泡沫载体技术在煤矿防灭火中的应用

1、中国煤炭学会煤矿安全专委会2009年学术研讨会论文集矿业安全与环保第36卷增刊2009年8月泡沫载体技术在煤矿防灭火中的应用陆伟,刘朝文,张青松(煤炭科学研究总院重庆研究院瓦斯防灭火研究分院,重庆400037)摘要:泡沫是一种非牛顿流体,具有低流失、可调的流变性以及携带能力强等优良性能。分析了泡沫的构成、产生及特点,同时讨论了泡沫载体在惰性气体泡沫、三相泡沫和阻化泡沫等防灭火工艺上的应用。泡沫载体因其特殊的物理化学性能,在防灭火工艺上得到成功应用,是一项具有广阔应用前景和推广价值的实用技术。关键词:煤矿防灭火;泡沫;载体+中图分类号:TD753.4文献标志码:A文章编号:1008-4495(2

2、009)S1-0185-03煤炭自燃是我国矿井的主要自然灾害之一。为防治煤炭自燃,煤矿采用了各种防灭火技术。防灭火技术的使用有2个关键:一是防灭火材料的性能;二是将防灭火材料向目标煤体的准确输送。因此对防灭火材料的研究也可以对应分为2类,其中对“准确输送”有效载体。,如灌,渗透性强,容易从煤岩裂隙流失,材料不易保留在目标区域,浪费严重;而且水溶液难以向上堆积和驻留,不能处理高处煤岩体。之后,又针对卤盐类阻化剂研究了用气体作为载体的气雾阻化剂,但是气雾的喷洒距离有限,而且难以向煤岩扩散。近年来,高稳定泡沫作为载体已经在三相泡沫和阻化泡沫等材料上得到了成功的应用,取得了较好的施工效果。泡沫易于和现

3、有的防灭火材料的浆液或粉体混合,形成的混合泡沫有压力下流动性好,无压力情况下黏度高,堆积性、黏壁性强,可以很好地适应地形复杂的各种煤自燃区域,是防灭火材料载体的良好选择,显示出很大的应用潜力。11泡沫简介在煤矿防灭火中应用的泡沫载体是以水溶液为液相,以空气、氮气、二氧化碳等气体为气相,两相充分混合形成非牛顿连续体系。一般在没有瓦斯爆收稿日期:2009-07-13作者简介:陆伟(1977),男,四川广安人,工学博士,高级工程师,从事矿井通风与防灭火、安全工程等方面的研究工作。炸、煤炭燃烧等危险的场合,气相可以是空气;在有爆炸、燃烧危险的场合,多使用二氧化碳、氮气及其他惰性气体作为气相。1.,气体

4、很少在水基液体中溶。气体在液体中呈小气泡分散状态,气体的直径越小,泡沫载体的性能越好。泡沫载体的起泡性能、稳定性、携带性和黏度等性能对其在防灭火工程中的应用有直接意义。1)起泡性能。起泡性能一般用起泡效率和起泡能力度量,但实际防灭火施工中关注的是发泡液的发泡倍数,也就是泡沫体积和发泡液体积的比值。发泡倍数直接影响了泡沫载体的携带能力,以及对待处理空间的充填覆盖速度。防灭火用泡沫载体为中低倍泡沫,根据不同的应用,其发泡倍数在几倍到几十倍之间。2)稳定性。泡沫稳定性的含义是泡沫存在“寿命”的长短,换言之,是指生成泡沫的持久性,表示消泡的难易程度。但施工现场一般更关注泡沫的稳定时间,即泡沫由产生到完

