防治煤自燃的无机固化泡沫产生装置及实验研究

摘要

煤自燃是煤矿开采的主要自然灾害之一。为防治矿井煤炭自燃，堵漏控风防止煤氧复合是最有效的方法之一。无机固化泡沫是一种新型的堵漏防灭火材料，以粉煤灰和水泥为基材，添加一定的外加剂，通过物理机械的发泡方式，最后形成的具有较强抗压能力的轻质固态泡沫材料。无机固化泡沫具有封堵裂隙漏风严密、可向高处堆积、覆盖均匀、隔热性能好、成本相对低廉等特点，在煤矿现场有着广阔的应用前景。无机固化泡沫产生装置是制备无机固化泡沫材料的关键，其主要部件为：大比重复合浆体搅拌装置、水基泡沫发泡器以及泡沫浆体混合器。
　　本研究主要内容包括：⑴复合浆体是由一定比例的粉煤灰、水泥、外加剂与一定比例的水在搅拌装置中搅拌制备而成。针对复合浆体比重大、粘度高、不易混合均匀的特点，设计了一种大比重复合浆体搅拌装置。主要原理是利用螺带螺旋的运动，使复合浆体在搅拌槽中产生强烈的对流和剪切混合作用，增强了复合浆体的湍流程度，使复合浆体在较短时间内实现快速均匀混合。在此基础上，开展了复合浆体混合均匀度的实验研究，提出了复合浆体均匀度的评价指标，得出了充满系数、搅拌时间、水灰比与复合浆体混合均匀度的关系。当水灰比为0.4~0.6时，搅拌时间6~8 min，充满系数为0.55，σ（密度标准差）值最小，混合均匀度最好。⑵基于孔隙式发泡原理，发明了用于制备无机固化泡沫材料的水基泡沫发泡器。表面活性剂稀释液在压风作用下，经填充孔隙率下小上大的多孔介质作用形成压降，持续发泡，这种发泡方式能防止产生的水基泡沫液膜堵塞通道，提高产泡效率。该发泡器主要由泡沫腔室、发泡筒、压缩空气入口管、发泡剂稀释液入口管、水基泡沫出口管以及排放管组成，具有结构简单、成本低廉、易于加工制作的特点。建立了水基泡沫实验系统，确定了水基泡沫制备的评价指标及其测试方法。研究了操作参数即不同的压缩空气流量和发泡剂稀释液流量对产生的水基泡沫性能的影响，得出了在不同压缩空气流量情况下，发泡剂稀释液流量与水基泡沫评价指标之间的关系曲线，为水基泡沫的制备提供了依据。⑶发明了一种能均匀混合水基泡沫和大比重复合浆体的中空螺旋式混合器。设计原理是水基泡沫通过中空螺旋管上的各个水基泡沫出口与混合腔室中的复合浆体逐级混合，能有效降低水基泡沫的破泡率，提高水基泡沫和复合浆体混合的均匀程度。探究了中空螺旋式混合器的混合机理。采用数值模拟的方法对中空螺旋式混合器的结构进行了优化，确定了以不均匀系数COV作为混合性能的评价指标，选定螺旋叶片螺距p、中空螺旋管的直径D、水基泡沫出口直径d作为模拟的因素，对混合器的结构参数做三因素三水平的正交模拟实验，得出混合器的最佳结构参数为：中空螺旋管的直径D=30 mm、螺旋叶片螺距p=100 mm、水基泡沫出口直径d=14 mm。对优化的中空螺旋式混合器的流场、压力降、湍流动能、混合效果进行了分析。⑷建立了无机固化泡沫制备实验系统。基于正交实验设计方法，以混合器转速、水基泡沫流量、复合浆体水灰比、复合浆体流量为实验因素，以无机固化泡沫的发泡倍数（破泡率）以及无机固化泡沫的均匀度作为评价指标，对无机固化泡沫的制备进行了四因素三水平正交实验。提出了利用数字图像处理与分析技术对无机固化泡沫泡孔均匀性进行定量表征的方法，通过Image-Pro Plus软件，获取无机固化泡沫截面的泡孔面积，通过计算划分的子区域泡孔面积的标准差来定量表征泡孔分布均匀程度。该方法的优点是能对无机固化泡沫均匀性进行定量表征，操作简单方便，结果准确可靠。通过对正交实验数据的处理和分析，得出了各因素的影响顺序和最佳的配比。制备无机固化泡沫的最佳工艺参数组合方案为：混合器转速150 r/min、复合浆体流量2 m3/h、水基泡沫流量14 m3/h、复合浆体水灰比0.5。⑸研究了无机固化泡沫的防灭火性能。无机固化泡沫的粘结性能测试表明，无机固化泡沫具有优良的粘结松散煤体的能力。堵漏风性能模拟测试表明，无机固化泡沫材料堵漏风效果显著。阻化性能实验表明无机固化泡沫材料对煤自燃指标气体的产生具有很好的抑制作用。无机固化泡沫扑灭煤堆火实验表明，无机固化泡沫能够覆盖在煤堆表面，沿着煤炭裂隙逐渐渗流到煤堆内部，保持结构形态不变，具有良好的热稳定性和优良的灭火性能。

