Mesoscale transport and sustained cooling of dual-network geopolymer foam for coal-fire control
本研究结合了实验流变学与介观尺度建模，旨在证明虽然双网络地质聚合物泡沫的流变特性主要决定了注入不规则煤系火空隙时的注入压力，但持续注入对于通过替换已升温的泡沫来实现持续冷却至关重要，从而与静态放置相比，显著缩短了降低煤温所需的时间。
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在深层地下，煤炭被开采的地方，大地留下了由碎石和残余煤块组成的混乱景观。这个被称为“采空区”的区域是一个由缝隙和隧道构成的迷宫。虽然采矿为我们带来了能源，但也留下了一个隐藏的危险：残留的煤炭可能会缓慢地自燃。这是因为煤炭与空气中的氧气发生反应，产生热量并不断积聚，直到引发燃烧。为了阻止这种情况，工程师通常向地下注入一种特殊的泡沫，以填补缝隙、阻断氧气并冷却热点。但问题在于，这种泡沫必须足够粘稠以保持原位并阻隔空气，同时又要足够流动，以便挤进岩石间细小蜿蜒的裂缝中。如果它太稠，泵就无法将其推送到足够远的地方；如果它太稀，它可能会流失或无法密封裂缝。由于地下世界隐蔽且无法直接观察，寻找这种平衡点非常困难。
研究人员致力于通过创造一种新型泡沫并测试其在这些隐藏裂缝中的移动方式来解决这一难题。他们开发了一种名为“双网络地质聚合物泡沫”的材料，这种材料由粉煤灰（一种燃烧煤炭产生的废弃物）与水及其他成分混合而成，形成一种稳定的耐热凝胶。在实验室中，他们证明了这种泡沫能够承受高温并阻止煤炭燃烧。然而，知道泡沫在烧瓶中有效，与知道它在被迫通过锯齿状、不规则的岩石网络时表现如何是两回事。为了弥补这一差距，科学家们将现实世界的实验与先进的计算机模拟相结合。他们根据一张堆积岩石的照片构建了一个数字模型，以模拟真实的地下空隙，然后在电脑屏幕上观察这种新泡沫如何在其中流动。
研究人员发现，这种泡沫的流动方式比简单的液体更为复杂。与容易流动的液体不同，这种泡沫具有“屈服应力”，这意味着在施加足够的压力使其移动之前，它表现得像固体一样。一旦开始移动，它会变得更稀薄并流动得更快，这种行为被称为“剪切变稀”。当团队模拟将泡沫注入数字岩石迷宫时，他们发现这种粘稠的特性并没有阻止泡沫填充空间。事实上，无论泡沫表现得像浓稠的凝胶还是简单的液体，它填充空隙的量和时间都几乎相同。区别不在于它覆盖了多少空间，而在于泵需要做多少功。比普通稀薄液体更粘稠的凝胶状泡沫，在挤过裂缝时需要显著更高的压力。这意味着，虽然泡沫可以到达危险部位，但用于注入它的机械必须足够强大，以克服这种额外的阻力。
一旦泡沫到位，下一个挑战就是冷却热煤。研究人员测试了两种策略：在裂缝填满后停止泡沫流动，或者保持泵持续运转，不断向该区域注入新鲜、冰凉的泡沫。结果显示，停止流动的方法效果要差得多。当注入停止时，停留在热煤周围的泡沫会缓慢升温，起到像毯子一样困住热量的作用。煤炭与泡沫之间的温差缩小了，冷却过程也变得极其缓慢。相比之下，当研究人员保持泵持续运转时，新鲜、冰凉的泡沫不断替换掉变热的泡沫。这使得一股冷物质始终紧贴着热煤，维持着强大的温差，从而高效地带走热量。
模拟显示，保持持续注入可以将冷却煤炭所需的时间缩短一半以上。当停止流动的模式下，需要274秒才能将煤炭的多余热量降低一半，而连续流动仅需132秒即可达到同样的效果。在较长一段时间内，连续流动的方法移除的总热量明显更多，能防止煤炭复燃。这项研究强调，火灾控制的成功取决于两个不同的阶段：第一阶段是利用强力泵处理泡沫的粘稠度，以将材料推入裂缝；第二阶段是冷却阶段，它依赖于不断更新材料以带走热量。通过理解这两个独立的需求，工程师可以设计出更好的系统来保障地下矿井的安全，确保泡沫不仅能到达火源，而且能持续发挥作用直至灭火。
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