采空区三态防灭火材料渗流参数测定实验研究

李耀谦

(阳泉煤业(集团)有限责任公司,山西 阳泉 045000)

阳煤集团所属部分矿井采空区浮煤自燃一直是一个难题[1],并且随着开采强度增大,采空区遗煤量也越来越高,采空区遗煤自燃时有发生,遗煤自燃问题愈加突出。采空区遗煤自然发火的主要原因是随着我国综采放顶煤开采技术的迅速推广,造成综放工作面遗煤较多[2-8]。近年来,三态材料的应用使得采空区防灭火技术又得以往前推进一步,例如,三相泡沫。三态材料的使用过程中,其中含有的惰性气体能起到灭火功能,同时三相泡沫还能沿着多孔介质的空隙渗透扩展,扑灭隐蔽火源与深层火灾。

由于采空区本身所具有的多孔介质渗流特性,在使用液相、气相或者三态材料的时候,需要考虑其渗流特性,FLUENT软件模拟过程中需要定义模拟材料的密度、黏度等基础物理常量,因此,在进行模拟分析之前,需要测定防灭火三态材料的的分散相粒径、密度与黏度。但是,由于防灭火三态材料是由液相、气相以及固态组成的新材料,其密度等基础物理常量都与其中的任一项单一物质不同,需要重新测定整体材料的基础物理常量。

1 测定黄泥颗粒粒径

防灭火三态材料中采用的固态相为黄泥颗粒,因此,选用晾干的黄泥作为原料。黄泥晒干之后很坚硬,需要先在球磨机中进行研磨,接着再使用实验室的分样筛子进行筛选,从而选出所需要的黄泥。

实验方法如下:

1)将晒干的黄泥颗粒放进球磨机中进行研磨。

2)将研磨好的黄泥倒入研钵中进行第二遍手工研磨。

3)在实验室台上铺上一张干净的白纸,将经过二次研磨的黄泥颗粒倒入100目的分样筛中;摇动分样筛,进行筛选。

100目对应的粒径为0.150 mm,因此,可以认为经过筛选的黄泥颗粒的粒径为0.150 mm。

将筛选好的黄泥颗粒收集至储物罐中备用。

2 测定防灭火三态材料密度

测量密度的方法有很多,例如密度计法、定义测密度法、压强测密度法、浮力测密度法、综合法等。本实验中采用密度计法,即将密度计放入一定量的液体中,待读数稳定之后,读出数据。再利用理论法测定三态材料的密度,将测量出的结果与密度计法相比较,验证密度计法得出的密度值是否正确。

密度计法的实验方法如下:

1)准备5个500 mL的量筒,用蒸馏水洗净。

2)配置三态材料。三态材料的组成为:经过筛选的均匀黄泥颗粒,凝胶,复配发泡剂,CO2。其中,黄泥颗粒经过100目的筛子筛选之后,将筛选好的细小、均匀的颗粒均匀地搅拌进凝胶-发泡剂复合液体中。

3)往5个量筒中分别倒入300 mL的三态材料,用密度计测量密度，测量值如表1所示。

从表1中可以得出,密度计法测量的密度平均值为0.152 g/mL。接着,利用理论法进行对比分析。

利用理论法测密度的实验方法如下:

1)将经过筛选的均匀黄泥颗粒、凝胶、复配发泡剂、CO2配置成三态材料。

2)取5个相同规格的烧杯,用蒸馏水洗净,之后用滤纸擦拭干净,备用。

3)取一个烧杯在电子天平上除去毛重,倒入200 mL的三态材料,称量其质量。

4)重复步骤3,测出5组数据。利用理论法分别计算出5组防灭火三态材料的密度。数据如表2所示。

表2 理论法测防灭火三态材料密度值Table 2 Density of tri-state fire preventing and extinguishing materials measured by theory method

根据表2的测量值,可以得出防灭火三态材料的密度为0.139 g/mL。通过对比理论法和密度计法测量出的数值,我们可以看出二者之间的偏差值范围不超过10%,二者接近,可认为密度计测出的密度准确。考虑到实验中存在的误差以及三态材料中含有气泡与气体等因素,可以认为三态材料的密度为0.15 g/mL。

