新型注漿系統的設計及優化

李德軍，魏子燦，任萬興,3

1山西焦煤山煤國際左云韓家洼煤業 山西大同 037000

2中國礦業大學安全工程學院 江蘇徐州 221116

3中國礦業大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室 江蘇徐州 221116

富煤、貧油、少氣是我國的基本國情，我國煤炭年產量超過世界煤炭年產量的一半，也反映了我國對煤炭資源的極大依賴[1-2]。煤炭開采過程中，自燃引起的火災問題不容忽視[3]。

隨著科技的發展，防治煤炭自燃的技術得到了長足的發展。防滅火凝膠類材料因為其優秀的保水性、突出的降溫效果以及良好的封堵漏風能力，在煤礦防滅火領域得到了廣泛應用。凝膠類材料優秀的防滅火能力需要配套的設備才能發揮出來[4-6]。筆者通過理論實踐研發了一種新型注漿系統，用以充分發揮凝膠類材料的防滅火能力。

1 新型注漿系統

新型注漿系統如圖1 所示。其中，氣動雙液注漿泵用以解決雙組份材料高效泵送的問題；發泡成膠裝置用以解決漿液混合不均勻、發泡倍數低和流量小的問題。

圖1 新型注漿系統Fig.1 New-type grouting system

2 氣動雙液注漿泵

提高注漿效率是設計氣動雙液注漿泵的首要目標。該泵共擁有 6 個進出口，2 個液體進口和 2 個料液出口，泵體下部設置有氣體入口以及排氣孔，用以穩定氣壓。采用雙液注漿泵添加 A 料和 B 料，以壓縮空氣為動力，推動氣缸活塞往復運動。與泵頭的雙柱塞以及吸、排氣閥共同作用，完成漿液的吸、排工作[7-8]。

2.1 工作參數測

為了進一步掌握撥氣動雙液注漿泵的工作特性，對其工作參數進行試驗與檢測。設定進出口壓力，然后對其流量、耗氣量等參數進行測定，其中氣缸容積為 0.65 dm3，性能參數如表1 所列。

表1 氣動雙液注漿泵性能參數Tab.1 Performace parameters of pneumatic double liquid grouting pump

2.2 不同進口壓力下的參數關系

(1) 流量與出口壓力的關系 通過表1 可得，當進口壓力一定時，出口壓力越大，流量越小。井下實際操作時，可以根據測定的數據調整進出口壓力，從而獲得適合泡沫凝膠生產的料液量，產生高質量泡沫凝膠。

(2) 耗氣量和出口壓力的關系 通過對進出口壓力、流量及耗氣量的關系進行比較分析，得到在相同進口壓力條件下，出口壓力越大，耗氣量越小。

3 新型穩流器的設計

氣動雙液注漿泵中，設計了流量補償器即新型穩流器。

新型穩流器的作用是：①在流量不足時瞬時補充流量；②在系統運行穩定時吸收壓力脈沖[9]。其原理如圖2 所示。

圖2 穩流器工作原理Fig.2 Working principle of current stabilizer

通過對氣動雙液注漿泵的測定，進口壓力為 0.5 MPa，出口壓力為 4 MPa，對應的流量為 1 L/min，泵的沖次約為 45 次/min，即頻率為 0.75 Hz。氣動雙液注漿泵行程如圖3 所示。

圖3 氣動雙液注漿泵行程Fig.3 Stroke of pneumatic double liquid grouting pump

由圖3 可知，每 0.75 s 會有 0.25 s 的供料間隔，這是造成供料波動的主要原因。在穩流器工作原理的基礎上，設計了新型穩流器，如圖4 所示。

圖4 新型穩流器Fig.4 New type current stabilizer

圖5 加入新型穩流器后的氣動雙液注漿泵行程Fig.5 Stroke of pneumatic double liquid grouting pump after adding a new current stabilizer

該穩流器主要是由 52 個水平腔體和 4 個豎管組成，每個腔體都有一高一低 2 個豎管，其豎管內部為空氣倉。當料液經過水平腔體時，會在豎管中儲存一定的料液，注漿間隙時，在重力作用下流入水平腔體，起到補償料液的作用。而一高一低 2 個豎管是為了更好吸收壓力波動，實現新型穩流器的二次調節，使料液能夠均勻添加至發泡成膠裝置中。在加入新型穩流器之后，氣動雙液注漿泵的行程如 5 所示。

