三相泡沫译文

1、三相泡沫材料用于防治井下自燃火灾Michael M. , Elana V.摘要：本文介绍了一种优化三相泡沫配方的方法。受压的泡沫被压注到采空区的空隙中，用于防治煤炭自燃。这种方法包括主要泡沫性质的实验室试验和数学的优化程序。优化标准依据泡沫的应用目的而定。文中显示了固态物对泡沫热稳定性的影响。还介绍了四种发泡剂与不同粉煤灰构成的优化结果。本文建立了建造发泡器的基本原理，特别是产生三相泡沫的发泡器的结构。对发泡器生成的泡沫质量也进行了讨论。引言 一种用于采空区煤炭自燃预防与灭火的新技术在保加利亚已经超过了7年。这种技术的许多特性在作者1990和1995年的论文中已广泛地讨论过，包括在采空区中喷注

2、泡沫泥浆。这样的喷注既是指埋在底板的注浆管道，也指从顶板的打钻注浆。在这种技术中采用的泡沫泥浆是三相物理的泡沫，其构成为：发泡剂的水溶液；发电厂的飞灰；泡沫气体。三相泡沫主要用于两种情况：自然火灾的预防与灭火。这两种目的对泡沫的特性有不同的要求。当用于自然火灾的预防时，作为有规律的实施行为，其目标是沿空隙体的高度传送最多的粉煤灰数量。用于此种目的时，是寻求粉煤灰的最持久的密封效果。这里的密封性意味着用粉煤灰和液体覆盖碎煤。大量的喷注三相泡沫需要在其应用中进行经济优化。当用于扑灭自然火灾时，为了达到效果，则需要寻求技术的优化。泡沫的特性在预防与扑灭自然火灾中，起着重要的作用。泡沫的特性取决于：它

3、被扩散的多孔介质，泡沫的产生过程及泡沫成分。这些特性的优化方法及技术就是本文的主体。生成三相泡沫的成分和扩散介质的特性 这部分涉及三相泡沫的自然或技术特征，且不参与优化的过程。液相 用于自然火灾预防和灭火的三相泡沫应该是常规易得的材料。如果可能的话，采用废水。我们在Bobov矿井实际使用的经验表明从洗煤厂用过的废水作为基本的液相。它的平均水质如表1所示。这种水颜色是乳白的，无味，ph=8,氧饱和度为73-78%，传导性为1.19-1.23mS/cm.表1. 废水成分成分含量mg/m3可溶物资900-906不可溶物资40-50铁0.19-0.32锰0.34-0.76铅0.02-0.05镍0.00

4、5-0.006锌0.01-0.03可溶氧7-7.8固相 在泡沫泥浆中的固相采用电厂的粉煤灰。该粉煤灰的平均膨胀因子是3.1, 其松散时的密度为640-720kg/m3,紧固状态时2200-2300kg/m3. 当与水混合时，其溶液的平均值为ph=4,取决于泥浆的浓度Cp. 粉煤灰的平均颗粒是0.21mm,其非均值系数为-2.24。其它的矿物与颗粒尺寸参数在96年7月发表的文章中。粉煤灰与水的混合生成了碱性水悬浮液。除了其无可争辩的物理效果之外，水悬浮液也具有一些阻化黄铁矿氧化的化学效果。图1 采空区中颗粒尺寸的分布气相 气相的选择基于安全的考虑（在空气中同质分布而没有层状）和气体被煤和水的吸收

5、性。氮气的溶水性比二氧化碳低55倍。另外，CO2比N2易被不同种类的煤吸收15-35倍。这种特性就确定了空气与氮气被作为三相泡沫的气相。图2 采空区孔隙体的阻力系数充填媒体，三相泡沫被扩散在其中的媒体，可被描述为在采空区顶板自然垮落的煤岩体。这种媒体影响喷注的泡沫扩散与分布过程最大的特性是：过滤通道的大小和可变性 在Bobov矿区的和和惯性两个变量描述其阻力系数。图2为后退式工作面采空区的这些参数值。空隙体的自然湿度和饱和能力 当岩体的饱和度从21kg/Mg变化至88kg/Mg时，其初始湿度从3.7%10%而变化。三相泡沫的优化配方用于防火与灭火的三相泡沫，在延迟氧化过程及抑止煤炭自燃方面起着

