防治煤自燃高效泡沫滅火劑的實驗研究

發(fā)布時間：2020-08-11 11:55

【摘要】：煤自燃問題是煤礦主要自然災(zāi)害之一,我國90%以上煤層為自燃或易自燃,煤炭自燃引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85%~90%,其中采空區(qū)自燃火災(zāi)占煤礦內(nèi)因火災(zāi)的60%以上,全國25個主要產(chǎn)煤省區(qū)的130余個大中型礦區(qū)均不同程度地受到煤層自然發(fā)火威脅,煤炭自然發(fā)火嚴(yán)重。煤自燃不僅損失大量煤炭資源,而且嚴(yán)重威脅作業(yè)人員生命安全。此外,它還可誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸。近年來我國廣泛采用綜采放頂煤開采并大力推廣瓦斯抽放技術(shù),也導(dǎo)致采空區(qū)遺煤殘煤增多、漏風(fēng)嚴(yán)重,加劇煤自燃風(fēng)險。為了防治煤自燃災(zāi)害,我國從20世紀(jì)50年代起先后在煤礦推廣灌漿、均壓通風(fēng)、阻化劑、惰氣、堵漏風(fēng)和膠體等技術(shù)和材料。這些技術(shù)和材料對防治煤自燃災(zāi)害起到了積極作用,但也具有明顯的局限性。泡沫憑借自身良好的流動、堆積特性能對自燃煤體進(jìn)行充分包裹冷卻和窒息,治理煤自燃效果顯著,當(dāng)前已經(jīng)被人們廣泛接受和認(rèn)可。但泡沫防滅火技術(shù)也存在一系列突出問題。譬如傳統(tǒng)泡沫滅火的不夠綠色環(huán)保,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性亟待提高,產(chǎn)泡受外界環(huán)境影響明顯。因此,本論文緊扣綠色和高效兩大主題,在實驗室研發(fā)出一種防治煤自燃的新型泡沫滅火劑并圍繞泡沫特性、流變特性和阻化特性開展了一系列研究。以下是本論文取得的具體成果和相關(guān)結(jié)論概要:構(gòu)建了“陰離子型表面活性劑-陽離子型表面活性劑-水溶性聚合物”三元復(fù)配協(xié)同增效模型(復(fù)配模型),并利用該模型從表面吸附和膠束形成兩個方面對三元復(fù)配協(xié)同增效進(jìn)行描述和機(jī)理揭示。在復(fù)配模型的指導(dǎo)下,參考國內(nèi)外最新關(guān)于表面活性劑綠色化學(xué)的研究資料,借助表面活性劑的親水親油平衡值(HLB),篩選出Sas、Saes、Htc三種起泡性能好的綠色表面活性劑和一種穩(wěn)泡性能優(yōu)異的水溶性聚合物Xg,并通過正交試驗得到一種綠色高效的泡沫滅火劑配方為Sas:Saes:Htc:Xg=3.0:1.4:1.0:4.9。緊接著依據(jù)泡沫滅火劑的鼓泡時間、穩(wěn)泡時間、泡沫含液量及泡沫數(shù)量、半徑和曲率分布等具體指標(biāo),對比了該新型泡沫滅火劑與防治煤自燃的常規(guī)泡沫滅火劑的泡沫性能。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):該新型泡沫滅火劑的臨界膠束濃度為1.0 w.t.‰,僅為常規(guī)泡沫滅火劑的三分之一,且起泡性能和穩(wěn)泡性能都有顯著提高。另外,從泡沫數(shù)量、半徑和曲率分布的角度分析認(rèn)為該泡沫滅火劑相比常規(guī)泡沫滅火劑更能適應(yīng)煤自燃災(zāi)害的防治�？疾炝俗陨頋舛茸兓�、無機(jī)鹽種類和濃度、環(huán)境溫度及酸堿度等對本論文研制出的綠色高效泡沫滅火劑的泡沫性能影響。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):在一定濃度范圍內(nèi)泡沫滅火劑起泡性能增加的同時穩(wěn)泡性能并不一定增加,反而可能下降;高價金屬陽離子對泡沫滅火劑的影響要大于低價金屬陽離子,以至于在同樣無機(jī)鹽濃度范圍內(nèi),氯化鈣對泡沫滅火劑既表現(xiàn)出“鹽析作用”又表現(xiàn)出“鹽溶作用”,而氯化鈉僅出現(xiàn)“鹽析作用”;陰離子型表面活性劑與陽離子型表面活性劑復(fù)配后等得到泡沫滅火劑呈現(xiàn)出非離子型表面活性劑的“濁點”現(xiàn)象;泡沫滅火劑在酸性和強(qiáng)堿環(huán)境中均可能發(fā)生水解反應(yīng),導(dǎo)致其泡沫性能發(fā)生相應(yīng)改變。應(yīng)用流變學(xué)的思想與方法,探究了綠色高效泡沫滅火劑的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)該泡沫滅火劑在實驗濃度范圍內(nèi)存在明顯的剪切變稀現(xiàn)象,屬于一種假塑性流體,且其本構(gòu)方程符合冪律定律的形式。通過程序升溫的方法,對比了原煤和不同濃度的綠色高效泡沫滅火劑處理煤樣的低溫耗氧特性、CO產(chǎn)量特性和升溫特性。實驗結(jié)果表明,濃度為1.0 w.t.‰的泡沫滅火劑溶液對煤樣的阻化率達(dá)到了68.3%,并且使煤樣的交叉點溫度提高了15℃以上。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD753
【圖文】：

死亡事故,煤礦,分類統(tǒng)計,人類世界

論troduction題的提出（Raise of Problem）研究背景炭被譽為“工業(yè)的糧食”，是十八世紀(jì)以來人類世界使用的主要統(tǒng)計局 2016 年相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國原煤產(chǎn)量 240 816 萬噸，占 69.6 %，與此同時，煤炭消費 270 320 萬噸，占能源消費總量的17 年 6 月底，全國已審批、開工建設(shè)煤礦 1 228 處、產(chǎn)能 10.53來，受經(jīng)濟(jì)增速放緩、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素影響，煤炭供給能關(guān)系嚴(yán)重失衡，導(dǎo)致企業(yè)效益普遍下滑，市場競爭秩序混亂，大，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展、職工就業(yè)和社會穩(wěn)定造成了不利影響。如圖 1 年 1 月到 2017 年 10 月底，全國煤礦共發(fā)生 3 人以上死亡事故事故 12 起，特別重大事故 2 起[3]。

過程圖,表面活性劑溶液,純水,泡沫

（a）（b）（c）圖 2-1 純水和表面活性劑溶液起泡過程對比（a~c）Figure 2-1 Comparison of the bubbling process of distilled water and surfactant solution（a~c）通過含液量的多少可將泡沫分為液體體積分?jǐn)?shù)占 10 %~ 20 %的濕泡沫和液體體積分?jǐn)?shù)小于 10 %的干泡沫。泡沫形成初期，其液膜一般是含有大量水分近似呈球形的濕泡沫。伴隨著泡沫排液，液膜變薄逐步成為干泡沫，此時泡沫單元進(jìn)行相互堆積，形成多面體泡沫。（a）濕泡沫（b）干泡沫

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