防治煤自燃的無機(jī)固化泡沫產(chǎn)生裝置及實驗研究.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、成本相對低廉等特點，在煤礦現(xiàn)場有著廣闊的應(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。針對復(fù)合漿體比重大、粘度高、不易混合均勻的特點，設(shè)計了一種大比重復(fù)合漿體攪拌裝置。主要原理是利用螺帶螺旋的運動，使復(fù)合漿體在攪拌槽中產(chǎn)生強(qiáng)烈的對流和剪切混合作用，增強(qiáng)了復(fù)合漿體的湍流程度，使復(fù)合漿體在較短時間內(nèi)實現(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驗研究，

3、提出了復(fù)合漿體均勻度的評價指標(biāo)，得出了充滿系數(shù)、攪拌時間、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，攪拌時間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。建立了水基泡沫實驗系統(tǒng)，確定了水基泡沫制備的評價指標(biāo)及其測試方法。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價指標(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)計原理是水基泡沫通過中空螺旋管上的各個水基泡沫出口與混合腔室中的復(fù)合漿體逐級混合，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作為混合性能的評價指標(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，對混合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)做三因素三水平的正交模擬實驗，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。對優(yōu)化的中空螺旋式混合器的流場、壓力降、湍流動能、混合效果進(jìn)行了分析。⑷建立了無機(jī)固化泡沫制備實驗系統(tǒng)。基于正交實驗設(shè)計方法，以混合器轉(zhuǎn)速、水基泡沫流量、復(fù)合漿體水灰比、復(fù)合漿體流量為實驗因素，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價指標(biāo)，對無機(jī)固化泡沫的制備進(jìn)行了四因素三水平正交實驗。提出了利用數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)對

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)點是能對無機(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。通過對正交實驗數(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