防治煤自燃的高稳定泡沫凝胶的制备及其特性研究

蔡春城

（上海大屯能源股份有限公司孔庄煤矿，江苏 徐州 221600）

孔庄煤矿7303综采工作面北为-760 m等高线，南到7301 工作面溜子道，东至KF13 断层，西至Ⅲ5 采区人行下山。工作面对应地面标高+33.38 m，工作面标高为-641.6～ -764.7 m，工作面走向长1 015.0 m，倾向长205.0 m （斜长217 m），煤层厚度2.90～5.00 m，平均厚度3.20 m，工作面煤层倾角在15°～25°，平均倾角19°，工作面斜面积211 175 m2。7303 工作面过断层期间，由于回采推进速度慢，断层区域采空区及顶煤存在煤炭自燃风险，因此为加强工作面过断层期间采空区防灭火工作，确保工作面的安全生产，研制了一种新型防灭火材料即高稳定性泡沫凝胶[1-6]。

1 材料与方法

1.1 材料

实验原料：水玻璃（WG），40 °Bé，模数3.3，含量34%，山东优索化工科技有限公司（中国）；碳酸氢钠（NaHCO3），含量≥ 99.5%，pH 值（50 g/L，25 ℃）≤8.6，水不溶物≤0.01%，分析纯；改性有机硅聚醚乳液（MPS），含量55%，临沂绿森化工有限公司；复合表面活性剂（CFA）：主要包含脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠。

1.2 制备流程

（1）制备质量浓度为0.7 %的CFA 溶液，然后加入一定量的MPS 进行搅拌直至均匀。 （2）加入一定量的WG 并搅拌均匀。（3）加入一定量的NaHCO3溶液，机械搅拌发泡。

具体制备流程如图1。

图1 高稳定性泡沫凝胶的制备流程

1.3 高稳定性泡沫凝胶的性能表征

1.3.1 成胶时间

将NaHCO3溶液加入到WG 中混合并充分搅拌5 s，停止搅拌后即开始计时T1，每隔2 s 轻微晃动样品并观察浆液流动状态，直至浆液凝固，记录时间T2，成胶时间T=T2-T1。

1.3.2 微观结构

采用徕卡电子显微镜（DVW5000HD，Japan）观察泡沫的微观结构。利用图像分析软件，分析泡沫体系中气泡尺寸的分布特征及演化过程[7-9]。

1.3.3 灭火试验

用柴油作为点火材料。灭火材料包括水、传统泡沫凝胶和高稳定性泡沫凝胶。灭火试验装置包括热电偶、注浆插管、铁架台和数据采集系统。热电偶放置在煤堆中间，灭火剂流速为60～80 L/s，灌注压力为0.6～1 MPa。灭火过程：用柴油引燃煤堆，使用注浆插管将灭火剂灌注到燃烧10 min 后的煤堆，用热电偶监测燃烧过程中温度的变化。灭火试验重复三次，结果取平均值。

1.4 高稳定性泡沫凝胶的现场应用

预先对井下液压支架架间煤体进行钻孔，随后通过钻孔向煤体注入泡沫凝胶。每个支架均布设3个钻孔：架前钻孔、架中钻孔和架后钻孔。

2 试验结果

2.1 成胶时间

表2 显示了不同浓度NaHCO3和WG 对成胶时间的影响。从表中可以看出，随着WG 和NaHCO3浓度的增加，发泡溶液的粘度逐渐增加，成胶时间逐渐缩短。这主要是因为随着WG 和NaHCO3浓度的增加，二者之间发生的无机缩聚反应得到加速，从而大大缩短了成胶时间。考虑到现场应用的限制，如管道运输和成本，胶凝时间一般应控制在1～5 min。因此，WG 和NaHCO3的浓度最终分别以10wt%～11wt%和3wt%～4wt%最佳。

2.2 微观结构

图2 显示了传统泡沫凝胶和高稳定性泡沫凝胶的微观结构。从图2（a）、（b）可以发现，在0～1 h 泡沫粗化的过程中，两种泡沫凝胶中的小气泡都合并成了大气泡，泡沫表面积变小。传统泡沫凝胶的气泡平均尺寸从1.37 mm 增加到2.46 mm，高稳定性泡沫凝胶的气泡平均尺寸从0.62 mm 增加到0.89 mm，这说明高稳定性泡沫凝胶具有更好的稳定性。这主要是因为高稳定性泡沫凝胶的气泡液膜更稳定，减缓了气体的扩散速度和液体的流动速度，减弱了气泡的粗化和析液。