目录

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景与意义（Research Background and Significance）

1.2国内外研究现状（The Research Status at Home and Abroad）

1.3 研究目标与主要研究内容 （ Targets and Contents of the Research）

1.4研究技术路线（Technical Route of the Research）

2 大比重复合浆体搅拌装置的设计原理及混合均匀度的实验研究

2.1 复合浆体搅拌装置的设计原理（ Design Principle of High Density Composite Slurry Mixing Device）

2.2复合浆体搅拌装置关键部分的设计及相关参数（Key Parts of High Density Composite Slurry Mixing Device Design and Related Parameters）

2.3 复合浆体搅拌装置混合均匀度实验（Experiment of Mixing Uniformity with High Density Composite Slurry Mixing Device） 2.3.1复合浆体混合均匀度的主要影响因素

2.4本章小结（Brief Summary of this Chapter）

3 水基泡沫发泡器的设计原理及实验研究

3.1 发泡器的设计原理及研制（ Design Principle and the Development of the Foam Generator）

3.2 发泡器的发泡机理（ The Foaming Mechanism of Foam Generator）

3.3 发泡器的发泡实验研究（Foaming Experimental Research of Foam Generator）

3.4本章小结（Brief Summary of this Chapter）

4中空螺旋式混合器的设计原理及优化

4.1 中空螺旋式混合器的设计原理（Design Principle of Hollow Spiral Mixer）

4.2 中空螺旋式混合器的数值模拟方法（Numerical Simulation Method of Hollow Spiral Mixer）

4.3中空螺旋式混合器的结构优化（Hollow Spiral Mixer Structure Optimization）

4.4 中空螺旋式混合器的研制（The Development of the Hollow Spiral Mixer）

4.5 本章小结（Brief Summary of this Chapter）

5无机固化泡沫制备实验研究

5.1 无机固化泡沫制备实验系统（ Inorganic Solidified Foam Preparation Experiment System）

5.2 无机固化泡沫制备正交实验设计（Orthogonal Experimental Design on Preparation of Inorganic Solidified Foam）

5.3无机固化泡沫制备实验（Inorganic Solidified Foam Preparation Experiment）

5.4 无 机 固 化 泡 沫 均 匀 度 的 定 量 表 征 （ Quantitative Characterization of Inorganic Solidified Foam Homogeneity）

5.5 正交实验结果及数据处理与分析（Orthogonal Experimental Results and Data Analysis Processing）

5.6本章小结（Brief Summary of this Chapter）

6无机固化泡沫防灭火性能实验研究

6.1无机固化泡沫防灭火机理（Fire Extinguishing Mechanism of Inorganic Solidified Foam）

6.2 无机固化泡沫的粘结性能实验研究（ The Cementation Performance of Inorganic Solidified Foam）

6.3 无机固化泡沫堵漏风性能实验研究（ Plugging Wind Performance of Inorganic Solidified Foam）

6.4 无机固化泡沫阻化性能实验研究（Inhibitor Performance of Inorganic Solidified Foam）

6.5 无机固化泡沫扑灭煤堆火的实验研究（Extinguish the Coal Fire Experiment of Inorganic Solidified Foam）

6.6本章小结（Brief Summary of this Chapter）

7 结论及展望

7.1主要结论（Main Conclusions）

7.2主要创新点（Main Innovations）

7.3展望（Prospects of Future Study）

参考文献

作者简历

声明

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