煤矿防灭火凝胶泡沫的理论与技术研究

煤自燃和瓦斯事故严重威胁着煤矿安全生产和矿工的生命安全。为了防治煤自燃,国内外采用了灌浆、惰气、阻化剂和凝胶等技术,但这些技术都存在一些不足。本文根据煤矿的实际需要和目前常用防灭火技术的不足,提出了结合凝胶和泡沫各自优点的凝胶泡沫技术,凝胶泡沫能较好地充填采空区或高冒区,既能有效扑灭火灾,又能够包裹煤体、封堵裂隙,防治漏风;在防治煤炭自燃的同时,还能封堵煤体,减少瓦斯向外释放。 凝胶泡沫由表面活性剂、交联剂和高分子的溶液经机械发泡形成。论文应用表面化学、流体力学、物理化学、热力学和高分子化学等理论,较系统地研究了凝胶泡沫的形成机理。研制出了发泡能力强、胶凝时间可控、泡沫强度较高、稳定时间长、可适应恶劣环境和成本较低的凝胶泡沫。通过流变学实验分析了凝胶泡沫的发泡高度、反应时间、温度对其粘弹性的影响,建立了凝胶泡沫的本构方程,得到了对凝胶泡沫的黏弹性影响较大的参数。建立了凝胶泡沫在水平管道中流动的数学模型,根据模型可以计算凝胶泡沫在管路中流动的各项技术参数。根据煤自燃的理论和凝胶泡沫防灭火的性能,得出了凝胶泡沫防治煤自燃理论。通过凝胶泡沫对煤的阻化实验,证明了凝胶泡沫具有良好的阻化性能,凝胶泡沫处理过的煤样的升温速率较原煤样显著下降,且能抑制煤的氧化和指标气体一氧化碳的释放,凝胶泡沫在不同升温阶段有不同的阻化效果。通过封堵实验得出凝胶泡沫具有良好的封堵性能,能够封堵一定压力的气体。建立了实验室模拟现场凝胶泡沫制备系统,试验得出了能更好指导现场应用的相关技术及参数。 凝胶泡沫利用凝胶固水特性和泡沫堆积、延展特性防治煤炭自燃。较之一般的水浆流动,以泡沫为载体的凝胶泡沫覆盖面广,并可向上部堆积,能够解决采空区隐蔽火源、高位火源、巷道高冒火灾和采空区大范围的防灭火难题,为矿井煤自燃火灾防治提供了一项新的技术手段。