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艺复杂，对于少量露天堆积的煤炭效果较好，但是无法满足井下对自燃火灾的预防。 135 2.3 保湿和隔绝煤氧接触 2.3.1 胶体类阻化剂 目前该类阻化剂有新型凝胶阻化剂（水玻璃和加速凝剂B 液混合）、KWA 高水速凝凝 胶、石灰凝胶、FHS 型稠化胶体。阻化机理为：胶体喷洒到浮煤表面，形成一层保护凝胶 层，隔绝煤氧接触。并且渗入煤中，与煤体形成一个整体，封堵裂隙及采空区漏风通道。此 140 外形成硅胶的框架可将90%以上流动的水固定在胶体框架内部，在煤升温时，水分蒸发吸 热，降低煤温[10]。凝胶阻化剂由于吸水性强，成膜稳定且具有较高的阻化率，适用于裂隙 堵漏、灌注、巷道冒顶处的填充、密闭充填以及高温火源点的灌注。凝胶本身也存在流动性 差、渗透率低、不易扩散、堆积性差、不能有效覆盖高位火源点的缺点。并且有些凝胶使用 铵盐类促凝剂，氨气易扩散到井下空间造成空气污染。 145 2.3.2 高分子阻化剂 高分子阻化剂目前研究较少，该类型阻化剂目前有BRC 无机高分子阻化剂。该阻化剂 为阳离子复合型无机高分子化合物，分子式为[Rn(OH)m(H2O)6n-2m]CL3n-m,其中R 为AL 或Fe （III）。在合成BRC 阻化剂过程中，添加碱性物质，促使AL 上的配位水发生水解，引起 缩聚反应形成多聚体，最后生成电荷大而聚合度高的无机高分子化合物[11]。从该阻化剂的 150 分子式和结构可知其阻化机理类似于凝胶阻化剂。多聚体有较高的粘结性和吸附性，并且可 以吸收固结大量水分，形成的交联状胶膜脱水速度缓慢，并且胶膜不受外力破坏时能够起到 隔氧作用。 2.3.3 新型高聚物阻化剂 这类阻化剂主要是由基料（有机高分子物质）、填料、助剂（水玻璃、CaO 等）及表 155 面活性剂配制而成。主要有DDS 系列阻化剂、BGO 阻燃剂和吸湿性新型抑尘阻化剂等。阻 化机理为：高聚物在煤体表面形成膜，固结、包裹破碎的煤体，覆盖煤表面的活性中心，抑 制煤与氧气的物理、化学吸附。此外基料能与煤表面的活性物质相互吸引，破坏了表面自由 力场，提高煤自燃的活化能。表面活性剂提高煤表面的亲水性，浸润煤体，增加煤体水分， 阻止煤氧接触[12,13]。通过和煤粒间的物理、化学吸附、机械结合，新型高聚物阻化剂阻化率 160 高达90%以上。并且在高温下性能稳定，不易分解。此外综合高分子材料、填料、助剂及 表面活性剂的优点，改变了以往阻化剂单一成分存在的缺陷，增加了阻化效果。 2.3.4 泡沫阻化剂 主要有惰性泡沫、高倍阻化泡沫、FR_1 阻化泡沫、高倍微胶囊阻化泡沫。惰性泡沫主 要是用惰性气体作气相，氯盐类溶液做液相加入表面活性剂形成泡沫，注入采空区覆盖煤体。 165 阻化泡沫主要由表面活性剂、稳泡剂、吸水树脂、化学阻化剂等构成。具有扩散性强、堆积 性好、渗透性佳的特点[15]。这类阻化剂实际上是改液相为气液两相，发挥了泡沫的堆积型， 高覆盖性，可以更有效的湿润包裹煤体，同时发挥无机盐类阻化剂的阻化特性。泡沫发泡中 使用的发泡剂是表面活性剂，表面活性剂可以减少煤表面的张力，湿润煤表面。表面活性剂 与煤表面的吸附是物理吸附，这个过程煤表面自由焓降低，此时体系较稳定，接触界面较牢 170 固，因此水分可以自发的对煤表面进行湿润，隔绝氧气接触，阻止煤表面对氧气的吸附。 3 新型凝胶泡沫型阻化剂的研究 3.1 凝胶泡沫的基本特点 针对当前防灭火技术存在的不足，中国矿业大学结合凝胶和泡沫阻化剂的优点提出新型 凝胶泡沫阻化剂。该凝胶泡沫阻化剂由表面活性剂、交联剂、和高分子的溶液经机械发泡形 175 成，起泡后泡沫壁中的胶凝剂在交联剂的作用下发生交联反应形成凝胶。