一种防治矿井火灾的绿色环保新材料的研制.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 0 4 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．2 M a r ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 20 2 0 5 0 4 一种防治矿井火灾的绿色环保新材料的研制 王德明，李增华，秦波涛，梁晓瑜，陈建华 中国矿业大学能源科学与工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要我国西北部地区地表缺土少水，采用常规的黄泥注菜防灭火技术面临困难．针对这些矿区 的自然条件，作者开发了一种防治矿井火灾制浆用的环保经济型稠化添加剂．该材料由天然高分 子材料制成，无毒无味无害，不污染环境，且使用成本低廉．利用该材料的胶凝性可以制成凝胶， 利用其在水中形成的三维网状结构和高黏度特性可以悬浮固相物质制成复合浆体．本文介绍了 采用该材料对神东矿区山砂加以利用制成防灭火砂浆的试验．实验研究表明该稠化添加剂具有 很强的悬砂能力并降低了对管道的磨损和流动阻力，为我国西北部缺水少土地区的矿井火灾绿 色治理提供了一种新的技术手段，具有重要的推广应用前景． 关键词煤炭自燃；稠化荆；防灭火；砂浆 中圈分类号T D7 5文献标识码A D e v e l o p m e n to faN o n P o l l u t i o nM a t e r i a lo fE n v i r o n r n e n t a l P r o t e c t i o nf o rM i n eF i r eC o n t r o l W A N GD e r u i n g ，L IZ e n g h u a ，Q I NB o t a o ，L I A N GX i a o y u ，C H E NJ i a n h u a S c h o o lo fM i n e r a la n dE n e r g yR e s o u r c e s ，C U M T ．X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a e t T h e r ei Sal a c ko fs o i la n dw a t e ro ng r o u n ds u r f a c ei nn o r t h w e s ta r e ao fC h i n a ，w h i c h m a k e si tm u c hd i f f i c u l tt oc o n t r o lm i n ef i r e sb yu s i n gt h em u dg r o u t ．A c c o r d i n gt oc u r r e n tn a t u r a l c o n d k i o n so f t h a tarea．at h i c k e n e rf o rm i n ef i r ec o n t r o Ii Sd e v e l o p e dt h a ti so fe n v i r o n m e n t a I p r o t e c t i o na n de c o n o m y ．T h ea g e n ti sm a d eo fn a t u r a lh i g hm o l e c u l a rs u b s t a n c e sw i t hn op o i s o n a n dt a s t e sa n di sn o th a r m f u lt Oe n v i r o n m e n t ．