防治煤炭自燃的三相泡沫理论与技术研究

针对目前我国煤矿防灭火技术和手段存在不足,特别是针对大范围采空区或巷道高冒火灾、采空区隐蔽火源及高位火源、综放及俯采工作面煤炭自燃防治的难题,提出了由粉煤灰（黄泥）、氮气和水组成的三相泡沫防灭火新技术,该技术可以利用煤矿已有的注浆系统将三相泡沫注入采空区并形成覆盖面广、可向高冒区堆积的泡沫体,能较好地充填采空区或高冒区,有效扑灭火灾．针对固体不燃物（粉煤灰、黄泥）、水和氮气三相介质的特性,成功研制出了使浆液具有较高发泡倍数和较长稳定时间的三相泡沫发泡剂．应用浮选动力学、表面化学、物理化学、热力学和流体机械等理论,较系统地提出了三相泡沫的形成机理．根据三相泡沫的特点,发明了三相泡沫发泡器。应用流体力学理论,建立了发泡器喉部至扩散段区域负压大小和浆液流量的方程关系式,并通过CFD流体力学软件模拟了三相泡沫发泡器内不同扩散角度下管内静压和浆液流速的分布状况,得出了扩散角为60°时的压力分布和流速是形成三相泡沫的最佳条件．开展了三相泡沫发泡剂溶液阻止煤自燃的试验研究,结果表明：三相泡沫发泡剂溶液对煤自燃的阻化效果显著,能有效地减缓煤的氧化放热速率,抑制煤温度的升高,同时也有效地抑制CO的释放量,是很好的防止煤炭自燃的阻化剂;三相泡沫的灭火性能试验表明,三相泡沫可在较致密的多孔介质中不同方向流动,渗透性强,流动范围广,可扑灭较大范围区域内的高位火源和隐蔽地点的火源．三相泡沫流变特性研究表明,含黄泥或粉煤灰颗粒的三相泡沫属于屈服假塑性非牛顿流体;试验考察了发泡倍数、浆液浓度、外界温度及气体介质对三相泡沫黏度的影响;建立了三相泡沫在水平管道中流动的数学模型,确定了三相泡沫发泡器在井巷中合理的安装位置;建立了三相泡沫在大空间中堆积高度的数学模型． 在矿井灌浆系统中加入氮气,使泥浆发泡,体积增大,大流量的三相泡沫能在采空区中形成面与三维的流动方式,较之一般的水浆流动,覆盖面广,并可向上部堆积,能将更多的水、固体不燃物（黄泥、粉煤灰）带入防灭火区域,防灭火效果显著．建立了一套适合煤矿自然火灾防治的注三相泡沫的工艺系统,该系统安全可靠,操作方便,可连续大流量灌注．提出了沿顺槽采空区埋管、综采（综放）支架插管、地面打钻和与其它防灭火技术手段相互配合使用的多种注三相泡沫新工艺,并在现场得到了广泛应用．     

废玻璃—粉煤灰泡沫玻璃的研制

以废玻璃渣和粉煤灰为主要原料制备泡沫玻璃,通过对制品微孔结构的观察及导热系数的测定,具体分析了各因素对制品性能的影响．实验表明,通过加入适量的发泡剂和外掺剂,在适宜的温度控制下可制备出优质的泡沫玻璃．     

含氮气三相泡沫的固氮及惰化特性

通过实验，研究了不同浆液体积分数的三相泡沫中氮气的释放速率；以此为基础分析了含氮气三相泡沫对封闭火区气体的惰化特性；应用三相泡沫固氮及惰化特性对宁夏煤业集团白芨沟矿的火区进行了成功惰化；防止了瓦斯爆炸的发生，保证了矿山救护队员施工的安全．实验及现场应用结果表明：三相泡沫能有效地将氮气封存于浆液之中，增强火区惰化的持久性，且适于惰化具有漏风源的封闭火区．     

