添加凝胶条件下的黄泥浆抑制煤炭自燃实验研究_刘继勇.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 添加凝胶条件下的黄泥浆抑制煤炭自燃 实验研究 刘继勇 （阳泉煤业 （集团） 有限责任公司， 山西 阳泉 045000） 摘要 在等量的煤样中添加最佳配比的黄泥浆添加凝胶材料及用于对比分析的其他固液两态 防灭火材料， 根据煤自燃的机理以及相关的物理、 化学原理， 通过计算机对相关数据进行计算和 处理， 对比煤样自燃性测试结果中相关参数的变化情况， 考察对比最佳配比的黄泥浆添加凝胶 材料和其他固液防灭火材料在抑制煤炭氧化自燃过程的差异， 验证其抑制煤炭自燃效果的能力。 关键词 矿井防灭火； 自燃火灾； 黄泥浆； 凝胶； 三相泡沫； 防灭火材料 中图分类号 TD75＋2．2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 02-0043-03 Experimental Study on Suppression of Coal Spontaneous Combustion by Yellow Mud Based on Gel Addition LIU Jiyong （Yangquan Coal Industry Group Co., Ltd., Yangquan 045000, China） Abstract In this paper, the gel material and the other solid-liquid two-state fire-extinguishing materials for comparative analysis are added by adding the best proportion of yellow mud slurry to the same amount of coal samples, and then according to the mechanism of coal spontaneous combustion and related physical and chemical principles． The relevant data were calculated and processed by computer, and the changes of relevant parameters in the spontaneous combustion test results of coal samples were compared． The best proportion of yellow mud slurry added gel materials and other solid-liquid fire-extinguishing materials were investigated to inhibit the spontaneous combustion of coal． The difference is verified by its ability to suppress the spontaneous combustion effect of coal． Key words mine fire prevention; spontaneous combustion fire; yellow mud slurry; gel; three -phase foam; fire extinguishing materials 黄泥浆防灭火的主要原理是基于泥浆将高温区 域的破碎煤炭块进行包裹处理，进而对煤炭与空气 的完全隔绝，以实现抑制煤炭氧化自热和自燃事故 的产生。基于泥浆良好的流动性，可以更有效地对 煤炭块之间缝隙进行全方位包裹。除此以外，泥浆 凝固后， 可对煤炭块表面进行全方位的包裹[1-4]。实 验通过在等量的煤样中添加最佳配比的黄泥浆添加 凝胶材料，对煤样自燃性测试的相关参数进行对 比，对比最佳配比的黄泥浆添加凝胶材料和其他固 液防灭火材料在抑制煤炭氧化自燃过程的差异， 验 证其抑制煤炭自燃效果的效果及能力。 1实验方法及过程 1．1实验方法 与煤自燃程序升温实验相同，黄泥浆添加凝胶 材料抑制煤炭自燃的实验同样采用程序升温装置和 气相色谱仪，在其他条件相同的情况下，将配制的 最佳配比的黄泥浆添加凝胶材料抑制煤炭氧化自燃 性能的作为研究目标，分别用最佳配比的黄泥浆添 加凝胶材料、纯黄泥浆、黄泥浆添加无机凝胶以及 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．011 刘继勇．添加凝胶条件下的黄泥浆抑制煤炭自燃实验研究［J］．煤矿安全，2020，51（2）43- 45，50． LIU Jiyong． Experimental Study on Suppression of Coal Spontaneous Combustion by Yellow Mud Based on Gel Addition［J］． Safety in Coal Mines, 2020, 51（2） 43-45, 50．