礦用防滅火凝膠泡沫流動特性及現(xiàn)場運用研究

王志光

(霍州煤電集團有限責(zé)任公司山西省霍州市 031400)

1 引言

礦用防滅火凝膠泡沫雖然是一種兩相流體，但它特性非常特別，完全不同于常規(guī)的凝膠，也與聚合物流體的性質(zhì)不盡相同。凝膠泡沫的流變性質(zhì)影響因素極多，因此其在管道和采空區(qū)的作用機理及流動特性具有極大的不確定性。礦井火災(zāi)通常是由于采空區(qū)和煤柱中的遺煤自燃，特征無法通過外界來辨別，難以被發(fā)現(xiàn)。凝膠泡沫流變學(xué)研究的關(guān)鍵點在于泡沫，凝膠配比上的復(fù)雜性和易變性，因此凝膠泡沫的流變性性質(zhì)可以通過改變配比環(huán)境進行模擬來了解清楚凝膠泡沫流動特性。其中A.M Tafreshi 對泡沫和凝膠兩類產(chǎn)品進行了對比研究[1]，王剛研究了新型高分子凝膠防滅火材料在煤礦火災(zāi)防治中的應(yīng)用[2]，而周春山研究了通過羧甲基纖維素鈉、交聯(lián)劑檸檬酸鋁制備了礦用CMC/AlCit 防滅火凝膠[3]，目前凝膠泡沫的流動性研究方面仍是亟待解決的問題，故本文通過實驗對不同稠化劑和發(fā)泡劑比例、不同PH值，不同溫度對凝膠泡沫發(fā)泡性能和泡沫黏度的影響進行分析，并在此基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場試驗進行總結(jié)，為煤礦提供一種新型高效的防滅火手段。

2 實驗

2.1 實驗材料的制備

（1）交聯(lián)劑：采用高分子聚氯化鋁溶液經(jīng)過酸堿活化作為交聯(lián)劑使用。

（2）發(fā)泡劑：實驗室自制發(fā)泡劑，活性質(zhì)量分數(shù)基本保證在85%以上。

（3）促凝劑：本次實驗采用質(zhì)量分數(shù)2.5%的海藻酸鈉溶液作為促凝劑使用。

（4）稠化劑：采用聚丙烯酰胺作為稠化劑使用。

（5）氣體：實驗中使用空氣，保證氣體對凝膠泡沫的制成沒有干擾。

（6）水：實驗采用蒸餾水，排除其它離子的干擾。

本次實驗新型凝膠泡沫制備采用以下方法：將配置好的交聯(lián)劑按定量溶于清水中，通過磁力攪拌器攪拌，并將少量促凝劑加入攪拌好的溶液，為了使溶液膨脹形成泡沫再添加適量發(fā)泡劑。將混合物放入磁力攪拌機中，開動磁力攪拌器，攪拌4 min～8 min，產(chǎn)物會快速膨脹，終而形成凝膠泡沫，產(chǎn)品必須均勻、發(fā)泡量大、泡沫細膩才能開展下一步試驗。[4]實驗裝置見圖1。

圖1 實驗用攪拌器及數(shù)字粘度計

2.2 材料性能測試

（1）流變參數(shù)：采用不同條件（稠化劑和交聯(lián)劑的不同比例、PH 值、溫度）形成的凝膠泡沫編號處理，將所有樣品都要靜置40 分鐘待樣品穩(wěn)定均勻后測量記錄其流變參數(shù)和粘度，每次記錄重復(fù)三次并取其平均值，此時所記錄的粘度值為相應(yīng)條件下形成的凝膠泡沫的表觀黏度。

（2）為了對凝膠泡沫的流體力學(xué)性質(zhì)進行研究，對不同剪切速率、不同轉(zhuǎn)子條件下，凝膠泡沫的表觀黏度分別進行了測定，所有樣品都要靜置40分鐘待樣品穩(wěn)定均勻后測量記錄其表觀粘度，每次記錄重復(fù)三次并取其平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 稠化劑和發(fā)泡劑比例的影響

固定型發(fā)泡劑質(zhì)量濃度為4‰，改變稠化劑和發(fā)泡劑混合物質(zhì)量濃度比例，兩種物質(zhì)以2：1,1：1，2：3，1：2 配置不同比例的凝膠泡沫。并記錄在不同剪切速率（γ）下各個比例的凝膠泡沫表觀黏度（η），其實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同稠化劑和發(fā)泡劑比例的凝膠泡沫流變曲線

由圖2 知，在增加稠化劑和發(fā)泡劑混合物質(zhì)量濃度比例的情況下，凝膠泡沫表觀黏度都與剪切速率反相關(guān)，剪切速率越大，表觀粘度越低，凝膠泡沫還呈現(xiàn)出剪切稀化的流體特性，且稠化劑的比例越大，剪切稀化的性質(zhì)越大。

