防治煤自燃的凝膠泡沫及特性研究.pdf

1、煤炭自燃是煤礦生產(chǎn)中的主要自然災(zāi)害之一,它不僅燒毀或凍結(jié)大量煤炭資源,而且常會(huì)引發(fā)重特大瓦斯爆炸災(zāi)害事故,造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。目前用于礦井煤自燃防治的方法主要有注漿、注惰氣、注阻化劑、注凝膠和注泡沫等,這些技術(shù)在礦井煤自燃防治中起到了重要的作用,但也還存在一些不足,難以滿足礦井持續(xù)堵漏控風(fēng)與惰化降溫的防滅火需要。為了高效防治礦井煤自燃,結(jié)合礦井注凝膠和注泡沫防滅火方法,提出了凝膠泡沫防滅火技術(shù)。為此,論文對(duì)凝膠泡沫的形成機(jī)理及

2、相關(guān)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,在聚合物膠凝機(jī)制與形成化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程、發(fā)泡劑與聚合物研制、采空區(qū)流動(dòng)特性、成膜特性、防滅火性能與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面都取得了系列的成果。
　　應(yīng)用界面化學(xué)、膠體化學(xué)和高分子材料化學(xué)等較系統(tǒng)地提出了凝膠泡沫形成化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程和膠凝機(jī)理。凝膠泡沫是一種介于整體凝膠和膠態(tài)分散凝膠之間弱凝膠體系,是由低濃度聚合物以分子間交聯(lián)為主,分子內(nèi)交聯(lián)為輔的高分子體系。漿液在表面活性劑的作用下,通過(guò)物理機(jī)械攪拌方式形成泡沫,泡沫體系

3、內(nèi)稠化劑和交聯(lián)劑通過(guò)延遲膠凝作用最終形成凝膠泡沫。其膠凝機(jī)理是稠化劑溶于水后,分子鏈間形成螺旋網(wǎng)狀聚合體或雙螺旋締合體,聚合體或締合體結(jié)構(gòu)中的活性基團(tuán)與交聯(lián)劑主鏈結(jié)構(gòu)中的活性基團(tuán)充分碰撞接觸,從而交聯(lián)形成立體三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
　　針對(duì)凝膠泡沫交聯(lián)特征及發(fā)泡工藝對(duì)交聯(lián)聚合物的要求,研制出適合制備凝膠泡沫的稠化劑和交聯(lián)劑;同時(shí),依據(jù)稠化劑和交聯(lián)劑對(duì)表面活性劑的作用特點(diǎn),復(fù)配出一種發(fā)泡倍數(shù)高的凝膠泡沫發(fā)泡劑。對(duì)凝膠泡沫的成膠時(shí)間以及穩(wěn)定性

4、進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出凝膠泡沫成膠時(shí)間在10~20min可調(diào),泡沫靜置24 h仍能穩(wěn)定存在。在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了制備凝膠泡沫的系統(tǒng)并確定了其制備的工藝流程,通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究,當(dāng)溶液復(fù)配發(fā)泡劑質(zhì)量濃度為4‰、稠化劑和交聯(lián)劑質(zhì)量濃度均為3‰,pH值為7~9時(shí),所形成的凝膠泡沫性能最佳。
　　研究了凝膠泡沫的流變學(xué)特性,結(jié)果表明凝膠泡沫具有剪切變稀的性質(zhì)。即隨著剪切速率的增大,凝膠泡沫的表觀黏度降低;依據(jù)表觀黏度和屈服應(yīng)力測(cè)定結(jié)果,分別得到了剪

5、切應(yīng)力—剪切速率的曲線和公式模型。在此基礎(chǔ)上,研究了凝膠泡沫在多孔介質(zhì)中的滲透特性,采用Fluent軟件對(duì)其在不同傾角采空區(qū)的流動(dòng)擴(kuò)散與堆積特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,弄清了凝膠泡沫在采空區(qū)的堆積高度、擴(kuò)散寬度和擴(kuò)散長(zhǎng)度等參數(shù)。
　　研究了凝膠泡沫的成膜特性,包括成膜微觀形貌、水蒸氣透過(guò)性、吸水性、熱輻射阻隔性和堵漏性等。利用AFM觀測(cè)了凝膠泡沫所成膜的微觀形貌,探討了不同聚合物配比對(duì)成膜形貌及性能的影響,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有且僅當(dāng)稠化劑和交聯(lián)劑按

6、質(zhì)量比1:1共混使用時(shí)才能夠充分交聯(lián)形成致密平坦的薄膜;同時(shí)共混聚合物濃度越大,成膜性越好。通過(guò)對(duì)薄膜水蒸氣透過(guò)率、吸水性、熱輻射阻隔性和封堵性進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明,凝膠泡沫表面膜的阻水性能優(yōu)良,在持續(xù)一周內(nèi)水蒸氣透過(guò)率均為零;膜吸水重量為自身重量的60~70倍;同時(shí)膜能夠顯著降低外界對(duì)可燃物的熱輻射,使可燃物表面溫度下降40℃以上;且表面膜能承受2500Pa以上的風(fēng)壓,對(duì)采空區(qū)具有一定的封堵漏風(fēng)能力。
　　實(shí)驗(yàn)研究了凝膠泡沫的防

7、滅火特性,包括抗溫性、抗燒性、凝結(jié)堵漏性和阻化性等。結(jié)果表明凝膠泡沫抗溫性較普通兩相泡沫顯著提高,隨稠化劑和交聯(lián)劑質(zhì)量濃度的提高,抗溫時(shí)間增長(zhǎng),隨發(fā)泡倍數(shù)的提高,抗溫時(shí)間縮短;抗燒時(shí)間為347min,是水的13.88倍、兩相泡沫的6.20倍;凝結(jié)碎煤比重占原煤樣的57％~93.8%(1d后),10d后仍高達(dá)13.4%~52.6%;加了1%凝膠泡沫的煤樣釋放CO速率比原始煤樣要推遲20~30℃,100℃時(shí)阻化率高達(dá)68.89%。并對(duì)凝膠泡

8、沫撲滅煤火有效性進(jìn)行了研究,得出撲滅相同大小的煤火,體積使用量?jī)H為普通泡沫的九分之一,滅火時(shí)間不到普通泡沫的一半。滅火時(shí)間隨稠化劑和交聯(lián)劑質(zhì)量濃度的提高,先縮短后增長(zhǎng),當(dāng)質(zhì)量濃度均為3‰時(shí),滅火時(shí)間最短,效率最高。
　　最后,采用凝膠泡沫防滅火技術(shù)對(duì)新集二礦采空區(qū)、高冒區(qū)等隱蔽位置火源進(jìn)行了治理,現(xiàn)場(chǎng)的工程應(yīng)用效果表明,凝膠泡沫技術(shù)防滅火以及充填高冒區(qū)效果顯著,優(yōu)點(diǎn)突出,特別適用于采空區(qū)不明位置火源和高冒區(qū)煤炭自燃的防治,是一種具