泡沫載體技術在煤礦防滅火中的應用

1、中國煤炭學會煤礦安全專委會2009年學術研討會論文集礦業(yè)安全與環(huán)保第36卷增刊2009年8月泡沫載體技術在煤礦防滅火中的應用陸偉,劉朝文,張青松(煤炭科學研究總院重慶研究院瓦斯防滅火研究分院,重慶400037)摘要:泡沫是一種非牛頓流體,具有低流失、可調(diào)的流變性以及攜帶能力強等優(yōu)良性能。分析了泡沫的構成、產(chǎn)生及特點,同時討論了泡沫載體在惰性氣體泡沫、三相泡沫和阻化泡沫等防滅火工藝上的應用。泡沫載體因其特殊的物理化學性能,在防滅火工藝上得到成功應用,是一項具有廣闊應用前景和推廣價值的實用技術。關鍵詞:煤礦防滅火;泡沫;載體+中圖分類號:TD753.4文獻標志碼:A文章編號:1008-4495(2

2、009)S1-0185-03煤炭自燃是我國礦井的主要自然災害之一。為防治煤炭自燃,煤礦采用了各種防滅火技術。防滅火技術的使用有2個關鍵:一是防滅火材料的性能;二是將防滅火材料向目標煤體的準確輸送。因此對防滅火材料的研究也可以對應分為2類,其中對“準確輸送”有效載體。,如灌,滲透性強,容易從煤巖裂隙流失,材料不易保留在目標區(qū)域,浪費嚴重;而且水溶液難以向上堆積和駐留,不能處理高處煤巖體。之后,又針對鹵鹽類阻化劑研究了用氣體作為載體的氣霧阻化劑,但是氣霧的噴灑距離有限,而且難以向煤巖擴散。近年來,高穩(wěn)定泡沫作為載體已經(jīng)在三相泡沫和阻化泡沫等材料上得到了成功的應用,取得了較好的施工效果。泡沫易于和現(xiàn)

3、有的防滅火材料的漿液或粉體混合,形成的混合泡沫有壓力下流動性好,無壓力情況下黏度高,堆積性、黏壁性強,可以很好地適應地形復雜的各種煤自燃區(qū)域,是防滅火材料載體的良好選擇,顯示出很大的應用潛力。11泡沫簡介在煤礦防滅火中應用的泡沫載體是以水溶液為液相,以空氣、氮氣、二氧化碳等氣體為氣相,兩相充分混合形成非牛頓連續(xù)體系。一般在沒有瓦斯爆收稿日期:2009-07-13作者簡介:陸偉(1977),男,四川廣安人,工學博士,高級工程師,從事礦井通風與防滅火、安全工程等方面的研究工作。炸、煤炭燃燒等危險的場合,氣相可以是空氣;在有爆炸、燃燒危險的場合,多使用二氧化碳、氮氣及其他惰性氣體作為氣相。1.,氣體

4、很少在水基液體中溶。氣體在液體中呈小氣泡分散狀態(tài),氣體的直徑越小,泡沫載體的性能越好。泡沫載體的起泡性能、穩(wěn)定性、攜帶性和黏度等性能對其在防滅火工程中的應用有直接意義。1)起泡性能。起泡性能一般用起泡效率和起泡能力度量,但實際防滅火施工中關注的是發(fā)泡液的發(fā)泡倍數(shù),也就是泡沫體積和發(fā)泡液體積的比值。發(fā)泡倍數(shù)直接影響了泡沫載體的攜帶能力,以及對待處理空間的充填覆蓋速度。防滅火用泡沫載體為中低倍泡沫,根據(jù)不同的應用,其發(fā)泡倍數(shù)在幾倍到幾十倍之間。2)穩(wěn)定性。泡沫穩(wěn)定性的含義是泡沫存在“壽命”的長短,換言之,是指生成泡沫的持久性,表示消泡的難易程度。但施工現(xiàn)場一般更關注泡沫的穩(wěn)定時間,即泡沫由產(chǎn)生到完

