含量, 同时满足启封的条件, 主要是平均每日注液态氮93.75吨 (膨胀倍数800) 的大量液氮加快了封闭区的惰化进程。
3.2 利用地面钻孔注液氮来实现多通道注氮
12月16日矿井恢复通风后32213 (1) 综采面缩封, 32213 (1) 综采面机巷继续利用地面2台固定制氮机向工作面采空区不间断灌注常规氮。在风巷内, 将液态氮气利用1台1000m3/h汽化器将其转化成汽态氮, 通过32213 (1) 工作面风巷重新铺设的一趟管路密闭注入采空区。在一定程度上有效惰化工作面封闭区和上方二1煤采空区及实施多通道注氮快速惰化, 矿又加大地面钻孔注氮力度, 通过上三地面施工到32213 (1) 综采面采空区及上方二1煤的11个探火钻孔注入大量的液氮和常规氮气。截止2月8日, 工作面缩封至启封期间, 地面钻孔和工作面缩封区共计注氮340.32万m3, 其中地面钻孔共计完成注氮量181.28万m3, 包括液态氮60.74万m3, 常规氮气120.54万m3;井下完成注氮量共计159.04万m3, 包括累液态氮69.1万m3, 常规氮气89.94万m3。
通过以上多通道注液氮和常规氮气, 通过束管监测进行分析, 发现封闭区内乙炔、乙烯、CO均已消失, O2浓度低于5%, N2浓度上升比较明显, 封闭区处于完全稳定的惰化状态, 确保了2月8日工作面的安全启封。同时在2011年3月8日32213 (1) 综采面工作面恢复生产后为保持采空区在开区注氮的情况下良好惰化状态, 为了保证工作面采空区惰化需要的5000m3/h注氮量, 通常情况下, 需要继续增加液氮量。
3.3 从井下直接灌注液氮惰化降温
根据液氮存在温度-197℃的特性, 决定向封闭区直接灌注液氮, 2月8日工作面启封为进一步惰化封闭区和有效降低封闭区温度, 确保侦察启封期间人员安全, 同时在一定程度上确保侦察人员由风巷进入侦察不受温度影响。经计算充满风巷空间需要2760m3。所以1月31日、2月6日分别又向32213 (1) 综采面风巷闭内注液氮12车9.6m3 (液转气6240m3) 。
注氮工艺为:
(1) 矿提前将1吨的液氮槽车固定在平板车上, 并加装进排气阀门、压力表等。 (2) 地面液氮罐车将液氮通过自带加压泵倒入1吨的液氮槽车内。 (3) 将1吨的液氮槽车运至密闭前连接高压白皮钢管至密闭措施孔上利用液氮槽车内自然压力向闭内灌注。在从闭内直接灌注液氮后, 在2月9日进入侦察风巷最高温度30℃。
4 结论
注液氮技术易操作、单位时间注氮量大、降温和惰化采空区速度快等特性及其在井下防灭火中发挥的主管重要作用在汝箕沟煤矿32213 (1) 综采面CO治理过程中得到了充分的发挥和严重。
摘要：针对煤矿井下受特殊环境影响制约防灭火技术的应用, 提出了煤矿井下使用液态氮快速降温、降氧、惰化封闭区灭火的新措施, 开创了煤矿井下首次使用液态氮防灭火的先例。
关键词：煤矿井下,液态氮,灭火
参考文献
[1]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京煤炭工业出版社, 2011.
[2]中国煤炭建设协会.煤炭工业设计规范[M].北京煤炭工业出版社, 2005.
