防治煤自燃高效泡沫灭火剂的实验研究

发布时间：2020-08-11 11:55

【摘要】：煤自燃问题是煤矿主要自然灾害之一,我国90%以上煤层为自燃或易自燃,煤炭自燃引起的火灾占矿井火灾总数的85%~90%,其中采空区自燃火灾占煤矿内因火灾的60%以上,全国25个主要产煤省区的130余个大中型矿区均不同程度地受到煤层自然发火威胁,煤炭自然发火严重。煤自燃不仅损失大量煤炭资源,而且严重威胁作业人员生命安全。此外,它还可诱发瓦斯、煤尘爆炸。近年来我国广泛采用综采放顶煤开采并大力推广瓦斯抽放技术,也导致采空区遗煤残煤增多、漏风严重,加剧煤自燃风险。为了防治煤自燃灾害,我国从20世纪50年代起先后在煤矿推广灌浆、均压通风、阻化剂、惰气、堵漏风和胶体等技术和材料。这些技术和材料对防治煤自燃灾害起到了积极作用,但也具有明显的局限性。泡沫凭借自身良好的流动、堆积特性能对自燃煤体进行充分包裹冷却和窒息,治理煤自燃效果显著,当前已经被人们广泛接受和认可。但泡沫防灭火技术也存在一系列突出问题。譬如传统泡沫灭火的不够绿色环保,技术经济性亟待提高,产泡受外界环境影响明显。因此,本论文紧扣绿色和高效两大主题,在实验室研发出一种防治煤自燃的新型泡沫灭火剂并围绕泡沫特性、流变特性和阻化特性开展了一系列研究。以下是本论文取得的具体成果和相关结论概要:构建了“阴离子型表面活性剂-阳离子型表面活性剂-水溶性聚合物”三元复配协同增效模型(复配模型),并利用该模型从表面吸附和胶束形成两个方面对三元复配协同增效进行描述和机理揭示。在复配模型的指导下,参考国内外最新关于表面活性剂绿色化学的研究资料,借助表面活性剂的亲水亲油平衡值(HLB),筛选出Sas、Saes、Htc三种起泡性能好的绿色表面活性剂和一种稳泡性能优异的水溶性聚合物Xg,并通过正交试验得到一种绿色高效的泡沫灭火剂配方为Sas:Saes:Htc:Xg=3.0:1.4:1.0:4.9。紧接着依据泡沫灭火剂的鼓泡时间、稳泡时间、泡沫含液量及泡沫数量、半径和曲率分布等具体指标,对比了该新型泡沫灭火剂与防治煤自燃的常规泡沫灭火剂的泡沫性能。实验结果发现:该新型泡沫灭火剂的临界胶束浓度为1.0 w.t.‰,仅为常规泡沫灭火剂的三分之一,且起泡性能和稳泡性能都有显著提高。另外,从泡沫数量、半径和曲率分布的角度分析认为该泡沫灭火剂相比常规泡沫灭火剂更能适应煤自燃灾害的防治。考察了自身浓度变化、无机盐种类和浓度、环境温度及酸碱度等对本论文研制出的绿色高效泡沫灭火剂的泡沫性能影响。实验结果发现:在一定浓度范围内泡沫灭火剂起泡性能增加的同时稳泡性能并不一定增加,反而可能下降;高价金属阳离子对泡沫灭火剂的影响要大于低价金属阳离子,以至于在同样无机盐浓度范围内,氯化钙对泡沫灭火剂既表现出“盐析作用”又表现出“盐溶作用”,而氯化钠仅出现“盐析作用”;阴离子型表面活性剂与阳离子型表面活性剂复配后等得到泡沫灭火剂呈现出非离子型表面活性剂的“浊点”现象;泡沫灭火剂在酸性和强碱环境中均可能发生水解反应,导致其泡沫性能发生相应改变。应用流变学的思想与方法,探究了绿色高效泡沫灭火剂的应力-应变关系。实验结果发现该泡沫灭火剂在实验浓度范围内存在明显的剪切变稀现象,属于一种假塑性流体,且其本构方程符合幂律定律的形式。通过程序升温的方法,对比了原煤和不同浓度的绿色高效泡沫灭火剂处理煤样的低温耗氧特性、CO产量特性和升温特性。实验结果表明,浓度为1.0 w.t.‰的泡沫灭火剂溶液对煤样的阻化率达到了68.3%,并且使煤样的交叉点温度提高了15℃以上。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD753
【图文】：

死亡事故,煤矿,分类统计,人类世界

论troduction题的提出（Raise of Problem）研究背景炭被誉为“工业的粮食”，是十八世纪以来人类世界使用的主要统计局 2016 年相关数据显示，我国原煤产量 240 816 万吨，占 69.6 %，与此同时，煤炭消费 270 320 万吨，占能源消费总量的17 年 6 月底，全国已审批、开工建设煤矿 1 228 处、产能 10.53来，受经济增速放缓、能源结构调整等因素影响，煤炭供给能关系严重失衡，导致企业效益普遍下滑，市场竞争秩序混乱，大，对经济发展、职工就业和社会稳定造成了不利影响。如图 1 年 1 月到 2017 年 10 月底，全国煤矿共发生 3 人以上死亡事故事故 12 起，特别重大事故 2 起[3]。

过程图,表面活性剂溶液,纯水,泡沫

（a）（b）（c）图 2-1 纯水和表面活性剂溶液起泡过程对比（a~c）Figure 2-1 Comparison of the bubbling process of distilled water and surfactant solution（a~c）通过含液量的多少可将泡沫分为液体体积分数占 10 %~ 20 %的湿泡沫和液体体积分数小于 10 %的干泡沫。泡沫形成初期，其液膜一般是含有大量水分近似呈球形的湿泡沫。伴随着泡沫排液，液膜变薄逐步成为干泡沫，此时泡沫单元进行相互堆积，形成多面体泡沫。（a）湿泡沫（b）干泡沫

防治煤自燃高效泡沫灭火剂的实验研究

泡沫分类Figure2-2Thesortoffoam

【参考文献】