礦用聚氨酯材料放熱致災(zāi)成因及控制

王斌斌

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

引言

近年來，在科學(xué)理論支撐下，有機(jī)化學(xué)迅速發(fā)展，越來越多的有機(jī)固化材料面世?，F(xiàn)階段，有機(jī)固化泡沫材料堵漏充填技術(shù)在我國得到了廣泛應(yīng)用，其中聚氨酯材料在煤礦等工作環(huán)境中發(fā)揮了重要的作用。在此利用實(shí)驗(yàn)，探究礦用聚氨酯材料在應(yīng)用過程中的放熱及溫度變化，并分析聚氨酯材料溫度及燃燒之間的關(guān)系，以期為相關(guān)人員提供些許參考。

1 升溫氧化及熱分解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)材料進(jìn)行升溫氧化實(shí)驗(yàn)，可從中獲得各可燃材料的臨界溫度。所謂的臨界溫度是指在升溫氧化實(shí)驗(yàn)中起始溫度和試樣溫度的交叉點(diǎn)，此溫度便是材料由被動(dòng)升溫轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)升溫的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通過比較各材料的臨界溫度，可從中得出不同材料的熱穩(wěn)定性能高低。而熱分解實(shí)驗(yàn)可對(duì)聚氨酯材料進(jìn)行熱分解，從中獲得該材料的熱分解特性。通過上述兩種實(shí)驗(yàn)可較為全面地了解聚氨酯材料特性，從而總結(jié)該材料在礦井應(yīng)用階段的放熱規(guī)律，以期為礦井下火災(zāi)管控提供參考[1]。

1.1 升溫氧化實(shí)驗(yàn)裝置

此實(shí)驗(yàn)需要用到升溫氧化裝置和熱分解裝置，具體有氣相色譜儀、數(shù)據(jù)處理工作站及升溫氧化反應(yīng)室等單元構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 升溫氧化及熱分解實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 升溫氧化及熱分解實(shí)驗(yàn)過程

1）制樣。結(jié)合實(shí)驗(yàn)需求選擇合適的粒度和質(zhì)量。

2）供氣。對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，空氣供給量有重要作用。但需要注意的是，僅升溫氧化實(shí)驗(yàn)需要供氣，熱分解實(shí)驗(yàn)無需此步驟。進(jìn)行升溫氧化時(shí)，應(yīng)將空氣供給量設(shè)置為30 mL/min，且供給的空氣中保證氧氣體積含量達(dá)到20.90 %。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3）升溫方式。為了保證實(shí)驗(yàn)順利完成，檢測(cè)到可燃物的臨界溫度，將裝置設(shè)置為每隔15 min，溫度升高25 ℃，同時(shí)將氣室溫度設(shè)定為恒溫保持5 min，并對(duì)此段時(shí)間內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄。主要記錄可燃物試樣的最低溫度和氣體預(yù)熱通管溫度。確保數(shù)據(jù)及氣體采集完成之后，再提升溫度，重復(fù)上述操作[2]。

4）測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)。熟練地應(yīng)用氣相色譜儀分析指標(biāo)氣體濃度（體積分?jǐn)?shù)）。

5）為了保證數(shù)據(jù)信息的真實(shí)度和可信度，并具有參考價(jià)值，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行三次，以三次實(shí)驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

聚氨酯在180 ℃時(shí)與氣室溫度存在交叉點(diǎn)，此時(shí)已經(jīng)達(dá)到臨界溫度。結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程分析，在整體流程中聚氨酯試樣溫度平穩(wěn)上升，未出現(xiàn)大幅度驟增情況。具體溫度數(shù)據(jù)如下頁圖2 所示。