6、不同的作用：液相： 冷却煤岩体和增加煤岩体的湿度；在泡沫的存在周期中，阻止氧气的进入；当达到高温带后，惰化该区域。当在岩体中注入高粘度的浆体后，一个有意义的结果被观察到（Michaylov M, 1990,1995）。固相：大量的湿固体层覆盖在碎煤体的上面并充填在采空区的裂隙通道中，会阻止氧气的对流与传导。气相：确保对在采空区浆体粘度增加的高位置处煤体的处理。泡沫破裂后，惰气扩散，使该区域惰化。根据防灭火的主要任务，三相泡沫的优化指标应该有以下内容：² 传送水及粉煤灰到采空区，其固相的浓度应尽可能的大；² 大流量的浆体传送媒体中，包括高位置的注浆；² 有较长的稳定

7、期，液相的释放较慢。为实现以上的任务，三相泡沫应具有以下的一些特性：² 在最大的泥浆浓度Cs下，较大的泡沫初始率K0。泡沫初始率（KK0）是指三相泡沫形成时（0）的膨胀率。浓度Cs被定义为固相与浆体的体积比；² 泡沫结构的高稳定性T。其特征是当生成泡沫中的水份被耗掉一半的时间；² 三相泡沫的寿命f指泡沫破裂的时间。膨胀率K 在静态条件下，这种特性随液相的自然脱水而变化。在将泡沫喷注到煤体中的动态条件下，由于存在泡沫与媒体湿度梯度，脱水的过程变得更为复杂。在实际条件下的流动决定了一些液体从已破坏的泡沫泡到围绕的未破坏的泡沫结构的重新分布。在泡沫浆扩散到媒体中影响膨胀

8、率K变化的大多数因素是随机的，这是受媒体的同向异性的性质所决定的。这就是为什么在这种状态下，唯一有价值的三相泡沫配方可以优化的特性是采用初始膨胀率(K0= K0）。发泡剂的类型和浓度（Cfa）和固态相的浓度（ Cs）是研究优化制浆过程的初始数据。可用数学方式表示为：K0=f(Cfa,Cs) （1）三相泡沫的稳定性 在三相泡沫破坏过程的时间里能够观察到：Ø 静态破坏 在泡沫的配方中增加粉煤灰使得它的结构更为稳定是一个原则。从一边脱水，过程会被延迟，而当从另一边时，泡沫的寿命就会增加。Ø 破坏梯度 它产生于媒体的硬结构与泡沫二者相接触时。在湿度梯度作用下，固体颗粒从泡沫中吸收液

9、体，并导致泡沫的破裂。这个过程一直进行，直到硬体的水饱和同时还取决于它的水份吸收能力。Ø 动态破坏 它发生在媒体的内部流动过程中，同时也是由于媒体不断垮落所造成。这种垮落造成的颗粒度具有随机的特性，这是描述动态破坏的主要困难之处。依据上述观点，这种被介绍的技术（Michaylow M., 1995）涉及到的三相泡沫是这种没有表明有自我破坏趋势的泡沫。与此同时，这种泡沫能够保持其中的液态成分，并尽可能将水份维持较长的时间。泡沫中的水份损失少，就可使大量的泡沫免于被破坏。这就是为什么三相泡沫稳定性参数选择时间T用于表示在泡沫生成的初始时刻（0），泡沫中的水份失去一半时的时间长度。可能会变

