防治煤自燃的無機(jī)固化泡沫產(chǎn)生裝置及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、煤自燃是煤礦開采的主要自然災(zāi)害之一。為防治礦井煤炭自燃，堵漏控風(fēng)防止煤氧復(fù)合是最有效的方法之一。無機(jī)固化泡沫是一種新型的堵漏防滅火材料，以粉煤灰和水泥為基材，添加一定的外加劑，通過物理機(jī)械的發(fā)泡方式，最后形成的具有較強(qiáng)抗壓能力的輕質(zhì)固態(tài)泡沫材料。無機(jī)固化泡沫具有封堵裂隙漏風(fēng)嚴(yán)密、可向高處堆積、覆蓋均勻、隔熱性能好、成本相對(duì)低廉等特點(diǎn)，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)有著廣闊的應(yīng)用前景。無機(jī)固化泡沫產(chǎn)生裝置是制備無機(jī)固化泡沫材料的關(guān)鍵，其主要部件為：大比重復(fù)合

2、漿體攪拌裝置、水基泡沫發(fā)泡器以及泡沫漿體混合器。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴復(fù)合漿體是由一定比例的粉煤灰、水泥、外加劑與一定比例的水在攪拌裝置中攪拌制備而成。針對(duì)復(fù)合漿體比重大、粘度高、不易混合均勻的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種大比重復(fù)合漿體攪拌裝置。主要原理是利用螺帶螺旋的運(yùn)動(dòng)，使復(fù)合漿體在攪拌槽中產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流和剪切混合作用，增強(qiáng)了復(fù)合漿體的湍流程度，使復(fù)合漿體在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速均勻混合。在此基礎(chǔ)上，開展了復(fù)合漿體混合均勻度的實(shí)驗(yàn)研究，

3、提出了復(fù)合漿體均勻度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出了充滿系數(shù)、攪拌時(shí)間、水灰比與復(fù)合漿體混合均勻度的關(guān)系。當(dāng)水灰比為0.4~0.6時(shí)，攪拌時(shí)間6~8 min，充滿系數(shù)為0.55，σ（密度標(biāo)準(zhǔn)差）值最小，混合均勻度最好。⑵基于孔隙式發(fā)泡原理，發(fā)明了用于制備無機(jī)固化泡沫材料的水基泡沫發(fā)泡器。表面活性劑稀釋液在壓風(fēng)作用下，經(jīng)填充孔隙率下小上大的多孔介質(zhì)作用形成壓降，持續(xù)發(fā)泡，這種發(fā)泡方式能防止產(chǎn)生的水基泡沫液膜堵塞通道，提高產(chǎn)泡效率。該發(fā)泡器主要由泡沫腔室

4、、發(fā)泡筒、壓縮空氣入口管、發(fā)泡劑稀釋液入口管、水基泡沫出口管以及排放管組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于加工制作的特點(diǎn)。建立了水基泡沫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，確定了水基泡沫制備的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其測(cè)試方法。研究了操作參數(shù)即不同的壓縮空氣流量和發(fā)泡劑稀釋液流量對(duì)產(chǎn)生的水基泡沫性能的影響，得出了在不同壓縮空氣流量情況下，發(fā)泡劑稀釋液流量與水基泡沫評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系曲線，為水基泡沫的制備提供了依據(jù)。⑶發(fā)明了一種能均勻混合水基泡沫和大比重復(fù)合漿體的中空螺旋式混合器

5、。設(shè)計(jì)原理是水基泡沫通過中空螺旋管上的各個(gè)水基泡沫出口與混合腔室中的復(fù)合漿體逐級(jí)混合，能有效降低水基泡沫的破泡率，提高水基泡沫和復(fù)合漿體混合的均勻程度。探究了中空螺旋式混合器的混合機(jī)理。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)中空螺旋式混合器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，確定了以不均勻系數(shù)COV作為混合性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選定螺旋葉片螺距p、中空螺旋管的直徑D、水基泡沫出口直徑d作為模擬的因素，對(duì)混合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)做三因素三水平的正交模擬實(shí)驗(yàn)，得出混合器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為：中

6、空螺旋管的直徑D=30 mm、螺旋葉片螺距p=100 mm、水基泡沫出口直徑d=14 mm。對(duì)優(yōu)化的中空螺旋式混合器的流場(chǎng)、壓力降、湍流動(dòng)能、混合效果進(jìn)行了分析。⑷建立了無機(jī)固化泡沫制備實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。基于正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以混合器轉(zhuǎn)速、水基泡沫流量、復(fù)合漿體水灰比、復(fù)合漿體流量為實(shí)驗(yàn)因素，以無機(jī)固化泡沫的發(fā)泡倍數(shù)（破泡率）以及無機(jī)固化泡沫的均勻度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)無機(jī)固化泡沫的制備進(jìn)行了四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)。提出了利用數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)對(duì)

7、無機(jī)固化泡沫泡孔均勻性進(jìn)行定量表征的方法，通過Image-Pro Plus軟件，獲取無機(jī)固化泡沫截面的泡孔面積，通過計(jì)算劃分的子區(qū)域泡孔面積的標(biāo)準(zhǔn)差來定量表征泡孔分布均勻程度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能對(duì)無機(jī)固化泡沫均勻性進(jìn)行定量表征，操作簡單方便，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。通過對(duì)正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，得出了各因素的影響順序和最佳的配比。制備無機(jī)固化泡沫的最佳工藝參數(shù)組合方案為：混合器轉(zhuǎn)速150 r/min、復(fù)合漿體流量2 m3/h、水基泡沫流量14 m