5、全破灭的时间。泡沫载体的稳定性与气体直径和加入的化学稳泡剂有关。随着起泡剂、稳泡剂添加量的增加,起泡能力增加。水的性质对起泡也同样有影响,淡水的起泡能力最强;水的矿化度升高,起泡能力变弱。3)流体黏度。泡沫载体的黏度比纯气体和纯液体都大。这是因为泡沫载体是气液两相的,在流动时,外力要克服气液2种分子之间的摩擦力,由于2种流体界面间的分子阻力和气体的表面张力比纯态时的大,所以流体的黏度大。黏度大有利于泡沫携带固体,并在目标区域堆积。泡沫是一种假塑性185中国煤炭学会煤矿安全专委会2009年学术研讨会论文集矿业安全与环保第36卷增刊2009年8月流体,在低剪切速率下具有很高的表观黏度,其黏度随剪切

6、速率的增加而降低。因此泡沫在压力下具有较好的流动性,可以泵送到目标区域。4)携带和悬浮能力。固体颗粒在纯流体中下沉是比较容易的。流体携带固体颗粒的能力仅仅与流体黏度有关,当流体静置时,固体在其中会迅速下降。泡沫载体携带固体颗粒的能力很强。当泡沫中的固体颗粒下沉时,颗粒所要克服的是气体分子与水分子之间的摩擦力,它要迫使气泡变形,才能形成下沉的通道,这是比较困难的,因此泡沫载体的携带和悬浮能力比纯气体或液体强很多。泡沫液体的携带能力与气体数量和直径有关,当气泡多、密度很低时,在静止状态下固体颗粒也不会下沉。泡沫液体携带大直径固体颗粒的能力强,携带固体的数量也多。泡沫载体的携砂性能远远超过清水。据实

7、测,砂粒在泡沫中的沉降速度极小,泡沫载体的悬浮能2力比水或冻胶液大10100倍。1.2泡沫载体的形成泡沫载体是气体在液体中充分分散形成的。气泡分散程度越高,泡沫载体的质量越好。气体在水,后,水的表面张力减小。气液混合的方式可以是机械搅拌,也可以是液力搅拌。经过搅拌,气体破碎成小气泡。搅拌越彻底,气泡越小,泡沫载体的质量越好。图1泡沫在防灭火材料方面的应用用表面活性剂水溶液和氮气混合制成氮气泡沫。泡沫作为载体,将氮气包裹住,在泡沫的稳定时间内,氮气都能在目标区域有效驻留,充分发挥其惰3化作用,防灭火效果得到很大的提升。泡沫载体也适用于其他惰性气体如二氧化碳等。2.2三相泡沫普通灌浆防灭火技术,浆

8、液不能均匀覆盖浮煤,只能流向地势低的地方,难以处理较高位置的区域。针对灌浆技术的缺点,中国矿业大学研制了采用氮气、粉煤灰(黄泥)浆液和中倍发泡材料混合形成的4气、液、固三相泡沫,见图2。图2三相泡沫的载附作用2泡沫载体应用现状煤矿防灭火所需处理的区域地势复杂多变,普通的载体难以有效地适应各种情况。特别是处理高冒和急倾斜煤层的采空区等区域时,难以有效地将防灭火材料送至目标区域,即使在压力下到达目标区域,也容易很快流失,不能充分发挥防灭火材料的功效。泡沫载体发泡性能好,稳定性高,携带和悬浮能力强;而且泡沫在低剪切速率下具有很高的表观黏度,其黏度随剪切速率的增加而降低,因此有压力下流动性好,无压力情

9、况下堆积性、黏壁性强;可以很好地适应地形复杂的各种煤自燃区域。目前载体泡沫主要在惰性气体泡沫、三相泡沫和阻化泡沫方面得到了应用研究,见图1。2.1惰性气体泡沫注氮是煤矿防灭火的主要方法之一。但是氮气流动性强,注入目标区域后很难停留,容易顺着漏风通道很快流失。其防灭火效果持续时间短,需要频繁施工。186在三相泡沫中,氮气被液膜包裹,可以长时间驻留,充分发挥其窒息作用;而固体颗粒则黏附在液膜壁上,可以随泡沫一起泵送入目标区域,并可以向上堆积,处理高处煤体。三相泡沫充分体现了泡沫载体的优良性能,运用了泡沫载体后的灌浆技术远远优于普通的灌浆。2.3阻化泡沫阻化剂的传统施工方法是喷洒或浇注,也有用气雾携

