固體泡沫防滅火材料試驗研究及應(yīng)用

于艷飛，高建峰

（1.朔州市應(yīng)急指揮中心，山西 朔州 036000；2.朔州市應(yīng)急管理綜合行政執(zhí)法隊，山西 朔州 036000）

0 引 言

礦井火災(zāi)是煤礦五大災(zāi)害之一，其中煤層自燃引發(fā)的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85 %以上[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國存在有煤炭自燃的礦井占礦井總數(shù)的58%，有自然發(fā)火危險的煤層占累計可采煤層數(shù)的65%[2-3]。近年來，我國廣泛采用綜采放頂煤開采技術(shù)，使生產(chǎn)效率大幅提高，但這種采煤方法采空區(qū)遺留殘煤多、冒落高度大、漏風(fēng)嚴(yán)重，使得自燃火災(zāi)發(fā)生頻繁[4]，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，同時還會造成人身傷害。煤炭自燃已成為制約高產(chǎn)高效礦井安全生產(chǎn)與發(fā)展的主要因素之一。

為治理煤炭自然發(fā)火，科研工作者進行了大量科學(xué)研究和試驗，近年來防滅火采用的技術(shù)主要有采空區(qū)噴灑阻化劑、注入惰性氣體、注漿、泡沫樹脂材料、凝膠覆蓋煤體等[5-6]，雖然這些技術(shù)方法對防治煤層自然發(fā)火都能起到一定效果，但也存在許多不足之處。如對采空區(qū)遺煤噴灑阻燃劑時不能對煤體表面實現(xiàn)均勻噴灑覆蓋，且容易腐蝕設(shè)備，對作業(yè)人員身體健康也會造成一定影響；采空區(qū)注入惰性氣體防止煤炭自燃效果較差，且注氮設(shè)備容易損壞需經(jīng)常維護；注漿的漿液需從高處向低處流淌，容易受條件限制且漿液對煤體覆蓋效果較差；樹脂泡沫材料容易產(chǎn)生有毒氣體；膠體材料成本較高。采用固體泡沫材料對采空區(qū)進行充填密閉，能夠有效減少采空區(qū)漏風(fēng)，防止采空區(qū)遺煤自燃，且該材料具有成本低、操作簡單等特點。通過調(diào)整固體泡沫的2 種材料配比量及添加沙子和未添加沙子條件下分別進行發(fā)泡試驗研究，以得到固體泡沫的最大發(fā)泡倍數(shù)，同時減少材料成本投入，并在常村煤礦21022 工作面進行應(yīng)用，以達到有效防治采空區(qū)遺煤自然發(fā)火和瓦斯集中涌出問題。

1 固體泡沫材料發(fā)泡試驗

1.1 試驗方法

按規(guī)定用量準(zhǔn)備好原料A 和發(fā)泡劑B，利用注射器將該2 種材料吸取后注入到試驗用模具里，并向模具內(nèi)加入一定量的粒徑為2 mm 的沙子，將模具內(nèi)的材料攪拌均勻，當(dāng)2 種材料全部發(fā)泡凝固定型后，利用阿基米德原理對形成的泡體總體積進行測算[7-8]，并根據(jù)公式發(fā)泡倍數(shù)=（發(fā)泡后樣品總體積）/（原料A 體積+發(fā)泡劑B 體積+沙子體積）來計算原料A 與發(fā)泡劑B 配比形成發(fā)泡體的發(fā)泡倍數(shù)。

1.2 未添加沙子條件下固體材料發(fā)泡試驗

為得到原料A 與發(fā)泡劑B 在不同配比量情況下的發(fā)泡倍數(shù)，隨機選取18 組不同配比樣品進行分組試驗，結(jié)果見表1。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，采用數(shù)值軟件將發(fā)泡倍數(shù)與不同配比量之間的關(guān)系變化曲線繪制出如圖1 所示的曲線圖。

表1 未添加沙子條件下固體泡沫發(fā)泡試驗結(jié)果

圖1 不同配比條件下發(fā)泡倍數(shù)變化曲線圖

由圖1 分析可知，隨著原料A 與發(fā)泡劑B 配比量的不同變化，發(fā)泡倍數(shù)先出現(xiàn)逐漸增大趨勢，當(dāng)?shù)竭_一定峰值后發(fā)泡倍數(shù)又開始逐漸減小，變化曲線呈拋物線形態(tài)。根據(jù)試驗結(jié)果可知，當(dāng)原料A 與發(fā)泡劑B 的配比值為1∶1.2 時，發(fā)泡材料的發(fā)泡倍數(shù)值達到最大值為16.73。因此，為了使發(fā)泡材料的發(fā)泡倍數(shù)能夠達到最大值，原料A 與原料B 配比最佳值應(yīng)選擇1∶1.2。

