李 季，宋富美，康懷宇

(華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601)

0 引言

煤礦的作業(yè)環(huán)境大部分在井下，井下作業(yè)本身條件較差，存在的有毒有害氣體和物質比較多，主要有:一氧化碳(CO)、硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、煤塵巖塵等［1］。礦井中的有毒有害氣體和物質有些是成煤過程中生成的，存在于煤體裂隙、孔隙中;有些存在于煤層、頂、底板巖石或其他物質中。當這些有毒有害氣體和物質超過臨界值時，就會對人體產生危害，有時還會發(fā)生燃燒、爆炸等事故，危及井下作業(yè)人員的身體健康和安全［2］。

目前，煤礦主要防治有毒有害氣體的手段是礦井通風，利用機械或自然通風動力，使地面空氣進入井下，并在井巷中作定向和定量的流動來稀釋和排除井下少量析出的有毒有害氣體和礦塵具有一定的優(yōu)勢［3］，但是對類似于具有開放性裂隙的孔洞、裂縫、采空區(qū)、巷道掘進爆破等引起的大量有毒有害氣體的泄漏時［4］，單單采用通風的方法來防治有毒有害氣體，難以滿足要求，有時由于受到通風壓力的影響，還可能導致積存于采空區(qū)、孔洞的大量有毒有害氣體被置換出來［5］，而造成事故。

因此，針對煤礦井下有毒有害氣體泄漏強度大、空間條件復雜、巷道掘進爆破作業(yè)對密封劑強度要求苛刻等特點，本文提出了利用硬質聚氨酯泡沫作為密封劑，并對密封劑的主要安全性能進行實驗室測定，為煤礦井下防治有毒有害氣體泄漏提供理論依據。

1 硬質聚氨酯泡沫的實驗室配制

1.1 實驗材料組成

硬質聚氨酯泡沫是一種合成材料，具有多孔性、相對密度小、比強度高等特點。在安全領域中，常作為煤礦的錨固材料、密封材料、燃油箱的防爆材料和過濾材料等［6］。

配制出適合煤礦防治有毒有害氣體的聚氨酯材料要具備快速發(fā)泡、泡沫迅速覆蓋、泡沫穩(wěn)定不易破碎、防滲透性強、具備抗靜電能力、反應放熱較低等特點。聚氨酯原料主要由異氰酸酯、蔗糖聚醚多元醇、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑、交聯劑、阻燃劑等組成［7，8］。

1.2 實驗方案

通過正交實驗法和單因素實驗法，得出38組實驗配比方案。按照配比方案分別進行實驗，得出最優(yōu)的實驗配比為(均用質量分數表示):異氰酸酯及輔料50.0%，蔗糖聚醚多元醇27.82%，發(fā)泡劑7.65%，催化劑0.49%，阻燃劑、穩(wěn)定劑及交聯劑共占14.04%。

1.3 實驗過程

1)將蔗糖聚醚多元醇、發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑、泡沫穩(wěn)定劑、交聯劑按照上述配比進行混合作為白料，其外觀為明黃色粘稠液體。

2)將異氰酸酯與輔料混合作為黑料，其外觀為黑褐色粘稠狀液體。

3)將黑料與白料快速混合并攪拌至均勻，靜置約40 s后，試劑由原褐色變成乳白色并開始發(fā)泡膨脹，到發(fā)泡停止共用約5 min(環(huán)境溫度為:12.6℃，濕度為13.8%)。

(4)測量發(fā)泡后的體積為發(fā)泡前體積的31倍，圖1為配制的聚氨酯成型材料。

圖1 硬質聚氨酯泡沫剖面圖

2 密封劑力學性能測定

防治煤礦有毒有害氣體的硬質聚氨酯泡沫需要有較高的抗壓、抗拉、抗沖擊力等力學性能。一方面受到作業(yè)過程無意識破壞，造成有毒有害氣體的大量析出，另一方面，煤礦常常進行爆破作業(yè)，強大的震動力對密封劑產生一定的壓力、拉力和沖擊力，若聚氨酯泡沫的力學性能較差，則無法承受壓力、拉力和沖擊力而造成破壞，將會導致有毒有害氣體的大量涌出，嚴重影響工人的健康和安全。因此有必要對聚氨酯的壓縮、拉伸、沖擊性能進行測試，以了解硬質聚氨酯材料的力學性能，研究其在密封有毒有害氣體使用中的安全性。

2.1 壓縮強度測定

2.1.1 依據測試標準與實驗儀器

壓縮性能測試一般是針對硬質聚氨酯泡沫材料力學性能的一項指標，按硬質泡沫塑料壓縮試驗方法Test method for compression of rigid cellular plastics(GB 8813－88)進行測定。