10、带阻化剂的,但这些方法都不能很好地处理地势复杂的区域。重庆煤科院最初提出阻化泡沫的概念,即以泡沫为载体将防灭火阻化剂输送到煤易自燃区域的技术。阻化剂可以先与发泡液混合,再经由发泡器直接生成阻化泡沫;也可以先由发泡液生成载体泡沫,再与阻化剂溶液混合成阻化泡沫,见图3。泡沫载体能够将阻化剂带入到不同地形的各种目标煤体之中,使阻化剂和煤充分接触反应,达到更好的阻化效果。5中国煤炭学会煤矿安全专委会2009年学术研讨会论文集矿业安全与环保第36卷增刊2009年8月图3阻化泡沫的工艺流程浮能力强;泡沫在低剪切速率下具有很高的表观黏度,其黏度随剪切速率的增加而降低,因此有压力下流动性好,无压力情况下堆积性

11、、黏壁性强。这些性能决定了泡沫能够作为防灭火材料的优良载体。2)以泡沫为载体能解决防灭火材料的施工问题,在多种材料方面得到了研究应用,特别在三相泡沫和阻化泡沫上取得了较好的效果。3)可以适用于更多的防灭火材料,如与卤盐类阻化剂配合使用可以形成卤盐类阻化泡沫,与凝胶类材料配合使用可以形成凝胶泡沫。所用的防灭火材料可以是化学阻化剂,也可以是保水保湿的物理阻化剂,2种阻化剂复配使用效果更好。参考文献:1李学诚.中国煤矿安全大全M.北京:煤炭工业出版23展望以泡沫为载体将防灭火材料带入到待处理区域就可以形成新的防灭火技术,解决许多施工问题。泡沫载体不仅能用于惰性气体、灌浆材料和阻化剂等,还可以适用于更

12、多的防灭火材料,如与卤盐类阻化剂配合使用可以形成卤盐类阻化泡沫,与凝胶类材料配合使用可以形成凝胶泡沫,研究和推广。34社,1998.李兆敏,王登庆,林日亿.氮气泡沫流体技术在石油工程中的应用C/高含水期油藏提高采收率国际会议论文集,2007:273-282.赵玉岐,李改云.惰性泡沫防灭火J.河北煤炭,1997(1):12.,.高性能防灭火三相泡沫的J.,2005,34(1):11-15.高倍阻化泡沫C/2007,2007:101-107.(责任编辑:吴自立)4结语1)泡沫载体发泡性能好,稳定性高,携带和悬(上接第184页)4矿业循环经济的评价指标体系我国循环经济评价指标体系主要从资源的产出、消

13、耗、综合利用和废物排放4个方面入手,从宏观和工业园区两个层面上分别规定了22个和14个评价指标。结合矿业循环经济领域,整体描述如下:1)资源产出指标,用消耗一次资源所产出的国内生产总值描述。包括主要矿产资源产出率、能源产出率等指标。2)资源消耗指标,用单位产品或创造单位GDP所消耗的资源量描述。包括单位国内生产总值能耗、取水,单位工业增加值能耗、取水,重点行业单位产品综合能耗、取水等指标。3)资源综合利用指标,用工业与生活废弃物的资源化与回收利用量描述。包括工业固体废物综合利用率、工业用水重复利用率、废弃金属回收利用率等指标。4)废物排放指标,用废弃物排放量描述。包括工业固体废物处置量、工业废水排放量、二氧化硫排放量、化学需氧量(COD)排放量等指标。考虑到矿产资源的再发现和替代原则,还可以包括:勘查资源量及其占开采资源量的比例;危机矿产勘查资源量;洁净能源占总能源的比例等指标。5结论总结分析了我国矿业循环经济的发展现状、发展的必要性、需要实现的目标与