移动扫码阅读 43 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 表 1对比试验材料和配比方式明细表 Table 1List of comparative test materials and proportioning s 黄泥浆添加有机凝胶来处理上述实验相同的煤样， 重复进行相同的程序升温过程，然后通过分析、 处 理实验过程直接得到的数据，理论分析实验过程中 的变化规律，以此分析黄泥浆添加凝胶材料抑制煤 炭氧化自燃的性能。 1．2实验条件及过程 煤样选择取粒度 0～0．9、 0．9～3、 3～5、 5～7、 7～10 mm 部分各 20混合， 实验煤量为 1．0 kg。 将实验煤样与各种固液两态防灭火材料的浆液 都以 1．0 kg∶600 mL 的比例混合。 用电子天平称取一 定质量的水，再分别称取基料、促凝剂和高分子添 加物， 保证各自的质量分数为 4、 5、 0．75‰， 先溶 解高分子， 再分成 2 份溶液分别溶解基料和促凝剂， 然后按照水土比 4∶1 称取一定量的黄土，将黄土导 入基料和促凝剂的混合溶液中，搅拌均匀，然后将 制备好的材料以溶液的形式倒入煤样罐中，安装好 煤样罐准备实验。 各组程序升温供气流量、 程序升温速率、 采集气 体温度点都与煤自燃程序升温实验保持一致。每组 实验具体配比见表 1。 2实验结果 2．1CO 的浓度变化 不同固液两态材料的煤样经过煤炭程序升温氧 化产生的一氧化碳气体浓度变化的线如图 1、 图 2。 从图 1 可以看出， 随着煤温的升高， 随着氧化反 应的加剧， CO 的浓度都是随煤温升高而增加[5-8]； 经 过处理的煤样的曲线几乎全部处于原煤样的曲线之 下，固液两态材料对 CO 产生总量上具有一定的抑 制作用，其中最佳配方对煤自燃的抑制效果最佳， 其次是黄泥浆分别添加无机材料和有机材料，纯黄 泥浆的抑制效果较差。 从图 2 可以看出，各种配比材料在高温阶段虽 然对对煤氧化自燃产生的 CO 具有一定的抑制作 用， 但在低温状态下 （80 ℃以下） 对 CO 产生反而起 到了一定的促进作用。其根本原因是水的极性削弱 了煤空间交联键的结合力，使煤中的交联键更容易 断裂，导致固液两态材料对煤自燃的影响变为促进 作用。 正常状态下， 水的抑制作用大致在 80 ℃左右， 而试验表明胶体材料的抑制作用发生在 70 ℃左右， 根本原因是胶体材料具有封堵性和固水性，进而使 得水和煤分子的作用受到了区域性的抑制。 2．2O2的浓度变化 根据各组防灭火材料实测得到 O2浓度数据， 对 比原煤样的程序升温实验数据， 绘制的 O2浓度随温 度变化曲线如图 3。 从图 3 可以看出， 随着温度的升高， 煤氧复合加 剧， O2消耗增加[9-10]； 对比 4 条处理煤样和原煤样的 曲线变化趋势， 原煤样程序升温实验中 O2浓度随温 度变化的下降趋势要比处理煤样的要快，更早的达 到了相对低的值； 高温情况下， O2浓度的差别明显， 最佳配方处理的煤样的 O2浓度最高， O2浓度越高 说明煤氧化速度越慢， 煤氧过程受到抑制； 各种实验 实验号实验材料材料配比 1黄泥浆水土比 4∶1 2黄泥浆添加无机凝胶 水土比 4∶1， 基料用量 4， 促凝 剂用量 5 3黄泥浆添加有机凝胶水土比 4∶1， 高分子用量 0．75‰ 4最佳配方 水土比 4∶1， 基料用量 4， 促凝 剂用量 5， 高分子用量 0．75‰ 图 2低温状态下 CO 随温度变化特性曲线 Fig．2Characteristics of CO as a function of temperature at low temperatures 图 1程序升温实验 CO 随温度变化特性曲线 Fig．1Characteristics of CO as a function of temperature during a programmed temperature rise experiment 44 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 5程序升温实验 CO2浓度随温度变化曲线 Fig.5Curves of temperature change of carbon dioxide concentration with temperature 材料对煤样的耗氧速率及 CO 的产生量都具有一定 的抑制作用， 其中最佳配方的抑制效果最好。 2.3CH4的浓度变化 原煤样与被处理的煤样产生的 CH4浓度随温度 变化情况如图 4。 由图 4 可以看出， 低温状态下， 各条曲线 CH4变 化特性均是缓慢上升； 100 ℃左右， 处理煤样的固液 两态材料中含有大量的水，其中水会吸收热量变成 水蒸气， 降低了溢出的 CH4气体的浓度， 尤其是用 纯黄泥浆处理的煤样，在实验过程中观察出气口的 现象， 热的水蒸气非常明显； 高温状态下， 原煤样产 生的 CH4远大于被处理的煤样产生的 CH4。 2.4CO2的浓度变化 程序升温实验二 CO2浓度随温度变化曲线如图 5。由图 5 可以看出， CO2产生的规律和 CO 的整体 大致相同，被处理的煤样产生的 CO2的量都低于原 煤样产生的 CO2的量。 最佳配方处理的煤样产生的 CO2的量最低， 说 明最佳配方对煤自燃的抑制效果最好。黄泥浆处理 的煤样产生 CO2的整体趋势和原煤的一致，其抑制 效果最差。 