赵春瑞 张锡佑 余大洋 王俊峰 邬剑明

（太原理工大学，山西省太原市，030024）

★煤矿安全★

复合胶体防灭火材料的制备及其性能试验研究*

赵春瑞 张锡佑 余大洋 王俊峰 邬剑明

（太原理工大学，山西省太原市，030024）

以羧甲基纤维素（CMC）为稠化剂，以聚氯化铝（PAC）为交联剂，以葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）为促凝剂，采用共混的方法配备聚氯化铝（PAC）/羧甲基纤维素（CMC）复合胶体。试验研究了复合胶体达到稳定状态过程中的p H值的变化规律，复合胶体达到稳定状态需要的时间以及复合胶体稳定后的性质。试验结果表明，当混合物的p H为4.2左右时复合胶体达到稳定状态；葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）含量变化对复合胶体达到稳定所用时间有显著影响。复合胶体性质表明其适用于煤矿防灭火。

复合胶体 p H 灭火材料 阻化率

煤炭自燃是煤矿主要的自然灾害之一，它不仅造成煤炭资源的损失，还会引起煤矿瓦斯爆炸等事故，造成巨大的人员伤亡和经济损失。目前，国内外研究应用的胶体防灭火技术具有堵漏、阻化、降温、固水性好等性能，能较好地解决灭火时水的泄漏、流失问题，但有些凝胶材料会产生刺激性气体，恶化井下生产环境，不利于防灭火工作的顺利进行。因此，研究新型复合胶体防灭火材料具有重大意义。

羧甲基纤维素（CMC）是纤维素醚类中产量最大、用途最广、使用最为方便的产品，是天然纤维经过化学改性后所获得的一种水溶性好的聚阴离子纤维素化合物，易溶于冷热水。它具有乳化分散、固体分散性、不易腐蚀、生理上无害等不同寻常的综合物理、化学性质，是一种用途广泛的天然高分子衍生物。羧甲基纤维素（CMC）为白色或微黄色粉末、粒状或纤维状固体，无臭、无味、无毒，溶于水能形成高粘度的胶体并且极易降解。因此以其作为煤矿防灭火材料是一个很好选择。

本文以羧甲基纤维素（CMC）为稠化剂采用共混法制备胶体，并研究了胶体达到稳定状态过程中的p H变化，胶体达到稳定状态需要的时间以及胶体稳定后的性质，为煤矿安全生产提供有效的借鉴。

1　试验方法

1.1试验方法

（1）交联剂的制备。首先用自来水配制浓度为20%的聚氯化铝和11%的柠檬酸混合溶液以及用自来水配制浓度为5%的氢氧化钠溶液，随后将氢氧化钠溶液以每分钟40滴的速率缓缓滴入聚氯化铝溶液中并快速均匀搅拌，待混合溶液p H值为6.0左右时停止滴入。试验过程中不停地用电动搅拌器对溶液进行搅拌，防止发生沉淀。

（2）稠化剂的制备。将CMC和自来水按一定比例通过电动搅拌器搅拌配置成浆液，静置2 h左右后继续搅拌，使浆液混合均匀，分别制备出质量分数为1%，2%和2.5%的稠化剂。

（3）促凝剂的制备。促凝剂采用山东欣宏药业有限公司生产的葡萄糖酸-δ-内酯。

（4）胶体的制备。将不同质量的交联剂、稠化剂和促凝剂混合搅拌配置不同配比的胶体，如表1所示。

表1　不同质量配比的胶体

1.2复合胶体的性能测试

（1）成胶过程中的p H变化。在制备的胶体达到稳定状态的过程中对其p H值进行测试，每5 min测一次并记录数据。

（2）胶体达到稳定状态需要的时间。胶体尚未达到稳定状态时，其粘度变化较大，胶体达到稳定状态后，其粘度会在一定数值范围内变化。因此可通过用数字粘度计测量胶体的粘度变化来测定胶体达到稳定状态所需时间。

（3）胶体的流动性测试。在底面边长为20 cm正方形的玻璃长方体中装30 cm高破碎混煤，两头用铁丝网固定，然后分别将500 ml不同质量分数稠化剂的胶体样品倒入长方体中，静置30 min后，量取下部漏出胶体体积。

（4）胶体的受热失水性分析。胶体的受热失水性主要通过测量胶体在高温下一定时间内的失水率与相同温度下水的失水率对比，进一步分析胶体的热稳定性。分别将500 g已配制好的质量分数为2.0%的胶体和500 g自来水倒入两个相同烧杯中，然后将它们同时放入已预热到200℃的烘箱中，每30 min测量两个烧杯的质量并将烤箱温度降低20℃继续试验。

（5）胶体的阻化特性分析。试验所用煤样为山西省晋城市凤凰山的无烟煤，鉴定可得煤样中C、H、O、N、S这5类主要元素的含量分别为80.09%、2.33%、1.75%、0.86%、1.82%，其余元素总含量为13.15%。首先将新取的煤样破碎然后筛选出粒径为40～80目的煤颗粒，称量两份50 g选取出的煤颗粒，分别制成50 g原煤样和50 gI复合胶体处理过的煤样。分别将原煤样和经复合胶体处理过的煤样放于煤样罐中，通入干空气，启动程序升温，升温速率为5℃/min。采用程序升温试验台测定指标气体CO随温度升高的释放情况。将放出的气体管路连接至气相色谱分析仪，计算机自动采集CO的产生情况。

2　结果与讨论

2.1成胶过程中的p H变化分析

胶体在形成过程中p H值变化主要受促凝剂GDL的影响，因此需要把促凝剂作为变量来进行研究。对表1中的A、B、C 3种胶体p H变化进行记录并分析，结果如图1所示。

