【摘要】：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，論文對凝膠泡沫的形成機(jī)理及相關(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，通過物理機(jī)械攪拌方式形成泡沫，泡沫體系內(nèi)稠化劑和交聯(lián)劑通過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)。 針對凝膠泡沫交聯(lián)特征及發(fā)泡工藝對交聯(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。對凝膠泡沫的成膠時(shí)間以及穩(wěn)定性進(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24h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)力測定結(jié)果，分別得到了剪切應(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、水蒸氣透過性、吸水性、熱輻射阻隔性和堵漏性等。利用AFM觀測了凝膠泡沫所成膜的微觀形貌，探討了不同聚合物配比對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。通過對薄膜水蒸氣透過率、吸水性、熱輻射阻隔性和封堵性進(jìn)行了測試，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，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%。并對凝膠泡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，體積使用量僅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，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，是一種具有廣闊應(yīng)用前景和推廣價(jià)值的新型礦用防滅火材料。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TD752.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2442370