煤矿用高分子材料事故分析.pdf
扫码移动阅读 第 41 卷 第 3 期 2020 年 6 月 煤矿机电 Colliery Mechanical & Electrical Technology Vol.41 No. 3 Jun. 2020 李冰晶. 煤矿用高分子材料事故分析[J]. 煤矿机电ꎬ2020ꎬ41362 ̄65. doi10. 16545/ j. cnki. cmet. 2020. 03. 018 煤矿用高分子材料事故分析 李冰晶 安标国家矿用产品安全标志中心有限公司ꎬ 北京 100013 摘 要 煤矿用高分子材料已在煤矿灾害治理中得到了飞速的发展ꎮ 针对近年来事故频发ꎬ按煤 矿井下用高分子材料的特点ꎬ分析了煤矿用高分子材料发生事故的原因和相关现行标准中存在的 问题ꎮ 指出了材料本身反应温度过高、阻燃性不够、标准不完善、安全认识不足等是发生燃烧事故 的主要原因ꎬ并提出了预防类似事故发生的合理化建议与措施ꎬ为煤矿用高分子材料在矿井的安全 使用提供技术指导ꎮ 关键词 高分子材料ꎻ 反应温度ꎻ 标准体系ꎻ 预防措施 中图分类号TQ314 文献标志码B 文章编号1001 -0874202003 -0062 -04 Analysis on Accidents of Polymer Materials Used in Coal Mine LI Bingjing Mining Products Safety Approval and Certification Center Co. ꎬ Ltd. ꎬ Beijing 100013ꎬ China Abstract Polymer materials used in coal mine have been developed rapidly in coal mine disaster control. In view of the frequent accidents in recent yearsꎬ according to the characteristics of polymer materials used in coal mineꎬ the causes of accidents of polymer materials used in coal mine and the existing problems in relevant current standards have been analyzed. It has been pointed out that the main causes of combustion accidents are excessive reaction temperatureꎬ insufficient flame retardancyꎬ imperfect standards and insufficient safety awareness. Rationalization suggestions and measures to prevent similar accidents have been put forwardꎬ which can provide technical guidance for the safe use of polymer materials in coal mines. Keywords polymer materialsꎻ reaction temperatureꎻ standard