I na d d i t i o n ，t h ea g e n tc a nb em a d ei n t og e ld u et oi t s g e l a t i n i z a t i o na n di n t oc o m p o s i t es l u r r yd u et oi t s t h r e e d i m e n s i o n a ln e t w o r ks t r u c t u r ea n dh i g h v i s c o s i t yi nw a t e rt h a tc a ns u s p e n ds o h dp a r t i c l e s ．T h ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt om a k et h e a g e n ta n ds a n df r o mS h e n d o n gm i n i n ga r e ai n t os l u r r yf o rm i n ef i r ec o n t r 0 1 ．T h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ea g e n th a sah i g h e ra b i l i t yt os u s p e n ds a n da n dr e d u c et h es u r f a c ew e a ro fd u c t sa n dt h e f l o w i n gr e s i s t a n c e ．T h e r e f o r e ．i ti san e wt e c h n i q u ef o rm i n ef i r ec o n t r o l i nt h en o r t h w e s ta r e a so f C h i n aa n dw o r t ho fW i d e s p r e a da p p l i c a t i o n ． K e yw o r d s s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fC 0 0 ．1 ；t h i c k e n e r ；m i n ef i r ec o n t r o l ；s a n d e dm o r t a r 煤炭自燃是我国矿井的主要自然灾害之一．在 我国国有重点煤矿中，存在有煤炭白燃的矿井占矿 井总数的5 6 ％，煤炭自燃而引起的火灾占矿井火 灾总数的9 0 ％～9 4 孵“．近年来我国广泛采用综 采放顶煤开采技术，使生产效率大幅提高，但这种 采煤方法冒落高度大、采空区遗留残煤多、漏风严 重，使得自然发火频繁，已成为制约其发展的主要 因素之一．我国新疆、宁夏、内蒙等省还存在大面积 收稿日期t2 0 0 3 一1 0 1 3 基金项目t 国家重点基础研究“9 7 3 ”项目 2 0 0 1 C B 4 0 9 6 0 0 ；国家自然科学基金项目 5 0 2 7 4 0 6 8 ；教育部博士点基金项目 2 0 0 2 0 2 9 0 0 0 1 I 教育部科学技术研究重点项目 0 1 0 2 7 作者简介；王德哦 1 9 5 6 一 ，男，贵州省遵义市人．中国矿业大学教授，博士生导师，工学博士，从事矿并通风理论与防灭火技术方面的研 究． 万方数据 竺生一 里 兰查竺兰堡 苎竺兰 j 的煤田火灾，每年烧损煤量10 0 013 6 0 万t ，经 济损失超过2 0 0 亿元[ “．煤炭自燃产生大量的 S 0 2 , H 2 S ，C O 和C O z 气体，严重污染环境；煤田火 灾还造成大面积的植被破坏，使土壤沙漠化．煤炭 自然发火的危害及其防治越来越受到关注． 煤炭自燃是具有自燃倾向性的煤在有适宜的 供氧量、有蓄热氧化的环境和时间的条件下发生的 物理化学变化的结果．防治煤炭自燃的主要原理就 是使煤体与空气隔绝、同时吸热降温．为防治煤炭 自燃，国内外广泛采用灌浆、喷洒阻化剂、注惰气等 技术．在灌浆材料方面，主要是黄泥、粉煤灰，此外 还有矸石、砂子、水泥砂浆、石膏、高水材料等，近年 来，叉较广泛地采用了凝胶、胶体泥浆、阻化汽雾、 泡沫树脂等防灭火技术．