1.3 添加沙子條件下固體材料發(fā)泡試驗

為研究固體泡沫在不同含沙量條件下發(fā)泡倍數(shù)，將原料A 和發(fā)泡劑B 按照1∶1.2 的比例配比后，選取15 組樣品進行試驗。根據(jù)試驗情況將相關(guān)數(shù)據(jù)整理后得到結(jié)果見表2。 根據(jù)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，采用數(shù)值軟件將發(fā)泡倍數(shù)與不同含沙量之間的關(guān)系變化曲線繪制出如圖2 所示的曲線圖。

表2 不同含沙質(zhì)量條件下固體泡沫發(fā)泡試驗結(jié)果

圖2 不同含沙量條件下發(fā)泡倍數(shù)變化曲線圖

根據(jù)圖2 分析可知，隨著固體發(fā)泡材料中含沙量的不同變化，發(fā)泡材料的發(fā)泡倍數(shù)也會發(fā)生較大變化，其變化趨勢是隨著含沙量的增加，發(fā)泡倍數(shù)先出現(xiàn)一定程度的增加，隨后隨著含沙量的增多，發(fā)泡倍數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢。從試驗中得知，當(dāng)含沙量達到22.95 %時，試驗樣品發(fā)泡倍數(shù)達到最大值為14.52。

1.4 固體泡沫材料在添加沙子前后的成本核算

為核算發(fā)泡材料的成本，需先獲得固體發(fā)泡材料的密度，根據(jù)測試計算得知，原料A 的密度ρA=1.051 2 g/cm3，發(fā)泡劑B 的密度ρB=1.142 6 g/cm3，添加沙子的密度ρS=1.361 g/cm3。測算成本時，按照原料A 和發(fā)泡劑的單價均為3.5 萬元/t 測算，所使用沙子的單價為35 元/t。為減小測算時因測量材料體積造成的誤差，計算時取一修正系數(shù)K，K 是一個比值，取值由試驗樣品中的選取的同一組數(shù)據(jù)中最大體積與最小體積相比得到的[9-11]。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分別測算未添加沙子和添加沙子條件下對體積為Vm3的空間進行封堵時所需要的成本。

1）未添加沙子條件下原料A 與發(fā)泡劑B 配比為1∶1.2 時，發(fā)泡倍數(shù)16.73，根據(jù)修正系數(shù)K 的計算方法計算得到K 為1.016，由此計算：

2）在原料A 與發(fā)泡劑B 配比為1∶1.2 時，在添加沙子條件下，當(dāng)添加的沙子質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總體積的22.95%，發(fā)泡倍數(shù)達到最大值14.52 時，根據(jù)修正系數(shù)K 的計算方法計算得到K 為1.008，由此計算：

通過以上計算可知，當(dāng)原料A 與發(fā)泡劑B 配比為1∶1.2 時，在未添加沙子的條件下對體積為Vm3的空間進行封堵時，需投入的成本C1為2 446.0 元；在配料中添加22.95 %的沙子時，所需花費的成本C2為2 059.3 元，由此可見在配比發(fā)泡材料時添加一定比例的沙子能夠達到降低材料成本投入。因此在礦井對采空區(qū)使用固體泡沫材料進行封堵時可以在配比材料中添加黃沙以降低材料成本投入。

2 應(yīng)用實踐

常村煤礦21022 工作面在回采結(jié)束后其尾巷由于受礦壓顯現(xiàn)影響，頂板垮落較嚴(yán)重，在工作面后方200 m 范圍內(nèi)人員無法進入，造成采空區(qū)無法封堵密閉。為了減小采空區(qū)漏風(fēng)，防止采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火，同時提高礦井風(fēng)量利用率，決定采用固體泡沫材料對工作面后方采空區(qū)進行封堵密閉，實施步驟如下：

