三相泡沫防灭火技术的研究与应用

1、三相泡沫防灭火技术的研究与应用王 翔摘  要：文章介绍了防治煤炭自燃的一种新技术三相泡沫的组成、特点、发泡机理、参数试验和现场实际应用效果，为我矿井下防灭火提供了又一新的技术手段。关键词：防灭火；三相泡沫；发泡器 1  概  述    为防治煤炭自燃，国内外广泛采用灌浆、喷洒阻化剂、注惰气等技术。在灌浆材料方面，主要是黄泥、粉煤灰，此外还有矸石、砂子、水泥砂浆、石膏、高水材料等；近年来，又较广泛地采用了凝胶、胶体泥浆、阻化汽雾、泡沫树脂等防灭火技术。但还存在一些问题：黄泥灌浆会消耗大量农田、粉煤灰堵漏效果差、矸石制浆成本高；水玻璃一铵

2、盐凝胶产生有毒有味的氨气、高分子凝胶成本高；水泥砂浆、高水材料、泡沫树脂成本高，工艺复杂；惰气易随漏风扩散，不易滞留在注入的区域内。    为了克服现有防灭火技术存在的不足，中国矿业大学提出了采用含氮气的三相泡沫进行井下防灭火的创新思路。针对粉煤灰和黄泥的物相成分，在实验室不同种类的发泡剂对粉煤灰和黄泥的发泡性能进行了大量的实验；研制出了三相泡沫发泡装置，并将该项技术应用于长春羊草煤业股份有限公司一矿，获得了很好的防灭火效果。2  三相泡沫防灭火新技术21  三相泡沫的组成及特点    防治煤炭自燃的三相泡沫由固态

3、不燃物(粉煤灰或黄泥等)、惰性气体(N2)和水三相防灭火介质组成。三相泡沫集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温；陛进行防灭火，大大提高了防灭火效率。由于三相泡沫发泡倍数较高，单位体积的泡沫材料成本大幅下降，具有较高的经济效益。    与现有的防灭火技术及材料相比，三相泡沫兼有一般注浆方法和惰气泡沫防灭火的优点。泥浆通过注入氮气发泡后形成三相泡沫，体积大幅快速增加，并在采空区中可向高处堆积，对低、高处的浮煤都能覆盖，能够避免注入的浆体从底部流失；注入在采空区的氮气被封在泡沫之中，能较长时间滞留在采空区中，充分发

4、挥氮气的窒息防灭火功能。三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物质，这些固态物质是三相泡沫面膜的一部分，可较长时间保持泡沫的稳定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黄泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤上，可持久有效地阻碍煤对氧的吸附，防止煤的氧化，从而有效地防治煤炭自然发火，这是三相泡沫防灭火性能的优越性。22  三相泡沫的发泡机理    在粉煤灰(黄泥)浆液中加入发泡剂后，发泡剂一方面降低了浆液的表面张力，使之形成泡沫；另一方面使粉煤灰(黄泥)颗粒由亲水性变成疏水性，使之粘附在气泡壁上。浆液通过发泡器后物理发泡，形成了防灭火三相泡沫。  &

5、#160; 三相泡沫所采用的发泡方式是物理机械发泡，因此要产生高倍数的三相泡沫，发泡器是关键。常用的两相泡沫发泡器，如网式发泡器，不适用产生三相泡沫。目前未见有防灭火用三相泡沫发泡器的专门研究报道，但相关的研究报道有用于回采工作面冒落空洞处理用的矿用泡沫水泥充填机及建筑行业的泡沫混凝土泡沫发生器。矿用泡沫水泥充填机利用螺杆泵的吸空特性(不饱和效应)来引人大量空气发泡，即螺杆泵送浆量小于螺杆泵的流量，大量吸人的空气与浆液和在管道中得到进一步的充分搅拌而形成泡沫水泥，发泡倍数36倍。三相防灭火泡沫发泡器与上述各类发泡器引入的气源和用途不同，需要对三相泡沫物理发泡的动力学特性进行研究，并据此设计新的