这些技术对保证矿井安全 生产起了重要作用，但还存在一些问题黄泥灌浆 会消耗大量农田，粉煤灰堵漏效果差，矸石制浆成 本高；水玻璃一铵盐凝胶产生有毒有昧的氨气，高分 子凝胶成本高；水泥砂浆、高水材料、泡沫树脂成本 高，工艺复杂；惰气易随漏风扩散，不易滞留在注入 的区域内． 神东矿区位居我国大西北，探明储量约22 3 6 亿t ，是当今我国已探明储量最大的煤田。也是世 界上七大煤田之一．神东矿区2 0 0 2 年原煤产量已 突破40 0 0 万t ．该矿区目前面临的主要自然灾害 是煤炭自燃．该矿区虽缺土少水，但地表覆盖有丰 富的山砂，利用山砂防灭火是该矿区实现矿井火灾 绿色治理的关键技术措施，对保障矿井安全生产具 有十分重要的意义． 注砂防灭火在国内外已获得广泛应用，抚顺、 辽源、鹤岗、阜新等矿区使用此法防灭火较多．采用 通常的注砂方法，为使砂子不在管中沉淀，一般水 砂比为7 。1 ～1 1t 1 ，需大量用水；砂浆到井下后 易脱水，会较严重影响井下环境和煤质；砂子的比 重大，易于沉淀在管路的下部，砂子在流动中对管 路的磨损也相当严重．此外，砂子因颗粒较大对煤 体的包裹覆盖作用较差，防灭火的效果会受到影 响．这些是当前注砂防灭火面临的主要问题． 为克服上述问题，若在砂浆中添人一定的稠化 剂，提高砂浆黏度，可将砂泥悬浮，提高砂浆中的砂 量，减小水砂比，从而减少用水量} 由于砂子悬浮在 管道中，且泥浆又有较高的黏度，能极大地降低泥 浆对管路的磨损；此外砂浆到井下后不脱水，既不 对环境有影响，又大大提高泥浆的防灭火效果，能 更好地起到防灭火作用．因此研究一种高黏度、环 保及经济的稠化添加剂是采用该方法的关键技术． 1 神东矿区山砂的特性 神东矿区地表砂源丰富．在神东煤田范围内， 大面积覆盖着新生界第四系全新统松散砂层，按其 成因分为风积砂和冲洪积物及河流冲积物，一般厚 为1 0 ～2 0m ，这为井下注浆防灭火材料提供了一 种得天独厚的资源． 为了了解神东矿区山砂的特性，我们对神东矿 区的砂粒粒径的分布进行了分析，试验数据如图1 所示． U | 上L 从上述的实际测定中可看出，神东矿区山砂的 颗粒较细，颗粒粒径主要是0 ．1 ～o ．5m m ，占总数 的9 2 ．4 ％，颗粒的最大粒径为2m m ．我国其它广 泛使用山砂防灭火的矿区，山砂最大的粒径超过了 5 0m m ，如阜新采用的山砂大于5 0m m 粒径的山 砂达到1 5 ．4 ％．神东矿区具有的较细的山砂为该 矿区防灭火提供了较理想的材料． 为分析神东矿区山砂的的矿物成分，利用X 衍射法测定了神东矿区补连塔矿地面的山砂的物 相组成，如图2 所示 之 警 嫠 I l “胜眇1 ；她，。汰k “汹。靖 0 1 02 03 0 4 05 06 07 0 穰曲t 巾度， 。】 图2 神东矿区补连塔矿地面山砂样品x 衍射测试分析 F i g ．2 S c h e m a t i co fX d i f f r a c t i o nb ys a n d f r o mB u l i a n t am i n eo fS h e n d o n gm i n i n gB r e a 测试结果表明神东矿区山砂矿物成分为石英、 长石及硬石膏、少量的黏土、方解石、赤铁矿及晶体 物质． 定量分析结果 质量分数 如下 A 石英 S i O 。 4 9 ％ B 长石 N a ，C a A I S i 3 0 日 4 1 ％ 咖啪啪邶撕咖啪枷栅枷 万方数据 第2 期 王德明等一种防治矿井火灾的绿色环保新材料的研制 c 赤铁矿 F e 。O 。 3 ％ D 黏土 A I 。 o H ⋯S iO n H 2 0 3 ％ E 方解石 C a C 0 3 1 ％ 了解山砂的颗粒粒径分布的情况及其构成的 矿物成分，为正确选用稠化添加剂、合理设计制砂 浆装备及评价山砂防灭火的性能等提供了重要的 技术基础参数，使得对山砂的利用更有针对性． 2K D C 稠化添加剂的研制 砂子的比重较大，其颗粒粒径也明显比黄泥、 粉煤灰的大，因此一般稠化剂都难使砂粒悬浮．