10、化的组分用下式进行表达： T=f(Cfa,Cs) （2）优化准则 在内因火灾的灭火过程中，如在本文的引言中提到的，主要的任务就是设定注到发热区域中的最大泡沫量。注浆实施过程的管理、防止泡沫的破坏与要求尽可能地大面积冷却发火带及附近区域是一致的，并认为注浆的膨胀率和三相泡沫的稳定率具有相同的意义。由于自然火势的发展造成的损失比用防火用的注泡沫的费用要高许多倍。灭火用泡沫并不受泡沫配方和费用的经济性限制。三相泡沫配方的技术优化是KT表达式的最大值，即： T0=(K0T)max （3）在（1）和（2）中增加泥浆的浓度受到的技术限制是将增加泥浆传送和发泡器的摩擦阻力和压力损失。在保加利亚采用的发泡器和

11、装置，这种限制是Cs1：3.用于采空区的防火注浆，要求经济方面的优化。每1m3的三相泡沫取决于每种成分的价格和作用，即： （4）式中 Pf、Pw、Pg、Pa、Pfa分别表示1m3泡沫、水、气体、粉煤灰和发泡剂的价格。Qw、Qg、Qa、Qfa分别表示生成Qf立方体积的三相泡沫，水、气体、粉煤灰和发泡剂的体积量。 考虑表达式的平衡：泥浆与生成泡沫的成分Qs=Qw+Qa+Qfa （5a）初始膨胀率： （5b）泥浆成分浓度： 水 Cw=Qw/Qs (5c) 粉煤灰 Ca=Qa/Qs (5d) 发泡剂 Cfa=Qfa/Qs (5e)从式（4）中作简单的推导，可得出用泥浆中各成分浓度表示的表达式：（5）从

12、三相泡沫的应用目的出发，1m3泡沫生存期的价格用下式表示：（6）发泡剂的价格超过其余成分的价格若干倍。在式（6）中用式（5）替换后，分母和分子都除以Pfa并进一步微分，三相泡沫价格的表达式可写成下式：（7）式中：K0T=f(Cfa,Ca) (7a)式（7）使得优化规则的形成成为可能，即：优化配方就是在随着发泡剂浓度增加的地方，产生的单位体积的泡沫的生存期的价格最大的减少。优化式（3）和（7）要求寻求（1）、（2）和（7a）的经验表达式。测试技术 测试装置采用的是1300ml能力的三速混合器。在混合器中，具有Cfa浓度的发泡剂水溶液被注入，同时，粉煤灰按需要的重量确定其浓度Ca。泥浆成分的初始混

13、合做23次，然后就开启混合器形成泡沫的高速挡，运转90s。关掉混合器后，泡沫高度的刻度就可读了，再转换成体积的单位，于是三相泡沫的初始膨胀率K0可计算得出，同时也求得T这一参数泥浆量减少到一半的时间。图3 泡沫测试实验装置实验计划 实验室进行的三相泡沫试验采用了4种发泡剂。EXPANDOL英国的一个消防公司所生产的产品，该产品被用于保加利亚的煤矿用于产生高倍数泡沫灭火器。这种发泡剂生成的三相泡沫用于自然火灾的高危险地区。VERIFLAM保加利亚一个名为Verila有限公司生产的泡沫灭火剂产品，也可用作生成三相泡沫。PENOFORM-保加利亚一个名为Kiulanov的有限公司生产的主要用作生成三

14、相泡沫的发泡剂。PENOSTAB专门用于煤矿用的三相泡沫发泡剂。对每种发泡剂按参数Cfa和Ca的不同参数，分4种等级进行了系统的实验。每一级参数的变化值如下表所示。表2 实验计划参数因素CfaCa低级0.0150.13高级0.0600.25变化梯度0.0150.04 对上述的发泡剂根据因素Cfa和Ca按4种配比共做了20次实验，其中16次按实验计划进行，另外4次围绕计划的中心进行。测试结果 根据公式（1）、（2）和（3）所需要进行的实验的得到的结果分别见图4、图5和图6。 采用通用的稳定悬浮剂、彭润土对三相泡沫的影响也在加入少量的粉煤灰浓度中也进行了额外的测试。这种测试采用的发泡剂为PENOS

