采空區(qū)高硫煤層凝膠阻化劑的研制

采空區(qū)高硫煤層凝膠阻化劑的研制

1煤炭提高一環(huán)的理論在煤炭開采過程中，煤礦自發(fā)火災是人類未來面臨的一項重大自然災害。煤炭自燃機理及其防滅火技術的研究受到人們越來越多的關注。煤炭自燃現(xiàn)象雖然從十七世紀已開始為人們所注意和研究,但是、由于煤的結(jié)構(gòu)及自燃過程的復雜,盡管很多學者進行了大量的研究工作,提出了不少假說,迄今還沒有一種學說能闡明自燃全過程本質(zhì)的理論。本文運用黃鐵礦作用學說來闡述煤層自燃機理,并研制出新的凝膠阻化劑,通過實際應用來防止煤炭自燃的發(fā)生。2煤的承擔及承擔機理可燃物質(zhì)、助燃物質(zhì)和火源三個基本條件是燃燒的三要素,同樣,對于采空區(qū)煤層自燃,也必須具備這三個條件,也就是說,發(fā)生火災的條件必須是可燃物質(zhì)和助燃物質(zhì)共同存在,并構(gòu)造成一個燃燒系統(tǒng),同時要有導致著火的火源。由于受開采技術和地質(zhì)等條件的限制,采空區(qū)總有煤的存在,這為煤層自燃提供了高熱值易燃物質(zhì),而礦井是個開放空間,內(nèi)部有空氣等助燃物或氧化劑,因此,只要具有一定溫度和熱量的能源,便能引起煤層自燃。煤的氧化和自燃主要是煤在空氣中氧化產(chǎn)生CO、CO2、H20和其他一些低級碳氫化合物氣體。研究煤層自燃機理,重點就在于煤層內(nèi)部熱積蓄的過程,研究煤層物質(zhì)之間的氧化還原反應熱。煤炭的初期氧化現(xiàn)象被認為是基鏈反應,即煤炭在生成過程中,形成許多含氧游離子。常溫下煤從空氣中吸附的氧,只能與這些游離基反應,并且生成更多的穩(wěn)定性不同的游離基。這時既觀測不到煤體溫度的變化,也看不到其周圍環(huán)境溫度的上升。煤的氧化過程比較緩慢,但它確在變化之中,如重量略微增加,著火溫度下降,化學活性增強,這個階段通常稱為煤的自燃潛伏期。經(jīng)過潛伏期以后,煤的氧化速度增加,不穩(wěn)定的氧化物分解成水、二氧化碳與一氧化碳。氧化產(chǎn)生的熱量集聚使煤體溫度繼續(xù)升高,超過其自燃的臨界溫度(60～80℃)之后,煤溫上升急劇加速,氧化過程加快,開始出現(xiàn)煤的干餾,生成芳香族的碳氫化合物、氫及一氧化碳等可燃氣體,這就是煤的自熱期。自熱期的發(fā)展有可能使煤體溫度上升到著火溫度(300～500℃)而導致自燃,煤的著火溫度由于煤的種類的不同而異。如果煤體溫度不能上升到臨界溫度(60～80℃)或者雖然上升到這一溫度,但由于外界散熱條件的變化降了下來,煤進入風化狀態(tài),自燃傾向性較弱的煤炭在氧化進程中常常出現(xiàn)風化現(xiàn)象,風化了的煤不再發(fā)生自燃。進入自燃期則會出現(xiàn)一般的準燃燒現(xiàn)象,如生成煙霧、一氧化碳、二氧化碳、各種可燃氣體,最后出現(xiàn)明火而燃燒。圖1表示了煤的自燃過程。對于含硫量大于0.5%的中、高硫煤來說,硫在煤中主要是以FeS2形式存在,在潮濕供氧環(huán)境下,將發(fā)生緩慢氧化。隨著熱量的積聚,將進一步發(fā)生如下氧化反應:只要有供氧環(huán)境和聚熱環(huán)境,上面兩反應將同時繼續(xù)進行,使熱量進一步積聚,從而發(fā)生以下反應:上面三個反應同時進行,結(jié)果使熱量不斷增加,如果供氧充分,最后將使煤炭著火,發(fā)生燃燒反應:這就是實際高硫煤礦煤層自燃發(fā)火的黃鐵礦作用學說。3煤的內(nèi)部特性通過對煤層自燃機理的分析,我們知道煤炭自燃必須具備以下三個條件:①煤具有自燃傾向性(即在常溫下有較高的氧化活性);②有連續(xù)的供氧條件;③熱量易于積聚。第一條為煤的內(nèi)部特性,它取決于成煤物質(zhì)和成煤條件,表示煤與氧相互作用的能力,后兩條為外因,決定于礦井的地質(zhì)條件和開采技術。本文研究配制了新型的凝膠阻化劑,消除自燃的一個或多個條件,從而防止煤炭自燃的發(fā)生。3.1可吸熱型凝膠反應過程主要體現(xiàn)該技術的防火原理是將一種或幾種物質(zhì)的溶液或乳濁液(阻化劑)灌注到采空區(qū)煤壁或煤柱裂縫等易于自燃的地點,阻化劑附于煤的表面,隔絕氧化、阻止煤的氧化,從而起到防火作用。根據(jù)選定的基料和促凝劑,將他們按一定比例配成水溶液后,即發(fā)生凝膠作用,其反應過程大致如下:Na2O·S04+H20+促凝劑→Si(OH)4+…其硅膠結(jié)構(gòu)(如圖2所示)可看成:膠體內(nèi)部充滿水分子,硅膠起框架作用,把易流動的水分子都固定在硅膠內(nèi)部,對煤炭進行包裹,以達到隔氧的目的。