采空区高硫煤层凝胶阻化剂的研制

采空区高硫煤层凝胶阻化剂的研制

1煤炭提高一环的理论在煤炭开采过程中，煤矿自发火灾是人类未来面临的一项重大自然灾害。煤炭自燃机理及其防灭火技术的研究受到人们越来越多的关注。煤炭自燃现象虽然从十七世纪已开始为人们所注意和研究,但是、由于煤的结构及自燃过程的复杂,尽管很多学者进行了大量的研究工作,提出了不少假说,迄今还没有一种学说能阐明自燃全过程本质的理论。本文运用黄铁矿作用学说来阐述煤层自燃机理,并研制出新的凝胶阻化剂,通过实际应用来防止煤炭自燃的发生。2煤的承担及承担机理可燃物质、助燃物质和火源三个基本条件是燃烧的三要素,同样,对于采空区煤层自燃,也必须具备这三个条件,也就是说,发生火灾的条件必须是可燃物质和助燃物质共同存在,并构造成一个燃烧系统,同时要有导致着火的火源。由于受开采技术和地质等条件的限制,采空区总有煤的存在,这为煤层自燃提供了高热值易燃物质,而矿井是个开放空间,内部有空气等助燃物或氧化剂,因此,只要具有一定温度和热量的能源,便能引起煤层自燃。煤的氧化和自燃主要是煤在空气中氧化产生CO、CO2、H20和其他一些低级碳氢化合物气体。研究煤层自燃机理,重点就在于煤层内部热积蓄的过程,研究煤层物质之间的氧化还原反应热。煤炭的初期氧化现象被认为是基链反应,即煤炭在生成过程中,形成许多含氧游离子。常温下煤从空气中吸附的氧,只能与这些游离基反应,并且生成更多的稳定性不同的游离基。这时既观测不到煤体温度的变化,也看不到其周围环境温度的上升。煤的氧化过程比较缓慢,但它确在变化之中,如重量略微增加,着火温度下降,化学活性增强,这个阶段通常称为煤的自燃潜伏期。经过潜伏期以后,煤的氧化速度增加,不稳定的氧化物分解成水、二氧化碳与一氧化碳。氧化产生的热量集聚使煤体温度继续升高,超过其自燃的临界温度(60～80℃)之后,煤温上升急剧加速,氧化过程加快,开始出现煤的干馏,生成芳香族的碳氢化合物、氢及一氧化碳等可燃气体,这就是煤的自热期。自热期的发展有可能使煤体温度上升到着火温度(300～500℃)而导致自燃,煤的着火温度由于煤的种类的不同而异。如果煤体温度不能上升到临界温度(60～80℃)或者虽然上升到这一温度,但由于外界散热条件的变化降了下来,煤进入风化状态,自燃倾向性较弱的煤炭在氧化进程中常常出现风化现象,风化了的煤不再发生自燃。进入自燃期则会出现一般的准燃烧现象,如生成烟雾、一氧化碳、二氧化碳、各种可燃气体,最后出现明火而燃烧。图1表示了煤的自燃过程。对于含硫量大于0.5%的中、高硫煤来说,硫在煤中主要是以FeS2形式存在,在潮湿供氧环境下,将发生缓慢氧化。随着热量的积聚,将进一步发生如下氧化反应:只要有供氧环境和聚热环境,上面两反应将同时继续进行,使热量进一步积聚,从而发生以下反应:上面三个反应同时进行,结果使热量不断增加,如果供氧充分,最后将使煤炭着火,发生燃烧反应:这就是实际高硫煤矿煤层自燃发火的黄铁矿作用学说。3煤的内部特性通过对煤层自燃机理的分析,我们知道煤炭自燃必须具备以下三个条件:①煤具有自燃倾向性(即在常温下有较高的氧化活性);②有连续的供氧条件;③热量易于积聚。第一条为煤的内部特性,它取决于成煤物质和成煤条件,表示煤与氧相互作用的能力,后两条为外因,决定于矿井的地质条件和开采技术。本文研究配制了新型的凝胶阻化剂,消除自燃的一个或多个条件,从而防止煤炭自燃的发生。3.1可吸热型凝胶反应过程主要体现该技术的防火原理是将一种或几种物质的溶液或乳浊液(阻化剂)灌注到采空区煤壁或煤柱裂缝等易于自燃的地点,阻化剂附于煤的表面,隔绝氧化、阻止煤的氧化,从而起到防火作用。根据选定的基料和促凝剂,将他们按一定比例配成水溶液后,即发生凝胶作用,其反应过程大致如下:Na2O·S04+H20+促凝剂→Si(OH)4+…其硅胶结构(如图2所示)可看成:胶体内部充满水分子,硅胶起框架作用,把易流动的水分子都固定在硅胶内部,对煤炭进行包裹,以达到隔氧的目的。同时成胶过程是一个吸热过程,可以起到对煤炭吸热降温作用,其吸热量与胶体浓度和原材料有关。