矿井防灭火材料改性研究 篇5
矿井火灾是影响矿井安全生产的主要灾害之一[1]。我国存在自燃发火问题的矿井占比达56%, 其中由煤自燃引发的火灾为矿井火灾的94%, 采空区发火占内因火灾的2/3。为有效地防止采空区遗煤自燃, 国内外学者从改变煤体氧化条件和控制漏风两方面进行防灭火改性方面的研究。前一类材料的改性研究主要通过改变煤内部活性官能团结构, 来改变煤的自燃属性, 如高效化学阻化剂[2]、高分子胶体材料、阻化泡沫[3]等;另一种材料的改性主要是提高材料自身堵漏、降温特性, 使其更加安全、经济、高效、长久, 如液态CO2、液态N2、无机材料泡沫水泥、无机轻质充填材料[4]、高水充填材料[5]、无机固化泡沫、膏体材料[6], 有机材料高分子凝胶[7]、酚醛泡沫等。本文通过总结近年来防灭火材料研究的最新进展和现场应用, 为矿井现场防灭火工作者对防灭火材料的选择提供了依据, 同时为防灭火材料的研究指出了方向。
1 化学阻化剂
阻化剂是一种井下常见的防灭火材料, 传统的阻化剂为物理阻化剂, 主要成分为CaCl、MgCl, 通过改变煤表面和其环境的物理条件, 并借助材料的物理吸水性达到延缓煤自燃的目的。
近年来, 中煤科工集团重庆研究院叶正亮[8]等基于煤中各官能团在氧化反应时活性的不同表现, 通过采取化学试剂破坏或预先惰化煤的活性、在可控条件下释放热量的方法, 研究一种新型的化学阻化剂Na2S2O8, 并进行了Na2S2O8对高硫煤的阻化实验, 并利用气相色谱对煤氧化产生的CO、CO2气体进行阻化前后分析, 用傅里叶- 红外分析仪对煤样进行阻化前后测试, 分别从宏观和微观角度验证了Na2S2O8可以作为防止高硫煤自燃的化学阻化剂, 并经测试得出:当质量分数为5%时, 阻化效果最好。
河南理工大学教授余明高[9]团队研究了防老剂型化学阻化剂, 并基于锥形量热仪实验对比研究了防老剂型阻化剂和MgCl对煤 (实验煤样为极易自燃的义马烟煤) 自燃的影响, 分别对三组煤样进行防老剂处理、MgCl阻化处理和清水处理, 对比实验结果得出:MgCl处理过煤样的引燃时间最长, 热释放速率最小;防老剂在煤自燃后期有较好的阻化效果。西安科技大学马砺[10]等通过程序升温实验得出:各氯盐阻化剂对气煤和长焰煤的阻化效果不同, 且整体而言对气煤的阻化效果要优于长焰煤。
2 阻化泡沫材料
惰化泡沫是一种采用惰气泡沫向发火地点压注以控制火灾的方法, 对控制和扑灭巷道明火具有很好的优越性, 但由于功能单一, 取得的效果并不理想。而阻化泡沫技术是将高性能化学阻化剂与泡沫体相结合[3], 借助高性能泡沫长时间流动和堆积的特点, 使阻化剂充分接触煤体, 可最大限度地发挥其阻化性能。
西安科技大学曹旭光[11]通过程序升温和红外光谱实验对阻化泡沫的阻化性能进行测定, 证明了阻化泡沫可以抑制煤中活性官能团的放热反应;并对阻化泡沫在采空区中的运移进行了数值模拟分析和现场应用。中煤科工集团重庆研究院刘朝文等[12]通过对发泡剂、稳泡剂和水的配比进行实验优化, 形成了具有泡沫稳定性好、发泡倍数高的阻化泡沫。
专利文献中指出, 中国科技大学[13]发明公布了一种防治煤自燃的泡沫型阻化剂及其使用方法。该泡沫型阻化剂是将物理阻化剂和化学阻化剂按比例加入到起泡剂、稳泡剂、增稠剂中复配而成, 化学氧化剂采用高锰酸钾、次氯酸盐、过氧化物等强氧化剂, 物理阻化剂主要为无机盐类, 泡沫剂选用第四代环保型泡沫剂, 例如脂肪醇醚琥珀酸酯二钠盐、椰油酰胺甜菜碱、α- 烷基磺酸钠等。泡沫型阻化剂采用物理阻化剂和化学阻化剂相结合、以环保易降解泡沫为载体的复合处理技术, 克服阻化剂覆盖不均匀等阻化效果差的缺点。
3 液态惰气防灭火
