防治煤炭自燃的无机固化泡沫及特性研究
煤炭是我国的主要能源,但煤炭开采面临煤自然发火等灾害的严重威胁。为防治煤炭自燃,国内外通常采用灌浆、注氮气、注泡沫、喷洒阻化剂、注凝胶和复合胶体等防灭火技术,但就防治煤炭自燃的综合指标来看,这些技术在发挥其自身优越性的同时都存在某些局限性,难以满足持久堵漏风防治煤自燃的需要。近年来,用泡沫体材料封堵漏风通道来防治煤自燃是很多学者研究的重点,据此,本论文开展了高效防治煤矿(田)煤自燃火灾的高倍数无机固化泡沫及特性研究。取得了以下研究成果:<br>  (1)采用含粉煤灰、水泥、可再分散乳胶粉、玻璃纤维、促凝剂的复合浆体与水基泡沫搅...
煤炭是我国的主要能源,但煤炭开采面临煤自然发火等灾害的严重威胁。为防治煤炭自燃,国内外通常采用灌浆、注氮气、注泡沫、喷洒阻化剂、注凝胶和复合胶体等防灭火技术,但就防治煤炭自燃的综合指标来看,这些技术在发挥其自身优越性的同时都存在某些局限性,难以满足持久堵漏风防治煤自燃的需要。近年来,用泡沫体材料封堵漏风通道来防治煤自燃是很多学者研究的重点,据此,本论文开展了高效防治煤矿(田)煤自燃火灾的高倍数无机固化泡沫及特性研究。取得了以下研究成果:
  (1)采用含粉煤灰、水泥、可再分散乳胶粉、玻璃纤维、促凝剂的复合浆体与水基泡沫搅拌混合制备无机固化泡沫,基于Abrahamson碰撞模型、感应时间研究了复合浆体中颗粒与水基泡沫混合机理。从颗粒的润湿、促凝剂促进水化、自由水消耗、孔壁固化等方面提出了无机固化泡沫的凝结固化机理。
  (2)在此基础上,开展了高性能水基泡沫制备研究,研发了2.5%wt.%SDS与2%wt.%LA复配而成的表面活性剂,其发泡倍数28倍,半小时排液率3%。并采用正交试验研究了水基泡沫掺量(FV)、复合粉体中粉煤灰掺量(FA)、水灰比(W/S)三个因素对稳定性和发泡倍数的影响,当FV为8v、W/S为0.4、FA为30wt.%,并采用促凝剂12wt.%,制备出的无机固化泡沫性能最佳;针对复合浆体比重大、不易均匀混合的难题,基于逐级孔隙式发泡、中空螺旋逐次混泡原理,发明了高倍数无机固化泡沫产生装置。利用以上材料和装置,最终可制备出发泡倍数5-7倍,稳定系数为95%,凝结时间可调(10-30min),抗压强度0.72-1.6Mpa,有效导热系数0.0415-0.083W/m?K,闭孔率66.89%,40mm喷注厚度下热稳定温度200℃的无机固化泡沫。
  (3)微观分析了固化泡沫流体凝结过程中孔壁变化,提出了以失去流动时间(LFT)作为判定泡沫流体凝结特性指标,并自制了LFT测试装置及相应的测试方法。开展了不同水基泡沫掺量和不同促凝剂种类、掺量对LFT的影响试验研究。研究了不同厚度、热面温度情况下新鲜泡沫流体热稳定性及隔热特性,结果表明:初期0-90s测试时间内,隔热能力差,后期隔热能力逐渐增强,推导了隔热温度与热面温度和喷注厚度之间的关系模型。基于Woodside多孔介质导热系数模型,研究了固化后泡沫体有效导热系数与水基泡沫掺量之间的定量关系。
  (4)研究了粉煤灰掺量对无机固化泡沫力学性能的影响,其掺量为30%时,孔圆度高,孔径分布均匀,抗压强度和弹性模量最大。基于经验公式,拟合得到了密度、孔隙率与抗压强度、弹性模量之间的关系方程。开展了动载荷条件下(应变率0.001/s-0.1/s)其工程应力压溃试验,结果表明在同一应变率下,不同密度的材料工程应力应变曲线呈现出相似的弹性区、压溃平台区、密实区三阶段形态。通过不同密度和应变率下的试验数据进行分析,拟合得出无机固化泡沫的压溃唯象本构模型。
  (5)通过构建隔离煤柱及附近采空区裂隙区域相似模型开展了无机固化泡沫的堵漏与防灭火实验,结果表明无机固化泡沫流体初始阶段扩散能力强,可向高处堆积,接触高位火源点后能迅速覆盖降温;泡沫体热稳定性好,能固结高温松散煤岩体,且固化后接触面粘结紧密、封堵漏风裂隙严密;同时具有良好的隔热性能。测试了无机固化泡沫流体粘度,拟合得出了其粘度时变性公式。基于宾汉流体圆管中渗流公式,理论推导并代入监测点渗流压力数值进行对比验证,最终得到其渗流扩散半径公式。
  (6)最后,在鹿洼煤矿采用无机固化泡沫加固、封堵压酥小煤柱来防治煤炭自燃,现场的工程应用效果表明,其裂隙充填加固、堵漏隔风、抑制煤自燃指标气体效果显著,特别适用于煤田火灾及井下沿空掘进遗留小煤柱煤自燃防治,是一种具有广阔应用前景和推广价值的新型矿用防灭火材料。
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作者: 鲁义
学科专业: 安全科学与工程
授予学位: 博士
学位授予单位: 中国矿业大学
导师姓名: 秦波涛
学位年度: 2015
语 种: chi
分类号: TD752.2 TD753.4
在线出版日期: 2015年12月29日