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煤矿防灭火凝胶泡沫的理论与技术研究

作　者: 田兆君
导　师: 王德明
学　校: 中国矿业大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 凝胶泡沫 煤自燃 流动特性 阻化特性 封堵
分类号: TD752
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 603次
引　用: 2次
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内容摘要


煤自燃和瓦斯事故严重威胁着煤矿安全生产和矿工的生命安全。为了防治煤自燃,国内外采用了灌浆、惰气、阻化剂和凝胶等技术,但这些技术都存在一些不足。本文根据煤矿的实际需要和目前常用防灭火技术的不足,提出了结合凝胶和泡沫各自优点的凝胶泡沫技术,凝胶泡沫能较好地充填采空区或高冒区,既能有效扑灭火灾,又能够包裹煤体、封堵裂隙,防治漏风;在防治煤炭自燃的同时,还能封堵煤体,减少瓦斯向外释放。凝胶泡沫由表面活性剂、交联剂和高分子的溶液经机械发泡形成。论文应用表面化学、流体力学、物理化学、热力学和高分子化学等理论,较系统地研究了凝胶泡沫的形成机理。研制出了发泡能力强、胶凝时间可控、泡沫强度较高、稳定时间长、可适应恶劣环境和成本较低的凝胶泡沫。通过流变学实验分析了凝胶泡沫的发泡高度、反应时间、温度对其粘弹性的影响,建立了凝胶泡沫的本构方程,得到了对凝胶泡沫的黏弹性影响较大的参数。建立了凝胶泡沫在水平管道中流动的数学模型,根据模型可以计算凝胶泡沫在管路中流动的各项技术参数。根据煤自燃的理论和凝胶泡沫防灭火的性能,得出了凝胶泡沫防治煤自燃理论。通过凝胶泡沫对煤的阻化实验,证明了凝胶泡沫具有良好的阻化性能,凝胶泡沫处理过的煤样的升温速率较原煤样显著下降,且能抑制煤的氧化和指标气体一氧化碳的释放,凝胶泡沫在不同升温阶段有不同的阻化效果。通过封堵实验得出凝胶泡沫具有良好的封堵性能,能够封堵一定压力的气体。建立了实验室模拟现场凝胶泡沫制备系统,试验得出了能更好指导现场应用的相关技术及参数。凝胶泡沫利用凝胶固水特性和泡沫堆积、延展特性防治煤炭自燃。较之一般的水浆流动,以泡沫为载体的凝胶泡沫覆盖面广,并可向上部堆积,能够解决采空区隐蔽火源、高位火源、巷道高冒火灾和采空区大范围的防灭火难题,为矿井煤自燃火灾防治提供了一项新的技术手段。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
Abstract (detailed)  9-14
1 绪论  14-19
  1.1 问题的提出（Propose the Problems）  15
  1.2 国内外研究现状及其评价(Current Research Status in Domestic and Abroad and its Evaluation)  15-17
    1.2.1 国内外研究现状(Current Research Status in Domestic and Abroad)  15-16
    1.2.2 国内外研究现状的评价(Evaluation of Current Research Status in Domestic and Abroad)  16-17
  1.3 研究目标、内容和拟解决的关键问题(Taregets and Contents of the Research and Key Issues to be Resolved)  17
    1.3.1 研究目标(Research Targets)  17
    1.3.2 研究内容(Research Contents)  17
    1.3.3 拟解决的关键问题(Key Issues to be Resolved)  17
  1.4 技术路线与试验手段(Technical Routes and Experimental Means)  17-19
2 凝胶泡沫及其基本特性  19-43
  2.1 凝胶及其制备基础（Foamed Gel and Formation Mechanism）  19-30
    2.1.1 凝胶的分类(The Classification of Gel)  19-20
    2.1.2 凝胶的一般特性(Properties of Gel)  20
    2.1.3 凝胶的一般制备方法(The Production of Gel)  20-21
    2.1.4 聚丙烯酰胺及其交联体系(Polyacrylamide and Cross-linked System)  21-25
    2.1.5 硅酸凝胶(Silica Gel)  25-28
    2.1.6 凝胶点(Gel Generate Points)  28-30
  2.2 泡沫基本特性(Vesicant and Foaming Mechanism)  30-39
    2.2.1 一般泡沫的形成机理(Mechanic of Normal Foam )  30-32
    2.2.2 表面活性剂的结构及性质(Structure and Characteristic of Surfactants)  32-36
    2.2.3 发泡能力及其影响因素(Foaming Ability and Its Influencing Factors)  36-38
    2.2.4 泡沫的破灭机理(Broken Mechanic of Foam)  38-39
  2.3 凝胶泡沫的基本特性(The basic characteristics of Foamed Gel)  39-42
    2.3.1 凝胶泡沫的组成(Composition of Foamed Gel)  39