惰气防灭火是指通过向处理区输送高浓度的惰气来降低氧气的相对含量, 从而防止煤炭氧化自燃的方法。目前煤矿通常采用的惰性气体主要有CO2和N2。煤炭行业将注N2作为一种常规的防灭火技术, 并制定有《煤矿用氮气防灭火技术规范》。煤矿一般采用井下移动式注氮机, 其N2产生流量和压力有限, 只能起到惰化窒息的作用, 对灭火区域降温治理效果不好, 而且N2治理的火区容易复燃。随着化工技术的发展, 化工副产品液态CO2和液态N2出现, 其良好的降温性可以解决常温惰气防灭火的不足, 开始陆续在全国矿井应用。
西安科技大学文虎教授[14]对液态CO2的降温特点和煤体对CO2的吸附惰化作用进行了实验研究, 认为液态CO2在矿井火灾治理中起到惰化降氧、吸热降温、吸附阻化三方面作用。西安科技大学与西安森兰科贸有限责任公司合作, 开发了一套CPW- 2.0 井下矿用移动式液态CO2防灭火装置, 解决了液态CO2井下灌注难题。液态CO2灭火材料先后在淮北、淮南、皖北等矿区取得成功应用, 经济优势明显。
中国矿业大学周福宝教授[15]研究了液态N2的惰化降温性能和液氮在管路中的相变及压力分布规律。发现液氮汽化后的气液两相分离会导致注氮管路堵塞, 液态N2在直注过程中会出现“气塞”、“间歇泉”等现象。中国矿业大学通过与神华宁煤集团合作, 针对宁煤集团乌兰矿、汝箕沟矿井高瓦斯、浅埋藏、易自燃的特点, 利用液态N2化工附产品, 在研究液氮流动物理特征的基础上, 发明了地面直注式液氮防灭火系统和液氮井下直注式防灭火装置, 实现了对火区的快速降温和安全启封。
4 无机充填材料
矿井在开采过程中会产生很多空硐, 而这些空硐在不充填的情况下会发生瓦斯集聚[16]。在周期性矿压的作用下, 砖混结构的密闭容易发生漏风, 空硐周围煤体破碎遇漏风缓慢氧化逐渐蓄积热量, 可导致煤体自燃或诱发空硐内瓦斯爆炸。工作面煤体采出后, 采空区的冒落不实为采空区创造了漏风通道。为防止缓慢推进期间煤炭自燃, 一些矿区采取充填开采方式, 既有利于防止煤自燃也有利于控制地面下沉。尽管无机充填材料具有不燃、来源广泛等优点, 但目前采用无机充填材料充填仍存在着密封不良、成本高、工艺复杂、密度大的缺点。
中国矿业大学李增华教授[4,16]对无机材料进行改性, 研发了一种由特高强水泥 (A料) 和适量速凝剂、发泡剂 (B料) 组成的无机轻质充填材料。该材料与水反应后能迅速形成具有一定抗压强度的轻质充填体, 可用于上隅角、高位钻场、空洞等场所的充填, 并已在安徽涡北、桃园等煤矿进行了现场应用。西安科技大学赵大龙[17]等以水泥和粉煤灰为骨料, 通过材料配比优化, 开发出一种新型无机固化膨胀充填材料, 并进行了小型工业试验, 取得了良好效果。
冯光明教授[5]研制出一种由A、B两种复合试剂构成的超高水速凝材料。该材料具有成本低、流动性好、含水量高 (水体积可达到97%) 、速凝早强、固结水能力强以及可泵性能好等优点。在较高的水体积比下, 通过调节不同外添加剂配方, 可控制固结体抗压强度和初凝时间。超高水材料除用于采矿充填外, 也成功处理了矿井火灾。山西吕梁金地煤矿发生了一起大范围密闭区域和周围压酥煤体的发火事故, 通过采用高水注浆材料对顶煤冒落区进行注浆并结合向密闭发火区进行大流量灌浆的方式, 成功扑灭了火灾。
徐州意创化工科技有限公司2009 年研制出LFM轻型充填- 喷涂堵漏材料。这种材料在保持较高表面喷涂强度的基础上, 具有喷涂回弹率低 (回弹率低于15%) 的优势;材料施工工艺简单效率高, 无需专用喷涂设备。LFM轻型充填材料-喷涂型材料在兖矿、阳煤集团、淮南、淮北、徐州、义马、济宁、淄博等矿务集团得到推广使用。
5 高分子堵漏材料
高分子泡沫材料因具有轻质, 对电、热具有良好的绝缘性、耐腐蚀, 密封性好、抗渗性好、膨胀率高等特点, 被广泛应用于快速堵截有害气体、隔绝地热、充填冒顶区和煤矿密闭墙堵漏风等方面。但由于其固化过程为放热反应, 易造成煤炭自燃等火灾事故的发生。此外, 高分子材料在灌注过程中会挥发出甲醛等刺激性气体, 对矿工身体健康损害较大。
