李耀謙

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西 陽泉 045000)

陽煤集團(tuán)所屬部分礦井采空區(qū)浮煤自燃一直是一個(gè)難題[1],并且隨著開采強(qiáng)度增大,采空區(qū)遺煤量也越來越高,采空區(qū)遺煤自燃時(shí)有發(fā)生,遺煤自燃問題愈加突出。采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的主要原因是隨著我國綜采放頂煤開采技術(shù)的迅速推廣,造成綜放工作面遺煤較多[2-8]。近年來,三態(tài)材料的應(yīng)用使得采空區(qū)防滅火技術(shù)又得以往前推進(jìn)一步,例如,三相泡沫。三態(tài)材料的使用過程中,其中含有的惰性氣體能起到滅火功能,同時(shí)三相泡沫還能沿著多孔介質(zhì)的空隙滲透擴(kuò)展,撲滅隱蔽火源與深層火災(zāi)。

由于采空區(qū)本身所具有的多孔介質(zhì)滲流特性,在使用液相、氣相或者三態(tài)材料的時(shí)候,需要考慮其滲流特性,FLUENT軟件模擬過程中需要定義模擬材料的密度、黏度等基礎(chǔ)物理常量,因此,在進(jìn)行模擬分析之前,需要測定防滅火三態(tài)材料的的分散相粒徑、密度與黏度。但是,由于防滅火三態(tài)材料是由液相、氣相以及固態(tài)組成的新材料,其密度等基礎(chǔ)物理常量都與其中的任一項(xiàng)單一物質(zhì)不同,需要重新測定整體材料的基礎(chǔ)物理常量。

1 測定黃泥顆粒粒徑

防滅火三態(tài)材料中采用的固態(tài)相為黃泥顆粒,因此,選用晾干的黃泥作為原料。黃泥曬干之后很堅(jiān)硬,需要先在球磨機(jī)中進(jìn)行研磨,接著再使用實(shí)驗(yàn)室的分樣篩子進(jìn)行篩選,從而選出所需要的黃泥。

實(shí)驗(yàn)方法如下:

1)將曬干的黃泥顆粒放進(jìn)球磨機(jī)中進(jìn)行研磨。

2)將研磨好的黃泥倒入研缽中進(jìn)行第二遍手工研磨。

3)在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)上鋪上一張干凈的白紙,將經(jīng)過二次研磨的黃泥顆粒倒入100目的分樣篩中;搖動(dòng)分樣篩,進(jìn)行篩選。

100目對應(yīng)的粒徑為0.150 mm,因此,可以認(rèn)為經(jīng)過篩選的黃泥顆粒的粒徑為0.150 mm。

將篩選好的黃泥顆粒收集至儲(chǔ)物罐中備用。

2 測定防滅火三態(tài)材料密度

測量密度的方法有很多,例如密度計(jì)法、定義測密度法、壓強(qiáng)測密度法、浮力測密度法、綜合法等。本實(shí)驗(yàn)中采用密度計(jì)法,即將密度計(jì)放入一定量的液體中,待讀數(shù)穩(wěn)定之后,讀出數(shù)據(jù)。再利用理論法測定三態(tài)材料的密度,將測量出的結(jié)果與密度計(jì)法相比較,驗(yàn)證密度計(jì)法得出的密度值是否正確。

密度計(jì)法的實(shí)驗(yàn)方法如下:

1)準(zhǔn)備5個(gè)500 mL的量筒,用蒸餾水洗凈。

2)配置三態(tài)材料。三態(tài)材料的組成為:經(jīng)過篩選的均勻黃泥顆粒,凝膠,復(fù)配發(fā)泡劑,CO2。其中,黃泥顆粒經(jīng)過100目的篩子篩選之后,將篩選好的細(xì)小、均勻的顆粒均勻地?cái)嚢柽M(jìn)凝膠-發(fā)泡劑復(fù)合液體中。

3)往5個(gè)量筒中分別倒入300 mL的三態(tài)材料,用密度計(jì)測量密度，測量值如表1所示。

從表1中可以得出,密度計(jì)法測量的密度平均值為0.152 g/mL。接著,利用理論法進(jìn)行對比分析。

利用理論法測密度的實(shí)驗(yàn)方法如下:

1)將經(jīng)過篩選的均勻黃泥顆粒、凝膠、復(fù)配發(fā)泡劑、CO2配置成三態(tài)材料。

2)取5個(gè)相同規(guī)格的燒杯,用蒸餾水洗凈,之后用濾紙擦拭干凈,備用。

3)取一個(gè)燒杯在電子天平上除去毛重,倒入200 mL的三態(tài)材料,稱量其質(zhì)量。

4)重復(fù)步驟3,測出5組數(shù)據(jù)。利用理論法分別計(jì)算出5組防滅火三態(tài)材料的密度。數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 理論法測防滅火三態(tài)材料密度值Table 2 Density of tri-state fire preventing and extinguishing materials measured by theory method

根據(jù)表2的測量值,可以得出防滅火三態(tài)材料的密度為0.139 g/mL。通過對比理論法和密度計(jì)法測量出的數(shù)值,我們可以看出二者之間的偏差值范圍不超過10%,二者接近,可認(rèn)為密度計(jì)測出的密度準(zhǔn)確。考慮到實(shí)驗(yàn)中存在的誤差以及三態(tài)材料中含有氣泡與氣體等因素,可以認(rèn)為三態(tài)材料的密度為0.15 g/mL。