3 测定防灭火三态材料黏度

服从牛顿黏度定律的流体称为牛顿流体,而不满足牛顿黏性实验定律的流体称为非牛顿流体。非牛顿流体广泛存在于生产、生活中,可以说,牛顿流体是非牛顿流体的一个特例,例如,在标准状态下,水是牛顿流体。

防灭火三态材料是由气相、液相和固相三相组成,气相存在于气泡中,随着运动气相会发生变化。并且防灭火三态材料的剪应力与剪切应变率之间不存在一定的关系。因此,要测量其黏度,需要采用测量非牛顿流体黏度的方法。

本实验中采用的黏度计是NDJ-79旋转式黏度计。该黏度计可以测量各种牛顿流体的绝对黏度和非牛顿流体的表观黏度,使用方便、性能稳定、维护简单。NDJ-79旋转式黏度计由两组转子、主机、温度计、托架、变速器等组成。测量的黏度范围是2 mPa·s～106mPa·s,误差范围为±5%,测量转速分为750 r/min、75 r/min、7.5 r/min三档,测试时根据被测液体进行转速选择。

黏度计测量时,通过选择转子和转速来确定被测液体的黏度范围。测量时,通过指针指示的读数与转子系数相乘即得出被测液体的黏度,公式如下:

μ=kx.

(1)

式中:μ为黏度,mPa·s;k为转子系数;x为指针指示的读数。

表3 黏度计转子因子值Table 3 Rotational factors of viscometer

实验时,方法如下:

1)安装NDJ-79旋转式黏度计,并调零。

2)估计三态材料的黏度,选取第一个转子。

图8为挡板的布置位置示意。挡板左端面与风室前端距离分别为700 mm、1457 mm、2143 mm。挡板长度240 mm，宽度10 mm。考虑到风室下部有排渣装置，因此挡板距风室下表面75 mm。安装过程中，挡板的前端焊接在风门之间的隔板上。为了研究挡板高度对炉排横向配风的影响，设计了表1所示的8种工况。

3)将三态材料倒入测试容器中,并将选好的转子悬挂在仪器的联轴器上。

4)打开开关,转子脱落,说明三态材料的黏度超过转子的测量范围,选取一个量程更大的转子,重新将转子挂在联轴器上,打开开关。

5)记录合适转子测出的数据。重复步骤4,测试5组数据。

6)间隔30 min之后,重复步骤4重新测定5组数据。

7)再间隔30 min,重复步骤4,测定5组数据。测量数值如表4所示。

表4 防灭火三态材料黏度值Table 4 Viscosity of tri-state fire preventing and extinguishing materials

根据表4,分析计算出每个时间段的平均黏度分别为69.6 mPa·s、60.8 mPa·s、55.2 mPa·s,再根据平均黏度做出平均黏度分布图,见图1。

图1 黏度数据图Fig.1 Viscosity data

根据表4以及图1,可以得出防灭火三态材料的黏度是随着时间的变化而变化的,初始黏度为69.6 mPa·s,接着黏度渐渐变小,1 h后,黏度变为55.2 mPa·s。这是由于三态材料静置一段时间之后,材料中的固相会慢慢沉降,同时,气态会随着气泡的破裂而溢出。

根据实验测出的表观黏度,利用ORIGIN软件进行数据拟合,可以推测出防灭火三态材料黏度与时间的关系:

(2)

式中:μ为黏度,mPa·s；t为放置时间，min。

4 结论

利用100目的筛子对研磨后的黄泥颗粒进行筛选,筛选之后的黄泥颗粒粒径为0.150 mm。利用密度计法测试三态材料的密度,并利用理论法验证,得到三态材料的密度为0.15 g/mL。使用黏度计法测量防灭火三态材料的黏度。通过分析测量出来的数值,得出防灭火三态材料的黏度值会随着时间的变化逐渐变小。经过一段时间之后材料的黏度降为55.2 mPa·s。

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