我 们对聚丙烯酰胺、聚丙烯酸纳、C M C 等高分子凝胶 材料和煤矿常采用的无机凝胶材料等进行了悬砂 实验，都难以使砂子悬浮，而且这些材料的使用成 本较高，1m 3 稠化砂浆的成本为1 0 0 元左右，难以 大量使用．为适应我国西北部地区矿井火灾防治的 需要，我们研制了K D C 型防灭火制浆用的稠化添 加剂． K D C 型稠化添加剂是从天然植物中提取出来 的多糖聚合物，其分子结构是甘露糖醛酸 } 1 ．4D M a n n u r o n i ca c i d 与古罗糖醛酸 ∽4 一LG u l u r o n i c a c i d 构成。在线性分子链中呈不规则的嵌段性排 列．该添加剂亲水性极强，溶于水后呈黏稠状胶液， 含有一价盐 N a ，K ，N H ” 、镁盐、汞盐及其它 一些衍生物．该添加剂在水溶液中的溶解性随p H 值的增大而增加，在p H 为5 ．8 ～7 ．5 之间的水溶 液为均匀透明液体，黏度随p H 的变化成一倒钟形 曲线，在p H 为7 时黏度最大． K D C 稠化添加剂的主要性能为o ] 1 在水中形成松散的三维网状结构，具有屈 服假塑性流体特性，在低剪切速率 6 ～2 0s _ 1 下， 能达到的黏度为0 ．3 3 ～2 ．9 4P a 8 ；在0 ．4 ％的水 溶液浓度条件下，其黏度是水的15 0 0 多倍，具有 很强的悬浮能力，可悬浮砂、黄泥和粉煤灰等固态 物质． 2 具有剪切稀化特性．在高剪切速率 大于 5 0 0s - 1 下的表面黏度小于0 ．2 8P a s ，从而降低 了灌浆材料在管道中的流动阻力，具有可泵性好的 特点；而一般的高分子胶体材料具有与此相反的剪 切稠化特性，难以实现较长距离输送． 3 无毒无味无害，具有高吸水性和保水功能， 不脱水币污染环境并起到很好阻化煤炭自燃作用． 4 遇高温时，能充分吸热蒸发，带走更多的热 量，提高了降温效果，具有较强的防灭火作用． 5 掭加量步，其浓度为0 ．4 ％时就完全具备 悬砂特性，使用成本低廉，每1m 3 砂浆成本为1 5 ～2 5 元，大约是一般高分子凝胶溶液成本的1 ／8 ． 6 作为单料使用，不再需要其它的复配物，可 在地面或井下一次性添加，形成的稠化砂浆可长距 离输送，使用方便，工艺简单． 3K D C 稠化添加剂的悬砂实验 用K D C 型稠化添加剂对神东矿区山砂的悬 砂性能在实验室首先进行了系列的小型实验先将 K D C 稠化添加剂溶入水中，配制成0 ．4 ％的水溶 液，再按不同的砂水比制成砂浆进行了悬砂试验． 图3 为水砂比 质量比 为8 1 ，6 1 ，4 1 ，2 1 ， 1 1 的悬砂效果，试验结果表明该添加剂能悬浮 任意比例的砂子，且悬砂的时间相当长，随着砂浆 中的水分不断挥发，最终山砂凝结成有较高强度的 砂块． 图3 不同的水砂比例悬砂试验结果 F i g ．3 R e s u l t so fs a n ds u s p e n s i o nu n d e rd i f f e r e n t p r o p o r t i o nb e t w e e ns a n da n dw a t e r 从左至右8 t l ，6 ；1 ，4 ；1 ，2 1 ，1 1 在小型试验成功的基础上．又开展了模拟矿井 注砂系统实际流量的大型工程试验．为此，在中国 矿业大学安全工程实验室建设了一套由稠化剂添 加剂制作装置、制浆搅拌器、动力输送泵和管路组 成的注浆实验系统．稠化剂添加剂制作装置包括一 个消化罐和一套加热装置．制浆搅拌器容积2m 2 ， 设计制浆能力3 01 3 5 1 3 ／h ．动力泵选用了G 8 5 1 单 螺杆泵，允许的最高黏度为2 0 0P a s ．理论最大流 量为4 3 ．5m 3 ／h ，功率为1 5k W ．管路全长8 0m ，平 直布置，进、回流的管径分别为1 0 0m m 和1 2 5 m m ，以试验不同管径的流动阻力．在该实验系统 中的悬砂实验结果如图4 ，5 所示 砂水质量比为1 3 ．大型工程试验表明K D C 型稠化添加剂的悬 砂性能优良，能适应神东矿区防灭火注砂的需要． 