三相泡沫防滅火技術的研究與應用

孫艷偉

摘 要：三相泡沫滅火技術是將固液氣三相介質發泡后形成的大量泡沫注入火區或采空區，覆蓋在浮煤上，有效的抑制煤炭的氧化。通過實踐使用，有效地預防了采煤工作面采空區遺煤的自燃，實現了安全生產，進一步證實了三相泡沫具有降溫、惰化、阻化、抑爆等綜合防滅火性能。

關鍵詞：礦井防滅火；發泡器 ；三相泡沫

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.224

1 概 述

在煤礦工程中，礦井火災屬于一種主要災害。依據相關調查研究顯示，在我國統配煤礦及重點煤礦中，有47%左右礦井存在自然發火危險。為能夠有效避免煤炭自燃，國內外煤礦通常都選擇灌漿、噴灑阻化劑以及注入惰性氣體等相關技術。對于灌漿材料而言，所選擇的主要包括黃泥及粉煤灰，另外還包括水泥砂漿、砂子以及高水材料與石膏等，近幾年來，阻化汽霧、凝膠以及膠體泥漿與泡沫樹脂等有關防滅火技術也有著十分廣泛的應用。然而，在實際應用過程中仍有一些問題存在。大力推廣三相泡沫防滅火新技術、新工藝和新裝備是煤礦防滅火的有效措施。

2 三相泡沫防滅火技術

2.1 三相泡沫防滅火原理

三相泡沫是集固、液和氣三相材料于一體的防滅火新型介質，泡沫注入采空區后，泥漿因注入空氣體積大幅快速增加，并在采空區中可向高處堆積，對浮煤做到覆蓋，可使泡沫在較長時間內保持穩定性，在泡沫破碎之后，具備一定黏度粉煤灰仍能夠在浮煤上均勻覆蓋，從而可有效防止煤吸附氧，可有效避免煤氧化，從而有效避免煤炭出現自燃情況。

2.2 三相泡沫的發泡機理

將發泡劑（KSF）加入粉煤灰漿液之后，一方面而言，發泡劑能夠使漿液表面張力得以有效降低，使其形成泡沫；另一方面而言，粉煤灰能夠由親水性轉變成為疏水性，可使其在氣泡壁上粘附。在通過發泡器之后，漿液可實現物理發泡，從而可使防滅火三相泡沫得以形成。

對于三相泡沫發泡而言，其所選擇的屬于物理機械發泡方式，所以為能夠使高倍數三相泡沫得以產生，其中比較關鍵的就是發泡器。對于發泡器而言，其自身并不需要動力裝置，僅僅是對漿體能量進行利用，在進入發泡器之后，在集流器及發泡器兩者之間的旋轉斜面上，可使湍流渦流得以形成，可使固體、液體及氣體實現充分混合。由于泥漿及氣體所具備動能均比較高，混合之后在低壓區域會出現能量過剩情況，依據熱力學原理，這些過剩能量可對三相混合液體進行做功，并且由于存在發泡劑，可使具備三相介質泡沫群體得以大量形成，然后經高速泡沫泥漿沖擊旋轉葉輪，可繼續將泡沫細化，從而使所形成的三相泡沫均勻致密細膩。

2.3 三相泡沫制作系統

對于三相泡沫制備以及灌注系統而言，其組成主要包括制漿站、過濾器、注漿管路、發泡器、發泡劑添加裝置，另外還有混合器以及注氮裝置。首先，在制漿站中可先用高壓水槍對山上黃土進行沖洗，從而使適當濃度黃泥漿得以形成，通過兩道濾網依靠泥漿自重流到井下；利用定量螺桿泵向注漿管路中注入發泡劑；在混合器中對漿液及發泡劑進行攪拌，使其充分混合，然后向發泡器中注入，在發泡器中連接氮氣管路，此時氣體及黃泥漿體能夠產生相互作用，從而可使倍數較高的三相泡沫得以形成。

2.4 三相泡沫參數試驗

粉煤灰中的成分相對比較復雜，在同一體系中很難與水及氮氣共存，因此為能夠使所形成三相泡沫倍數比較高，并且穩定時間比較長，一項關鍵因素就是發泡劑。

之所以添加發泡劑，其目的就是使漿體表面張力得以降低，使其更容易產生氣泡。在選擇發泡劑方面，應當將粉煤灰組成及顯微結構分析作為依據進行確定。通過分析粉煤灰固體成分及大量相關研究，從而對粉煤灰進行優化選擇，使其對粉煤灰及黃泥具有較好作用。

（1）漿液濃度。漿液濃度直接影響到發泡劑的發泡能力，粉煤灰（黃泥）漿液濃度在20%—50%時發泡劑的發泡性能最好。

（2）發泡劑的濃度。發泡劑濃度為0.2%時，發泡能力就達到較高水平。

（3）發泡倍數影響。在常溫常壓狀態下，泡沫穩定性及發泡倍數之間存在十分密切關系，通常情況下泡沫穩定性及發泡倍數兩者之間表現為負相關關系。

3 三相泡沫防滅火技術的現場應用

在全國范圍內的煤層自燃區域中，義馬煤田屬于比較嚴重的一個區域，而在義馬煤田中耿村煤礦屬于比較典型的一個自然發火礦井，其發火期最短僅僅為7d。該礦歷經多次改擴建后核定生產能力達到400 萬t /a，在建設礦井過程中，所發生的煤層自燃共有7次，在以后生產過程中，特別是對于后期所開采二3煤層而言，其厚度比較大，選擇綜采放頂煤工藝，在采空區域內遺煤數量會不斷增加，導致多次有高溫點出現，從而對煤礦安全生產造成嚴重影響。

依據實際生產需求，在采空區內可對三相泡沫防滅火技術進行運用，其所得到結果就是，在向防滅火區域內注入三相泡沫之后，可使存在自燃傾向煤層快速隔絕氧氣，并且可冷卻降溫，在采空區內可有效降低一氧化碳濃度，從而具有較好防火及滅火效果。

4 總結

對于三相泡沫防滅火技術而言，其對氮氣窒息性、水吸熱降溫特點以及粉煤灰覆蓋性進行充分利用，從而有效防治煤炭自然發火，并且能夠滅火，并且能夠使固液氣形成有機整體，可在自然發火區域內長期保存，可使三相材料所具備防火及滅火功能得以充分發揮，從而更有效地防治煤炭自然發火，應用前景十分廣闊。

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