采空區三態防滅火材料滲流參數測定實驗研究

李耀謙

(陽泉煤業(集團)有限責任公司,山西 陽泉 045000)

陽煤集團所屬部分礦井采空區浮煤自燃一直是一個難題[1],并且隨著開采強度增大,采空區遺煤量也越來越高,采空區遺煤自燃時有發生,遺煤自燃問題愈加突出。采空區遺煤自然發火的主要原因是隨著我國綜采放頂煤開采技術的迅速推廣,造成綜放工作面遺煤較多[2-8]。近年來,三態材料的應用使得采空區防滅火技術又得以往前推進一步,例如,三相泡沫。三態材料的使用過程中,其中含有的惰性氣體能起到滅火功能,同時三相泡沫還能沿著多孔介質的空隙滲透擴展,撲滅隱蔽火源與深層火災。

由于采空區本身所具有的多孔介質滲流特性,在使用液相、氣相或者三態材料的時候,需要考慮其滲流特性,FLUENT軟件模擬過程中需要定義模擬材料的密度、黏度等基礎物理常量,因此,在進行模擬分析之前,需要測定防滅火三態材料的的分散相粒徑、密度與黏度。但是,由于防滅火三態材料是由液相、氣相以及固態組成的新材料,其密度等基礎物理常量都與其中的任一項單一物質不同,需要重新測定整體材料的基礎物理常量。

1 測定黃泥顆粒粒徑

防滅火三態材料中采用的固態相為黃泥顆粒,因此,選用晾干的黃泥作為原料。黃泥曬干之后很堅硬,需要先在球磨機中進行研磨,接著再使用實驗室的分樣篩子進行篩選,從而選出所需要的黃泥。

實驗方法如下:

1)將曬干的黃泥顆粒放進球磨機中進行研磨。

2)將研磨好的黃泥倒入研缽中進行第二遍手工研磨。

3)在實驗室臺上鋪上一張干凈的白紙,將經過二次研磨的黃泥顆粒倒入100目的分樣篩中;搖動分樣篩,進行篩選。

100目對應的粒徑為0.150 mm,因此,可以認為經過篩選的黃泥顆粒的粒徑為0.150 mm。

將篩選好的黃泥顆粒收集至儲物罐中備用。

2 測定防滅火三態材料密度

測量密度的方法有很多,例如密度計法、定義測密度法、壓強測密度法、浮力測密度法、綜合法等。本實驗中采用密度計法,即將密度計放入一定量的液體中,待讀數穩定之后,讀出數據。再利用理論法測定三態材料的密度,將測量出的結果與密度計法相比較,驗證密度計法得出的密度值是否正確。

密度計法的實驗方法如下:

1)準備5個500 mL的量筒,用蒸餾水洗凈。

2)配置三態材料。三態材料的組成為:經過篩選的均勻黃泥顆粒,凝膠,復配發泡劑,CO2。其中,黃泥顆粒經過100目的篩子篩選之后,將篩選好的細小、均勻的顆粒均勻地攪拌進凝膠-發泡劑復合液體中。

3)往5個量筒中分別倒入300 mL的三態材料,用密度計測量密度，測量值如表1所示。

從表1中可以得出,密度計法測量的密度平均值為0.152 g/mL。接著,利用理論法進行對比分析。

利用理論法測密度的實驗方法如下:

1)將經過篩選的均勻黃泥顆粒、凝膠、復配發泡劑、CO2配置成三態材料。

2)取5個相同規格的燒杯,用蒸餾水洗凈,之后用濾紙擦拭干凈,備用。

3)取一個燒杯在電子天平上除去毛重,倒入200 mL的三態材料,稱量其質量。

4)重復步驟3,測出5組數據。利用理論法分別計算出5組防滅火三態材料的密度。數據如表2所示。

表2 理論法測防滅火三態材料密度值Table 2 Density of tri-state fire preventing and extinguishing materials measured by theory method

根據表2的測量值,可以得出防滅火三態材料的密度為0.139 g/mL。通過對比理論法和密度計法測量出的數值,我們可以看出二者之間的偏差值范圍不超過10%,二者接近,可認為密度計測出的密度準確?？紤]到實驗中存在的誤差以及三態材料中含有氣泡與氣體等因素,可以認為三態材料的密度為0.15 g/mL。

