矿用防灭火凝胶泡沫流动特性及现场运用研究

王志光

(霍州煤电集团有限责任公司山西省霍州市 031400)

1 引言

矿用防灭火凝胶泡沫虽然是一种两相流体，但它特性非常特别，完全不同于常规的凝胶，也与聚合物流体的性质不尽相同。凝胶泡沫的流变性质影响因素极多，因此其在管道和采空区的作用机理及流动特性具有极大的不确定性。矿井火灾通常是由于采空区和煤柱中的遗煤自燃，特征无法通过外界来辨别，难以被发现。凝胶泡沫流变学研究的关键点在于泡沫，凝胶配比上的复杂性和易变性，因此凝胶泡沫的流变性性质可以通过改变配比环境进行模拟来了解清楚凝胶泡沫流动特性。其中A.M Tafreshi 对泡沫和凝胶两类产品进行了对比研究[1]，王刚研究了新型高分子凝胶防灭火材料在煤矿火灾防治中的应用[2]，而周春山研究了通过羧甲基纤维素钠、交联剂柠檬酸铝制备了矿用CMC/AlCit 防灭火凝胶[3]，目前凝胶泡沫的流动性研究方面仍是亟待解决的问题，故本文通过实验对不同稠化剂和发泡剂比例、不同PH值，不同温度对凝胶泡沫发泡性能和泡沫黏度的影响进行分析，并在此基础上，通过现场试验进行总结，为煤矿提供一种新型高效的防灭火手段。

2 实验

2.1 实验材料的制备

（1）交联剂：采用高分子聚氯化铝溶液经过酸碱活化作为交联剂使用。

（2）发泡剂：实验室自制发泡剂，活性质量分数基本保证在85%以上。

（3）促凝剂：本次实验采用质量分数2.5%的海藻酸钠溶液作为促凝剂使用。

（4）稠化剂：采用聚丙烯酰胺作为稠化剂使用。

（5）气体：实验中使用空气，保证气体对凝胶泡沫的制成没有干扰。

（6）水：实验采用蒸馏水，排除其它离子的干扰。

本次实验新型凝胶泡沫制备采用以下方法：将配置好的交联剂按定量溶于清水中，通过磁力搅拌器搅拌，并将少量促凝剂加入搅拌好的溶液，为了使溶液膨胀形成泡沫再添加适量发泡剂。将混合物放入磁力搅拌机中，开动磁力搅拌器，搅拌4 min～8 min，产物会快速膨胀，终而形成凝胶泡沫，产品必须均匀、发泡量大、泡沫细腻才能开展下一步试验。[4]实验装置见图1。

图1 实验用搅拌器及数字粘度计

2.2 材料性能测试

（1）流变参数：采用不同条件（稠化剂和交联剂的不同比例、PH 值、温度）形成的凝胶泡沫编号处理，将所有样品都要静置40 分钟待样品稳定均匀后测量记录其流变参数和粘度，每次记录重复三次并取其平均值，此时所记录的粘度值为相应条件下形成的凝胶泡沫的表观黏度。

（2）为了对凝胶泡沫的流体力学性质进行研究，对不同剪切速率、不同转子条件下，凝胶泡沫的表观黏度分别进行了测定，所有样品都要静置40分钟待样品稳定均匀后测量记录其表观粘度，每次记录重复三次并取其平均值。

3 结果与讨论

3.1 稠化剂和发泡剂比例的影响

固定型发泡剂质量浓度为4‰，改变稠化剂和发泡剂混合物质量浓度比例，两种物质以2：1,1：1，2：3，1：2 配置不同比例的凝胶泡沫。并记录在不同剪切速率（γ）下各个比例的凝胶泡沫表观黏度（η），其实验结果如图2所示。

图2 不同稠化剂和发泡剂比例的凝胶泡沫流变曲线

由图2 知，在增加稠化剂和发泡剂混合物质量浓度比例的情况下，凝胶泡沫表观黏度都与剪切速率反相关，剪切速率越大，表观粘度越低，凝胶泡沫还呈现出剪切稀化的流体特性，且稠化剂的比例越大，剪切稀化的性质越大。

