三相泡沫防滅火技術(shù)的研究與應(yīng)用

1、三相泡沫防滅火技術(shù)的研究與應(yīng)用王 翔摘  要：文章介紹了防治煤炭自燃的一種新技術(shù)三相泡沫的組成、特點(diǎn)、發(fā)泡機(jī)理、參數(shù)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果，為我礦井下防滅火提供了又一新的技術(shù)手段。關(guān)鍵詞：防滅火；三相泡沫；發(fā)泡器 1  概  述    為防治煤炭自燃，國(guó)內(nèi)外廣泛采用灌漿、噴灑阻化劑、注惰氣等技術(shù)。在灌漿材料方面，主要是黃泥、粉煤灰，此外還有矸石、砂子、水泥砂漿、石膏、高水材料等；近年來，又較廣泛地采用了凝膠、膠體泥漿、阻化汽霧、泡沫樹脂等防滅火技術(shù)。但還存在一些問題：黃泥灌漿會(huì)消耗大量農(nóng)田、粉煤灰堵漏效果差、矸石制漿成本高；水玻璃一銨

2、鹽凝膠產(chǎn)生有毒有味的氨氣、高分子凝膠成本高；水泥砂漿、高水材料、泡沫樹脂成本高，工藝復(fù)雜；惰氣易隨漏風(fēng)擴(kuò)散，不易滯留在注入的區(qū)域內(nèi)。    為了克服現(xiàn)有防滅火技術(shù)存在的不足，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)提出了采用含氮?dú)獾娜嗯菽M(jìn)行井下防滅火的創(chuàng)新思路。針對(duì)粉煤灰和黃泥的物相成分，在實(shí)驗(yàn)室不同種類的發(fā)泡劑對(duì)粉煤灰和黃泥的發(fā)泡性能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)；研制出了三相泡沫發(fā)泡裝置，并將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)春羊草煤業(yè)股份有限公司一礦，獲得了很好的防滅火效果。2  三相泡沫防滅火新技術(shù)21  三相泡沫的組成及特點(diǎn)    防治煤炭自燃的三相泡沫由固態(tài)

3、不燃物(粉煤灰或黃泥等)、惰性氣體(N2)和水三相防滅火介質(zhì)組成。三相泡沫集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體，利用粉煤灰或黃泥的覆蓋性、氮?dú)獾闹舷⑿院退奈鼰峤禍?；陛進(jìn)行防滅火，大大提高了防滅火效率。由于三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)較高，單位體積的泡沫材料成本大幅下降，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。    與現(xiàn)有的防滅火技術(shù)及材料相比，三相泡沫兼有一般注漿方法和惰氣泡沫防滅火的優(yōu)點(diǎn)。泥漿通過注入氮?dú)獍l(fā)泡后形成三相泡沫，體積大幅快速增加，并在采空區(qū)中可向高處堆積，對(duì)低、高處的浮煤都能覆蓋，能夠避免注入的漿體從底部流失；注入在采空區(qū)的氮?dú)獗环庠谂菽校茌^長(zhǎng)時(shí)間滯留在采空區(qū)中，充分發(fā)

4、揮氮?dú)獾闹舷⒎罍缁鸸δ?。三相泡沫中含有粉煤灰或黃泥等固態(tài)物質(zhì)，這些固態(tài)物質(zhì)是三相泡沫面膜的一部分，可較長(zhǎng)時(shí)間保持泡沫的穩(wěn)定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黃泥仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上，可持久有效地阻礙煤對(duì)氧的吸附，防止煤的氧化，從而有效地防治煤炭自然發(fā)火，這是三相泡沫防滅火性能的優(yōu)越性。22  三相泡沫的發(fā)泡機(jī)理    在粉煤灰(黃泥)漿液中加入發(fā)泡劑后，發(fā)泡劑一方面降低了漿液的表面張力，使之形成泡沫；另一方面使粉煤灰(黃泥)顆粒由親水性變成疏水性，使之粘附在氣泡壁上。漿液通過發(fā)泡器后物理發(fā)泡，形成了防滅火三相泡沫。  &

5、#160; 三相泡沫所采用的發(fā)泡方式是物理機(jī)械發(fā)泡，因此要產(chǎn)生高倍數(shù)的三相泡沫，發(fā)泡器是關(guān)鍵。常用的兩相泡沫發(fā)泡器，如網(wǎng)式發(fā)泡器，不適用產(chǎn)生三相泡沫。目前未見有防滅火用三相泡沫發(fā)泡器的專門研究報(bào)道，但相關(guān)的研究報(bào)道有用于回采工作面冒落空洞處理用的礦用泡沫水泥充填機(jī)及建筑行業(yè)的泡沫混凝土泡沫發(fā)生器。礦用泡沫水泥充填機(jī)利用螺桿泵的吸空特性(不飽和效應(yīng))來引人大量空氣發(fā)泡，即螺桿泵送漿量小于螺桿泵的流量，大量吸人的空氣與漿液和在管道中得到進(jìn)一步的充分?jǐn)嚢瓒纬膳菽啵l(fā)泡倍數(shù)36倍。三相防滅火泡沫發(fā)泡器與上述各類發(fā)泡器引入的氣源和用途不同，需要對(duì)三相泡沫物理發(fā)泡的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，并據(jù)此設(shè)計(jì)新的

