礦用防滅火凝膠泡沫流動特性及現場運用研究

王志光

(霍州煤電集團有限責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，完全不同于常規的凝膠，也與聚合物流體的性質不盡相同。凝膠泡沫的流變性質影響因素極多，因此其在管道和采空區的作用機理及流動特性具有極大的不確定性。礦井火災通常是由于采空區和煤柱中的遺煤自燃，特征無法通過外界來辨別，難以被發現。凝膠泡沫流變學研究的關鍵點在于泡沫，凝膠配比上的復雜性和易變性，因此凝膠泡沫的流變性性質可以通過改變配比環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防治中的應用[2]，而周春山研究了通過羧甲基纖維素鈉、交聯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泡劑比例、不同PH值，不同溫度對凝膠泡沫發泡性能和泡沫黏度的影響進行分析，并在此基礎上，通過現場試驗進行總結，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）交聯劑：采用高分子聚氯化鋁溶液經過酸堿活化作為交聯劑使用。

（2）發泡劑：實驗室自制發泡劑，活性質量分數基本保證在85%以上。

（3）促凝劑：本次實驗采用質量分數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，產物會快速膨脹，終而形成凝膠泡沫，產品必須均勻、發泡量大、泡沫細膩才能開展下一步試驗。[4]實驗裝置見圖1。

圖1 實驗用攪拌器及數字粘度計

2.2 材料性能測試

（1）流變參數：采用不同條件（稠化劑和交聯劑的不同比例、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 分鐘待樣品穩定均勻后測量記錄其流變參數和粘度，每次記錄重復三次并取其平均值，此時所記錄的粘度值為相應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性質進行研究，對不同剪切速率、不同轉子條件下，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分鐘待樣品穩定均勻后測量記錄其表觀粘度，每次記錄重復三次并取其平均值。

3 結果與討論

3.1 稠化劑和發泡劑比例的影響

固定型發泡劑質量濃度為4‰，改變稠化劑和發泡劑混合物質量濃度比例，兩種物質以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），其實驗結果如圖2所示。

圖2 不同稠化劑和發泡劑比例的凝膠泡沫流變曲線

由圖2 知，在增加稠化劑和發泡劑混合物質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，剪切速率越大，表觀粘度越低，凝膠泡沫還呈現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值調節到從3到11，在不同的酸堿度下發泡制得相應的凝膠泡沫。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PH值達到8時，也就是弱堿性環境下時，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PH值等于8時，凝膠泡沫的表觀粘度達到最大值。當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

使用交聯劑質量濃度為5‰的情況下，使用稠化劑和發泡劑質量濃度比例為1：1的凝膠泡沫樣品，改變溫度，考察對應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，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，稠化劑和交聯劑分子熱運動會加劇，這時便不容易交聯成三維網狀結構。此外高溫導致液膜蒸發加快，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現場運用

根據前面綜合研究和分析，選擇合適的稠發比，溫度及PH后，通過現有研究的基礎上，以張集礦1115工作面采空區滅火為契機在張集礦1115 工作面滅火現場進行應用，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，對采空區進行了注氮滅火，但由于采空區漏風嚴重，實際效果一般，停止注氮之后，采空區繼續復燃，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，采空區內采用注氮方法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 濃度恢復到233ppm，溫度升到了501℃，顯然采空區發生了復燃，采用新型凝膠泡沫后，CO濃度在22天內從335 ppm 降到了42 ppm，溫度從815℃到94℃，停止注膠后CO濃度繼續降到了7 ppm，溫度從94℃降到了30℃，從結果來看，采空區自燃已經熄滅，且未出現反復，有效治理了火區，為下一步工作面的啟封提供了條件。取得了良好的經濟效益和社會效益。

5 結論

（1）在增加稠化劑和發泡劑混合物質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，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）在稠化劑和發泡劑質量濃度比例確定是，剪切速度越大，凝膠泡沫的表觀粘度越小，這一規律符合也剪切稀化流體的性質。

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