1、三相泡沫防滅火技術的研究與應用王 翔摘  要：文章介紹了防治煤炭自燃的一種新技術三相泡沫的組成、特點、發泡機理、參數試驗和現場實際應用效果，為我礦井下防滅火提供了又一新的技術手段。關鍵詞：防滅火；三相泡沫；發泡器 1  概  述    為防治煤炭自燃，國內外廣泛采用灌漿、噴灑阻化劑、注惰氣等技術。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。但還存在一些問題：黃泥灌漿會消耗大量農田、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，工藝復雜；惰氣易隨漏風擴散，不易滯留在注入的區域內。    為了克服現有防滅火技術存在的不足，中國礦業大學提出了采用含氮氣的三相泡沫進行井下防滅火的創新思路。針對粉煤灰和黃泥的物相成分，在實驗室不同種類的發泡劑對粉煤灰和黃泥的發泡性能進行了大量的實驗；研制出了三相泡沫發泡裝置，并將該項技術應用于長春羊草煤業股份有限公司一礦，獲得了很好的防滅火效果。2  三相泡沫防滅火新技術21  三相泡沫的組成及特點    防治煤炭自燃的三相泡沫由固態

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、氮氣的窒息性和水的吸熱降溫；陛進行防滅火，大大提高了防滅火效率。由于三相泡沫發泡倍數較高，單位體積的泡沫材料成本大幅下降，具有較高的經濟效益。    與現有的防滅火技術及材料相比，三相泡沫兼有一般注漿方法和惰氣泡沫防滅火的優點。泥漿通過注入氮氣發泡后形成三相泡沫，體積大幅快速增加，并在采空區中可向高處堆積，對低、高處的浮煤都能覆蓋，能夠避免注入的漿體從底部流失；注入在采空區的氮氣被封在泡沫之中，能較長時間滯留在采空區中，充分發

4、揮氮氣的窒息防滅火功能。三相泡沫中含有粉煤灰或黃泥等固態物質，這些固態物質是三相泡沫面膜的一部分，可較長時間保持泡沫的穩定性，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氧的吸附，防止煤的氧化，從而有效地防治煤炭自然發火，這是三相泡沫防滅火性能的優越性。22  三相泡沫的發泡機理    在粉煤灰(黃泥)漿液中加入發泡劑后，發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。漿液通過發泡器后物理發泡，形成了防滅火三相泡沫。  &

5、#160; 三相泡沫所采用的發泡方式是物理機械發泡，因此要產生高倍數的三相泡沫，發泡器是關鍵。常用的兩相泡沫發泡器，如網式發泡器，不適用產生三相泡沫。目前未見有防滅火用三相泡沫發泡器的專門研究報道，但相關的研究報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及建筑行業的泡沫混凝土泡沫發生器。礦用泡沫水泥充填機利用螺桿泵的吸空特性(不飽和效應)來引人大量空氣發泡，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一步的充分攪拌而形成泡沫水泥，發泡倍數36倍。三相防滅火泡沫發泡器與上述各類發泡器引入的氣源和用途不同，需要對三相泡沫物理發泡的動力學特性進行研究，并據此設計新的

6、三相泡沫發泡器。    根據三相泡沫酌特點，中國礦業大學專門研究制作了一種適用于形成三相泡沫的發泡器。研究制作的發泡器結構簡單，發泡器本身不需要任何動力裝置，僅利用漿體的能量，進入發泡器后，在發泡器與集流器之間的旋轉斜面上，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能，混合后在低壓區造成了能量過剩，根據熱力學原理，過剩的能量就對三相混合液做功，同時由于發泡劑的存在，形成了大量的具有三相介質的泡沫群體。再經過被高速泡沫泥漿沖擊的旋轉葉輪的進一步泡沫細化后，形成了均勻致密細膩的三相泡沫。23  三相泡沫實驗裝置  &#

7、160; 三相泡沫產生流程如圖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泡劑注人到注漿管路中，漿液與發泡劑在流動的混合器中混合后進入發泡器，在發泡器中接人氮氣管路，實驗中采用空壓機，氮氣與含有發泡劑的粉煤灰(黃泥)漿體相互作用產生出三相泡沫。三相泡沫制漿站（粉煤灰或黃泥）發泡器混合器發泡劑制氮裝置（氮氣）2.4三相泡沫參數試驗    由于粉煤灰(黃泥)的成分復雜，極不易和氮氣、水共存于同一體系中，因此要形成發泡倍數較高、穩定時間較長的三相泡沫，發泡劑是關鍵。 &#

8、160;  添加發泡劑的目的是為了降低漿體的表面張力，易于起泡。發泡劑的選擇要根據粉煤灰(黃泥)的物相組成、顯微結構的分析而確定。在實驗室，經過對粉煤灰(黃泥)固體成分的分析，通過大量的實驗研究，優化選擇出對粉煤灰和黃泥具有較好作用的發泡劑。    (1)發泡劑的濃度。通過實驗室的實驗結果，發泡劑濃度為02時，泡沫的發泡能力就達到較高值。    (2)漿液濃度。漿液濃度的大小對發泡劑的發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。實驗證明，粉煤灰(黃泥)漿液濃度在20一50時泡沫的性能最

9、好。    (3)發泡倍數對三相泡沫的影響。在常溫常壓下，發泡倍數與泡沫的穩定性有比較密切的關系，一般是泡沫的穩定性隨發泡倍數增高而降低。25  實驗宣發泡試驗結果    為了考察高發泡倍數的發泡效果，在實驗室構建了三相泡沫實驗系統，我們在該實驗條件下進行的三相泡沫實驗，發泡倍數為20倍。26  現場實際應用    三項泡沫防滅火技術在長春羊草煤業股份有限公司一礦得到了實際的應用。長春羊草煤業股份有限公司位于吉林省長春市九臺區境內，為中型現代化礦井。開采煤層為易自然發火煤層，煤質為長焰

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，自然發火期13個月，礦井的主要災害隱患是煤炭自燃。根據長春羊草煤業股份有限公司一礦安全生產的實際需要，確定1132工作面為三相泡沫防滅火技術工業應用區域。當在粉煤灰漿液通人氮氣，并加入發泡劑和穩炮劑，通過自制的三相泡沫發生器后，就產生了大量的三相泡沫，在防滅火區域迅速堆積，很快就充滿了整個防滅火區域。應用結果：粉煤灰三相泡沫注入防滅火區域后，使有自然發火傾向的煤層迅速與空氣中的氧氣隔絕并冷卻降溫；采空區內的CO濃度明顯降低，防滅火效果非常顯著。   3  總  結    三相泡沫防滅火技術充分利用粉煤灰(黃泥)的覆蓋性、氮氣的窒息性和水的吸熱降溫特性來防治煤炭自燃與滅火，并將這三相作為一個有機的整體長時間地保留在采空區，充分發揮三相材料的防滅火功能，從而更有效地防治煤炭自燃。產生三相泡沫材料的關鍵是