5、全破滅的時間。泡沫載體的穩(wěn)定性與氣體直徑和加入的化學穩(wěn)泡劑有關。隨著起泡劑、穩(wěn)泡劑添加量的增加,起泡能力增加。水的性質(zhì)對起泡也同樣有影響,淡水的起泡能力最強;水的礦化度升高,起泡能力變?nèi)酢?)流體黏度。泡沫載體的黏度比純氣體和純液體都大。這是因為泡沫載體是氣液兩相的,在流動時,外力要克服氣液2種分子之間的摩擦力,由于2種流體界面間的分子阻力和氣體的表面張力比純態(tài)時的大,所以流體的黏度大。黏度大有利于泡沫攜帶固體,并在目標區(qū)域堆積。泡沫是一種假塑性185中國煤炭學會煤礦安全專委會2009年學術研討會論文集礦業(yè)安全與環(huán)保第36卷增刊2009年8月流體,在低剪切速率下具有很高的表觀黏度,其黏度隨剪切

6、速率的增加而降低。因此泡沫在壓力下具有較好的流動性,可以泵送到目標區(qū)域。4)攜帶和懸浮能力。固體顆粒在純流體中下沉是比較容易的。流體攜帶固體顆粒的能力僅僅與流體黏度有關,當流體靜置時,固體在其中會迅速下降。泡沫載體攜帶固體顆粒的能力很強。當泡沫中的固體顆粒下沉時,顆粒所要克服的是氣體分子與水分子之間的摩擦力,它要迫使氣泡變形,才能形成下沉的通道,這是比較困難的,因此泡沫載體的攜帶和懸浮能力比純氣體或液體強很多。泡沫液體的攜帶能力與氣體數(shù)量和直徑有關,當氣泡多、密度很低時,在靜止狀態(tài)下固體顆粒也不會下沉。泡沫液體攜帶大直徑固體顆粒的能力強,攜帶固體的數(shù)量也多。泡沫載體的攜砂性能遠遠超過清水。據(jù)實

7、測,砂粒在泡沫中的沉降速度極小,泡沫載體的懸浮能2力比水或凍膠液大10100倍。1.2泡沫載體的形成泡沫載體是氣體在液體中充分分散形成的。氣泡分散程度越高,泡沫載體的質(zhì)量越好。氣體在水,后,水的表面張力減小。氣液混合的方式可以是機械攪拌,也可以是液力攪拌。經(jīng)過攪拌,氣體破碎成小氣泡。攪拌越徹底,氣泡越小,泡沫載體的質(zhì)量越好。圖1泡沫在防滅火材料方面的應用用表面活性劑水溶液和氮氣混合制成氮氣泡沫。泡沫作為載體,將氮氣包裹住,在泡沫的穩(wěn)定時間內(nèi),氮氣都能在目標區(qū)域有效駐留,充分發(fā)揮其惰3化作用,防滅火效果得到很大的提升。泡沫載體也適用于其他惰性氣體如二氧化碳等。2.2三相泡沫普通灌漿防滅火技術,漿

8、液不能均勻覆蓋浮煤,只能流向地勢低的地方,難以處理較高位置的區(qū)域。針對灌漿技術的缺點,中國礦業(yè)大學研制了采用氮氣、粉煤灰(黃泥)漿液和中倍發(fā)泡材料混合形成的4氣、液、固三相泡沫,見圖2。圖2三相泡沫的載附作用2泡沫載體應用現(xiàn)狀煤礦防滅火所需處理的區(qū)域地勢復雜多變,普通的載體難以有效地適應各種情況。特別是處理高冒和急傾斜煤層的采空區(qū)等區(qū)域時,難以有效地將防滅火材料送至目標區(qū)域,即使在壓力下到達目標區(qū)域,也容易很快流失,不能充分發(fā)揮防滅火材料的功效。泡沫載體發(fā)泡性能好,穩(wěn)定性高,攜帶和懸浮能力強;而且泡沫在低剪切速率下具有很高的表觀黏度,其黏度隨剪切速率的增加而降低,因此有壓力下流動性好,無壓力情

9、況下堆積性、黏壁性強;可以很好地適應地形復雜的各種煤自燃區(qū)域。目前載體泡沫主要在惰性氣體泡沫、三相泡沫和阻化泡沫方面得到了應用研究,見圖1。2.1惰性氣體泡沫注氮是煤礦防滅火的主要方法之一。但是氮氣流動性強,注入目標區(qū)域后很難停留,容易順著漏風通道很快流失。其防滅火效果持續(xù)時間短,需要頻繁施工。186在三相泡沫中,氮氣被液膜包裹,可以長時間駐留,充分發(fā)揮其窒息作用;而固體顆粒則黏附在液膜壁上,可以隨泡沫一起泵送入目標區(qū)域,并可以向上堆積,處理高處煤體。三相泡沫充分體現(xiàn)了泡沫載體的優(yōu)良性能,運用了泡沫載體后的灌漿技術遠遠優(yōu)于普通的灌漿。2.3阻化泡沫阻化劑的傳統(tǒng)施工方法是噴灑或澆注,也有用氣霧攜