中煤科工集团重庆研究院董军[18]等对高分子泡沫材料进行改性, 并对其产热特性进行实验室研究, 得出:改性剂具有降低混合物反应活性、增加热量传递、增大抗压强度的特点。太原理工大学邬建明[19]将表面处理后的纳米二氧化硅和二氧化钛对聚氨酯弹性体充填材料进行改性, 通过一系列表征和性能测试, 获得了一种高强高韧的新型聚氨酯弹性体纳米复合充填堵漏材料。湖南科技大学田兆君[20]发明了一种不产热的廉价高分子堵漏材料—凝胶泡沫, 充分发挥了凝胶和泡沫的各自优点, 避免了反应产热问题。中国矿业大学胡相明[21]创新性地将多聚甲醛、脲素和苯酚进行一步合成, 并通过纳米粘土和玻璃纤维对其改性, 得到了一种新型酚- 脲- 醛复合堵漏泡沫材料。
浩珂矿业科技有限公司与德国公司合作开发了矿用高分子堵漏泡沫材料—罗克修, 并对其进行改性研究。在确保发泡倍数不低于25 倍和抗压强度不低于2 MPa的基础上, 控制反应放热温度不超过140℃, 提高了对其产品的阻燃要求。在材料改性研究的基础上, 2011 年, 该公司起草并制订了AQ1008- 2011《煤矿喷涂堵漏风用高分子材料技术条件》煤矿行业标准。
6 结语
(1) 介绍了煤矿防灭火材料改性研究的最新研究进展, 列举了包括化学阻化剂、阻化泡沫、无机充填材料和高分子堵漏材料等各改性产品的特点及应用情况。
煤矿氮气防灭火技术应用 篇6
煤矿井下火灾产生的原因主要有两类, 一类是煤层自燃发火, 另一类是由于井下明火、放炮、电流短路、摩擦等其他原因引起的火灾。其中煤层自燃发火是主要原因, 所以应重点防范。目前煤矿井下常用的防灭火技术很多, 主要有:堵漏、均压、惰气、惰泡、三相泡沫、阻化剂、雾化阻化剂、惰化阻化剂、灌浆、胶体防灭火技术等。其中惰气灭火一般是指向井下采空区 (或发火区) 注入惰性气体—氮气, 降低氧气浓度, 阻止采空区煤炭氧化自燃, 同时提高采空区压力, 使其成正压状态防止新鲜风流漏入采空区、降低采空区温度, 以达到采空区内防灭火的目的。
采用氮气防灭火具有很多优点, 但必须遵循以下几点要求才能达到良好的防灭火效果: (1) 产氮量充足, 稳定可靠的氮气源; (2) 氮气浓度不小于97%; (3) 至少应安装一套专用的氮气输送管路及其附属安全设施; (4) 因地制宜选择合适的注氮工艺和方式; (5) 选择合适的注氮地点。 (6) 注氮时要有完善的气体成分、空气温度监测手段, 并设专人进行定期观测。下面作者就结合以上六点要求, 以某矿井下氮气防灭火为例对煤矿氮气防灭火技术的应用进行简介。
2 注氮量确定
某矿井生产规模4.00Mt/a, 井下共布置两个回采工作面, 开采煤层属于易自燃煤层。目前计算注氮量的方法主要有两种, 分别是按产量计算、按吨煤注氮量计算, 通过以上方法分别计算注氮量, 然后取其最大值为矿井需要的注氮量。
2.1 按产量计算
式中:QN-注氮流量, m3/min;A-年产量, t, 取4.0Mt/a;t-年工作日, 取330d;ρ-煤的密度, t/m3, 取1.44t/m3;η1-管路输氮效率, 取95%;η2-采空区注氮效率, 取85%;C1-空气中氧浓度, 取20.8%;C2-采空区防火惰化指标, 取7%。
2.2 按吨煤注氮量计算
式中:K-工作面回采率, 取93%。
2.3 注氮量的确定
根据上述计算, 取QN=2348m3/h为矿井注氮量, 确定矿井最大注氮量为:
式中:k-安全备用系数, 取1.2, 则:
两个工作面产量为4.00Mt/a时, QN=1.2×2348m3/h=2818m3/h。
3 制氮设备