systemꎻ preventive measure 0 引言 煤矿用高分子材料具有浸润渗透性高、凝结速 度快、固化时间短、注浆后收缩量小、黏结与抗压性 能较好、持久性和防渗透能力强等特点ꎬ近十年来ꎬ 已在煤矿井下得到广泛应用ꎮ 据不完全统计ꎬ相关 产品生产单位已经超过百家ꎬ使用的矿井超过2 000 处ꎬ年使用量 4 5 万 tꎮ 其中用量较大的是加固和 充填材料ꎬ约占整个高分子材料的 90%ꎮ 近年来ꎬ 高分子材料在煤矿采掘、通风、瓦斯、防治水等环节 的使用日趋广泛ꎬ取得了显著的经济效益和社会效 益ꎬ并为矿山安全生产及事故应急救援做出了巨大 贡献ꎮ 但随着该项技术在煤矿井下大量推广应用ꎬ 其高分子材料几乎每年都会发生冒烟和着火等严重 灾害[1]ꎮ 高分子材料在井下混合的过程属于化学 放热反应ꎬ不可控因素较多ꎮ 因此ꎬ高分子材料的使 用与安全管理亟待加强ꎮ 1 高分子材料应用基本情况 煤矿用高分子材料在煤矿井下使用ꎬ主要是将 A、B 两种液体组分在井下经注浆泵混合后进行注 浆作业ꎬ经过一段时间凝固ꎬ最终生成需要使用的材 料 C 的产品ꎬ俗称 AB 料ꎮ 按照用途ꎬ主要有 4 种类型堵水用高分子材 料、喷涂堵漏风用高分子材料、加固煤岩体用高分子 材料、充填密闭用高分子发泡材料ꎮ 按成分分类ꎬ主 要包括聚氨酯、酚醛树脂、尿醛树脂、丙烯酸盐、不饱 和聚酯、木质素等[2]ꎮ 目前执行标准包括 AQ 10872011煤矿堵水 用高分子材料 [3]、AQ 10882011煤矿喷涂堵漏 风用高分子材料 [4]、AQ 10892011煤矿加固煤 岩体用高分子材料 [5]、AQ 10902011煤矿充填 密闭用高分子发泡材料 [6]ꎮ 2 高分子材料在井下发生事故的原因分析 A、B 料在井下混合的过程属于化学放热反应ꎮ 如果产品质量差如 A、B 料的闪点低等、注浆过程 控制不当使反应温度过高、生成物 C 料不阻燃等ꎬ 可能造成炭化失效、自燃、燃爆、火灾、燃烧ꎬ以及产 生有毒有害气体导致中毒、腐蚀等事故[7]ꎮ 2. 1 冒顶事故 四川某煤矿 +1 030 m 水平四采区4238 综采工 作面在使用有机高分子充填加固材料处理 18#26# 支架顶部高冒区的过程中ꎬ发生火灾事故ꎬ导致整个 采区被封闭ꎮ 事故直接原因4238 综采工作面 18#26#支架 段高冒区内充填的 20 t 加固材料反应放热ꎬ导致材 料内部温度升高、着火ꎬ点燃木垛ꎬ引燃工作面煤壁 和回风侧可燃物及煤层ꎬ引发火灾ꎮ 事故间接原因包括 1 安全技术管理混乱ꎮ 2 不同的高分子材料混用ꎮ 3 空气流通环境差ꎮ 由于前头是封闭的冒落 空间ꎬ几乎不流通ꎬ且冒落空间体积有限ꎬ从而造成 大量热量无法散发出去ꎬ形成热量积聚区ꎮ 4 材料自燃ꎮ 注水降温力度不够ꎬ该掘进头的 水量、水压都不大ꎬ无法对高温点注入大量冷却水ꎬ 从而引发高分子材料自燃ꎬ进而引起煤炭燃烧ꎮ 2. 2 冒烟事故 淮北某煤矿 7118 工作面 5#钻场已充填完毕的 高分子材料发生化学反应ꎬ产生大量有毒有害气体ꎬ 一名工人被熏倒在钻场门口下侧ꎬ经抢救无效后 死亡ꎮ 事故直接原因充填材料不合格ꎬ充填后产生高 温及有毒有害气体ꎬ导致人员中毒死亡的责任事故ꎮ 事故间接原因包括 1 充填材料采购随意性大ꎮ 未从正规厂家进 货、验收ꎮ 2 通风区材料验收人员工作失职ꎬ只看数量ꎬ 不验质量ꎮ 3 危险源辨识能力差ꎮ 通风区瓦斯检查员在 第三次巡查时闻到气味、看到黄色烟雾ꎬ但没有 通报ꎮ 4 工作职责不清ꎮ 机构调整ꎬ防突区刚挂牌ꎬ 