预拌现浇泡沫混凝土的制备及其性能

通过将预制浆体运输至现场、在现场发泡混合的方法制备预拌现浇泡沫混凝土,试验研究不同水灰质量比和发泡时间下预拌现浇泡沫混凝土的抗压强度、吸水率、导热系数等性能,探讨现浇泡沫混凝土性能最优的组分及矿物掺合料对预拌现浇泡沫混凝土性能的影响。结果表明:水灰质量比为0.35、发泡时间为3 min时,预拌现浇泡沫混凝土的抗压强最高,但发泡时间为4 min,其导热系数最低;钢渣粉和粉煤灰掺入量分别为20%(质量分数)时,现浇泡沫混凝土的性能最优,且掺入粉煤灰时的性能较不掺粉煤灰均有提高。     

水泥粉煤灰-改性水玻璃注浆材料试验研究与应用

为解决传统注浆材料在大体积充填注浆时成本高、固废材料利用低、凝胶时间控制不精确等问题,提出水泥粉煤灰-改性水玻璃注浆材料。通过室内试验分析改性水玻璃配比、改性水玻璃体积分数和粉料比例对浆液初凝时间、终凝时间、流动度及单轴抗压强度的影响规律;通过工程现场试验,研究该注浆材料的可泵性、操作性,利用物理探测方法,对注浆治理效果进行评价。结果表明,水泥粉煤灰-改性水玻璃注浆材料的初凝时间为8~70 s、终凝时间为2~9 min;初凝时间随改性水玻璃体积分数的增加而增长,终凝时间随改性水玻璃体积分数的增加而缩短;凝胶时间与粉料中粉煤灰的质量分数呈正比;浆液流动度与改性水玻璃体积分数及粉料中粉煤灰质量分数成正比;粉煤灰质量分数与浆液结石体抗压强度呈负相关,改性水玻璃体积分数(水泥粉煤灰浆液与改性水玻璃体积之比)为1∶0.6或1∶0.4时,水泥粉煤灰-改性水玻璃注浆材料固结体的7 d抗压强度达到峰值9.35 MPa和6.86 MPa;水泥粉煤灰-改性水玻璃注浆材料可提高固废利用率,且各性能满足注浆需要,在实际应用中可依据工程要求调整配比,为类似的注浆工程提供参考。     

高性能泡沫制备及其灭火性能研究

为获得发泡能力特别强、单位体积产泡量大、泡沫稳定且细腻、与使用介质具有良好相容性的发泡剂,利用阴离子表面活性剂水溶液能在机械作用力引入空气的情况下,产生大量泡沫的原理,在实验中将A,B(6501),C(十二烷基苯磺酸钠),D(甜菜碱),E(OP-10)5种表面活性剂进行组合,通过测定各组合的发泡倍数、泌水率得到最优组合.结果表明,当D取0g,A,B,C,E各取0.5g时为最优配方,此条件下制备的泡沫具有良好的发泡性能和稳定性,而且泌水量也少,符合高性能泡沫的性能要求.用所得到的最优配方制备的泡沫灭火剂具有良好的灭火性能.     

氮气泡沫驱发泡剂优选及油层适应性室内实验

氮气泡沫驱是普通稠油开采后期的一种经济可行的接替技术,可以大幅度提高剩余油采收率。氮气泡沫驱取得效果的一个重要前提是选择发泡性能好,泡沫阻力大的发泡剂。采用静态和动态实验对几种初选的发泡剂进行了优选,选出了性能最优的发泡剂;并进行了可视化实验,对氮气泡沫驱油层适应性进行了研究,表明非均质模型泡沫驱效率均低于均质模型,但在残余油状态下,非均质模型泡沫驱增油效果要明显高于均质模型。储层非均质性越严重,水驱残余油状态下,泡沫驱油的增产效果越显著。对于非均质严重的储层,矿场泡沫驱油增产效果更好。     