同時成膠過程是一個吸熱過程,可以起到對煤炭吸熱降溫作用,其吸熱量與膠體濃度和原材料有關。最后形成的凝膠主要從以下五個方面對煤礦起防火作用:(1)凝膠具有固水作用,能使膠體中90%以上流動的水固結(jié)起來。(2)凝膠有良好的吸熱降溫性能,當煤體溫度上升時,膠體中的水分蒸發(fā)吸收大量熱量,從而使煤體溫度降低。(3)凝膠具有良好的密封堵漏性能,凝膠在成膠前是易于流動的液體,能滲透到采空區(qū)的縫隙中去,成膠后便能堵住漏風通道。(4)凝膠具有良好的阻化性能。(5)凝膠具有良好的熱穩(wěn)定性。3.2石灰漿的降解根據(jù)煤炭自燃發(fā)火的黃鐵礦作用學說,如果在煤著火前灌注石灰石漿,將發(fā)生如下反應:由以上反應可以看出,石灰漿不但可以與火區(qū)產(chǎn)生的有害氣體SO2發(fā)生直接或間接的化學反應,起到吸收有害氣體的作用,而且其生成物分解時吸收大量的熱量,起到明顯的降溫作用。3.3石灰與碳酸氫銨的作用石灰、水玻璃本身都是較好的防滅火阻化劑,但各自存在著不足之處(如表1所示)。兩種原料混合后不但會充分發(fā)揮各自的功能,更重要的是它們可以克服對方的缺點,發(fā)揮更好的效果,其主要表現(xiàn)在:(1)石灰石加入水后不能吸收水分,而水玻璃加碳酸氫銨可吸收90%以上的水分,從而形成膠體。(2)對高硫礦來說水玻璃的阻化防滅火效果沒有石灰石好,而且長時間后,膠體會老化,失去作用,而石灰會長期存在,長期起到防滅火作用。(3)石灰石和水玻璃)NH4HCO3不會發(fā)生任何化學反應,不會影響各自的阻化效果。(4)石灰石和水玻璃混合后可以增強膠體的強度,使阻化效果更好。(5)由于石灰石的加入客觀上降低了碳酸氫銨的濃度,從而使氨氣的生成量大大降低,改善了工作環(huán)境。(6)凝膠阻化劑是高含水材料,注入煤體后,使煤體含水量顯著升高,起到降溫阻燃作用,從而預防煤自燃。(7)雖然NH3氣的產(chǎn)生破壞了工作環(huán)境,對工作人員有一定的傷害作用,但NH3氣具有稀釋空氣降低氧化反應速率的作用,從客觀上也起到了一定的阻化作用。4無凝膠阻化劑溶液配制通過正交實驗設計方法,實驗研制了新型的凝膠阻化劑,并在某礦4210工作面進行試驗。所有注漿設備和工藝都布置在工作面的回風巷,通過管道將新型凝膠阻化劑漿液輸入采空區(qū)里,并在同一工作面的上隅角和回風巷分別測定在無凝膠阻化劑和注入新型凝膠阻化劑時,CH4、C02和CO濃度及溫度值。繪制圖3～6所示的CH4、C02和CO濃度及溫度值隨工作面開采后時間的變化曲線。4.1工作面上芳角在實測溫度上的表現(xiàn)從這些曲線圖中我們看到4210回采面使用新型凝膠阻化劑后,各重要參數(shù)都有了明顯的下降。煤層溫度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度是煤層自燃現(xiàn)象嚴重與否的重要參數(shù),它們的下降充分說明了煤層自燃現(xiàn)象的減弱。從圖3可以看出,4210工作面回風巷、上隅角兩處的實測溫度在開始階段是隨著工作面開采而逐漸增加。該回采工作面開采90天后,回風巷溫度的實測值為32℃,上隅角處的溫度為34.5℃,這段時間沒有在采空區(qū)注入新型凝膠阻化劑,由于工作面回風巷和上隅角實測的溫度值較高,因此可以斷定該回采區(qū)內(nèi)的遺煤開始氧化。向該回采工作面注入新型凝膠阻化劑后,回風巷和上隅角的溫度均有所下降,到注入新型凝膠阻化劑的170天后,兩處的實測溫度都趨于不變,回風巷處的溫度為28.5℃,上隅角處的溫度為30℃。同樣我們可以從圖4中看出,4210工作面回風巷、上隅角兩處的一氧化碳濃度變化趨勢和這兩處的溫度變化趨勢類似,同樣是開始時濃度升高,用了新型凝膠阻化劑后逐漸降低并趨于一穩(wěn)定值。說明了該新型凝膠阻化劑阻止了采空區(qū)遺煤的氧化時間,起到了很好的防滅火效果。圖5和圖6表明了4210工作面回風巷和上隅角CH4、C02濃度隨工作面開采后時間的變化曲線。從這些曲線可知,工作面的CH4濃度都比較高,這主要是煤層埋藏的地質(zhì)條件所決定的,與采空區(qū)是否注入凝膠阻化劑無關;C02濃度還與工作而是否放炮有關系。通過4210工作面新型凝膠防滅火阻化劑的現(xiàn)場試驗,進一步證明用新型凝膠阻化劑來防止回采工作面采空區(qū)遺留煤自燃氧化是有效的,并能降低成本。5凝膠阻化劑阻化劑防火效果根據(jù)某礦為高硫礦易自燃的實際情況,在凝膠阻化劑的基料水玻璃中加入了石灰石。基于石灰石和高硫礦中的硫發(fā)生化學反應,從