15、TAB，其浓度参数 Cfa为3.5%。配方优化及实验结果的讨论 在泡沫中的第三相作为一种稳定的泡沫结构。液相的失水速率（被定义为T）和泡沫破坏速率都被观察到明显减小。在实验室测试过程中和在对空隙介质的喷注中，粉煤灰被扩散后的泡沫体结构也被观察到。 泡沫分散度对泡沫稳定性的重要影响也被观察到。在所有的测试中，减少泡沫的尺寸和泡沫的均质性，泡沫的流动性和结构的稳定性就增加。粗粒的分布和均值泡沫的快速减少就会使得泡沫的结构快速破坏和液相的水份快速脱水。随着泡沫浓度的增加，它的均质度增加，而在相同的条件下，分散度降低。这种泡沫结构质量改善的过程持续到一定的浓度，而且以后这种正面的影响并未变化。带有发泡

16、剂泡沫饱和结构的值取决于发泡剂的类型和粉煤灰浓度（Ca）。当粉煤灰饱和的时候（大的Ca），典型的测试结果为在液态的泡沫膜上存在硬的骨架，同时对泡沫的脱水和泡沫的稳定性起重要的作用。泥浆的物理和化学特性同其与气体的混合模式一样（后面将讨论）都影响泡沫。粉煤灰与EXPANDOL形成的泥浆会迅速地降低初始膨胀率（图4d）.只有当粉煤灰的浓度非常小时（图5d）会产生稳定的三相泡沫，这种模式是不可取的。用VERIFILAM产生的三相泡沫性能与用EXPANDOL是大致相同的，虽然也存在一些区别，如甚至当Cfa=4.5%（图5b）影响到泡沫质量的特性K0.T时（图6b）,稳定时间T增加.用PENOFORM和

17、PENOSTAB产生的三相泡沫与应用的条件相一致。这些发泡剂能够产生细腻的扩散的泡沫。初始的泥浆浓度可达到Ca1：4,与用于注入采空区的泥浆浓度相同。这个泥浆浓度能保证三相泡沫带着大量的粉煤灰进入到空隙中去。用PENOFORM产生的三相泡沫，当Cfa=4.5%-6%(图5c)，其间K0呈负的变化（图4c）时，有很好的稳定性。用PENOSTAB产生的泡沫性能其受到的影响与粉煤灰和发泡剂相同。区别是可量化的（图6a）并影响优化配方。优化的配方可通过如下技术获得：Ø 从实验测试中当改变Cfa和Ca提供的两种因素的实验，并通过式（1）、（2）和（3）中获得的K0、T和K0.TØ 通

18、过用MATH CAD应用软件可对系统的任何参数可视化。Ø 对每种发泡剂的K0和K0.T得到的等式伴随相关的价格（Pw、Pa、Pg、Pfa）被带入的式6之。通过用Cfa微分后，就得到了三相泡沫泥浆的优化配方。图7 PENOSTAB 和PENOFORM的优化结构 总结得出的结果显出在图7之中，该图中清楚地用PENOSTAB产生的三相泡沫的优点。对每种发泡剂经测试得出的优化配方定量参数如表3所示。表3 优化的泥浆配方发泡剂优化泥浆浓度（dm3/m3水发泡剂粉煤灰EXPANDOL75842620VERIFLAM73337697PENOFORM73540698PENOSTAB73837698温