三相泡沫防治采空区煤炭自燃研究

针对目前煤矿防灭火技术与材料存在的一些不足，研制了一种用于防治采空区煤炭自燃的三相泡沫材料．简要介绍了三相泡沫的制备流程和主要技术参数；建立了采空区煤炭自燃过程的化学动力学方程，根据对方程中C，O2反应的物质的量浓度，煤体温度T，采空区的孔隙率γ等参数的控制，研究了三相泡沫防治采空区煤炭自燃的机理．结合三相泡沫在大兴煤矿N2703综放工作面采空区防治高温火源点的实际应用情况，对比了注三相泡沫前后取样气体中CO，O2体积浓度以及采空区温度丁的变化结果，有效地防治了煤炭自燃．应用结果表明三相泡沫防治采空区煤炭自燃的效果显著，是一种具有广阔应用前景的新型防灭火材料．     

废玻璃--粉煤灰泡沫玻璃的研制

以废玻璃渣和粉煤灰为主要原料制备泡沫玻璃,通过对制品微孔结构的观察及导热系数的测定,具体分析了各因素对制品性能的影响.实验表明,通过加入适量的发泡剂和外掺剂,在适宜的温度控制下可制备出优质的泡沫玻璃.     

泡沫混凝土的抗氯离子渗透性能研究

对泡沫混凝土试件开展抗压强度试验及抗氯离子渗透性能试验,研究发泡剂稀释倍数、泡沫混凝土水灰比、发泡剂含量对泡沫混凝土抗压强度、非稳态氯离子迁移系数和孔隙率的影响,验证泡沫混凝土作为保护层提高普通混凝土抗氯离子渗透性能的可行性。结果表明:当发泡剂稀释倍数为60倍、水灰质量比为0.5、发泡剂质量分数为0.6%时,泡沫混凝土抗氯离子渗透性能最佳,其非稳态氯离子迁移系数为5.81×10~(-12)m~2/s。     

以粉煤灰和碎玻璃为主要原料研制泡沫玻璃

对发泡剂种类与掺量、发泡温度和时间、烧结温度和时间以及稳定剂掺量对泡沫玻璃质量的影响进行讨论,并得到制备粉煤灰泡沫玻璃的最佳工艺参数。对比了添加黏土与不添加黏土的粉煤灰泡沫玻璃的性质,分析了黏土对制作粉煤灰泡沫玻璃的影响。结果表明,当主要原料为37%的粉煤灰、58%的碎玻璃和5%的黏土时,添加7.5%的碳酸钠和2.5%的碳粉作为发泡剂,1.5%的磷酸钠作稳定剂,1.5%的硼酸作助熔剂,830℃下发泡60min,930℃下烧结60min,得到的泡沫玻璃质量最好。黏土有增大泡沫玻璃强度的作用。     

用锰铁渣和废碎玻璃制备泡沫玻璃的工艺研究

以锰铁渣和碎玻璃为主要原料,碳粉为发泡剂,硼砂为助熔剂,采用粉体烧结研制出了泡沫玻璃。对泡沫玻璃的表观密度和吸水率进行了测定。研究结果表明,当锰铁矿渣用量在12.5%~20%时,控制好工艺参数,可以制备出表观密度为407 kg/m3的泡沫玻璃。     

用锰铁渣和废碎玻璃制备泡沫玻璃的工艺研究

以锰铁渣和碎玻璃为主要原料,碳粉为发泡剂,硼砂为助熔剂,采用粉体烧结研制出了泡沫玻璃。对泡沫玻璃的表观密度和吸水率进行了测定。研究结果表明,当锰铁矿渣用量在12.5%~20%时,控制好工艺参数,可以制备出表观密度为407 kg/m3的泡沫玻璃。     

泡沫混凝土力学性能研究方案的可行性分析

本文介绍国内外对泡沫混凝土力学性能的研究现状,以及其密度在800 kg/m3以上承重型泡沫混凝土,通过初步确定泡沫混凝土的干密度,探讨配合比设计,研究不同密度对应的强度、模量、材料组成等参数之间的关系.拟采用优质表面活性发泡剂、两种水泥及粉煤灰等3种掺和料制作泡沫混凝土试件,并对其进行力学性能试验,分析其可行性,为对其进一步研究提供理论依据.     