試樣尺寸:厚度為50±1mm;試樣基面:圓形，直徑為60mm，試樣兩平行面的平行度公差不應超過1%。

實驗儀器:微機控制電子萬能試驗機，粵制03000102號。

測試時，將每個試樣置于壓縮試驗機兩平板的中央，活動板以2 mm/min的速率壓縮試樣，相對形變至少要達到10%。

2.1.2 測試結果

1)試樣描述

初始試樣為淺黃色固體，表面光滑，孔隙均勻，不酥脆，壓縮后出現皺痕，圖2為壓縮后的試樣。

圖2 壓縮后的試樣

2)壓縮曲線

壓縮開始后，隨著變形的增加，曲線初始顯著上升，達到最大值后，曲線變得比較平緩。3)相對形變?yōu)?0%時的壓縮應力F10=變形為10%時的壓力;S0=試樣面積。

2.2 拉伸強度測定

2.2.1 依據測試標準與實驗儀器

拉伸強度測試是針對硬質聚氨酯泡沫材料力學性能的重要的技術指標，按硬質泡沫塑料拉伸性能試驗方法 Test method for tensile properties of rigid cellular plastics(GB 9641－88)進行測定。

拉伸試樣尺寸:啞鈴狀試樣，總長度為150±0.5 mm;夾具間距離為100 mm;標距為50±0.1 mm;端部寬度40 mm;窄小部分寬度為25±0.1 mm;試樣厚度10±0.1 mm。

實驗儀器:微機控制電子萬能試驗機，粵制03000102號。

測試拉伸強度時，夾持試樣使試樣縱軸與上、下夾具中心連線相重合，要松緊適宜，以免試樣滑脫，借助可動夾具，使施加在試樣上的力均勻地分布在試樣上。夾具移動為5 mm/min。

2.2.2 拉伸強度測試結果

1)斷裂拉伸應力

2)扯斷永久變形

將斷裂后的試樣放置3 min，再把斷裂的兩部分吻合在一起，測量標距數值與原始標距之差為0.964 mm，則扯斷永久變形為:

2.3 沖擊強度測定

2.3.1 依據測試標準與實驗儀器

兩端式同軌雙車模式的立體倉庫較單臺堆垛機立體倉庫的主要區(qū)別在于，同一巷道上兩臺堆垛機同時工作，兩臺堆垛機根據性能將貨架劃分成存在交集的兩塊工作區(qū)域。因此，出/入庫頻率高的貨物應均衡放置于巷道兩端的出/入庫臺附近，以均衡兩臺堆垛機作業(yè)時長，使存儲效率最優(yōu)。鑒于此特點，適用于單臺堆垛機獨立作業(yè)的存儲效率優(yōu)先原則的目標函數不再適用于兩端式同軌雙車運行模式，需要對兩端式同軌雙車運行模式貨位分配問題進行研究。

沖擊強度是用來衡量硬質聚氨酯材料韌性的一項重要指標，按照硬質塑料簡支梁沖擊試驗方法Plastics－Determination of charpy impact strength of rigid materials(GB/T 1043－93)進行測定。

沖擊試樣尺寸:試樣尺寸長度l=120 mm，寬度b=15 mm，厚度d=10 mm，支撐線間距離是70 mm。

實驗儀器:簡支梁沖擊試驗機(XJJ－5J)。

將試樣放置在兩支承鉗口的上平面上，試樣側面與支承鉗口的支承刀刃靠近，沖擊線位于兩支座正中，選擇能量為1J的擺錘一次沖擊使試樣破壞，并讀取表盤讀數。

2.3.2 沖擊強度測試結果

2.4 測定結果分析

通過對硬質聚氨酯材料進行壓縮、拉伸、沖擊強度的測試，可以得出當壓縮變形達到10%時其壓縮應力為0.8502 MPa，材料斷裂時的拉伸應力為0.206 MPa，最大沖擊強度可達2.66 kJ/m2，能夠承受爆破作業(yè)時的強大振動力所引起的壓力、拉力和沖擊力，滿足煤礦施工時的力學性能要求。因此硬質聚氨酯泡沫可以很好地應用于防治煤礦巷道掘進爆破引起的大量有毒有害氣體的泄漏，是一種優(yōu)良的密封材料。

3 密封劑尺寸穩(wěn)定性能測定

在對煤礦有毒有害氣體進行密封的過程中，硬質聚氨酯的尺寸是否穩(wěn)定至關重要。在密封條件下，如果硬質聚氨酯泡沫塑料的尺寸易變，尤其是有縮小的趨勢時，將會嚴重影響到其密封性能，可能造成有毒有害氣體的二次泄漏，因此對硬質聚氨酯泡沫進行尺寸穩(wěn)定性測試十分必要。

3.1 依據標準與實驗儀器

尺寸穩(wěn)定性測試一般是針對硬質聚氨酯泡沫塑料的一項指標，按照硬質泡沫塑料尺寸穩(wěn)定性試驗方法Test method for dimensional stability of rigid cellular plastics(GB 8811－88)進行測定。