4 新型發泡成膠裝置

發泡成膠裝置是制備高質量泡沫凝膠材料的重要組成部分。由于該材料的原料添加順序和目標產物的不同，現有的設備不能滿足其需要，所以研發了新型發泡成膠裝備。

4.1 模擬裝置設計

4.1.1 射流設計理論

新研制的射流添加裝置屬于紊動射流、有限空間射流、淹沒射流、伴隨射流的綜合。

伴隨紊動射流是一種及其復雜的射流問題，當紊動射流進入具有一定速度和壓力的流場，應使用阿勃拉摩維奇算法[11]，利用射流邊界層變厚規律和積分形式的動量方程進行紊動射流積分。

對軸對稱紊動射流列動量方程

列連續性方程

式中：ρ為射流密度，kg/m3；μ為軸向時射流均速度，m/s；v為縱向時射流均速度，m/s；τ為紊動射流切應力，N。

式(3) 中，正號對應主射流流速低于伴隨射流流速，負號對應主射流流速高于伴隨射流流速的情況，其中積分常數由射流出口條件和流經物體的阻力共同決定。

4.1.2 設計原理

國內外現有發泡設備的主要形式有孔隙式、螺旋式、網式、同心管式和射流泵式[10]。常用的發泡設備都具有以下特點：

(1) 利用射流原理，采用物理發泡；

(2) 最大程度地增加碰撞強度，使得發泡劑和溶液充分混合，再利用高速氣流和液體的相互碰撞，初次發泡；

(3) 利用網孔、螺旋板、孔板等裝置增加初次泡沫的擾動，使其二次發泡。

考慮到一些特殊環境因素，發泡設備所使用的發泡液和風流的速度及壓力均較大，使用的礦井循環水含有煤巖顆粒物等固體雜質，極易導致泡沫發生器中的細小通道堵塞。經過研究比較同心管式、射流泵式、擋板式發泡器的優點，設計研發了新型發泡成膠裝置[12]。

為保證結構設計合理、泡沫效果好以及凝膠質量優秀，設計過程中應重點考慮以下 4 個因素：①盡可能保證氣、液兩相流體高速紊態流動；②盡可能保證液體呈分散狀，用以增大與氣體的接觸面積；③其內部不能出現其他運動物體，防止發生阻塞現象；④ 盡可能增加泡沫與添加劑的接觸面積，使料液混合均勻。

新型發泡成膠裝置的設計思路。

(1) 保留物理發泡的優點，采用文丘里管形式，充分利用井下風壓和水壓大的特點，形成射流，保證混合液具有較高的流速。

(2) 在文丘里管的收縮段添加一個錐形散流盤，通過混合液沖擊散流盤，產生湍流旋渦，并生產破碎液膜，這樣避免了氣液分離，既增加了氣液的接觸面積，更有利于引入氮氣進行發泡。

(3) 將添加劑 B 的添加方式設置為徑向雙向對流，增加了泡沫液與添加劑 B 的接觸面積。

(4) 在新型發泡成膠裝置后部設置了多個一定角度的擋板，將其交錯安放，擋板上設置多個大小不一的孔洞，用以增大泡沫液與添加劑 B 的混合強度，同時也增強了其湍流和渦流速度。

4.1.3 結構設計

根據井下特點，發泡設備采用物理發泡的原理，含有發泡劑的漿液由漸縮管吸入，并從噴嘴射出撞擊在散流板上，氣體整流器放置于漸縮管前端，用以控制氣流，沿軸線方向流動。整流器上的氣孔，使得氣流速度增大，也增加了氣液撞擊效果，增強了發泡效果。

該新型發泡成膠裝置另一個特點是實現了發泡和成膠相結合融為一體。為保證能生產出高質量泡沫凝膠材料，選擇黏度較大的凝膠劑，并采用徑向對流添加器。通過圓心方向和小型添加器的反向添加 2 種方式共同作用，使得泡沫在遇到出料孔射出的添加劑之后，快速混合。

泡沫凝膠材料的發泡過程如下。

(1) 含發泡劑的混合液由進水口被壓入射流器中，產生高速射流，射流撞擊到散流板上，生成大量液壁很薄的水膜。同一時間，進氣口中通入高壓氮氣，經過氣體整流通道，再經排氣孔高速吹向散流盤，被產生的水膜包裹形成氣泡。