3 測定防滅火三態(tài)材料黏度

服從牛頓黏度定律的流體稱為牛頓流體,而不滿足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體稱為非牛頓流體。非牛頓流體廣泛存在于生產(chǎn)、生活中,可以說,牛頓流體是非牛頓流體的一個(gè)特例,例如,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,水是牛頓流體。

防滅火三態(tài)材料是由氣相、液相和固相三相組成,氣相存在于氣泡中,隨著運(yùn)動(dòng)氣相會(huì)發(fā)生變化。并且防滅火三態(tài)材料的剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不存在一定的關(guān)系。因此,要測量其黏度,需要采用測量非牛頓流體黏度的方法。

本實(shí)驗(yàn)中采用的黏度計(jì)是NDJ-79旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)。該黏度計(jì)可以測量各種牛頓流體的絕對黏度和非牛頓流體的表觀黏度,使用方便、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡單。NDJ-79旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)由兩組轉(zhuǎn)子、主機(jī)、溫度計(jì)、托架、變速器等組成。測量的黏度范圍是2 mPa·s～106mPa·s,誤差范圍為±5%,測量轉(zhuǎn)速分為750 r/min、75 r/min、7.5 r/min三檔,測試時(shí)根據(jù)被測液體進(jìn)行轉(zhuǎn)速選擇。

黏度計(jì)測量時(shí),通過選擇轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速來確定被測液體的黏度范圍。測量時(shí),通過指針指示的讀數(shù)與轉(zhuǎn)子系數(shù)相乘即得出被測液體的黏度,公式如下:

μ=kx.

(1)

式中:μ為黏度,mPa·s;k為轉(zhuǎn)子系數(shù);x為指針指示的讀數(shù)。

表3 黏度計(jì)轉(zhuǎn)子因子值Table 3 Rotational factors of viscometer

實(shí)驗(yàn)時(shí),方法如下:

1)安裝NDJ-79旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì),并調(diào)零。

2)估計(jì)三態(tài)材料的黏度,選取第一個(gè)轉(zhuǎn)子。

圖8為擋板的布置位置示意。擋板左端面與風(fēng)室前端距離分別為700 mm、1457 mm、2143 mm。擋板長度240 mm，寬度10 mm?？紤]到風(fēng)室下部有排渣裝置，因此擋板距風(fēng)室下表面75 mm。安裝過程中，擋板的前端焊接在風(fēng)門之間的隔板上。為了研究擋板高度對爐排橫向配風(fēng)的影響，設(shè)計(jì)了表1所示的8種工況。

3)將三態(tài)材料倒入測試容器中,并將選好的轉(zhuǎn)子懸掛在儀器的聯(lián)軸器上。

4)打開開關(guān),轉(zhuǎn)子脫落,說明三態(tài)材料的黏度超過轉(zhuǎn)子的測量范圍,選取一個(gè)量程更大的轉(zhuǎn)子,重新將轉(zhuǎn)子掛在聯(lián)軸器上,打開開關(guān)。

5)記錄合適轉(zhuǎn)子測出的數(shù)據(jù)。重復(fù)步驟4,測試5組數(shù)據(jù)。

6)間隔30 min之后,重復(fù)步驟4重新測定5組數(shù)據(jù)。

7)再間隔30 min,重復(fù)步驟4,測定5組數(shù)據(jù)。測量數(shù)值如表4所示。

表4 防滅火三態(tài)材料黏度值Table 4 Viscosity of tri-state fire preventing and extinguishing materials

根據(jù)表4,分析計(jì)算出每個(gè)時(shí)間段的平均黏度分別為69.6 mPa·s、60.8 mPa·s、55.2 mPa·s,再根據(jù)平均黏度做出平均黏度分布圖,見圖1。

圖1 黏度數(shù)據(jù)圖Fig.1 Viscosity data

根據(jù)表4以及圖1,可以得出防滅火三態(tài)材料的黏度是隨著時(shí)間的變化而變化的,初始黏度為69.6 mPa·s,接著黏度漸漸變小,1 h后,黏度變?yōu)?5.2 mPa·s。這是由于三態(tài)材料靜置一段時(shí)間之后,材料中的固相會(huì)慢慢沉降,同時(shí),氣態(tài)會(huì)隨著氣泡的破裂而溢出。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測出的表觀黏度,利用ORIGIN軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,可以推測出防滅火三態(tài)材料黏度與時(shí)間的關(guān)系:

(2)

式中:μ為黏度,mPa·s；t為放置時(shí)間，min。

4 結(jié)論

利用100目的篩子對研磨后的黃泥顆粒進(jìn)行篩選,篩選之后的黃泥顆粒粒徑為0.150 mm。利用密度計(jì)法測試三態(tài)材料的密度,并利用理論法驗(yàn)證,得到三態(tài)材料的密度為0.15 g/mL。使用黏度計(jì)法測量防滅火三態(tài)材料的黏度。通過分析測量出來的數(shù)值,得出防滅火三態(tài)材料的黏度值會(huì)隨著時(shí)間的變化逐漸變小。經(jīng)過一段時(shí)間之后材料的黏度降為55.2 mPa·s。

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