没有正常运作ꎻ施工人员未对充填材料进行鉴别就 直接使用ꎬ造成充填材料化学反应ꎬ产生高位和有毒 有害气体ꎮ 3 现行标准中存在的问题 煤矿用高分子材料的 4 个标准已于 2011 年发 布实施ꎮ 从现有情况看ꎬ该系列标准的实际应用效 果并不理想ꎬ各方对标准有较大异议ꎮ 现行标准仅 对高分子材料在常温条件下的阻燃抗静电能力和机 械性能进行了规范ꎬ而针对矿用高分子材料注浆材 料的反应特性、反应放热自身安全性、反应放热引发 煤自燃的可能性、燃烧后产生的烟气毒性及针对放 热问题的安全施工工艺等重要内容尚未涉及ꎬ也并 未通过指标进行规范ꎮ 加固和堵水类高分子材料标准存在的主要 问题 1 AQ 10892011 中按加固材料在煤岩体中 的不同部位可分为 C 类煤体加固和 R 类岩体加 固ꎮ 在实际应用过程中ꎬ多数情况下难以区分ꎮ 2 抗老化性能指标表述为“表面无变化ꎬ质量 无损失”ꎬ这个表述有问题ꎮ 在老化过程中有些溶 剂小分子挥发ꎬ其质量一定会减少ꎬ但是一般不会不 影响其力学性能ꎮ 3 标准中的“有害物质限量”表述比较模糊ꎬ 应当根据材料类型进行具体化ꎬ增加材料烟气毒性 检测ꎬ定量检测有毒有害气体含量HCN、NO、CO、 卤酸气体等ꎮ 充填密闭类高分子材料标准存在的主要问题 1 AQ 10902011 中将材料分为 N 类和 P 类ꎮ 在实际注浆过程中ꎬ封孔用途的材料也是需要承载 抗压的ꎬ故无需分类ꎮ 2 标准中的闪点测定问题ꎮ 一般 A 料无法测 出闪点ꎬ50 60 ℃开始冒泡ꎬ80 90 ℃溢锅ꎬ100 110 ℃凝结ꎻB 料是酸类ꎬ测不出闪点ꎮ A 料中可能 添加有低沸点的物质发泡剂ꎬ在加热后气体溢 出ꎬ膨胀ꎬA 料就会冒泡ꎬ溢锅甚至凝结ꎬ很难测定ꎮ 3 标准中规定膨胀倍数不低于 25 倍ꎮ 煤矿井 下环境不同ꎬ有些需要较大的膨胀倍数ꎬ有些则不需 要ꎮ 一般来说ꎬ膨胀倍数越高ꎬ材料的力学强度越 低ꎬ一般规定材料的膨胀倍数不低于 10 倍即可ꎮ 362020 年第 3 期李冰晶煤矿用高分子材料事故分析 4 标准中的“有害物质限量”表述比较模糊ꎬ 应当根据材料类型进行具体化ꎻ应增加材料烟气毒 性检测ꎬ定量检测有毒有害气体含量HCN、NO、 CO、卤酸气体等ꎮ 4 井下事故原因的初步分析 煤矿用高分子材料用于煤矿灾害治理在近十年 得到飞速发展ꎮ 仔细观察该行业的发展情况ꎬ不难 发现该行业具有两大显著特点ꎬ第一ꎬ高分子加固材 料的技术来源较单一ꎬ研发后劲不足ꎻ第二ꎬ高分子 材料的用户对材料的性能认识不足ꎬ参与度不够ꎮ 也正是高分子材料行业的这两个特点ꎬ带来了一些 安全生产灾害治理及安全管理问题ꎬ也间接造成了 安全生产着火事故的发生ꎮ 归纳起来ꎬ高分子加固材料引发着火事故主要 包括以下几个原因 1 高分子材料的阻燃性能差ꎮ 高分子材料本 身不阻燃ꎬ需加入添加剂才能满足阻燃要求ꎮ 而实 际应用过程中ꎬ阻燃剂的掺量和质量都很难保证ꎮ 一旦温度过高ꎬ阻燃达不到要求ꎬ容易产生着火冒烟 事故ꎮ 2 高分子材料的放热温度高ꎮ 在高分子材料 的固化过程中会放出大量热量ꎬ而放热温度直接关 系到煤矿的安全ꎬ尤其是在高瓦斯、有煤尘矿井ꎮ 采 用 AQ 10892011 标准规定的试验方法ꎬ对比了聚 氨酯加固材料和改性聚氨酯加固材料的最高反应温 度及温度随时间变化的差异ꎬ如图 1 所示ꎮ 图 1 加固材料最高反应温度及温度随时间变化 由图 1 看出ꎬ聚氨酯加固材料具有明显的最高 反应温度 135 ℃ꎬ而改性聚氨酯加固材料具有 较低的最高反应温度 