由圖2 可知，在230 ℃以下時(shí)，聚氨酯無較大變化，在臨界溫度之后呈現(xiàn)穩(wěn)定升溫的趨勢(shì)。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中，聚氨酯試樣在120 ℃時(shí)出現(xiàn)大量的煙霧，同時(shí)產(chǎn)生了刺激性氣味的氣體。由此可知，聚氨酯在實(shí)際工作環(huán)境下，雖然120 ℃不會(huì)出現(xiàn)明火，但產(chǎn)生的煙霧和氣味仍會(huì)對(duì)工作進(jìn)展產(chǎn)生阻礙。

圖2 升溫氧化試驗(yàn)過程中聚氨酯試樣溫度詳細(xì)數(shù)據(jù)

2.2 指標(biāo)氣體參數(shù)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中獲得的各項(xiàng)指標(biāo)氣體參數(shù)如表2 所示，其中獲取的各類溫度、初始體積分?jǐn)?shù)等均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，確保獲取的數(shù)據(jù)有分析價(jià)值。

表2 聚氨酯指標(biāo)氣體參數(shù)

聚氨酯材料的指標(biāo)氣體中CO2體積分?jǐn)?shù)變化較為明顯，與臨界溫度相比，時(shí)間基本吻合，這表明聚氨酯在達(dá)到臨界溫度時(shí)處于快速氧化階段。在達(dá)到230 ℃時(shí)，CH4和其他烷烴類氣體體積分?jǐn)?shù)較低，在礦井下不會(huì)加速火災(zāi)進(jìn)程。但該種材料在低溫供氧狀態(tài)下會(huì)有CO2出現(xiàn)，這一特征可作為檢測(cè)聚氨酯材料的標(biāo)志。

2.3 聚氨酯材料熱分解實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以60 g 的聚氨酯為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該種物質(zhì)在升溫達(dá)到230 ℃時(shí)，可大約產(chǎn)生1.50 ml 的氣體。試樣在試驗(yàn)之后，體積會(huì)縮減。通過實(shí)驗(yàn)可知，聚氨酯材料在熱量集聚狀態(tài)下，本身會(huì)出現(xiàn)熱分解，此時(shí)該材料表面會(huì)出現(xiàn)孔洞，孔洞的出現(xiàn)導(dǎo)致聚氨酯材料由于外力而出現(xiàn)裂縫。

3 聚氨酯材料引發(fā)火災(zāi)原因分析

結(jié)合上文的相關(guān)信息可知，聚氨酯材料引發(fā)火災(zāi)的原因主要包括以下兩點(diǎn)：一是礦用聚氨酯自身性能不佳，導(dǎo)熱性、可燃性以及熱分解性不良。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在熱量積聚狀態(tài)下，聚氨酯材料會(huì)出現(xiàn)孔洞，導(dǎo)致材料受力不均，造成表面和內(nèi)部呈現(xiàn)裂縫，有了裂縫之后，氧氣更容易進(jìn)入聚氨酯材料之中，由于高溫及氧氣的作用，最終導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。二是礦用聚氨酯材料在高溫有氧狀態(tài)下，其自身發(fā)熱加速了煤的自燃進(jìn)程。礦井中碎煤分布廣泛，由于高溫環(huán)境，具有自燃傾向的碎煤在長時(shí)間供氧環(huán)境下，會(huì)大幅增加自燃的概率。聚氨酯材料自身可以放熱，這導(dǎo)致煤受到的熱量大幅度增加，在短時(shí)間內(nèi)快速升溫，在此條件下，火災(zāi)發(fā)生概率會(huì)大幅度增加。

4 礦用聚氨酯材料放熱引發(fā)礦井火災(zāi)的預(yù)防及控制措施

礦用聚氨酯材料在日常使用時(shí)，常常會(huì)由于自身放熱而引發(fā)安全隱患，并對(duì)礦井的工作人員造成嚴(yán)重威脅。為了營造安全的施工環(huán)境，當(dāng)前很多單位都通過多種途徑降低安全風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)階段除了加強(qiáng)對(duì)材料性能改進(jìn)外，還通過施工工藝等方法降低安全事故發(fā)生的頻率。目前礦井應(yīng)用聚氨酯材料時(shí)，多數(shù)都是通過控制材料使用量及對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行注水等措施保證安全，本文從控制填充量、注水阻化及利用科技手段加強(qiáng)火災(zāi)預(yù)警三方面進(jìn)行具體闡述。