3.2 PH值的影響

在處理高分子聚氯化鋁的過程中，分別加入不同量的鹽酸和氫氧化鈉將其活化，通過改變鹽酸和氫氧化鈉的量將PH值調(diào)節(jié)到從3到11，在不同的酸堿度下發(fā)泡制得相應(yīng)的凝膠泡沫。測定其在各種剪切速率下，PH值對流變特性的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同剪切速率下PH值對凝膠泡沫表觀黏度的影響

顯然，由圖3 可知，在各個剪切速率下，不同酸堿度的凝膠泡沫表觀黏度都隨著PH值的增加先上升后下降，當(dāng)PH值達到8時，也就是弱堿性環(huán)境下時，達最大值；且實驗表明表觀黏度對堿的敏感度要比其對酸的敏感度要小。這是因為所形成的凝膠泡沫的官能團中存在大量的RCOO-[5]。當(dāng)PH值等于8時，凝膠泡沫的表觀粘度達到最大值。當(dāng)PH值大于8后，凝膠泡沫的表觀黏度下降。因此，凝膠泡沫表觀黏度在弱堿性條件下，隨PH值增大略有降低，但酸性條件的凝膠泡沫的變化過程更加激烈。

3.3 溫度的影響

使用交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為5‰的情況下，使用稠化劑和發(fā)泡劑質(zhì)量濃度比例為1：1的凝膠泡沫樣品，改變溫度，考察對應(yīng)溫度下的凝膠泡沫表觀粘度，得到溫度對凝膠泡沫流變特性的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同剪切速率下溫度對凝膠泡沫表觀黏度的影響

由圖4 可得，溫度與凝膠泡沫的表觀黏度呈反相關(guān)，溫度越高，凝膠泡沫表面黏度越低。其原因是溫度在常溫是，稠化劑分子的活性最高，最容易形成凝膠，其次隨著溫度的上升，稠化劑和交聯(lián)劑分子熱運動會加劇，這時便不容易交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此外高溫導(dǎo)致液膜蒸發(fā)加快，所形成的凝膠泡沫壁變薄，綜上原因就致使凝膠泡沫的表觀黏度隨溫度的上升而下降。

4現(xiàn)場運用

根據(jù)前面綜合研究和分析，選擇合適的稠發(fā)比，溫度及PH后，通過現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，以張集礦1115工作面采空區(qū)滅火為契機在張集礦1115 工作面滅火現(xiàn)場進行應(yīng)用，檢驗該凝膠泡沫的防滅火效果。

在凝膠泡沫防滅火過程之前，對采空區(qū)進行了注氮滅火，但由于采空區(qū)漏風(fēng)嚴重，實際效果一般，停止注氮之后，采空區(qū)繼續(xù)復(fù)燃，故使用新配置的凝膠泡沫進行滅火，實際效果如圖5（a）所示。

圖5 采空區(qū)不同滅火方式CO濃度與溫度隨時間變化圖

顯然，如圖5（b）所示，滅火前期，新型凝膠泡沫由于注入量少，凝膠發(fā)揮效果較氮氣緩慢，隨著時間的增加，新型凝膠泡沫效果與注氮效果一致，到22天時，采空區(qū)內(nèi)采用注氮方法CO濃度從355 ppm到29 ppm，溫度從850℃降到了62℃，看似火源熄滅了，停止注氮后，CO 濃度恢復(fù)到233ppm，溫度升到了501℃，顯然采空區(qū)發(fā)生了復(fù)燃，采用新型凝膠泡沫后，CO濃度在22天內(nèi)從335 ppm 降到了42 ppm，溫度從815℃到94℃，停止注膠后CO濃度繼續(xù)降到了7 ppm，溫度從94℃降到了30℃，從結(jié)果來看，采空區(qū)自燃已經(jīng)熄滅，且未出現(xiàn)反復(fù)，有效治理了火區(qū)，為下一步工作面的啟封提供了條件。取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié)論

（1）在增加稠化劑和發(fā)泡劑混合物質(zhì)量濃度比例的情況下，凝膠泡沫表觀黏度都與剪切速率反相關(guān)，剪切速率越大，表觀粘度越低。

（2）凝膠泡沫表觀黏度均隨著PH 值的增加先上升后下降，當(dāng)PH 值等于8 時，凝膠泡沫的表觀粘度達最大值；且實驗表明表觀黏度對堿的敏感度要比其對酸的敏感度要小。同時，溫度越高，凝膠泡沫表面黏度越低。

（3）在稠化劑和發(fā)泡劑質(zhì)量濃度比例確定是，剪切速度越大，凝膠泡沫的表觀粘度越小，這一規(guī)律符合也剪切稀化流體的性質(zhì)。

（4）在張集礦1115 工作面自燃火區(qū)中進行了應(yīng)用，在15天內(nèi)將CO氣體從335 ppm持續(xù)穩(wěn)定下降至7 ppm，溫度從815℃到30℃,有效治理了火區(qū)，為下一步工作面啟封和撤架提供了條件。