90 ℃ꎮ 另外ꎬ高分子加固 材料的温度衰减情况也是改性聚氨酯加固材料明显 好于聚氨酯加固材料ꎮ 1 h 时聚氨酯加固材料温度 衰减到 69 ℃ꎬ而改性聚氨酯加固材料的温度不足 46 ℃ꎮ 200 mL 总体积下尚有如此区别ꎬ如果施工 中注入大量体积的高分子加固材料ꎬ而且施工环境 复杂潮湿时ꎬ区别就会越来越大ꎮ 有资料显示加入 1%水后某聚氨酯加固材料的放热温度甚至达到 340 ℃ [8]ꎮ 3 高分子材料施工方案论证不充分ꎮ 由于煤 炭企业对高分子材料的认识不足ꎬ造成材料施工方 案提出、修改及最终确定等过程的互动性不够ꎮ 在 施工过程中ꎬ安全准备、预案准备及响应等方面存在 滞后或不完善的情况ꎬ都为高分子材料着火事故的 发生埋下隐患ꎮ 4 安全意识不足ꎮ 因高分子材料发生的着火 事故每年都有发生ꎬ一个不容忽视的问题就是安全 意识不足ꎮ 不管是材料生产企业还是煤炭企业ꎬ都 缺少强有力的安全责任意识ꎮ 5 预防措施的建议 结合以上意见及高分子材料自身的特点ꎬ为进 一步提高高分子材料的安全性ꎬ改善高分子材料的 现状ꎬ提出如下建议 1 提高产品生产制造准入门槛ꎬ提升产品专业 化水平ꎮ 该类产品生产属于化工产品生产过程ꎬ企 业应建立健全安全生产责任制和相关的安全生产制 度ꎮ 生产时ꎬ要做好生产员工的个人安全防护ꎬ严格 按照操作规程和工艺规程进行操作ꎮ 应严格控制原 材料质量ꎬ当原材料发生大的变化时需进行配方调 整ꎬ保证生产出合格的煤矿用高分子材料ꎮ 2 科学使用ꎬ加强维护管理ꎮ 目前市场使用的 加固煤岩体用材料主要有聚氨酯类和硅酸盐类ꎮ 而 酚醛树脂类、脲醛树脂类由于其使用性能如抗压 性能、黏接强度等不能满足加固类标准的要求ꎬ主 要用于煤矿的充填密闭ꎮ 高分子注浆材料在煤矿井 下使用时应严格按照以下要求进行 1 准确把握注浆材料用量ꎬA、B 组分类装 运ꎬ分类存放ꎬ井下不得存储高分子材料ꎮ 2 同一施工地点不得使用不同类型、不同性 能、不同厂家的高分子材料及其他化学材料ꎮ 3 严禁多孔同时注浆ꎬ单孔一次注入最大剂 量不得超过 5 组每组 A、B 组分别不得超过 125 kgꎻ当注浆时ꎬ端面顶帮出现掉渣及片帮等现象ꎬ 应立即停止注浆ꎻ注浆眼及顶帮端面出现浆液也应 立即停止注浆ꎬ一般每眼注浆时间以 10 20 min 为宜ꎮ 4 严禁向冒高区、空洞区等较大空间内注浆ꎬ 只能向松散煤岩体注浆ꎬ防止注浆材料大量聚积放 热反应ꎮ 5 施工前高压供水管路延接到施工地点ꎬ干 粉、CO2灭火器材配备齐全ꎻ施工地点设专人监测一 46煤矿机电2020 年第 41 卷 氧化碳、氧气和温度变化情况ꎮ 注浆过程中每 10 min 至少观测 1 次ꎬ当发现煤体温度及一氧化碳异 常时ꎬ立即停止工作面内全部作业ꎬ按照事先制定的 应急预案及时处理ꎮ 6 注浆结束后ꎬ施工现场继续监测一氧化碳、 氧气和温度变化情况ꎬ连续观测时间不得低于16 hꎬ 每 20 min 至少观测一次ꎮ 3 加强标准体系研究ꎬ完善标准和法规ꎮ 2011 年发布实施的 AQ 1087 1090 四项标准ꎬ在规范煤 矿堵水、喷涂堵漏、加固煤岩体和充填密闭用高分子 材料的生产、检验等方面发挥了一定作用ꎮ 但在实 际使用中发现一是有部分内容规定不合理ꎬ如对 “闪点”及试验方法的规定ꎻ二是“最高反应温度”一 项不能反映实际使用过程中的安全性ꎻ三是部分项 目可操作性不强ꎬ如对“抗冻融性能”要求 200 个循 环ꎬ一个循环至少需要 24 hꎻ四是标准中“有害物质 限量”表述比较模糊ꎬ应当根据材料类型进行具体 