3.2 PH值的影响

在处理高分子聚氯化铝的过程中，分别加入不同量的盐酸和氢氧化钠将其活化，通过改变盐酸和氢氧化钠的量将PH值调节到从3到11，在不同的酸碱度下发泡制得相应的凝胶泡沫。测定其在各种剪切速率下，PH值对流变特性的影响，结果如图3所示。

图3 不同剪切速率下PH值对凝胶泡沫表观黏度的影响

显然，由图3 可知，在各个剪切速率下，不同酸碱度的凝胶泡沫表观黏度都随着PH值的增加先上升后下降，当PH值达到8时，也就是弱碱性环境下时，达最大值；且实验表明表观黏度对碱的敏感度要比其对酸的敏感度要小。这是因为所形成的凝胶泡沫的官能团中存在大量的RCOO-[5]。当PH值等于8时，凝胶泡沫的表观粘度达到最大值。当PH值大于8后，凝胶泡沫的表观黏度下降。因此，凝胶泡沫表观黏度在弱碱性条件下，随PH值增大略有降低，但酸性条件的凝胶泡沫的变化过程更加激烈。

3.3 温度的影响

使用交联剂质量浓度为5‰的情况下，使用稠化剂和发泡剂质量浓度比例为1：1的凝胶泡沫样品，改变温度，考察对应温度下的凝胶泡沫表观粘度，得到温度对凝胶泡沫流变特性的影响，结果如图4所示。

图4 不同剪切速率下温度对凝胶泡沫表观黏度的影响

由图4 可得，温度与凝胶泡沫的表观黏度呈反相关，温度越高，凝胶泡沫表面黏度越低。其原因是温度在常温是，稠化剂分子的活性最高，最容易形成凝胶，其次随着温度的上升，稠化剂和交联剂分子热运动会加剧，这时便不容易交联成三维网状结构。此外高温导致液膜蒸发加快，所形成的凝胶泡沫壁变薄，综上原因就致使凝胶泡沫的表观黏度随温度的上升而下降。

4现场运用

根据前面综合研究和分析，选择合适的稠发比，温度及PH后，通过现有研究的基础上，以张集矿1115工作面采空区灭火为契机在张集矿1115 工作面灭火现场进行应用，检验该凝胶泡沫的防灭火效果。

在凝胶泡沫防灭火过程之前，对采空区进行了注氮灭火，但由于采空区漏风严重，实际效果一般，停止注氮之后，采空区继续复燃，故使用新配置的凝胶泡沫进行灭火，实际效果如图5（a）所示。

图5 采空区不同灭火方式CO浓度与温度随时间变化图

显然，如图5（b）所示，灭火前期，新型凝胶泡沫由于注入量少，凝胶发挥效果较氮气缓慢，随着时间的增加，新型凝胶泡沫效果与注氮效果一致，到22天时，采空区内采用注氮方法CO浓度从355 ppm到29 ppm，温度从850℃降到了62℃，看似火源熄灭了，停止注氮后，CO 浓度恢复到233ppm，温度升到了501℃，显然采空区发生了复燃，采用新型凝胶泡沫后，CO浓度在22天内从335 ppm 降到了42 ppm，温度从815℃到94℃，停止注胶后CO浓度继续降到了7 ppm，温度从94℃降到了30℃，从结果来看，采空区自燃已经熄灭，且未出现反复，有效治理了火区，为下一步工作面的启封提供了条件。取得了良好的经济效益和社会效益。

5 结论

（1）在增加稠化剂和发泡剂混合物质量浓度比例的情况下，凝胶泡沫表观黏度都与剪切速率反相关，剪切速率越大，表观粘度越低。

（2）凝胶泡沫表观黏度均随着PH 值的增加先上升后下降，当PH 值等于8 时，凝胶泡沫的表观粘度达最大值；且实验表明表观黏度对碱的敏感度要比其对酸的敏感度要小。同时，温度越高，凝胶泡沫表面黏度越低。

（3）在稠化剂和发泡剂质量浓度比例确定是，剪切速度越大，凝胶泡沫的表观粘度越小，这一规律符合也剪切稀化流体的性质。

（4）在张集矿1115 工作面自燃火区中进行了应用，在15天内将CO气体从335 ppm持续稳定下降至7 ppm，温度从815℃到30℃,有效治理了火区，为下一步工作面启封和撤架提供了条件。