    2.3.2 凝胶泡沫的特点(Characteristic of Foamed Gel)  39-40
    2.3.3 凝胶泡沫的延迟交联机理(Formation mechanism of Foamed Gel)  40-42
  2.4 本章小结(Brief Summary of this Chapter)  42-43
3 凝胶泡沫制备实验  43-66
  3.1 泡沫和凝胶的评价方法(Evaluation Methods of Foam and Gel)  43-46
    3.1.1 泡沫性能的评价方法(Evaluation Methods of Foam)  43-46
    3.1.2 凝胶时间的评价方法(Evaluation Methods of Gel)  46
  3.2 凝胶泡沫配方的确定(Determination of Foamed Gel Formula)  46-59
    3.2.1 单一发泡剂的刷选(Screening of Vesicant)  46-49
    3.2.2 发泡剂复配(Vesicant Compound)  49-51
    3.2.3 发泡剂浓度的筛选(Screening of Vesicant Concentration)  51
    3.2.4 功能助剂的筛选(Screening of Functional Additives)  51-53
    3.2.5 胶凝剂及交联剂的选择(The Choice of Gelling Agents and Cross-linking Agent)  53-55
    3.2.6 胶凝剂和交联剂浓度的确定(the Concentration of Gelling Agent and Cross-linking Agent)  55-56
    3.2.7 凝胶泡沫配方的确定(Determination of Foamed Gel Formula)  56-59
  3.3 凝胶泡沫制备系统(Foamed Gel Preparation System)  59-64
    3.3.1 制备流程（Preparation Process）  59
    3.3.2 实验装置（Experimental device）  59-63
    3.3.3 实验效果（Experimental Results）  63-64
  3.4 本章小结(Brief Summary of this Chapter)  64-66
4 凝胶泡沫的流变及流动特性  66-81
  4.1 凝胶泡沫的流变特性(Rheological Properties of Foamed Gel)  66-78
    4.1.1 液体流体性(Rheological Properties of Liquid)  66-68
    4.1.2 凝胶泡沫的流变性(Rheological Properties of Foam)  68-71
    4.1.3 流变特性的测定方法(Measurement methods of Rheological Properties)  71-72
    4.1.4 结果与分析(Results and Discussion)  72-76
    4.1.5 凝胶泡沫的本构方程(Constitutive Equation of Foamed Gel)  76-78
  4.2 凝胶泡沫在管道中的流动特性(Flow Characteristics of Foamed Gel in Pipeline)  78-80
  4.3 本章小结(Brief Summary of this Chapter)  80-81
5 凝胶泡沫阻化煤自燃及封堵特性  81-94
  5.1 凝胶泡沫阻化煤自燃特性(Study of Foamed Gel’s Inhibition characteristic)  81-90
    5.1.1 煤自燃化学动力学基础(Chemical Kinetics of Spontaneous Combustion of Coal)  81-82
    5.1.2 凝胶泡沫防治煤自燃机理(Mechanism of Prevention and Treatment of Coal Spontaneous Combustion of Foamed Gel)  82-85
    5.1.3 凝胶泡沫阻化煤自燃特性的实验(Experiment of Foamed Gel’s Inhibition characteristic)  85-90
  5.2 凝胶泡沫封堵能力(Study of Foamed Gel’s Plugging Performance)  90-92
    5.2.1 凝胶泡沫的封堵特性(Mechanism of Foamed Gel Plugging)  90-91
    5.2.2 凝胶泡沫的封堵实验(Experimental Study of Foamed Gel Plugging)  91-92
  5.3 本章小结(Brief Summary of this Chapter)  92-94
6 全文总结  94-96
  6.1 主要结论（Main conclusions）  94-95
  6.2 本论文主要创新点（Innovative points）  95
  6.3 今后研究工作的展望(Suggestions for Future Research)  95-96
参考文献  96-101
作者简历  101-103
学位论文数据集  103

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中图分类: > 工业技术 > 矿业工程 > 矿山安全与劳动保护 > 矿山防火 > 矿井火灾
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