防治煤炭自燃的無(wú)機(jī)固化泡沫及特性研究.pdf

1、煤炭是我國(guó)的主要能源，但煤炭開(kāi)采面臨煤自然發(fā)火等災(zāi)害的嚴(yán)重威脅。為防治煤炭自燃，國(guó)內(nèi)外通常采用灌漿、注氮?dú)?、注泡沫、噴灑阻化劑、注凝膠和復(fù)合膠體等防滅火技術(shù)，但就防治煤炭自燃的綜合指標(biāo)來(lái)看，這些技術(shù)在發(fā)揮其自身優(yōu)越性的同時(shí)都存在某些局限性，難以滿足持久堵漏風(fēng)防治煤自燃的需要。近年來(lái)，用泡沫體材料封堵漏風(fēng)通道來(lái)防治煤自燃是很多學(xué)者研究的重點(diǎn)，據(jù)此，本論文開(kāi)展了高效防治煤礦（田）煤自燃火災(zāi)的高倍數(shù)無(wú)機(jī)固化泡沫及特性研究。取得了以下研究成果：

2、
　　（1）采用含粉煤灰、水泥、可再分散乳膠粉、玻璃纖維、促凝劑的復(fù)合漿體與水基泡沫攪拌混合制備無(wú)機(jī)固化泡沫，基于Abrahamson碰撞模型、感應(yīng)時(shí)間研究了復(fù)合漿體中顆粒與水基泡沫混合機(jī)理。從顆粒的潤(rùn)濕、促凝劑促進(jìn)水化、自由水消耗、孔壁固化等方面提出了無(wú)機(jī)固化泡沫的凝結(jié)固化機(jī)理。
　?。?）在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了高性能水基泡沫制備研究，研發(fā)了2.5％wt.%SDS與2%wt.%LA復(fù)配而成的表面活性劑，其發(fā)泡倍數(shù)28倍，半小時(shí)

3、排液率3%。并采用正交試驗(yàn)研究了水基泡沫摻量（FV）、復(fù)合粉體中粉煤灰摻量（FA）、水灰比（W/S）三個(gè)因素對(duì)穩(wěn)定性和發(fā)泡倍數(shù)的影響，當(dāng)FV為8v、W/S為0.4、FA為30wt.%，并采用促凝劑12wt.%，制備出的無(wú)機(jī)固化泡沫性能最佳；針對(duì)復(fù)合漿體比重大、不易均勻混合的難題，基于逐級(jí)孔隙式發(fā)泡、中空螺旋逐次混泡原理，發(fā)明了高倍數(shù)無(wú)機(jī)固化泡沫產(chǎn)生裝置。利用以上材料和裝置，最終可制備出發(fā)泡倍數(shù)5-7倍，穩(wěn)定系數(shù)為95%，凝結(jié)時(shí)間可調(diào)（1

4、0-30min），抗壓強(qiáng)度0.72-1.6Mpa，有效導(dǎo)熱系數(shù)0.0415-0.083W/m?K，閉孔率66.89%，40mm噴注厚度下熱穩(wěn)定溫度200℃的無(wú)機(jī)固化泡沫。
　?。?）微觀分析了固化泡沫流體凝結(jié)過(guò)程中孔壁變化，提出了以失去流動(dòng)時(shí)間（LFT）作為判定泡沫流體凝結(jié)特性指標(biāo)，并自制了LFT測(cè)試裝置及相應(yīng)的測(cè)試方法。開(kāi)展了不同水基泡沫摻量和不同促凝劑種類、摻量對(duì)LFT的影響試驗(yàn)研究。研究了不同厚度、熱面溫度情況下新鮮泡沫流體

5、熱穩(wěn)定性及隔熱特性，結(jié)果表明：初期0-90s測(cè)試時(shí)間內(nèi)，隔熱能力差，后期隔熱能力逐漸增強(qiáng)，推導(dǎo)了隔熱溫度與熱面溫度和噴注厚度之間的關(guān)系模型?；赪oodside多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)模型，研究了固化后泡沫體有效導(dǎo)熱系數(shù)與水基泡沫摻量之間的定量關(guān)系。
　?。?）研究了粉煤灰摻量對(duì)無(wú)機(jī)固化泡沫力學(xué)性能的影響，其摻量為30%時(shí)，孔圓度高，孔徑分布均勻，抗壓強(qiáng)度和彈性模量最大?；诮?jīng)驗(yàn)公式，擬合得到了密度、孔隙率與抗壓強(qiáng)度、彈性模量之間的關(guān)系方

6、程。開(kāi)展了動(dòng)載荷條件下（應(yīng)變率0.001/s-0.1/s）其工程應(yīng)力壓潰試驗(yàn)，結(jié)果表明在同一應(yīng)變率下，不同密度的材料工程應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出相似的彈性區(qū)、壓潰平臺(tái)區(qū)、密實(shí)區(qū)三階段形態(tài)。通過(guò)不同密度和應(yīng)變率下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合得出無(wú)機(jī)固化泡沫的壓潰唯象本構(gòu)模型。
　　（5）通過(guò)構(gòu)建隔離煤柱及附近采空區(qū)裂隙區(qū)域相似模型開(kāi)展了無(wú)機(jī)固化泡沫的堵漏與防滅火實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明無(wú)機(jī)固化泡沫流體初始階段擴(kuò)散能力強(qiáng)，可向高處堆積，接觸高位火源點(diǎn)后能

7、迅速覆蓋降溫；泡沫體熱穩(wěn)定性好，能固結(jié)高溫松散煤巖體，且固化后接觸面粘結(jié)緊密、封堵漏風(fēng)裂隙嚴(yán)密；同時(shí)具有良好的隔熱性能。測(cè)試了無(wú)機(jī)固化泡沫流體粘度，擬合得出了其粘度時(shí)變性公式?；谫e漢流體圓管中滲流公式，理論推導(dǎo)并代入監(jiān)測(cè)點(diǎn)滲流壓力數(shù)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，最終得到其滲流擴(kuò)散半徑公式。
　　（6）最后，在鹿洼煤礦采用無(wú)機(jī)固化泡沫加固、封堵壓酥小煤柱來(lái)防治煤炭自燃，現(xiàn)場(chǎng)的工程應(yīng)用效果表明，其裂隙充填加固、堵漏隔風(fēng)、抑制煤自燃指標(biāo)氣體效果顯著