3结论 1） 比较各组实验中标志气体浓度随温度的变化 曲线，可以看到黄泥浆添加凝胶材料处理煤样后的 CO、 CO2、 CH4的产量明显下降，比纯黄泥浆的效果 要好很多， 尤其是最佳配比制成的材料效果最好。 2） 黄泥浆添加凝胶材料在程序升温过程中的耗 氧速率和 CO 产生率整体低于原煤的相应值，虽然 在低温黄泥浆添加凝胶材料由于其自身含水特性对 煤自燃有一定的促进作用，但是 90 ℃以后耗氧速 率、 耗氧速率的增幅及 CO 产生率都远低于原煤， 说 明此后的阶段黄泥浆添加凝胶材料的存在可以降低 煤体在氧化自燃过程中的耗氧速率，反映其对煤氧 化自燃过程的抑制作用。 3） 黄泥浆添加凝胶材料能改善纯黄泥浆的保水 性能和流动性能， 而且还能明显改善其阻化性能， 无 论是黄泥浆添加无机材料还是黄泥浆添加有机材料 都能将其阻化率提高一倍，而且最佳配比制成的黄 泥浆添加凝胶材料的阻化率均达到 80以上。 参考文献 ［1］ 徐精彩．煤层自燃胶体防灭火理论及技术 ［M］ ．北京 煤炭工业出版社， 2003． ［2］ 王德明．矿井火灾学 ［M］ ．徐州 中国矿业大学出版社， 2008． ［3］ 张军亮， 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m3/h、 水 压≤1．2 MPa。 参考文献 ［1］ 王德潜， 刘祖植， 尹立河．鄂尔多斯盆地水文地质特征 及地下水系统分析 ［J］ ．第四纪研究， 2005， 25 （1） 6． ［2］ 张泓， 白清昭， 张笑薇， 等．鄂尔多斯盆地的形成及构 造环境 ［J］ ．煤田地质与勘探， 1995， 23 （3） 1－9． ［3］ 张泓， 晋香兰， 李贵红， 等．世界主要产煤国煤田与煤 矿开采地质条件之比较 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2007， 35 （6） 1－9． ［4］ 杨建， 刘洋， 刘基．基于沉积控水的鄂尔多斯盆地侏罗 纪煤田防治水关键层研究 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （4） 34－37． ［5］ 杨建， 梁向阳， 丁湘．蒙陕接壤区深埋煤层开发过程中 矿井涌水量变化特征 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2017， 45 （4） 97－101． ［6］ 梁积伟．鄂尔多斯盆地侏罗系沉积体系和层序地层学 研究 ［D］ ．西安 西北大学， 2007． ［7］ 赵俊峰．鄂尔多斯盆地直罗－安定期原盆恢复 ［D］ ．西 安 西北大学， 2007． ［8］ 高选政．鄂尔多斯盆地早侏罗世岩相古地理 ［J］ ．煤田 地质与勘探， 1996， 24 （3） 1－5． ［9］ 王东东， 邵龙义， 李智学， 等．鄂尔多斯盆地延安组层 序地层格架与煤层形成 ［J］ ．吉林大学学报， 2013， 43 （6） 1726－1739． ［10］ 邸春生， 丁湘， 黄浩．深埋侏罗系煤层顶板水探放技 术实践以呼吉尔特矿区葫芦素矿井为例 ［J］ ．煤田 地质与勘探， 2016， 44 （6） 96－100． ［11］ 杨建， 赵彩凤．基于工作面顶板疏放水的含水层水力 联系研究 ［J］ ．矿业安全与环保， 2015， 42 （5） 84． 作者简介 杨建 （1979） ， 男， 江苏盐城人， 副研究 员， 博士， 主要从事煤矿防治水研究。 （收稿日期 2019-03-01； 责任编辑 陈洋） 表 3 “水量大、 水压高” 矿井工作面预疏放要求 Table 3Requirement for pre-drainage of working face with large amount and high pressure 预疏放方式长度/m时间/月回采条件 分段预疏放 600～1 000 （整个工作面 分为 3～4 段 ） 2～3 90钻孔的 q1≤10．0 m3/h、 p1≤1．2 MPa ［5］ 苏琳， 郭军伟， 贺晓刚．深部大倾角综放面撤面期间综 合防灭火技术 ［J］ ．煤矿安全， 2007， 38 （5） 25－26． ［6］ 杨彬， 翟小伟， 杨红革．北马坊煤矿 2134 复采工作面 煤自燃防控技术研究与实践 ［J］ ．煤炭工程， 2013， 45 （9） 47－49． ［7］ 郭兴明， 徐精彩， 王更雨．处理小窑入侵造成自燃的胶 体泥浆技术 ［J］ ．陕西煤炭技术， 2004 （3） 21－24． ［8］ 牛德振．特大型矿井灌浆防灭火系统设计 ［J］ ．煤炭技 术， 2017， 36 （9） 165－166． ［9］ 秦波涛， 王德明．三相泡沫防治煤炭自燃的特性及应 用 ［J］ ．北京科技大学学报， 2007， 29 （10） 971－974． ［10］ 陆新晓， 王德明， 朱红青， 等．高倍阻化泡沫治理大空 间巷道煤自燃火区工程实践 ［J］ ．中国煤炭， 2018， 44 （5） 95－99． 作者简介 刘继勇 （1965） ， 男， 山西寿阳人， 正高级工 程师， 学士， 现任阳煤集团通风部部长， 主要从事通风安全 专业相关的技术工作， 发表论文 20 余篇。 （收稿日期 2019-12-13； 责任编辑 陈洋） （上接第 45 页） 50 ChaoXing