化ꎮ 建议增加材料烟气毒性检测ꎬ定量检测有毒有 害气体含量HCN、NO、CO、卤酸气体等ꎮ 可采用 GB/ T 202852006材料产烟毒性危险分级 [9] 进 行危险等级划分ꎮ 建议在煤矿安全规程中增加对高分子材料 使用场所的规定ꎮ 4 加强制度建设ꎬ落实岗位责任制ꎮ 为保障作 业人员的安全健康、防范事故ꎬ煤矿在使用产品前应 当进行安全性、环保性评估ꎮ 因为有些高分子注浆 材料有刺激性气味ꎬ操作不当会危及自身和他人的 安全健康ꎬ同时因不当的注浆施工工艺引发的煤层 着火事故也时有发生ꎮ 煤矿注浆施工人员和现场管 理人员需要接受安全技术教育和专业培训ꎬ并取得 相应的资格证书方能上岗ꎮ 同时ꎬ应加大执法和监 管力度ꎬ杜绝隐患ꎮ 6 结论 本文按井下用高分子材料的特点ꎬ指出了其本 身反应温度高、阻燃性差、标准不完善等是井下发生 事故的主要原因ꎬ并提出了预防事故发生的措施ꎬ以 保证煤矿井下的安全生产ꎮ 参考文献 [1] 蒋硕忠. 我国化学灌浆技术发展与展望[J]. 长江科学院院报ꎬ 2003525 ̄27. [2] 吴怀国ꎬ魏宏亮ꎬ田凤兰ꎬ等. 矿用高分子注浆加固材料性能特 点及研究方向[J]. 煤炭科学技术ꎬ2012ꎬ40527 ̄29. [3] 全国安全生产标准化技术委员会煤矿安全分技术委员会. 煤 矿堵水用高分子材料AQ 10872011[S]. 北京中国煤炭工 业出版社ꎬ2011. [4] 全国安全生产标准化技术委员会煤矿安全分技术委员会. 煤 矿喷涂堵漏风用高分子材料AQ 10882011[S]. 北京中国 煤炭工业出版社ꎬ2011. [5] 全国安全生产标准化技术委员会煤矿安全分技术委员会. 煤 矿加固煤岩体用高分子材料AQ 10892011[S]. 北京中国 煤炭工业出版社ꎬ2011. [6] 全国安全生产标准化技术委员会煤矿安全分技术委员会. 煤 矿充填密闭用高分子发泡材料AQ 10902011[S]. 北京中 国煤炭工业出版社ꎬ2011. [7] 方爱梅. 煤矿中使用高分子材料给安全工作带来的隐患[J]. 淮南矿业学院学报ꎬ1989291 ̄95. [8] 吴怀国. 矿用高分子注浆加固材料安全性试验研究[J]. 煤炭 科学技术ꎬ2013ꎬ411153 ̄55. [9] 全国消防标准化技术委员会第七分技术委员会. 材料产烟毒 性危险分级 GB/ T202852006 [S]. 北京中国标准出版 社ꎬ2006. 作者简介李冰晶1987ꎬ女ꎬ工程师ꎮ 毕业于中国矿业大学北 京硕士学位ꎬ现在安标国家矿用产品安全标志中心有限公司从 事煤矿产品安全认证工作ꎮ 收稿日期2019 -06 -14ꎻ责任编辑贺琪 上接第 61 页 随着科技的不断进步ꎬ工艺手段的不断完善ꎬ本 标准体系将会不断更新ꎮ 通过生产实践活动ꎬ进一 步丰富和提高液压支架再制造企业标准体系的内 容ꎮ 实现液压支架再制造企业标准体系的与时俱 进ꎬ为公司再制造业的蓬勃发展提供更强大的技术 支撑ꎮ 参考文献 [1] 国家煤矿安全监察局. MT/ T 10972008 煤矿机电设备检修技 术规范 5. 1 液压支架[S]. 北京煤炭工业出版社ꎬ2012. [2] 中国煤炭工业协会. GB 25974. 12010 煤矿用液压支架第 1 部分通用技术条件[S]. 北京中国标准出版社ꎬ2011. [3] 中国煤炭工业协会科技发展部. 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