(2) 大量氣泡形成泡沫，被壓入膠凝劑對流添加器中，膠凝劑從進料口進入，分別經過周向進料槽和徑向進料槽后，由料孔排出并形成對流，徑向對流射出的膠凝劑和軸向壓入的泡沫接觸后快速混合，通過膠凝劑附著在泡沫表面并鎖住水分，形成初步的高效保水泡沫凝膠材料。

(3) 初步形成的泡沫凝膠材料經過混料孔及兩兩錯開的螺旋混料板后，充分混合，形成穩定可靠的泡沫凝膠材料，最終通過出料口連接的管道，輸送至火災區域。

4.2 數值模擬

在經過對新型發泡成膠裝置的工作原理和結構設計分析之后，對整個裝置內部凝膠材料的壓力分布進行數值模擬。

4.2.1 發泡段模擬

在發泡段所采用的是文丘里管，通過管徑的收縮將靜壓力轉化為動壓力，用以提高流體的速度，從而進一步增加流體與錐形管中流體的撞擊動量，使得流體的擾動范圍增加，提高了發泡能力。壓力分布數值模擬如圖6 所示。

圖6 壓力分布數值模擬Fig.6 Simulated pressure distribution

4.2.2 不同時間凝膠材料的壓力狀態

通過設置初始速度為 2.5 m/s，模擬了在不同時刻發泡成膠管內部的壓力分布，如圖7 所示。

圖7 不同時刻發泡成膠管內部的壓力分布Fig.7 Pressure distribution inside foaming-into-gel tube at different times

4.3 裝置結構與工作流程

新型發泡成膠裝置主要由殼體、殼蓋、底架、發泡成膠部分等組成。

該裝置利用井下的供水和風壓管路，通過專用設備在水中加入一定比例的 A 料，引入風壓先行發泡，再加入 B 料混合，形成凝膠。依靠液體和氣體連續流動，高效穩定的制備出保水泡沫凝膠材料，不需要額外動力。在完成加料、發泡、混料等流程，生產出高保水泡沫凝膠材料，通過專用組件噴灑或灌注防滅火區域。

新型發泡成膠裝置有如下特點。

(1) 不需要額外的動力驅動，工作時不產生噪聲。在環境變化較大的場所均可使用，安全可靠。

(2) 可控性強，可以根據不同需求進行參數調整，用以滿足不同流量和不同輸送介質的特殊需要。

(3) 易于操作，方便重新組裝，結構簡單。

(4) 體積小、質量輕，便于移動和使用。

(5) 內部含有獨特的混合部件，能保證泡沫和凝膠均勻混合，從而提高滅火效果。

5 實踐應用

2021 年 2 月 13 日，西盤區輔助運輸巷 750 m 西幫距巷道頂板 1 m 處錨桿孔口出現冒煙現象，西盤區回風巷 670 m 煤柱裂隙 CO 質量濃度為 1 000 g/m3。在出現發火跡象后，礦方采取了淋水降溫，巷道噴漿，降低西盤區輔助運輸巷供風量等防滅火措施，但CO 仍有超標現象。

在西盤區回風巷煤巖體溫度異常區、CO 超標區、出現自燃征兆區及前后 20 m 的煤柱等區域，運用新型注漿系統壓注封堵材料和泡沫凝膠材料，用以堵塞漏風通道降溫防滅火。經過治理，西盤區輔助運輸巷 750 m 處溫度降至 13 ℃，西盤區回風巷裂隙CO 質量濃度降至 400 g/m3。在現場應用時，總體注漿效果均勻流暢，未出現斷流現象；壓注泡沫凝膠材料時，材料發泡均勻，成型效果良好，未出現發泡失敗現象；雙組分防滅火材料在物料混合反應、灌注輸送、發泡成型過程中均未產生熱量。

6 結論

新型注漿系統主要包括氣動雙液注漿泵、流量補償穩流器以及新型發泡成膠裝置，經過數值模擬和井下實際應用證明，具有如下結論。

(1) 針對雙組份防滅火材料的輸送、混合流量及壓力需求，氣動雙液注漿泵解決了普通注漿泵泵送流量小、注漿壓力低，無法滿足泵送要求的問題；

(2) 新型穩流器解決了普通氣動雙液注漿泵輸送過程中存在的脈沖問題，提高了穩定性；

(3) 新型發泡成膠裝置解決了漿液混合不均勻、發泡倍數低、流量小等問題。