凝胶主要由网状结 构及被其包裹的液体构成，胶膜稳定性好，具有固体和液体的性质；胶体内的液体可以在凝 胶体内流动，具有液体材料的性质。泡沫表面积大，可堆积性强，具有三维流动特性，可以 扩散和填充更大的面积和空间。但是单纯的凝胶流动性差，流量和扩散范围小，泡沫易破碎。 新型凝胶泡沫结合凝胶和泡沫的优点，弥补了两者的缺点，提高了防灭火效率。 180 3.2 凝胶泡沫的防灭火特性 在防灭火方面，利用了氮气的窒息性、成胶过程的吸热性和固定在网状结构中的水的蒸 发吸热降温性能，泡沫体稳定性好，可长时间覆盖煤体，隔绝氧气防治煤自燃。此外凝胶封 堵性能良好，以泡沫为载体可以将其输送至高处，可以更加有效的包裹松散煤体、覆盖高位 火源点、封堵空隙和裂隙、隔氧降温，这样从根本上避免煤炭自然发火。 185 在防灭火方面的阻化机理为：具备凝胶良好的封堵性能，可以覆盖包裹煤体，填充煤体 空隙，减少漏风量，降低煤与氧气接触面积起到阻化作用。凝胶泡沫注入煤体时保持水基泡 沫状态，流动性好，能渗入煤体裂隙和微小空隙中，成胶后堵塞了氧气进入的通道；凝胶泡 沫中包含多种离子和分子，能够与煤体表面活性结构发生化学吸附形成络合物，惰化煤体表 面，减少氧气化学吸附；凝胶泡沫发泡使用的其体为氮气，泡沫破灭后，缓慢释放到采空区， 190 稀释氧气，减少氧浓度，保持采空区惰化状态；凝胶泡沫具有较好的导热性，有利于热量散 失。还可以固结吸收大量水分，湿润煤体，起冷却降温作用；凝胶泡沫还可以与煤表面分子 发生取代、络合作用生成稳定的链环，提高煤氧反应的活化能，增加煤分子稳定性，抑制煤 分子的氧化分裂。提高挥发分析出温度，减少对煤低温自燃的助燃和引燃作用。 表1 新型凝胶泡沫阻化剂与常规阻化剂的阻化机理对比 隔氧 减少官能团与中断自由 基链式反应 保湿 覆盖活性中心 稀释氧气 氯盐类 √ √ √ 铵盐类 √ √ 氢氧化钙 √ √ 胶体类 √ √ √ 高聚物类 √ √ 无机高分子类 √ √ 抗氧剂 √ 泡沫类 √ √ √ 凝胶泡沫 √ √ √ √ √ 200 煤自燃是由多方面因素影响导致的，大多数阻化剂只能够从某个方面来控制煤自燃的影 响因素，在防灭火中具有一定的局限性。当阻化剂对影响煤自燃的某个因素丧失阻化能力， 那么在其他因素影响下，煤仍然会自燃。从新型凝胶泡沫的阻化特性来看，其综合了泡沫和 凝胶的阻化性能，控制煤自燃的各个影响因素，无论是物理方面、还是化学方面达到阻化作 用，有效的预防煤炭自燃火灾的发生。 205 4 结论与展望 （1）在阻化剂使用过程都离不开水，水是大部分阻化剂防灭火的载体，通过水溶液， 才能将阻化剂灌注或喷洒在浮煤表面。在阻化剂预防煤炭自燃过程中，由于水可以湿润煤体， 减少煤氧化学吸附，吸收煤低温氧化释放的热量，最先起到阻化作用。但是大多数阻化剂在 水分蒸发完毕时，阻化率降低甚至消失。例如无机盐类阻化剂在水分降低时，阻化作用将变 210 成催化作用。 （2）阻化剂的阻化作用多是物理阻化，即隔绝氧气、稀释空气中的氧浓度、蒸发吸热 等，物理阻化没有从根本上解决煤自燃，一旦物理阻化作用丧失，煤很快又恢复自燃。目前 阻化剂的阻化作用还是以物理阻化为主，化学阻化为辅。 （3）在选择阻化剂防灭火方面，不同自燃倾向的煤，其结构特性和其表面的活性基团 215 数量、种类和分子结构各不相同。针对不同煤种如何选择阻化剂和阻化剂浓度达到最佳阻化 效果研究较少。目前只有基于活化能指标来选择阻化剂和阻化剂浓度，也就是添加阻化剂后 煤的着火活化能增量最大为原则选择阻化剂及确定其浓度。 （4）常规阻化剂在阐述阻化机理方面都是从宏观方面介绍，没有从微观化学角度来解 释阻化剂是如何与煤表面的活性基团反应，如何中断自由基链式反应的。