结合目前国内矿井使用的制氮设备情况, 按布置形式分类可分为地面固定式、地面移动式和井下移动式三种制氮系统, 其中地面固定式制氮系统成本低、管理方便, 设备工作环境好、使用寿命长, 总投资省, 使用最为广泛。目前煤矿制氮设备国内应用较多的主要有变压吸附制氮机和膜分离制氮机两种。变压吸附制氮机利用氧氮吸附能力的不同, 采用加压吸附, 降压解吸, 达到分离, 制取氮气;膜分离制氮机是根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异来完成空气分离。两种制氮设备都具有工艺流程简单, 设备少, 在常温较高压力下操作, 不会造成碳氢化合物的局部聚集, 气体产品产量、氮气纯度可调, 使用灵活方便等优点。但膜分离制氮机关键部件需要进口, 设备投资高, 而变压吸附制氮机产气成本较低, 且设备结构简单, 维护保养技术难度低, 费用也低。基于设备运行安全可靠的原则, 结合投资、运行和维护费用等因素, 推荐采用地面固定式变压吸附制氮设备。
根据计算所需注氮量2818m3/h, 选用3套KGZD-1500型地面固定式变压吸附制氮设备, 其中2套工作, 1套备用。该系统采用碳分子筛变压吸附技术, 具有人性化的人机界面, 智能化全自动控制, 按键即可产出高纯氮气, 无需专人看管, 安装简便, 不需特殊设备基础, 平整地面即可安装, 可靠安全性高, 运行成本和维护费用低。每套制氮设备主要技术参数如下:产氮量1500Nm3/h, 氮气纯度97%, 输出压力0.6MPa, 机组总功率约530k W, 电压10k V。
4 输氮管路
根据《煤矿安全规程》第二百三十八条规定, “在采用氮气防灭火时, 必须遵守下列规定: (三) 至少有1套专用的氮气输送管路系统及其附属安全设施。”设置1套专用的氮气输送管路, 氮气经由制氮站至进风立井井筒敷设的主管 (准273×7) 、带式运输机大巷的干管 (准194×6) 以及回采工作面胶带运输巷的支管 (准133×4) 送至回采工作面。
根据《煤矿井下氮气防灭火技术规范》:“地面、井下制氮设备的供氮压力, 其管路末端的绝对压力应不低于0.2MPa”。经校核管路末端压力满足要求。输氮管路采用法兰联接, 管路做防腐处理, 另外管路应做气密性试验, 防止氮气泄露造成井下人员窒息。为便于控制井下的氮气输送, 在管路的分、支点处和末端均装设闸阀。
5 注氮工艺和方法
注氮工艺主要有埋管注氮和托管注氮, 另外还有钻孔、插管、密闭注氮。埋管注氮是在回采工作面的进风侧沿采空区埋设一趟注氮管路, 当埋入一定深度后开始注氮, 同时又埋入第二条管路, 当第二条注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时即向采空区注氮, 同时停止第一条管路的注氮, 并又重新埋设注氮管路, 如此循环, 直至工作面采完为止。托管注氮在工作面的进风侧沿采空区埋设一定长度的厚壁钢管作为注氮管路, 管路利用回柱绞车牵引等方式随着工作面的推进移动, 使其始终埋入采空区一定的深度。根据对火情的预测情况可采取的注氮方法有连续和间断注氮。注氮地点应选择在进风侧或靠近火源, 工作面采空区注氮管口应处于采空区氧化带内。综合以上工艺和方法, 选择在采空区进行拖管连续注氮。
6 束管监测
建立了合理的注氮系统同时还应设置火灾束管监测系统。束管监测系统由工控机、地面抽气泵、气体采样控制柜、束管专用色谱仪、分析仪器柜、色谱数据处理器、输出控制器、工业控制型微机等设备和井下束管、分路箱等组成, 并配置系统分析控制软件。通过束管取样, 分析采空区、密闭区及巷道中的气体成分和浓度, 可实现对自燃发火情况的早期预测, 为火区启封及确定工作面采空区的注氮量提供依据。
7 结束语
氮气防灭火是煤矿防灭火的合理、有效方法。建立安全、可靠的注氮系统并加强对火情的提前预测是遏制煤矿井下煤层自燃发火, 确保煤矿安全生产的有力措施。
参考文献
[1]煤矿安全规程[S].
[2]MT/T701-1997.煤矿用氮气防灭火技术规范[S].