4.1 科學(xué)準(zhǔn)確計(jì)算充填材料最大使用量

計(jì)算礦用聚氨酯的使用量，要科學(xué)地結(jié)合熱分解試驗(yàn)及升溫氧化實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息和相關(guān)科學(xué)理論，并考慮實(shí)際情況，以礦井環(huán)境及實(shí)際條件為參考。一般情況下，為了保證安全，防止礦井下的實(shí)際條件考慮不周，會(huì)在實(shí)際應(yīng)用聚氨酯時(shí)，適當(dāng)降低使用量，預(yù)留一個(gè)安全系數(shù)[3]。

4.2 切實(shí)做好材料施工前后的注水阻化

單純注水對(duì)煤的附著力較差，無法充分發(fā)揮預(yù)防火災(zāi)的作用，在聚氨酯施工時(shí)，溫度較高，水在短時(shí)間內(nèi)便會(huì)蒸發(fā)，此時(shí)水膜便失去了價(jià)值，但聚氨酯釋放的溫度會(huì)持續(xù)較長時(shí)間，因此單純注水無法滿足實(shí)際施工需求。想要營造安全環(huán)境，綜合分析實(shí)際情況得出對(duì)煤附著力良好、作用效果持久的工藝方案是研究重點(diǎn)。如今，注水阻化已經(jīng)成為一種應(yīng)用范圍較廣、技術(shù)較為成熟的礦井防火技術(shù)。

4.3 利用科技手段落實(shí)火災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)警

4.3.1 煤自燃標(biāo)志氣體監(jiān)測(cè)

煤具有自燃性，在高溫和含氧環(huán)境下，很容易發(fā)生自燃?；诖颂卣?，做好氣體檢測(cè)工作具有重要的價(jià)值，可有效避免礦下發(fā)生火災(zāi)。煤在燃燒之前，隨著氧化程度不同，會(huì)產(chǎn)生不同的氣體，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井氣體濃度，可助力相關(guān)人員確定煤此時(shí)的狀態(tài)。因此，在礦上進(jìn)行作業(yè)時(shí)，相關(guān)人員可熟練借助相關(guān)儀器，做好標(biāo)志氣體檢測(cè)工作，有效減少火災(zāi)事故發(fā)生頻率。

4.3.2 科學(xué)監(jiān)測(cè)煤礦內(nèi)部的溫度

除了標(biāo)志氣體檢測(cè)外，科學(xué)監(jiān)測(cè)煤礦內(nèi)部溫度也可以有效降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。一是加強(qiáng)對(duì)聚氨酯這一類充填材料的溫度檢測(cè)，結(jié)合升溫氧化試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，有效判斷充填材料狀態(tài)，從而避免出現(xiàn)火災(zāi)。二是加固堵漏防風(fēng)材料，這部分材料雖然應(yīng)用量較少，但也會(huì)對(duì)礦井的安全造成影響，堵漏防風(fēng)材料多數(shù)時(shí)候都是應(yīng)用于聚氨酯等材料的裂隙之中，起到加固防風(fēng)的作用，與煤也存在較大的接觸面積，因此，加強(qiáng)對(duì)該類材料的溫度檢測(cè)也是預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的有效措施[4]。

5 結(jié)語

礦用聚氨酯由于自身導(dǎo)熱性、可燃性以及熱分解性不良，在井下高溫有氧狀態(tài)下，會(huì)自身放熱引發(fā)火災(zāi)。通過科學(xué)控制填充量，進(jìn)行注水阻化，并利用科技手段加強(qiáng)火災(zāi)預(yù)警，可以有效減少火災(zāi)事故發(fā)生頻率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。