6、三相泡沫发泡器。    根据三相泡沫酌特点，中国矿业大学专门研究制作了一种适用于形成三相泡沫的发泡器。研究制作的发泡器结构简单，发泡器本身不需要任何动力装置，仅利用浆体的能量，进入发泡器后，在发泡器与集流器之间的旋转斜面上，成为湍流涡流，使气一液一固充分混合。由于泥浆和气体具有较高的动能，混合后在低压区造成了能量过剩，根据热力学原理，过剩的能量就对三相混合液做功，同时由于发泡剂的存在，形成了大量的具有三相介质的泡沫群体。再经过被高速泡沫泥浆冲击的旋转叶轮的进一步泡沫细化后，形成了均匀致密细腻的三相泡沫。23  三相泡沫实验装置  &#

7、160; 三相泡沫产生流程如图1所示。首先在制浆站中，将一定比例的水与粉煤灰(黄泥)搅拌混合形成粉煤灰(黄泥)浆体，通过压力泵输送到注浆管路中，再通过定量螺杆泵将发泡剂注人到注浆管路中，浆液与发泡剂在流动的混合器中混合后进入发泡器，在发泡器中接人氮气管路，实验中采用空压机，氮气与含有发泡剂的粉煤灰(黄泥)浆体相互作用产生出三相泡沫。三相泡沫制浆站（粉煤灰或黄泥）发泡器混合器发泡剂制氮装置（氮气）2.4三相泡沫参数试验    由于粉煤灰(黄泥)的成分复杂，极不易和氮气、水共存于同一体系中，因此要形成发泡倍数较高、稳定时间较长的三相泡沫，发泡剂是关键。 &#

8、160;  添加发泡剂的目的是为了降低浆体的表面张力，易于起泡。发泡剂的选择要根据粉煤灰(黄泥)的物相组成、显微结构的分析而确定。在实验室，经过对粉煤灰(黄泥)固体成分的分析，通过大量的实验研究，优化选择出对粉煤灰和黄泥具有较好作用的发泡剂。    (1)发泡剂的浓度。通过实验室的实验结果，发泡剂浓度为02时，泡沫的发泡能力就达到较高值。    (2)浆液浓度。浆液浓度的大小对发泡剂的发泡能力有很大的影响，因此也必须确定出合适的浆液浓度才能保证三相泡沫的泡沫性能最佳。实验证明，粉煤灰(黄泥)浆液浓度在20一50时泡沫的性能最

9、好。    (3)发泡倍数对三相泡沫的影响。在常温常压下，发泡倍数与泡沫的稳定性有比较密切的关系，一般是泡沫的稳定性随发泡倍数增高而降低。25  实验宣发泡试验结果    为了考察高发泡倍数的发泡效果，在实验室构建了三相泡沫实验系统，我们在该实验条件下进行的三相泡沫实验，发泡倍数为20倍。26  现场实际应用    三项泡沫防灭火技术在长春羊草煤业股份有限公司一矿得到了实际的应用。长春羊草煤业股份有限公司位于吉林省长春市九台区境内，为中型现代化矿井。开采煤层为易自然发火煤层，煤质为长焰

10、煤,可采煤层为煤层（二类自燃），以棕黑色为主，比重一般1.45 t/m3，煤层自燃性强，自然发火期13个月，矿井的主要灾害隐患是煤炭自燃。根据长春羊草煤业股份有限公司一矿安全生产的实际需要，确定1132工作面为三相泡沫防灭火技术工业应用区域。当在粉煤灰浆液通人氮气，并加入发泡剂和稳炮剂，通过自制的三相泡沫发生器后，就产生了大量的三相泡沫，在防灭火区域迅速堆积，很快就充满了整个防灭火区域。应用结果：粉煤灰三相泡沫注入防灭火区域后，使有自然发火倾向的煤层迅速与空气中的氧气隔绝并冷却降温；采空区内的CO浓度明显降低，防灭火效果非常显著。   3  总  结    三相泡沫防灭火技术充分利用粉煤灰(黄泥)的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温特性来防治煤炭自燃与灭火，并将这三相作为一个有机的整体长时间地保留在采空区，充分发挥三相材料的防灭火功能，从而更有效地防治煤炭自燃。产生三相泡沫材料的关键是