6、三相泡沫發(fā)泡器。    根據(jù)三相泡沫酌特點(diǎn)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)專門研究制作了一種適用于形成三相泡沫的發(fā)泡器。研究制作的發(fā)泡器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)泡器本身不需要任何動(dòng)力裝置，僅利用漿體的能量，進(jìn)入發(fā)泡器后，在發(fā)泡器與集流器之間的旋轉(zhuǎn)斜面上，成為湍流渦流，使氣一液一固充分混合。由于泥漿和氣體具有較高的動(dòng)能，混合后在低壓區(qū)造成了能量過剩，根據(jù)熱力學(xué)原理，過剩的能量就對(duì)三相混合液做功，同時(shí)由于發(fā)泡劑的存在，形成了大量的具有三相介質(zhì)的泡沫群體。再經(jīng)過被高速泡沫泥漿沖擊的旋轉(zhuǎn)葉輪的進(jìn)一步泡沫細(xì)化后，形成了均勻致密細(xì)膩的三相泡沫。23  三相泡沫實(shí)驗(yàn)裝置  &#

7、160; 三相泡沫產(chǎn)生流程如圖1所示。首先在制漿站中，將一定比例的水與粉煤灰(黃泥)攪拌混合形成粉煤灰(黃泥)漿體，通過壓力泵輸送到注漿管路中，再通過定量螺桿泵將發(fā)泡劑注人到注漿管路中，漿液與發(fā)泡劑在流動(dòng)的混合器中混合后進(jìn)入發(fā)泡器，在發(fā)泡器中接人氮?dú)夤苈?，?shí)驗(yàn)中采用空壓機(jī)，氮?dú)馀c含有發(fā)泡劑的粉煤灰(黃泥)漿體相互作用產(chǎn)生出三相泡沫。三相泡沫制漿站（粉煤灰或黃泥）發(fā)泡器混合器發(fā)泡劑制氮裝置（氮?dú)猓?.4三相泡沫參數(shù)試驗(yàn)    由于粉煤灰(黃泥)的成分復(fù)雜，極不易和氮?dú)狻⑺泊嬗谕惑w系中，因此要形成發(fā)泡倍數(shù)較高、穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)的三相泡沫，發(fā)泡劑是關(guān)鍵。 &#

8、160;  添加發(fā)泡劑的目的是為了降低漿體的表面張力，易于起泡。發(fā)泡劑的選擇要根據(jù)粉煤灰(黃泥)的物相組成、顯微結(jié)構(gòu)的分析而確定。在實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過對(duì)粉煤灰(黃泥)固體成分的分析，通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化選擇出對(duì)粉煤灰和黃泥具有較好作用的發(fā)泡劑。    (1)發(fā)泡劑的濃度。通過實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)泡劑濃度為02時(shí)，泡沫的發(fā)泡能力就達(dá)到較高值。    (2)漿液濃度。漿液濃度的大小對(duì)發(fā)泡劑的發(fā)泡能力有很大的影響，因此也必須確定出合適的漿液濃度才能保證三相泡沫的泡沫性能最佳。實(shí)驗(yàn)證明，粉煤灰(黃泥)漿液濃度在20一50時(shí)泡沫的性能最

9、好。    (3)發(fā)泡倍數(shù)對(duì)三相泡沫的影響。在常溫常壓下，發(fā)泡倍數(shù)與泡沫的穩(wěn)定性有比較密切的關(guān)系，一般是泡沫的穩(wěn)定性隨發(fā)泡倍數(shù)增高而降低。25  實(shí)驗(yàn)宣發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果    為了考察高發(fā)泡倍數(shù)的發(fā)泡效果，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了三相泡沫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，我們?cè)谠搶?shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的三相泡沫實(shí)驗(yàn)，發(fā)泡倍數(shù)為20倍。26  現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用    三項(xiàng)泡沫防滅火技術(shù)在長(zhǎng)春羊草煤業(yè)股份有限公司一礦得到了實(shí)際的應(yīng)用。長(zhǎng)春羊草煤業(yè)股份有限公司位于吉林省長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)境內(nèi)，為中型現(xiàn)代化礦井。開采煤層為易自然發(fā)火煤層，煤質(zhì)為長(zhǎng)焰

10、煤,可采煤層為煤層（二類自燃），以棕黑色為主，比重一般1.45 t/m3，煤層自燃性強(qiáng)，自然發(fā)火期13個(gè)月，礦井的主要災(zāi)害隱患是煤炭自燃。根據(jù)長(zhǎng)春羊草煤業(yè)股份有限公司一礦安全生產(chǎn)的實(shí)際需要，確定1132工作面為三相泡沫防滅火技術(shù)工業(yè)應(yīng)用區(qū)域。當(dāng)在粉煤灰漿液通人氮?dú)?，并加入發(fā)泡劑和穩(wěn)炮劑，通過自制的三相泡沫發(fā)生器后，就產(chǎn)生了大量的三相泡沫，在防滅火區(qū)域迅速堆積，很快就充滿了整個(gè)防滅火區(qū)域。應(yīng)用結(jié)果：粉煤灰三相泡沫注入防滅火區(qū)域后，使有自然發(fā)火傾向的煤層迅速與空氣中的氧氣隔絕并冷卻降溫；采空區(qū)內(nèi)的CO濃度明顯降低，防滅火效果非常顯著。   3  總  結(jié)    三相泡沫防滅火技術(shù)充分利用粉煤灰(黃泥)的覆蓋性、氮?dú)獾闹舷⑿院退奈鼰峤禍靥匦詠矸乐蚊禾孔匀寂c滅火，并將這三相作為一個(gè)有機(jī)的整體長(zhǎng)時(shí)間地保留在采空區(qū)，充分發(fā)揮三相材料的防滅火功能，從而更有效地防治煤炭自燃。產(chǎn)生三相泡沫材料的關(guān)鍵是