Mesoscale transport and sustained cooling of dual-network geopolymer foam for coal-fire control
Cette étude combine la rhéologie expérimentale avec la modélisation mésoscopique pour démontrer que, si la rhéologie de la mousse géopolymère à double réseau dicte principalement la pression d'injection dans les vides irréguliers des incendies de charbon, l'injection continue est essentielle pour un refroidissement soutenu en remplaçant la mousse réchauffée, réduisant ainsi considérablement le temps nécessaire pour abaisser les températures du charbon par rapport à un placement statique.
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Profondément sous terre, là où le charbon est extrait, la terre est laissée dans un paysage chaotique de roches brisées et de fragments de charbon résiduels. Cette zone, appelée le « goaf », est un labyrinthe de vides et de tunnels. Bien que l'extraction minière nous apporte de l'énergie, elle laisse également derrière elle un danger caché : le charbon résiduel peut lentement s'enflammer de lui-même. Cela se produit lorsque le charbon réagit avec l'oxygène de l'air, générant une chaleur qui s'accumule jusqu'à l'inflammation. Pour arrêter cela, les ingénieurs pompent souvent une mousse spéciale dans le sol pour combler les vides, bloquer l'oxygène et refroidir les points chauds. Mais il y a un piège. La mousse doit être assez épaisse pour rester en place et bloquer l'air, tout en étant assez fluide pour se faufiler à travers les fissures minuscules et sinueuses entre les roches. Si elle est trop épaisse, les pompes ne peuvent pas la pousser assez loin ; si elle est trop fluide, elle risque de s'infiltrer ou de ne pas réussir à sceller les fissures. Trouver le bon équilibre est difficile car le monde souterrain est caché et impossible à voir directement.
Une équipe de chercheurs s'est lancée dans la résolution de ce casse-tête en créant un nouveau type de mousse et en testant sa circulation à travers ces fissures cachées. Ils ont développé un matériau appelé mousse géopolymère à double réseau, qui est composée de cendres volantes — un sous-produit de la combustion du charbon — mélangées à de l'eau et d'autres ingrédients pour former un gel stable et résistant à la chaleur. En laboratoire, ils ont prouvé que cette mousse pouvait résister à des températures élevées et empêcher le charbon de brûler. Cependant, savoir que la mousse fonctionne dans un bocal est différent de savoir comment elle se comporte lorsqu'elle est forcée à travers un réseau de roches irrégulier et dentelé. Pour combler ce fossé, les scientifiques ont combiné des expériences réelles avec des simulations informatiques avancées. Ils ont construit un modèle numérique basé sur une photographie de roches compactées pour imiter les vides souterrains réels, puis ont observé comment leur nouvelle mousse circulait à travers celui-ci sur un écran d'ordinateur.
Les chercheurs ont découvert que la façon dont cette mousse circule est plus complexe que celle des liquides simples. Contrairement à l'eau, qui s'écoule facilement, cette mousse possède une « contrainte de seuil », ce qui signifie qu'elle se comporte comme un solide jusqu'à ce qu'une pression suffisante soit appliquée pour la faire bouger. Une fois qu'elle commence à bouger, elle devient plus fluide et circule plus vite, un comportement appelé « rhéofluidification ». Lorsque l'équipe a simulé l'injection de la mousse dans leur labyrinthe de roches numériques, elle a constaté que cette nature épaisse et collante n'empêchait pas la mousse de remplir l'espace. En fait, que la mousse se comporte comme un gel épais ou comme un liquide simple, elle remplissait presque la même quantité d'espace vide dans le même laps de temps. La différence ne résidait pas dans l'espace couvert, mais dans l'effort que les pompes devaient fournir. La mousse épaisse, de type gel, nécessitait une pression nettement plus élevée pour être poussée à travers les fissures qu'un liquide plus fluide. Cela signifie que si la mousse peut atteindre les zones dangereuses, la machinerie utilisée pour l'injecter doit être suffisamment puissante pour surmonter cette résistance supplémentaire.
Une fois la mousse en place, le défi suivant est de refroidir le charbon chaud. Les chercheurs ont testé deux stratégies : arrêter le flux de mousse une fois les fissures remplies, ou maintenir les pompes en marche pour injecter constamment de la mousse fraîche et fraîche dans la zone. Les résultats ont montré que l'arrêt du flux était beaucoup moins efficace. Lorsque l'injection s'arrêtait, la mousse située autour du charbon chaud se réchauffait lentement, agissant comme une couverture qui emprisonnait la chaleur. La différence de température entre le charbon et la mousse diminuait, et le refroidissement ralentissait considérablement. En revanche, lorsque les chercheurs maintenaient les pompes en marche, la mousse fraîche et froide remplaçait constamment la mousse réchauffée. Cela maintenait un flux constant de matériau froid contre le charbon chaud, maintenant un fort écart de température qui extrayait la chaleur efficacement.
Les simulations ont révélé que le maintien de l'injection réduisait de plus de moitié le temps nécessaire pour refroidir le charbon. Alors que la méthode à flux interrompu mettait 274 secondes pour réduire de moitié l'excès de chaleur du charbon, le flux continu atteignait le même résultat en seulement 132 secondes. Sur une période plus longue, la méthode continue éliminait nettement plus de chaleur totale, empêant le charbon de se rallumer. L'étude souligne que le succès du contrôle de l'incendie dépend de deux phases distinctes : la poussée initiale pour amener le matériau dans les fissures, qui nécessite des pompes puissantes pour gérer l'épaisseur de la mousse, et la phase de refroidissement ultérieure, qui repose sur le renouvellement constant du matériau pour éloigner la chaleur. En comprenant ces deux besoins distincts, les ingénieurs peuvent concevoir de meilleurs systèmes pour assurer la sécurité des mines souterraines, garantissant que la mousse non seulement atteigne le feu, mais reste efficace assez longtemps pour l'éteindre.
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