防治煤炭自燃的多相凝胶泡沫及特性研究

本项目提出稳定性好、粘性高、不脱水、能固结粉煤灰（黄泥）的多相凝胶泡沫来防治煤炭自燃。采用理论分析和实验研究相结合的方法，研究多相凝胶泡沫各材料自身的物理化学特性对凝胶泡沫产泡过程、发泡倍数和泡沫性能的影响，研究多相凝胶泡沫各组分之间相互作用的机制，提出多相凝胶泡沫形成的化学动力学过程，揭示胶态分散泥浆延迟交联形成多相凝胶泡沫的机理，研制出能使泥浆稠化发泡形成多相凝胶泡沫的添加剂（包括发泡剂、稠化剂及交联剂）；建立和完善制备多相凝胶泡沫的实验系统和测试其流体力学特性、防灭火特性的实验装置，研究多相凝胶泡沫的粘度、流动扩散特性、流动阻力等，研究多相凝胶泡沫的耐高温性、保水性、阻化性、耐压性和形成覆盖层的弹性、强度及密封性等，开发出符合煤矿防灭火要求的多相凝胶泡沫，揭示多相凝胶泡沫的流体力学特性及防灭火性能。通过本项目的研究，为防治煤炭自燃提供新的手段和技术基础。

煤炭自燃是我国煤矿开采的主要自然灾害之一，不仅会造成巨大的经济损失，还常引发重大火灾与瓦斯爆炸事故而造成重大的人员伤亡。针对目前煤矿防灭火技术与材料存在的不足，本项目提出稳定性好、粘性高、不脱水、能固结粉煤灰（黄泥）的多相凝胶泡沫来防治煤炭自燃。本项目采用理论分析和实验研究相结合的方法，研究了多相凝胶泡沫各材料自身的物理化学特性对凝胶泡沫产泡过程、发泡倍数和泡沫性能的影响，弄清了多相凝胶泡沫各组分之间相互作用的机制，提出多相凝胶泡沫形成的化学动力学过程及胶凝机制，揭示胶态分散泥浆延迟交联形成多相凝胶泡沫的原理；研制出了能使稠化泥浆发泡形成多相凝胶泡沫的添加剂（包括发泡剂、稠化剂及交联剂），并优化了多相凝胶泡沫各组分的配比，该复合添加剂具备使泥浆延迟交联稠化、亲水颗粒表面疏水、克服钙离子等杂质影响和悬浮比重较大的颗粒的能力。构建了多相凝胶泡沫的制备系统，该系统包括发泡装置、交联剂和发泡剂定量添加泵、过滤器和混合装置等，可产生流量300-600m3/h、出口压力≥0.3~0.8MPa、有效扩散半径≥30 m的多相凝胶泡沫，利用多相凝胶泡沫的高堆积与广扩散特性，将不燃固相介质与水输送到井下防灭火区域中的远距离和高位点的区域。建立和完善了测试多相凝胶泡沫流体力学特性与防灭火特性的实验系统，研究了多相凝胶泡沫的流体力学特性、扑灭高位火源的特性以及堵漏风特性等，结果表明多相凝胶泡沫具有剪切稀化特性，在采空区的流动和扩散性能优良；能向高处扩散和堆积，对高位火源灭火效果显著；同时能有效地封堵采空区的漏风，能使综放面采空区氧化带宽度也大大缩减。确定了多相凝胶泡沫现场应用工艺及应用基础参数（浆液流量为10~20 m3/h，氮体管路末端出口压力大于3~4个大气压，发泡器的安装位置离注浆管路出口就小于200m等）。本项目研究成果可有效地防止煤炭的自然发火，对保障矿井安全生产，构建和谐矿区具有十分重要的理论意义和现实意义；同时，还可广泛用于矿井火区的启封、其它各类火灾的防治、油田开采、地质勘探的泡沫钻进等领域，应用前景十分广阔。本项目获国家技术发明二等奖1项及山东省和江苏省科技进步二等奖各1项；申请专利4项，出版专著1部，发表论文7篇（SCI/EI 收录4篇），已录用论文3篇(SCI/EI 源刊)，培养博士研究1名，硕士研究生5名。