表1 不同浓度碳酸氢钠和水玻璃对成胶时间的影响规律

图2 0 h 和1 h 泡沫的微观结构

2.3 灭火性能

图3 显示了水、传统泡沫凝胶和高稳定性泡沫凝胶进行灭火实验所得的温度曲线。从图3 可以发现，温度呈现出先升高后降低的趋势，温度升高对应着煤炭燃烧阶段，温度降低对应着灭火阶段。煤炭在燃烧一段时间后，温度达到600 ℃，然后用等量的灭火材料进行灭火，煤堆中的热电偶测量到温度快速下降，这表明三种灭火材料都有良好的冷却降温效果。其中，在用水和传统泡沫凝胶进行灭火时发现，两种灭火材料易流失、蒸发，不能完全覆盖煤体，并且会出现复燃现象，不具备长时间的防灭火性能；而在用高稳定性泡沫凝胶进行灭火时发现，其具有较好的堆积附着性，能够长时间的包裹煤体，并且不会出现煤堆复燃的现象，具有理想的防灭火性能。上述灭火结果的差异主要是因为高稳定性泡沫凝胶具有较高的稳定性，其中的水分在蒸发后可在煤体表面形成稳定性能良好的凝胶隔氧膜，阻断煤体与氧气的进一步接触而氧化，起到了窒息灭火的作用。

图3 不同防灭火材料的灭火效果

2.4 矿井总回风流CO 浓度的变化情况

图4 展现了压注高稳定泡沫凝胶后矿井总回风流CO 浓度的变化情况。从图中可以发现，未压注高稳定泡沫凝胶时，矿井总回风流中CO 浓度超过2.4×10-5（例如，2021 年6 月7 日高达1×10-4）。2021 年6 月21 日—2021 年7 月2 日循环压注高稳定泡沫凝胶，CO浓度迅速降低，稳定在1×10-5以下。停止压注泡沫凝胶后，CO 浓度依然较低。这表明高稳定泡沫凝胶具有良好的防灭火效果。

图4 压注泡沫凝胶前后矿井总回风流CO 浓度的变化情况

2.5 防灭火机理

图5 显示了高稳定性泡沫凝胶的灭火机理。首先，高稳定性泡沫凝胶具有良好的堆积附着性，能够很好地包裹住高温煤体并借助自身含有的大量水分对煤体进行物理降温，其中的水分在吸收大量热量后会相变为水蒸气而散失。当高稳定性泡沫凝胶失水到一定程度后，促使其中的凝胶组分浓度变大，成胶时间缩短，进而在煤体表面形成凝胶隔氧膜，形成的凝胶隔氧膜能够阻断煤体与氧气的接触，从而防止煤的进一步氧化。

图5 高稳定性泡沫凝胶的灭火机理

3 结论

为预防和控制采空区煤自燃，本文利用WG、NaHCO3、CFA 和MPS 研发出一种高稳定性泡沫凝胶，对比分析了泡沫凝胶的成胶时间、微观结构和灭火效果，阐明了高稳定性泡沫凝胶的防灭火机理，主要结论总结如下：

（1）高稳定性泡沫凝胶的稳定性随着WG 和NaHCO3的掺量增加而增加，成胶时间随着WG 和NaHCO3的掺量增加而缩短。WG 和NaHCO3的浓度优选为10wt%～11wt%和3wt%～4wt%。

（2）与传统泡沫凝胶相比，高稳定性泡沫凝胶的气泡尺寸更小且均匀，并且随着时间的增加，气泡尺寸变化幅度小，这说明高稳定性泡沫凝胶具有较好的稳定性。

（3）通过灭火实验发现，高稳定性泡沫凝胶具有良好的堆积附着性和降温效果，在失水一定程度后，其能够在煤体表面形成凝胶隔氧膜，从而进一步阻止了煤与氧气的接触，具有较好的防灭火效果。

（4）现场监测CO 气体浓度的数据表明，矿井总回风流中CO 浓度远低于2.4×10-5，泡沫凝胶的应用效果显著。