图4 在搅拌器中的稠化砂浆 F i g ．4P h o t oo fd e n s i f i e ds a n ds l u r r yi nt h ea g i t a t o r 万方数据 2 0 8 中国矿业大学学报第3 3 卷 图5 在循环回路出口处的稠化砂浆 F i g ．5P h o t oo fd e n s i f i e ds a n ds l u r r ya tt h e o u t l e to ft h er e c y c l ec i r c u i t 4 稠化砂浆的流动阻力实验及减阻分析 在实验室利用自制的K D C 型稠化添加剂，按 水砂比3 ；1 质量比 ，在注砂试验系统中进行了 稠化砂浆的流动阻力实验．实验的主要目的是测试 稠化砂浆的水力坡度，为现场工业设计提供依据． 在实验系统中利用电磁流量计测量管道流量，用旋 转黏度计测定其黏度，用4 个压力传感器分别测量 出口1 - 2 段 中1 0 0 ，3 5 ．8 7m ，回流3 - 4 段 垂1 2 5 ， 3 8 ．2m 的流动阻力．测量结果如表1 所示 裹1 稠化砂装流动阻力试验结果 T r e b l e1R e s u l to ff l o w i n gr t * s l s t a n e eo f d e n s i f l e ds a n ds l u r r y 根据上述试验结果，采用垂1 0 0 管径的钢管， 在砂浆流量为3 0m 3 ／h 时。每千米管道的压差为 0 ．6 1 5M P a ，如果现场注浆线路长4k m ，则流动阻 力为2 ．4 6M P a ，考虑2 0 ％的局部阻力和富裕系 数，需提供压力2 ．9 5 2M P a ；同等条件下采用圣1 2 5 管径的钢管，每千米管道的压差为0 ．4 4 6M P a ， 4k m 管道的流动阻力为1 ．7 8 4M P a ，考虑局部阻 力和富裕系数，需提供压力2 ．1 4 2M P a ． 以上实验结果表明稠化砂浆在流动中具有较 小的流动阻力。可以实现远距离泵送的要求．其阻 力较小的原因是K D C 型稠化添加剂为一种良好 的减阻剂，在砂浆与管道之间形成了一层边界层， 起到了对固液两相流的静减阻作用．静减阻是指在 流质中添加某种物质，使主流区与边界层之间形成 一个缓冲层，相应地增加了层流边界层的厚度而起 到减阻作用．K D C 型稠化曝加剂就是一种降低注 浆管路阻力的静减阻剂．在砂浆中添加了增稠剂 后，降低了附壁区的流速梯度，从而使边界层厚度 增厚，即增加了薄浆层的厚度，起到了润滑输送管 道的效果，在边界层的保护下，固体砂粒大大减弱 了对管道壁面的磨擦，减少了对管道的磨损．此外， 神东矿区的山砂颗粒较细，山砂克服其重力而悬浮 的能量小，能量损失也小；且山砂表面光滑，其流动 的阻力损失也较小．因此采用K D C 防灭火增稠剂 既对管道的磨损大幅减小，又减少流动阻力，便于 工程应用的长距离泵送． 5 结语 课题组针对神东矿区防治煤炭自燃的需要，经 过反复试验，成功研制出了具有较强稠化作用并具 有保水、无毒无味无害、不污染环境、使用方便、价 格低廉的矿井防灭火稠化添加剂．该材料由于其独 特的化学结构，可在水中形成松散的三维网状结 构，具有屈服假塑性流体特性，其中浓度为0 ．4 ％ 的黏附性添加剂具有最佳的流体力学特性．实验研 究表明稠化添加剂具有很强的悬砂能力并能降低 砂浆对管道的磨损和流动阻力，可实现砂浆的远距 离输运．稠化添加剂的成功开发，为我国西北部缺 水少土地区的矿井防灭火绿色治理提供了一种新 的技术手段，具有重要的推广应用前景． 参考文献 [ 1 3 李学诚．中国煤矿安全大全[ M ] ．北京煤炭工业出版 社，1 9 9 8 ． [ 2 3 中国矿业编辑部．煤田自燃年损失2 0 0 亿元[ J ] ．中国 矿业，2 9 9 9 ． 1 2 1 ． [ 3 3 李增华．矿用高效黏附性灭火剂的研究[ D ] ．徐州中 国矿业大学能源科学与工程学院．1 9 9 7 ． 责任编辑王玉浚 万方数据