試樣尺寸:長度為100mm;寬度為100mm;厚度為25 mm。

實驗儀器:恒溫試驗箱、塑料模具、直尺、游標卡尺、鋼鋸、刀。

3.2 實驗過程

測量各個試樣三個不同位置的長度(L1，L2，L3)，寬度(W1，W2，W3)及五個不同點的厚度(T1，T2，T3，T4，T5);試樣測試的位置如圖 3 所示。將試樣水平放置在試驗箱內的金屬網上，間隔至少25 mm，調節(jié)溫度至23～25℃;20±1小時后，取出試樣，再放置1小時后，按照規(guī)定測量試樣尺寸，并目測檢查試樣，測試時間共40天。

3.3 測定結果分析

在實驗條件下放置30天后，目測試樣，表面狀態(tài)、形狀、顏色、大小等均無變化。

通過測量，計算尺寸變化率可知，在實驗條件下，試樣的長度、寬度、厚度變化都很小，不到0.3%，而且略微有膨脹趨勢，對聚氨酯的密封性能有正面影響。

圖3 測試試樣尺寸的位置

測試結果表明，硬質聚氨酯泡沫塑料具有良好的尺寸穩(wěn)定性，不必擔心由于尺寸變化造成有毒有害氣體二次涌出等現象，與水泥等材料風干后的密封性相比，具有明顯的優(yōu)勢。

4 密封劑粘結性能測定

作為煤礦有毒有害氣體的密封材料，硬質聚氨酯泡沫必須具有良好的氣密性，否則可能會導致有毒有害氣體的再次涌出，污染作業(yè)環(huán)境，影響作業(yè)人員健康。此次實驗通過測定硬質聚氨酯泡沫與煤的粘結性能來評價該密封劑的氣密性。

4.1 實驗測量

1)實驗儀器:材料試驗機(TY8000)。

2)實驗方法:

相同粘結位置不同種煤樣測試:煤樣種類的選擇均來自于高瓦斯突出的礦井－平頂山礦、趙各莊礦、唐山礦、淮北蘆嶺礦、鑫龍紅嶺礦，五種煤樣分別與聚氨酯硬泡粘結(粘結面積相同)，分別測量界面的最大承受壓剪力，并計算其粘結強度。

同種煤樣不同粘結位置測試:取粘結強度最低的一種煤樣，分別選取不同位置與聚氨酯硬泡粘結，測量界面的最大承受壓剪力，并計算粘結強度。

3)試樣尺寸:

不同煤樣測量:試樣尺寸為50 mm×100 mm×20 mm，粘結面積為50 mm×40 mm。

不同位置測量:試樣尺寸為20 mm×120 mm×20 mm，粘結長度取:10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm，90 mm，100 mm。

4.2 測定結果分析

分別從5個具有高瓦斯突出特性的礦山中選取煤樣，測試不同煤樣與聚氨酯硬泡材料的粘結程度。在其他環(huán)境條件均相同的情況下，得到的粘結強度值如表1所示。

表1 聚氨酯硬泡與不同煤樣的粘結強度值

由表1的數據可知，與聚氨酯硬泡材料粘結程度最好的是淮北蘆嶺礦，粘結強度最小的是紅嶺礦煤，五種煤與聚氨酯硬泡粘結強度的平均值為427.25 kPa。

取粘結強度最小的紅嶺礦煤樣，在煤塊的不同長度位置處與聚氨酯硬泡粘結(粘結寬度均為20 mm)，得到的粘結強度值如表2。

表2 煤樣不同位置處與聚氨酯硬泡粘結強度值

由表2的數據可知，因10 mm處粘結面積較小，得到的粘結強度誤差較大，去掉該值后求煤樣在不同位置處與聚氨酯硬泡粘結強度的幾何平均數為387.95 kPa，該值作為高瓦斯突出礦井與聚氨酯硬泡封孔材料的平均粘結強度值。

由實驗數據可知，聚氨酯硬泡材料與煤樣粘結的強度較大，在粘結處不易造成漏氣，從而具有良好的密封性能，可以在防治煤礦有毒有害氣體泄漏的密封中安全使用。

5 結論

1)配制出適合防治煤礦有毒有害氣體泄漏的密封劑——硬質聚氨酯泡沫材料，具有發(fā)泡迅速，發(fā)泡倍數高、泡沫均勻、致密等特點，能夠滿足現場實際要求。

2)配制出的硬質聚氨酯泡沫塑料具有較好的力學性能，當壓縮相對形變約為10%時，其抗壓強度約為0.8 MPa，材料斷裂時的拉伸應力為0.206 MPa，最大沖擊強度可達2.66 kJ/m2，能夠承受爆破作業(yè)時的強大振動力所引起的壓力、拉力和沖擊力;

3)配制出的硬質聚氨酯泡沫具有良好的尺寸穩(wěn)定性，30天其變形小于0.3%;

4)配制出的硬質聚氨酯泡沫與高瓦斯突出礦井煤樣的平均粘結強度值為387.95 kPa，其粘結強度較大，具有良好的氣密性，可以有效防治煤礦有毒有害氣體的泄漏。

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