1）在開始試驗前調(diào)整好發(fā)泡時間，保證發(fā)泡材料在噴槍噴出后才會開始發(fā)泡。

2）選用長度L 為20 m，直徑為13 mm 的高壓膠管作為噴射管，試驗開始簽將注液泵泵體與噴射高壓管路連接好，將管路順直。

3）試驗使用固體泡沫材料封閉處的巷道斷面形狀為矩形，通過現(xiàn)場測量其斷面尺寸為高1.3 m，寬為2.1 m，斷面積S=2.73 m2。

4）在注液泵處和噴射管路處分別配備好人員，當(dāng)試驗開始時，外側(cè)泵站處人員開啟注液泵，里側(cè)噴液槍處人員負(fù)責(zé)對采空區(qū)進行噴射封閉，并安排專人對開始噴射漿液開始時間T1、注液泵工作時的壓力P、泵站流量Q及噴射槍口出液時間T2進行記錄。通過記錄得到數(shù)據(jù)分別為T1=10:25:22,P=1.2 MPa、Q=13.5 L/min，T2=10:25:34。

5）當(dāng)巷道全部被封閉嚴(yán)實后，停止注液泵，并記錄停泵時間T3=10:56:28，注液共計用時31 min，共計用液質(zhì)量m = 0.6 t，計算得出注液速度v=19.3 kg/min。

6）回收注液設(shè)備，試驗結(jié)束。

根據(jù)上述現(xiàn)場試驗測定的數(shù)據(jù)，利用公式ρ=υ/Q和V1=m/ρ 可以計算得出：使用固體泡沫材料的密度ρ=1.43 kg/m3，體積V1=0.42 m3。根據(jù)前述試驗測得該種發(fā)泡材料的發(fā)泡倍數(shù)是14 倍，因此在對采空區(qū)封閉時泡沫材料發(fā)泡后體積增大到5.88 m3。根據(jù)公式h=V/S和v1=L/（T2-T1）計算得出固體泡沫材料發(fā)泡后形成的墻體厚度h=2.15 m，泡沫液體在噴液膠管內(nèi)的流動速度v1=1.67 m/s。

根據(jù)上述理論和現(xiàn)場試驗結(jié)果，在21022 工作面回采過程中，對尾巷采空區(qū)采用固體泡沫材料進行封堵密閉，共計構(gòu)筑了16 道封堵墻，封閉堵漏密閉12 道，封閉相關(guān)聯(lián)絡(luò)巷通道15 道，強化噴射密閉墻6 道，工作面回采結(jié)束后對上下兩巷及采空區(qū)進行全部封堵密閉，共計構(gòu)筑密閉墻10 道，累計消耗固體泡沫材料25 t。工作面回采期間采取封堵密閉措施前后瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)量變化情況如表3 所示。

表3 21022 工作面密閉前后風(fēng)量和瓦斯?jié)舛茸兓闆r

由表3 數(shù)據(jù)分析可以看出，21022 工作面在封堵密閉后，瓦斯?jié)舛扔擅荛]前的1.85 %降低到0.41 %，減小了77.8 %，瓦斯涌出量由原來的4.92 m3/min 減小到1.21 m3/min，降低了75.4%。由此可見，工作面采取封堵措施后，能夠有效降低工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛群屯咚褂砍隽?，同時減小工作面采空區(qū)漏風(fēng)量，有效防止了采空區(qū)遺煤自然發(fā)火，為工作面安全高效生產(chǎn)提供了保障。

3 結(jié) 論

1）通過對固體發(fā)泡材料進行發(fā)泡試驗研究發(fā)現(xiàn)，在不添加沙子條件下，原料A 與發(fā)泡劑B 的配比值在1∶1.2 時，發(fā)泡材料的發(fā)泡倍數(shù)能夠達到最大值為16.73 倍；當(dāng)原料A 和發(fā)泡劑B 按照1∶1.2最佳比例配比后，在添加沙子條件下，當(dāng)含沙量達到22.95%時，試驗樣品發(fā)泡倍數(shù)達到最大值為14.52。

2）通過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原料A 和發(fā)泡劑B 按照1∶1.2 最佳比例配比后，在配比發(fā)泡材料時添加一定比例的沙子能夠達到降低材料成本投入，當(dāng)添加的沙子質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總體積達到最佳22.95%時，花費成本降低387 元/m3。

3）現(xiàn)場應(yīng)用實踐結(jié)果表明，工作面采空區(qū)采用固體泡沫材料封堵密閉后，能夠極大降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛群陀砍隽?，同時減小了采空區(qū)漏風(fēng)量，說明該固體泡沫材料能夠起到有效的防止采空區(qū)瓦斯集中涌出和防滅火效果，能夠保證工作面安全高效回采。