矿用凝胶泡沫及其防灭火特性研究

The techniques like grouting, inert gases injection, inhibitor injection and gel injection were used to prevent coal spontaneous ignition, but these technologies are in varying degrees by some shortcomings as bad stability, poor flowability, bad performance on fire prevention.The study provides a new type foamed gel which combines the advantages of gel and foam by the exiting mine practical demands and specific applications. The foam formation mechanism will be studied to increase the stability and foaming property. To transmit the foamed gel to the targeted area,the mathematics model of foam’s flowing in the pipeline was also established to calculate the parameters. Behavior of foam solution flow through porous media will be investigated by the sofeware Fluent and experimental research.The plugging of foam will be texted by plugging text system.The theory of foam’s preventing coal spontaneous ignition will be obtained from the analyses for the affections to coal spontaneous ignition. The high inhibit effect of foam will be studied by the inhibit experiments. The study provide theoretic guide and the scientific bases for the application of the foamed gel in coal spontaneous combustion by research the product and efficient use of the foamed gel.

为防治煤自燃国内外目前使用了灌浆、注惰性气体、阻化剂、凝胶和三相泡沫等方法，这些方法存在着稳定性不足、扩散性差或防灭火效果较差等问题。为解决这些问题，利用凝胶泡沫的高扩散性和高稳定性，提出凝胶泡沫防灭火新方法。为提高凝胶泡沫的稳定性和发泡性能，研究凝胶泡沫的形成机理；为提高凝胶泡沫的输送运移能力，研究凝胶泡沫的流体力学特性，建立凝胶泡沫的流体本构方程和大空间堆积的流体力学理论模型，并结合软件模拟和实验研究，研究凝胶泡沫在多孔介质中的渗透性和封堵特性；为提高凝胶泡沫的防灭火性能，研究凝胶泡沫在煤自燃各阶段的形态和性质的变化情况，并研究凝胶泡沫在不同阶段的防灭火机理。通过本项目研究，阐明凝胶泡沫的可靠制备和高效利用的原理与方法，将为凝胶泡沫在煤矿防灭火的应用提供理论指导和科学依据。

煤自燃是煤矿的主要自然灾害之一。煤自燃不仅会烧毁大量的煤炭资源，而且产生有毒有害气体，严重危及井下人员的生命安全；煤自燃还常诱发瓦斯、煤尘爆炸，给矿井带来了巨大的灾难。为防治煤炭自燃，国内外现采用注浆、注氮气、注阻化剂、注凝胶和注三相泡沫等技术，这些技术在防治煤自燃工作中起到了重要的作用，但也存在一定程度的缺陷和不足。针对现有煤矿防灭火技术的不足，申请者创新地提出了凝胶泡沫防灭火新方法。凝胶泡沫是一种气体均匀分散在凝胶中的分散体系，它是由含表面活性剂、胶凝剂和交联剂的溶液在气体作用下发泡形成的，起泡以后泡沫壁中的胶凝剂在交联剂的作用下发生交联反应形成的一种复杂体系。.本项目研究了凝胶泡沫的形成机理及影响其发生的主要因素。通过实验研究，得出发泡力高泡沫稳定性好、成胶时间可控、可适应高水硬度、适合低温环境的凝胶泡沫。运用扫描电镜和能谱仪研究了凝胶泡沫对不同类型煤样的表观形貌的改变，进而对其自燃特性的影响。利用傅里叶红外光谱仪，分析了凝胶泡沫对煤样官能团的改变情况。运用煤自然氧化动力学装置，研究了凝胶泡沫的防灭火性能，实验表明凝胶泡沫延长了煤的临界点20℃左右，并能显著提高交叉点温度。运用自主研制的灭火试验台，进行了多种材料的灭火实验，实验表明凝胶泡沫具有良好的粘附性、保水性和流动性，在封堵氧气、保水，又不会像水蒸气那样四处喷发，且隔离煤层大面积焖燃效果突出，是一种较为理想的煤矿灭火材料。搭建了小型抑制煤堆自燃试验平台，开展了煤堆自燃温升变化及防灭火介质降温效果试验，结果表明: 泡沫具有向上堆积的能力，能对高温煤颗粒进行覆盖、包裹，并具有较好的热稳定性，总体降温性能最佳。本项目研究成果在凝胶泡沫的基础研究方面取得进展，能为凝胶泡沫防灭火技术的突破提供支持，并对防治煤自燃重大火灾事故有重要科技支撑作用，将为矿井防灭火工作提供理论指导和科学依据。.