19、度泡沫的稳定性当泡沫被送到空隙媒体中，随着温度的提高，要使泡沫能渗透到媒体中并堆积起来，泡沫保持其结构的能力就显得非常的重要。从应用的目的来讲，温度增加对泡沫结构的影响及水力稳定性越小，热阻力就越大。热阻力的对比在稳定的热壁面、内径为55mm的玻璃器皿中进行了测试。泡沫的膨胀计量通过测定泡沫的高度即可。依据泡沫的导电率，可通过Menehold公式计算泡沫中的液相浓度。泡沫结构的破坏通过读出泡沫计量容器中高度的减少而获得。两种发泡剂在K0=30和Cs0.225的测试结果如图8所示。为了比较固体相的作用，还对两相泡沫（Cs=0）的特性进行了对比测试。曲线的右面是测试中的保持的温度值。泡沫的寿命（f

20、）定义发泡后的体积减少到一半以后的时间。图8 温度对三相泡沫的影响当温度为40时，泡沫的寿命（40）比较其在20时（20）大略减少两倍（图8），当温度为60时，大略减少5倍。当温度在25-40内时，固相能较大地增加三相泡沫的热阻力。超过了以上限定的温度，粉煤灰就对泡沫的寿命没有影响。当温度超过60时，就不能观察到液相的脱水。一部分水蒸发掉了，其余的部分被扩散到未被破坏的泡沫上。动态脱水是三相泡沫稳定性的主要参数，主要取决于温度。这可从膨胀率K的变化中中获得（图9），图中在泡沫生存期中泡沫泥浆的参数为K0=30和Cs0.225。 图9 温度对K的影响三相泡沫发泡器结构的优化三相泡沫配方研究的结论

21、是生成泡沫的质量-低到中等的初始膨胀率、细密的分布和较好的均值性。传统的两相泡沫发泡器不能被采用，因为在液态的泡沫中缺少固态相。为此，作者创造性地建造了三相泡沫发生器（Michaylor M. 1990），该结构如图10所示。 图10 发泡器 不同相的混合方法对泡沫的均值性和分散度有重要影响。混合的质量取决于泡沫发生器的构造和在泡沫形成带的流动模式。气体与液相接触表面的面积对造泡过程非常重要。如图10所示的该装置内部的表面能够被放大：Ø 旋转气相和泥浆滴在气体与轴向流动的浆体喷射边界层处交换；Ø 在初始和过渡区的气相壁边界层防止非泡沫滴粘在壁上，于是形成了滑动的液态层基于雷

22、诺式和边界层的理论，本文试图描述在有限的空间中重量的轴向喷射（其密度为10）和旋转壁的气相喷射（其密度为20）的混合状态，以下的公式推导如下：Ø 运动守恒（8a）Ø 动量守恒(9a)Ø 质量守恒(10a)当沿着混合区域的断面积分时，可得到发泡器中主要的混合喷射的积分公式：(8)(9)(10)式中：I0、M0、Q0是在断面x=0出的流量、运动的动量和混合物浓度的初始值； u,w轴向和切向的速度风量； P,r,c混合物的压力、密度和浓度。 结构的考虑导致了趋于在发泡器中采用气体喷射的旋转。动量（8）沿着长度X的减少（-0.x）影响切向应力的值。（11）(11a)Cfr

23、摩擦系数(11b) 均方速度（11a）考虑了空间速度矢量的方向。 在泡沫发生器的两次变化中（图10），两次喷射在密度（10/201000）与速度（u20/u10=57）的是相当不同的。当边界层是气态时，边界层的较小的摩擦阻力清楚地表明了结构的设计成功了。 两相喷射边界层出现在旋转的气体和轴向的泥浆喷射之间，其参数难以进行评价。在这种强列的质量与能量的交换过程中，气体喷射趋于冲洗掉泥浆喷射。这就是均质三相结构形成的主要原因。自身的旋转发生在发泡器体内部的切向通道上。全角度的旋转可用下式进行计算：（12）式中：指数1或2分别地表示在断面x=0处轴向泥浆喷射和边界气体喷射的参数。和 （13）I20,M20分别在式（8）（9）中进行了定义。随着旋转通道斜面增加，在式（8）中的切向分量W与旋转度S随