残煤开采综合防灭火技术 篇7
1准备采区掘进期间防火工作
掘进期间, 随掘进巷道向前方施工, 每隔5米向顶板方向打一组两个防火钻, 钻孔与水平成30°仰角, 与中心线成15°夹角, 孔深8~12m, 下直径25㎜, 长度1500mm的铁插管, 插管间采用丝扣连接, 下管长度一般为4.5~10.5m, 用封孔剂封严插管与钻孔间的空隙。插管外侧安设阀门, 用高压胶管与水管或注浆管相连接, 随时注水或泥浆。注浆前先用压力水拉通插管, 然后各个钻孔循环注浆, 每个钻孔注浆量0.5~3m/次, 泥浆注入顶板后, 迅速脱水, 达到降温并充满煤层裂隙及包裹煤体的目的, 切断煤层供氧条件阻止煤体氧化, 起到防火作用。接设2寸铁管作为注浆管路, 注浆使用煤矿用注浆泵, 设在进风水平大巷。
2开采期间工作面的防火措施
沿走向超前40米向工作面打注水防火钻, 在工作面运输、回风顺槽内, 分别沿煤层倾斜方向, 向工作面每隔5米间距打一注水钻, 钻孔长度一般为15米, 钻孔下直径25mm铁插管, 向煤层中注水, 水压力为2.5MPa, 循环注水, 使回采工作面煤体及顶板始终保持潮湿状态, 起到防尘、防火作用。
3工作面上下顺槽的防火措施
根据工作面实际情况, 合理配备工作面风量, 在上下顺槽内局部见旧巷、采迹处重点加强防火工作。采用发板碹或喷浆等方法隔绝与旧巷采迹的联系, 发板碹或喷浆前预留好注浆管, 然后用双液注浆泵向隔绝区内注水泥玻璃水, 确保不漏风、不氧化、不自燃发火。
4综采工作面采空区的防火措施
相对于两道、两口而言, 采空区自燃发火隐患不易发现, 不易处理, 只能在防火上下功夫, 在采区投产前, 在工作面运输顺槽接设一趟4寸PE管路至采空区内, 并与地面注氮机房相联, 末端埋入采空区用4寸铁管, 法兰连接, 管口位置一米范围内, 钻三排直径30mm左右圆孔, 管口位置搭设木垛, 并用菱形网包裹防止管口被浮煤堵上, 影响注氮效果。向采空区内连续注氮气, 使采空区内的遗煤不氧化或降低氧化速度, 达到采空区预防性防火要求, 并且班班通过束管监测系统对采空区内的注氮情况进行取样化验分析。
经过了一个时期的实践, 我们发现选择合理的时段对采空区进行间歇性注氮, 既可以满足采空区防火需要, 又可以节约大量电能, 于是我们根据用电的“峰谷平”三个时段, 确定了“躲峰填谷”的注氮方法, 即用电高峰时段不开注氮机, 用电平、谷时段开注氮机注氮。仅此一项全公司两台注氮机每月可节省费用30余万元。
随着采空区注氮时, 束管监测数据的不断积累, 我们通过对采空区气体成分进行跟踪监测, 并有针对性的停止注氮、改变注氮管头位置, 通过对采空区埋设束管化验数据分析, 得出结论:在采煤工作面正常推进度 (小班一条帮0.5米, 全月开帮40~45米) 情况下, 只需要在采煤工作面下隅角以里5~15米位置, 埋设注氮管, 注氮流量在300m3/h时, 氮气即可散布在氧化带范围内, 起到与下隅角以里30~50米位置埋设注氮管同样的防火作用。
根据注氮数据的总结及实践经验, 我们确定了最合理的注氮“拖管”长度。所谓最合理就是既能保证注氮管头位置在工作面下隅角以里5~15米位置, 又能随着开帮及时把管头拖出来。经过实验拖管如果超过10米, 埋入下隅角后, 难以拖出, 于是确定拖管长度为8米 (整根厚壁管) , 埋入距离为5~7米, 每天由采煤段配合防火段用手摇葫芦或单体液压支柱拖管, 就这样每个采煤工作面均可以节省其走向全长的注氮埋管费用。
2015年初, 采煤工作面上下两口更换了自移式端头支架, 我们用溜子链或特制的连接装置把注氮拖管直接固定在端头支架上, 支架行走, 直接带动注氮拖管, 真正实现了拖管步距与工作面开帮进度同步。就这样通过不断改革, 拖管注氮方法已经演变成一套较为成熟、日趋完善、成本低廉、操作可靠、切实可行的采空区防火手段, 为残煤开采采空区防灭火提供了重要保障。