图1　A、B、C三种胶体成胶过程中p H值随时间变化

其中A在45 min时形成稳定胶体，胶体稳定时p H值为4.23，B在35 min时形成稳定胶体，胶体稳定时p H为4.20，C在30 min时形成稳定胶体，胶体稳定时p H值为4.20。由图1可知，胶体在达到稳定状态过程中p H值在初始阶段变化较快，即将稳定时变化速度较慢并且胶体均在p H值为4.20左右时形成稳定胶体。

2.2胶体达到稳定状态时间分析

通过数字粘度计测量胶体达到稳定状态所需时间，胶体配比从A～I分别为45 min、35 min、30 min、33 min、32 min、32 min、46 min、38 min、33 min。通过对比胶体的成胶时间可以发现，胶体的成胶时间主要受促凝剂量的影响，即在一定范围内，促凝剂的量越大，胶体成胶所用时间越短。

2.3胶体流动性能分析

煤矿开采过程中煤自燃主要发生在存在漏风通道的采空区、开切眼、停采线、地质构造带、巷道顶部的高冒区等地点。因此，为了高效扑灭火灾，使胶体充分密封火灾面，胶体的流动性就显得尤为重要。通过不同胶体透过破碎煤体的试验得到A～I胶体的透过体积分别为95 ml、93 ml、89 ml、48 ml、46 ml、40 ml、20 ml、17 ml、15 ml。试验表明CMC质量分数是影响胶体流动性的主要因素。

2.4胶体的受热失水性分析

胶体与煤体间作用力较大，粘附力较强，能粘附于煤体表面，形成一层较厚胶体，起到隔绝着火物体与氧接触和提高冷却吸热效果。但是煤炭自燃时会产生一定的热量，因此用胶体扑灭火灾时必须考虑胶体受热时的失水性能，失水性能通过对比不同温度下胶体和水的失水率来体现。根据失水率的计算公式：

式中：E失——失水率，%；

M蒸——蒸发质量，g；

M原——物质原始质量，g。

由式（1）得到不同温度下，500 g质量分数为2.5%的胶体和500 g自来水的失水情况，如表2所示。

由表2可以看出复合胶体和水的失水率都随着温度的升高而增大，同时在不同温度水平下水的失水率均比胶体的失水率大，且温度越高水的失水率相比较复合胶体的失水率也越高。因此可知复合胶体具有良好的保水性，这点在煤矿防灭火中特别重要。

表2　复合胶体和水在不同温度下的失水率

2.5胶体的阻化特性分析

阻化作用主要指增加煤在低温时的化学惰性，实质是降低煤在低温时的氧化速度，延长煤的自然发火期，这是防治煤自然发火的关键。通过试验得到煤样释放的指标气体情况如表3所示。

表3　CO释放量随温度变化情况

阻化率是煤温在100℃时，测定经阻化剂处理前后煤样释放CO量的差值与原始煤样释放CO量的百分比。由表3可以看出，在相同的温度条件下，经过胶体处理过的煤样比原煤样释放的CO的量要低得多。阻化率的计算公式：

式中：E阻——阻化率，%；

H原——原煤样检测时CO释放量，mg/m3；

H阻——阻化样检测时CO释放量，mg/m3。

由表3和式（2）计算出煤温100℃时阻化率为66.25%，由此说明复合阻化效果较好，能有效抑制煤的氧化进程和CO的释放。

3　结论

（1）以羟甲基纤维素钠为骨体配置成的胶体防灭火材料具有较好的性能，具有任何单一灭火材料所不具有的特别性质，可提高煤矿防灭火的效果并且可降低灭火过程中所产生的危害。

（2）胶体在成胶过程中p H值变化趋势相同，即p H值刚开始下降速率较快，之后下降速率减慢。胶体在p H值为4.2左右时达到稳定状态。

（3）促凝剂的量对胶体达到稳定状态所用时间影响较大。在一定范围内，胶体达到稳定状态所用时间随促凝剂量的增加而减短。

（4）CMC质量分数是影响胶体流动性的主要因素。随着稠化剂浓度的增加，胶体的流动性明显降低。因此在煤矿灭火时应选择浓度较大的稠化剂以提高灭火效率。

（5）新型胶体防灭火材料具有良好的保水性能和阻化性质。在高温条件下，新型胶体失水速率比水慢，因此复合胶体灭火试验过程中产生的水蒸汽较少，这样可以防止防灭火时火场能见度的降低，加之其阻化效果好可显著提高灭火效率。

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Preparation of compound gel material of fire preventing and extinguishing and its experimental study of properties

Zhao Chunrui，Zhang Xiyou，Yu Dayang，Wang Junfeng，Wu Jianming
（Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Taking the carboxymethyl cellulose（CMC）as the viscosifying agent，the poly aluminum chloride（PAC）as the cross linking agent，the glucose acid-delta lactones（GDL）as the coagulant，the compound gel comprising of PAC and CMS was prepared by adopting blending method.In the process of the compound gel reaching the steady condition，the variation law of p H value was obtained，and the spent time of the compound gel reaching steady condition and the properties of stabilized compound gel were concluded.The experimental results indicate that the compound gel reaches the steady condition when the p H value of mixture is about 4.2；the GDL content has a significant effect on the spent time of compound gel reaching steady condition；the properties of compound gel show that compound gel can be used to prevent and extinguish the fire in the coal mine.

compound gel，p H，fire extinguishing material，inhibition rate

TD753

A

赵春瑞（1989-），女，在读硕士研究生，主要从事煤自燃火灾防治理论及技术的相关研究。

（责任编辑 张艳华）

国家自然基金（51274146），国家国际科技合作项目（2011DFA72310），山西省科技创新项目（20113101001）