采空区煤炭自燃是煤矿重大自然灾害之一,不仅烧毁大量煤炭资源,而且常常诱发瓦斯爆炸等次生灾害,造成严重的人员伤亡和经济损失,是矿井火灾防治的重点与难点。防灭火泡沫材料扩散范围广、堆积性能好,能够有效治理采空区隐蔽区域和高位点的煤炭自然发火,是防治采空区煤自燃极为有效的技术手段。其中,泡沫的保水稳定性是防灭火泡沫技术发展的核心内容,不仅影响了泡沫的灭火降温效果,而且直接决定了泡沫的防灭火作用周期。然而传统水基泡沫、粉煤灰泡沫等存在稳定性差、易破裂失水、防灭火周期短的问题,很大程度上阻碍了泡沫技术在煤矿的推广和应用。为解决上述问题,满足煤矿现场持续防灭火的需求,本文提出了能够长时间保水稳定、具有交联成膜功能的胶体泡沫技术,取得如下成果:研究了泡沫的形成及衰变机理,发明了以发泡剂、稠化剂和有机交联剂为原料的胶体泡沫,研发了胶体泡沫发泡装置。胶体泡沫是在水基泡沫的基础上,通过化学交联作用在水基泡沫液膜内形成三维网络胶体结构,增强了泡沫的保水性和稳定性。利用阴离子表面活性剂和两性离子表面活性剂,复配研制出对盐离子屏蔽效果好、起泡性能优异的发泡剂;基于聚合物X和聚合物H之间的物理协同作用,研制得到稳泡效果显著的稠化剂;优选出在溶液中多级电离、缓慢释放的有机交联剂,在泡沫液膜内连接稠化剂分子形成胶体网络结构,实现高效保水、长期稳定泡沫。针对胶体溶液粘度高、整体性强、不易发泡的难题,提出了利用渐缩式进液通道高速剪切稀化溶液、采用旋流叶片碰撞混合气液、借助多孔介质切割细化泡沫的高粘度溶液发泡方法;基于剪切稀化和旋流碰撞原理,发明了胶体泡沫发泡器,构建了胶体泡沫制备系统,最终得到均匀细腻的胶体泡沫材料。研究了成分配比对泡沫稳定性和发泡倍数的影响,确定了胶体泡沫的有效应用成分区间,揭示了胶体泡沫的保水稳定机制,阐明了防灭火泡沫的交联成膜机理。结果表明,稠化剂和交联剂形成的胶体网络结构显著增强了泡沫稳定性,同时也造成发泡溶液粘度增大、表面张力提高,导致发泡倍数降低;以发泡倍数V>5倍和半衰期T_1/2>120h为临界条件,得到胶体泡沫的有效应用成分区间为:稠化剂的浓度范围3.4⁵.5g/L、交联剂的浓度范围2.1⁴.0g/L。当稠化剂浓度为4g/L、交联剂为3g/L、发泡剂为3g/L时,胶体泡沫的发泡倍数为5.8倍、半衰期为122h,此时胶体泡沫的稳定和发泡综合性能最好。泡沫液膜内化学交联反应形成的高保水三维网络胶体结构能够稳定地支撑整个泡沫体系,可以长时间锁住水分、防止体积坍塌,在60h之前无液体析出,使得表层的泡沫液膜相互连接、形成交联致密的整片胶体层,形态稳定地缓慢失水,完全干燥后形成一层完整的覆盖膜。胶体泡沫耐热抗烧性好、对煤的润湿能力强,测试表明胶体泡沫对煤低温氧化的抑制效果比传统水基泡沫显著提高;灭火实验表明,利用胶体泡沫治理着火煤堆时,可将高温火源点完全地覆盖和包裹、快速灭火降温,最终在煤堆表面形成一层胶体隔氧膜,起到持久覆盖隔氧的作用。研究了胶体泡沫的流变特性,建立了防灭火胶体泡沫体系的流变本构方程,掌握了泡沫在多孔介质中的渗流扩散规律。稳态流变实验表明,随着发泡倍数的提高,胶体泡沫体系粘度值逐渐增加,且表现出明显的剪切稀化行为;通过拟合胶体泡沫的剪切应力-剪切速率曲线,发现防灭火胶体泡沫属于假塑性流体,基于幂律定律建立了胶体泡沫的流变本构方程;实验室搭建了泡沫流体的渗流堆积可视化试验模型,开展了胶体泡沫流体在多孔介质中的渗流扩散和高位堆积试验,发现胶体泡沫以管路出口为坐标原点、近似半球形渗流扩散,随着渗流距离的增大,泡沫的渗流驱动力逐渐衰减;在此基础上,基于幂律流体的球面扩散模型,得到胶体泡沫在复杂立体裂隙网络中的扩散半径公式,为泡沫流体在采空区等位置的现场应用提供了理论基础。针对大兴矿岩浆侵入严重、热变质煤层自燃灾害频发、常规防灭火技术效果不佳的问题,提出采用长时间保水稳定、具有成膜隔氧功能的胶体泡沫技术,对岩浆侵入煤层的采空区遗煤进行润湿降温和覆盖隔氧。现场应用表明,胶体泡沫可以充分润湿和覆盖采空区遗煤,有效抑制水分含量低、孔隙充分发育、高氧化活性变质煤的自然发火,对采空区煤自燃的防治效果显著,保障了大兴矿N2-708工作面的安全回采,具有良好的应用前景。该论文有图176幅,表24个,参考文献230篇。