3 測定防滅火三態材料黏度

服從牛頓黏度定律的流體稱為牛頓流體,而不滿足牛頓黏性實驗定律的流體稱為非牛頓流體。非牛頓流體廣泛存在于生產、生活中,可以說,牛頓流體是非牛頓流體的一個特例,例如,在標準狀態下,水是牛頓流體。

防滅火三態材料是由氣相、液相和固相三相組成,氣相存在于氣泡中,隨著運動氣相會發生變化。并且防滅火三態材料的剪應力與剪切應變率之間不存在一定的關系。因此,要測量其黏度,需要采用測量非牛頓流體黏度的方法。

本實驗中采用的黏度計是NDJ-79旋轉式黏度計。該黏度計可以測量各種牛頓流體的絕對黏度和非牛頓流體的表觀黏度,使用方便、性能穩定、維護簡單。NDJ-79旋轉式黏度計由兩組轉子、主機、溫度計、托架、變速器等組成。測量的黏度范圍是2 mPa·s～106mPa·s,誤差范圍為±5%,測量轉速分為750 r/min、75 r/min、7.5 r/min三檔,測試時根據被測液體進行轉速選擇。

黏度計測量時,通過選擇轉子和轉速來確定被測液體的黏度范圍。測量時,通過指針指示的讀數與轉子系數相乘即得出被測液體的黏度,公式如下:

μ=kx.

(1)

式中:μ為黏度,mPa·s;k為轉子系數;x為指針指示的讀數。

表3 黏度計轉子因子值Table 3 Rotational factors of viscometer

實驗時,方法如下:

1)安裝NDJ-79旋轉式黏度計,并調零。

2)估計三態材料的黏度,選取第一個轉子。

圖8為擋板的布置位置示意。擋板左端面與風室前端距離分別為700 mm、1457 mm、2143 mm。擋板長度240 mm，寬度10 mm?？紤]到風室下部有排渣裝置，因此擋板距風室下表面75 mm。安裝過程中，擋板的前端焊接在風門之間的隔板上。為了研究擋板高度對爐排橫向配風的影響，設計了表1所示的8種工況。

3)將三態材料倒入測試容器中,并將選好的轉子懸掛在儀器的聯軸器上。

4)打開開關,轉子脫落,說明三態材料的黏度超過轉子的測量范圍,選取一個量程更大的轉子,重新將轉子掛在聯軸器上,打開開關。

5)記錄合適轉子測出的數據。重復步驟4,測試5組數據。

6)間隔30 min之后,重復步驟4重新測定5組數據。

7)再間隔30 min,重復步驟4,測定5組數據。測量數值如表4所示。

表4 防滅火三態材料黏度值Table 4 Viscosity of tri-state fire preventing and extinguishing materials

根據表4,分析計算出每個時間段的平均黏度分別為69.6 mPa·s、60.8 mPa·s、55.2 mPa·s,再根據平均黏度做出平均黏度分布圖,見圖1。

圖1 黏度數據圖Fig.1 Viscosity data

根據表4以及圖1,可以得出防滅火三態材料的黏度是隨著時間的變化而變化的,初始黏度為69.6 mPa·s,接著黏度漸漸變小,1 h后,黏度變為55.2 mPa·s。這是由于三態材料靜置一段時間之后,材料中的固相會慢慢沉降,同時,氣態會隨著氣泡的破裂而溢出。

根據實驗測出的表觀黏度,利用ORIGIN軟件進行數據擬合,可以推測出防滅火三態材料黏度與時間的關系:

(2)

式中:μ為黏度,mPa·s；t為放置時間，min。

4 結論

利用100目的篩子對研磨后的黃泥顆粒進行篩選,篩選之后的黃泥顆粒粒徑為0.150 mm。利用密度計法測試三態材料的密度,并利用理論法驗證,得到三態材料的密度為0.15 g/mL。使用黏度計法測量防滅火三態材料的黏度。通過分析測量出來的數值,得出防滅火三態材料的黏度值會隨著時間的變化逐漸變小。經過一段時間之后材料的黏度降為55.2 mPa·s。

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