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疏水采空区水成隔氧膜抑制煤自燃技术研究

疏水采空区水成隔氧膜抑制煤自燃技术研究

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作者：颜旗中国矿业大学

学位级别：硕士

积水采空区内长期浸泡的遗煤物化性质发生改变,进而呈现自燃倾向性增加的现象,同时疏放水工作造成采空区漏风加剧,导致浸水遗煤暴露在空气中,为遗煤的氧化自燃提供了条件。目前,针对矿井遗煤的自燃防治技术已形成较为完备的体系,但现有... 详细信息

积水采空区内长期浸泡的遗煤物化性质发生改变,进而呈现自燃倾向性增加的现象,同时疏放水工作造成采空区漏风加剧,导致浸水遗煤暴露在空气中,为遗煤的氧化自燃提供了条件。目前,针对矿井遗煤的自燃防治技术已形成较为完备的体系,但现有技术对于大范围的水浸采空区疏放水后遗煤自燃问题的应用受限,防治效果也存在不足。为了有效解决疏放水后水浸遗煤自燃问题,本文基于积水采空区环境特性、疏放水工程条件与水浸煤自燃特性提出了采空区疏放水期间水成隔氧膜抑制煤自燃技术。为此,论文采用理论分析、实验测试及现场应用相结合的手段对水成膜材料的制备、相关特性、阻化性能与应用效果进行了系统研究,并基于此制定完善现场应用工艺。首先,根据水成隔氧膜材料的应用原理和技术要求,确定了水成隔氧膜材料体系的组成与配置方案。针对复合成膜基料配制,基于各项评价指标对成膜物质SA与GEL的比例浓度、表面活性剂STPP以及阻燃剂APP浓度等多种组分开展了多水平多因素的配比优选实验,确定了复合成膜基料的最佳配制方案:SA-GEL质量比8:2且混合浓度1%,STPP浓度0.5%以及APP浓度0.2%。采用正交实验对成膜基液与二次交联基液的浓度进行了优选,得到了成膜基液和二次交联基液的浓度最佳搭配为成膜基液Ca Cl浓度0.01%,二次交联基液Ca Cl浓度0.2%。同时依据防灭火材料的基础性能要求,对材料所成隔氧膜的保湿性、水蒸气阻隔性、热辐射阻隔性与渗透性等进行了实验测试研究。结果表明,隔氧膜具有较好的保湿性、隔氧性、隔热性及渗透性。其中隔氧膜保湿性与内部含水量均优于传统无机凝胶;且经隔氧膜覆盖后空气透过率最小可以达到0,能够有效阻隔氧气,同时能够显著降低外界对煤的热辐射,可使被覆盖物的接触温度下降36℃左右;对于渗透性,隔氧膜在放水后的渗透滤失率可以达到2.43%,且膜留存量大利用率高,说明隔氧膜能够渗透并留存在煤体空隙中起到堵漏作用。其次,开展了隔氧膜对遗煤自燃的阻化性能实验研究。设置恒温氧化覆膜实验探究了隔氧膜在完整覆盖煤体状态下的隔氧阻化效果,结果表明,隔氧膜完整覆盖煤体后能够充分隔绝氧气抑制煤体反应,同时由于膜水分蒸发作用有效抑制了覆膜煤体升温。此外,利用程序升温实验对隔氧膜在破碎状态下与煤混合时的阻燃效果进行了测试,通过对四种不同变质程度原煤与隔氧膜处理煤进行对比,发现不同煤质隔氧膜处理煤的气体生成量均不同程度的低于相对应的原煤,并且四组煤质煤样的CH初始产生温度均延迟了10℃左右,对CO的阻化率也分别保持在47.66%～60.52%范围左右,说明隔氧膜即使在破碎状态下对于不同变质程度的煤样也均具有较好的阻化作用。再次,搭建了积水采空区物理相似研究平台,考察了隔氧膜在不同放水流速下的膜覆盖状态与流失情况。结果表明,隔氧膜能够相对完整地覆盖于煤体表面及内部空隙中,且并无流失现象,疏水流速越小膜在煤体表面的覆盖状态表现越好,结合现场实际疏水条件确定了现场单孔放水流速为3 L/min～4 L/min。此外,通过考察煤岩不同空隙状态对膜表面平整度的影响规律发现,煤岩赋存空隙率较大时,会对膜的完整性造成影响但也可以促进膜更好的渗透进煤体内部空隙起到堵漏效果。利用相似平台测试了隔氧膜在采空区环境下的长久覆存性能,结果显示40天后的隔氧膜依然紧紧覆盖黏贴在煤体表面与煤空隙中,能够起到长期覆盖隔氧与堵漏的效果。最后,结合实验研究成果,以祁南644积水采空区为试验地点,开展了水成隔氧膜技术现场工业性试验。通过测试对比隔氧膜防治采空区与未防治采空区两者内部的温度场和气体场演化规律,发现未经过防治处理的采空区较早出现了CO气体,且与CO一样呈现上升趋势,而经过隔氧膜防治的采空区遗煤几乎未出现氧化现象,甚至由于隔氧膜的吸热降温作用使得温度也呈现出了小幅度的下降趋势,现场验证了有机高分子水成膜技术在实际应用中可以很好的抑制浸水遗煤的煤氧复合反应。该论文有图48幅,表15个,参考文献86篇。

关键词：疏水采空区长期浸水遗煤水面成膜覆膜隔氧自燃阻化

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