况且自由基理论现 220 在还未经证实，没有得到广泛认可。用自由基理论来解释阻化剂中断自由基链式反应，从理 论上讲并不可行。在研究氯盐类阻化剂的阻化机理方面，使用傅里叶变换红外光谱仪，来研 究经阻化剂处理后的煤表面官能团的变化，从微观化学角度很好的解释了阻化剂对煤表面官 能团的影响。使用量子化学的方法研究煤表面的官能团，进而研究阻化剂是如何抑制煤自燃 的，是研究阻化剂微观机理的新方法。 225 （5）从上述常规阻化剂阻化机理来看，每种阻化剂使用过程中都存在局限性。在研究 阻化方法和选择材料时，尽可能从多方面来控制影响煤自燃的因素。新型凝胶泡沫阻化剂综 合凝胶和泡沫的阻化特性，从影响煤自燃的各个方面来控制煤自燃，是未来阻化剂的研究方 类 阻 化 机 理 型 向。新型凝胶泡沫由于具有凝胶的特性，其流动性、渗透性差，形成机理也有待于进一步研 究。 230 [参考文献] (References) [1]戚颖敏.我国煤矿火灾防治技术的现代发展与应用[J].煤,1999,(2):1-3,57. [2]王德明,李增华,秦波涛等.一种防治矿井火灾的绿色环保新材料的研制[J].中国矿业大学学报.2004, 33(22):205-208. 235 [3]李学诚.中国煤矿安全大全[M].北京:煤炭工业出版社,1998. [4] Robert H. Sm ith . Inh ibiting spontaneous combustion of coal[P ]. U S Patent 4199325, 1980. [5]A.C. Smith, Y. Miron, C.P. Lazzara, Inhibition of Spontaneous Combustion of Coal, RI 9196, US Bureau of Mines, 1988. [6]John C. Bixel. Drying low rank coal and retarding spontaneous ignition [P].US patent 4778482,1988. 240 [7] S. Liodakis, D. Bakirtzis. The effect of (NH4)2HPO4 and (NH4)2SO4 on the spontaneous ignition properties of Pinus halepensis pine needles. Fire Safety Journal. 2002 ; 37:481~494. [8] Yukihiro Adachi,Hitoshi Sugawara. Inhibitor for inhibiting carbonaceous powder from heating up/spontaneously igniting[P].US patent 0069149,2003. [9]张人伟,李增华.新型凝胶阻化剂的研究与应用[J].中国矿业大学学报,1995,24(4):46-57. 245 [10]杨胜强.氢氧化钙对高硫煤的阻化实验及机理分析[J].中国矿业大学学报,1996,25(4):68-72. [11]董希琳.DDS 系列煤炭自燃阻化剂实验研究[J].火灾科学,1997,6(1):20-26. [12] 任伟.BRC 阻化剂阻化防火机理的探讨[J].煤矿安全.1998(11):38-40. [13]张如意,于水军.防老剂甲对煤炭自燃的阻化效果研究[J].煤矿安全.1999, (9):25-26. 学术论文网Tag：代写论文 论文发表 代发论文 职称论文发表 建筑论文 |