10、帶阻化劑的,但這些方法都不能很好地處理地勢復雜的區(qū)域。重慶煤科院最初提出阻化泡沫的概念,即以泡沫為載體將防滅火阻化劑輸送到煤易自燃區(qū)域的技術。阻化劑可以先與發(fā)泡液混合,再經(jīng)由發(fā)泡器直接生成阻化泡沫;也可以先由發(fā)泡液生成載體泡沫,再與阻化劑溶液混合成阻化泡沫,見圖3。泡沫載體能夠?qū)⒆杌瘎氲讲煌匦蔚母鞣N目標煤體之中,使阻化劑和煤充分接觸反應,達到更好的阻化效果。5中國煤炭學會煤礦安全專委會2009年學術研討會論文集礦業(yè)安全與環(huán)保第36卷增刊2009年8月圖3阻化泡沫的工藝流程浮能力強;泡沫在低剪切速率下具有很高的表觀黏度,其黏度隨剪切速率的增加而降低,因此有壓力下流動性好,無壓力情況下堆積性

11、、黏壁性強。這些性能決定了泡沫能夠作為防滅火材料的優(yōu)良載體。2)以泡沫為載體能解決防滅火材料的施工問題,在多種材料方面得到了研究應用,特別在三相泡沫和阻化泡沫上取得了較好的效果。3)可以適用于更多的防滅火材料,如與鹵鹽類阻化劑配合使用可以形成鹵鹽類阻化泡沫,與凝膠類材料配合使用可以形成凝膠泡沫。所用的防滅火材料可以是化學阻化劑,也可以是保水保濕的物理阻化劑,2種阻化劑復配使用效果更好。參考文獻:1李學誠.中國煤礦安全大全M.北京:煤炭工業(yè)出版23展望以泡沫為載體將防滅火材料帶入到待處理區(qū)域就可以形成新的防滅火技術,解決許多施工問題。泡沫載體不僅能用于惰性氣體、灌漿材料和阻化劑等,還可以適用于更

12、多的防滅火材料,如與鹵鹽類阻化劑配合使用可以形成鹵鹽類阻化泡沫,與凝膠類材料配合使用可以形成凝膠泡沫,研究和推廣。34社,1998.李兆敏,王登慶,林日億.氮氣泡沫流體技術在石油工程中的應用C/高含水期油藏提高采收率國際會議論文集,2007:273-282.趙玉岐,李改云.惰性泡沫防滅火J.河北煤炭,1997(1):12.,.高性能防滅火三相泡沫的J.,2005,34(1):11-15.高倍阻化泡沫C/2007,2007:101-107.(責任編輯:吳自立)4結語1)泡沫載體發(fā)泡性能好,穩(wěn)定性高,攜帶和懸(上接第184頁)4礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的評價指標體系我國循環(huán)經(jīng)濟評價指標體系主要從資源的產(chǎn)出、消

13、耗、綜合利用和廢物排放4個方面入手,從宏觀和工業(yè)園區(qū)兩個層面上分別規(guī)定了22個和14個評價指標。結合礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟領域,整體描述如下:1)資源產(chǎn)出指標,用消耗一次資源所產(chǎn)出的國內(nèi)生產(chǎn)總值描述。包括主要礦產(chǎn)資源產(chǎn)出率、能源產(chǎn)出率等指標。2)資源消耗指標,用單位產(chǎn)品或創(chuàng)造單位GDP所消耗的資源量描述。包括單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗、取水,單位工業(yè)增加值能耗、取水,重點行業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗、取水等指標。3)資源綜合利用指標,用工業(yè)與生活廢棄物的資源化與回收利用量描述。包括工業(yè)固體廢物綜合利用率、工業(yè)用水重復利用率、廢棄金屬回收利用率等指標。4)廢物排放指標,用廢棄物排放量描述。包括工業(yè)固體廢物處置量、工業(yè)廢水排放量、二氧化硫排放量、化學需氧量(COD)排放量等指標。考慮到礦產(chǎn)資源的再發(fā)現(xiàn)和替代原則,還可以包括:勘查資源量及其占開采資源量的比例;危機礦產(chǎn)勘查資源量;潔凈能源占總能源的比例等指標。5結論總結分析了我國礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展的必要性、需要實現(xiàn)的目標與