露天矿潜孔钻机泡沫发生器的性能实验

为解决露天矿潜孔钻机作业粉尘污染严重的问题,从传统除尘技术应用效果差、耗风量大、取水困难等事实出发,根据泡沫除尘机理及两相泡沫发泡原理,设计了一种适用于露天矿潜孔钻机的泡沫发生器,并对其发泡性能进行研究.通过开展泡沫发生器的泡沫流量、发泡倍数及半衰期等性能实验,确定出影响泡沫发生器发泡性能的主要因素,得出泡沫发生器的最佳工况点.实验结果表明:气体流量、液体流量(气液比)、发泡网及发泡剂质量分数是影响泡沫发生器发泡性能的4个主要因素,在工况为发泡网1、质量分数1.5%的配方2、气体压力0.7 MPa、液体流量18 L/min及气体流量30 m~3/h条件下,泡沫发生器发泡性能达到最佳,其流量为515 L/min,发泡倍数为22,半衰期为65 min.经现场试验,泡沫除尘后采场平均降尘率高达90%以上,应用效果良好.     

多相泡沫体系稳定性研究

多相泡沫体系由气液固三相组成,固体颗粒的加入改变了泡沫的形成机制,需要一种新的泡沫体系评价方法来分析固体颗粒对泡沫稳定性的影响。采用Waring Blender方法生成泡沫,泡沫体系中液体析出时间和析出体积倒数在双对数坐标系中存在线性关系,因此采用该直线斜率表征泡沫衰减速率。对3种不同起泡剂的泡沫衰减速率进行了研究。结果表明,常规泡沫体系中的泡沫衰减速率只与起泡剂浓度有关,而且起泡剂浓度不同泡沫衰减速率则不同。对固相颗粒类型、粒径、浓度对多相泡沫体系衰减速率的影响进行了研究。结果表明,预交联颗粒能与起泡剂溶液复配出发泡体积高、稳定性强的泡沫体系;固体颗粒粒径越小,多相泡沫体系越稳定;固相颗粒质量分数影响多相泡沫体系的起泡能力,存在最优的固相颗粒质量分数,使多相泡沫体系最稳定。     

Experimental research on inorganic solidified foam for sealing air leakage in coal mines

In order to efficiently seal air leakages and control spontaneous combustion of coal, solidified foam was developed by adding a certain compound additive to fly coal ash and cement as the main materials. It was prepared basing on the foaming characteristic through physical and mechanical system. We studied the effects of the different types of foaming agents, the mass ratio of cement to fly ash, and the mass ratio of solid to water and content of cellulose on the performance of solidified foam. The results show that when adding the composite protein, surfactant and cellulose foaming agents. The cement-fly ash ratio of 0.75:1, the water solid ratio as large as 2:1, and the solidified foam with high properties and density of only 516 kg/m³ and compressive strength of up to 12.68 MPa were prepared. But the initial setting time, identity and compressive strength may be changed by varying the water solid ratio and/or the additives. We theoretically analyzed the influence mechanism of foam density, compressive strength and water solid ratio. The solidified foam is especially suitable for sealing surface leakage channels and filling the goaf with a wide application prospects.     

陶粒泡沫混凝土强度及其影响因素研究

着重研究了陶粒掺量，泡沫参量，水泥掺量，砂率，用水量，粉煤灰掺量对陶粒泡沫混凝土强度的影响。并确定了各组分的最佳掺量。研究结果表明：陶粒泡沫混凝土在配制时，陶粒掺量，泡沫掺量，砂率都有其最佳值，而增加水泥用量并不能显著增加该混凝土的强度。从降低陶粒泡沫混凝土的成本出发，应以粉煤灰代替部分水泥，且应采用超量取代法。