最后形成的凝胶主要从以下五个方面对煤矿起防火作用:(1)凝胶具有固水作用,能使胶体中90%以上流动的水固结起来。(2)凝胶有良好的吸热降温性能,当煤体温度上升时,胶体中的水分蒸发吸收大量热量,从而使煤体温度降低。(3)凝胶具有良好的密封堵漏性能,凝胶在成胶前是易于流动的液体,能渗透到采空区的缝隙中去,成胶后便能堵住漏风通道。(4)凝胶具有良好的阻化性能。(5)凝胶具有良好的热稳定性。3.2石灰浆的降解根据煤炭自燃发火的黄铁矿作用学说,如果在煤着火前灌注石灰石浆,将发生如下反应:由以上反应可以看出,石灰浆不但可以与火区产生的有害气体SO2发生直接或间接的化学反应,起到吸收有害气体的作用,而且其生成物分解时吸收大量的热量,起到明显的降温作用。3.3石灰与碳酸氢铵的作用石灰、水玻璃本身都是较好的防灭火阻化剂,但各自存在着不足之处(如表1所示)。两种原料混合后不但会充分发挥各自的功能,更重要的是它们可以克服对方的缺点,发挥更好的效果,其主要表现在:(1)石灰石加入水后不能吸收水分,而水玻璃加碳酸氢铵可吸收90%以上的水分,从而形成胶体。(2)对高硫矿来说水玻璃的阻化防灭火效果没有石灰石好,而且长时间后,胶体会老化,失去作用,而石灰会长期存在,长期起到防灭火作用。(3)石灰石和水玻璃)NH4HCO3不会发生任何化学反应,不会影响各自的阻化效果。(4)石灰石和水玻璃混合后可以增强胶体的强度,使阻化效果更好。(5)由于石灰石的加入客观上降低了碳酸氢铵的浓度,从而使氨气的生成量大大降低,改善了工作环境。(6)凝胶阻化剂是高含水材料,注入煤体后,使煤体含水量显著升高,起到降温阻燃作用,从而预防煤自燃。(7)虽然NH3气的产生破坏了工作环境,对工作人员有一定的伤害作用,但NH3气具有稀释空气降低氧化反应速率的作用,从客观上也起到了一定的阻化作用。4无凝胶阻化剂溶液配制通过正交实验设计方法,实验研制了新型的凝胶阻化剂,并在某矿4210工作面进行试验。所有注浆设备和工艺都布置在工作面的回风巷,通过管道将新型凝胶阻化剂浆液输入采空区里,并在同一工作面的上隅角和回风巷分别测定在无凝胶阻化剂和注入新型凝胶阻化剂时,CH4、C02和CO浓度及温度值。绘制图3～6所示的CH4、C02和CO浓度及温度值随工作面开采后时间的变化曲线。4.1工作面上芳角在实测温度上的表现从这些曲线图中我们看到4210回采面使用新型凝胶阻化剂后,各重要参数都有了明显的下降。煤层温度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度是煤层自燃现象严重与否的重要参数,它们的下降充分说明了煤层自燃现象的减弱。从图3可以看出,4210工作面回风巷、上隅角两处的实测温度在开始阶段是随着工作面开采而逐渐增加。该回采工作面开采90天后,回风巷温度的实测值为32℃,上隅角处的温度为34.5℃,这段时间没有在采空区注入新型凝胶阻化剂,由于工作面回风巷和上隅角实测的温度值较高,因此可以断定该回采区内的遗煤开始氧化。向该回采工作面注入新型凝胶阻化剂后,回风巷和上隅角的温度均有所下降,到注入新型凝胶阻化剂的170天后,两处的实测温度都趋于不变,回风巷处的温度为28.5℃,上隅角处的温度为30℃。同样我们可以从图4中看出,4210工作面回风巷、上隅角两处的一氧化碳浓度变化趋势和这两处的温度变化趋势类似,同样是开始时浓度升高,用了新型凝胶阻化剂后逐渐降低并趋于一稳定值。说明了该新型凝胶阻化剂阻止了采空区遗煤的氧化时间,起到了很好的防灭火效果。图5和图6表明了4210工作面回风巷和上隅角CH4、C02浓度随工作面开采后时间的变化曲线。从这些曲线可知,工作面的CH4浓度都比较高,这主要是煤层埋藏的地质条件所决定的,与采空区是否注入凝胶阻化剂无关;C02浓度还与工作而是否放炮有关系。通过4210工作面新型凝胶防灭火阻化剂的现场试验,进一步证明用新型凝胶阻化剂来防止回采工作面采空区遗留煤自燃氧化是有效的,并能降低成本。5凝胶阻化剂阻化剂防火效果根据某矿为高硫矿易自燃的实际情况,在凝胶阻化剂的基料水玻璃中加入了石灰石。基于石灰石和高硫矿中的硫发生化学反应,从