【摘 要】
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煤炭自燃是煤炭开采过程中影响矿井安全生产的主要灾害之一,这不仅造成了大量的煤炭资源浪费,而且严重地污染了煤矿的安全生产,造成重大的人员伤亡和经济损失。为了防治煤自燃,各种防灭火技术应运而生,有注浆、惰气、泡沫、胶体、阻化剂等防治方法,其中凝胶作为一种新型防灭火材料在煤矿防灭火中的效果得到一致认可。基于此,本文进行了CMC/Zr Cit/GDL矿用防灭火凝胶的制备及性能研究。通过变量控制和正交复配实
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煤炭自燃是煤炭开采过程中影响矿井安全生产的主要灾害之一,这不仅造成了大量的煤炭资源浪费,而且严重地污染了煤矿的安全生产,造成重大的人员伤亡和经济损失。为了防治煤自燃,各种防灭火技术应运而生,有注浆、惰气、泡沫、胶体、阻化剂等防治方法,其中凝胶作为一种新型防灭火材料在煤矿防灭火中的效果得到一致认可。基于此,本文进行了CMC/Zr Cit/GDL矿用防灭火凝胶的制备及性能研究。通过变量控制和正交复配实验,优选出CMC/Zr Cit/GDL凝胶的配方,并分析基本特性和流体力学特性,从聚合和交联机理角度阐释成胶机理,通过阻化实验和灭火实验考察其阻化效果并分析灭火机理。（1）本文以羧甲基纤维素钠为聚合物、柠檬酸锆为高价金属离子交联剂和葡萄糖酸-δ-内酯为p H改性剂制备了新型矿用凝胶,通过复配实验确定凝胶的配比,通过滴漏计时法测试了凝胶的成胶时间,根据成胶时间的测试结果并结合实际需求选出适用的配比,并从聚合物和交联剂的结构分析了凝胶三维结构的形成及稳定性。（2）测试了凝胶在高温条件下凝胶的热稳定性,得到了凝胶在程序升温过程中的失重率即保水性的变化,发现凝胶在高温条件下会在表面收缩成一层膜,对其吸附的水分具有较大的束缚力,固水性和热稳定性较好,可有效减少水分的蒸发。测试了不同温度下凝胶的粘结性,23号凝胶（2.5%CMC+20%Zr Cit+2%GDL）的粘结率达到20.9%～30%,32号凝胶（3%CMC+20%Zr Cit+2%GDL）的粘结率达到27%～34.6%,凝胶与煤体可以粘结成一个整体。利用自制的封堵实验测试装置测试了凝胶覆盖在煤体上所能承受的压力,23号凝胶可承受2355 mm H2O的气压,32号凝胶可承受2587 mm H2O的气压。利用自制的实验装置测试了凝胶的渗透性,发现不同的凝胶会从煤体中渗透下去不同的量,其中23号和32号凝胶由于聚合物浓度大,粘度大,会较多的留存在煤体中,从而堵塞漏风通道,隔绝煤与氧气的接触。（3）利用流变仪开展了凝胶的流变特性实验,发现凝胶属于假塑性流体,凝胶的质量分数越高,凝胶的粘度越大,成胶越快,凝胶的粘度都随着剪切速率的增大而降低,剪切速率越大,粘度越小,表现出了剪切变稀的特性。使用屈服假塑性流体的Herschel-Bulkley方程对凝胶稳态流变实验的流变曲线进行了拟合分析,浓度越大的凝胶,剪切应力越大,假塑性越强,浓度越高的凝胶屈服应力越大,稠度系数越高,流动指数越小。1.2%应变是一个临界值,在1.2%应变之前,G’大于G’’,凝胶的弹性处于支配地位,凝胶处于类固体状态很难流动,在1.2%应变之后G’’开始大于G’,但是差值较小,表明凝胶的结构受到外力作用时遭到一定的破坏。23号凝胶在1000米的管路中流动时剪切速率为104.675s-1,管路压降为3.622 MPa,32号凝胶在1000米的管路中流动时剪切速率为100.891s-1,管路压降为6.587 MPa,并推导了凝胶在管路流动过程中凝胶的速度分布方程。（4）程序升温实验表明凝胶对煤体氧化升温过程的影响是显著的,经不同凝胶处理的煤样较原煤样氧化生成的CO气体均在不同程度上有所减少,耗氧速率最大能降低54.91%。通过热重实验发现凝胶的加入阻止了煤样的吸氧,延缓反应进程,活化能增大了3.16%～15.22%。通过FTIR实验发现加入凝胶的煤样,活性基团和含氧官能团数量减少,通过高斯软件模拟计算最低未占轨道和最高占位轨道的变化,发现凝胶的加入,分子稳定性更高,反应不易发生,增大了煤与氧气的反应难度。最后进行凝胶的模拟灭火实验验证凝胶的良好灭火效果,并给出了凝胶灭火的机理。
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