摘要
在我国，地下开采是煤矿开采的主要形式，而随着煤矿开采，一系列安全问题不容忽视。其中煤自燃灾害作为地下煤矿开釆的主要灾害之一，轻则影响生产、毁坏设备，重者则会引起瓦斯煤尘爆炸，造成严重的人员伤亡。因此，在煤矿开釆过程中，对煤自燃的防治工作十分重要。胶体防灭火技术以其良好的固水、冷却降温效果得到广泛研究和应用，但现有凝胶材料对于高位隐患区域的防治方面仍存有一些不足。因此，本文在前人研究基础上提出一种基于原位交联、双络合网络的凝胶材料，能够在较少添加量下（5wt.％)实现快速成胶（50s)，并对其成胶时间、保水性、对煤的阻化/阻燃性、封堵性、多孔介质流动规律进行了实验研究和数值模拟，取得以下研究成果: 海藻酸钠/非离子多糖/无机硼交联剂/碳酸钙（SA/P/B/Ca)凝胶由SA-Ca和P-B两重交联网络组成，无机硼交联剂B降低体系的pH值释放出掩蔽的Ca2+，实现在可控时间内与海藻酸钠快速交联，非离子多糖P上顺势羟基与B水解产物B(OH)4-间的络合反应形成了胶体的第二重网络，一定程度抑制了SA-Ca网络的分解，提高胶体稳定性。通过正交试验研究了原料配比对成胶性能的影响，发现CaCO3添加量对凝胶时间的影响最大，其次是P;SA对凝胶保水性的影响最大，其次是B。 考察了WG、SA/B/Ca、SA/P/B/Ca凝胶对煤的防灭火性能。保水性实验表明双网络SA/P/B/Ca凝胶的保水性和稳定性优于WG和SA/B/Ca，在封堵实验中也表现出更稳定的效果。在阻化实验中SA/P/B/Ca凝胶能有效降低煤粉的氧化速率，减少CO的释放。TG-DSC结果表明SA/P/B/Ca在程序升温过程中对煤自燃的特征温度点产生了显著推迟效果，热平衡温度比原煤样品高出20℃以上，放热量减少19％。灭火实验显示采用SA/P/B/Ca灭火的煤球基本未出现温度回升现象，且热辐射值能够迅速降低并在后期一直保持较低水平。 利用Fluent软件模拟了不同流量、不同注浆时间下SA/P/B/Ca在多孔介质中的充填范围。灌注流量为5.66kg/s时，注浆30min的凝胶在竖直方向充填范围达到6m，并且在距离注浆口下方2m处，凝胶的水平扩散距离最大，最大扩撒宽度在5m左右。凝胶在多孔介质内的渗流特征会受灌注初速度方向的影响，沿出口方向的扩散距离要远于相反方向。
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