三相泡沫防灭火

1、三相泡沫防灭火基本介绍一、三相泡沫介绍用于防治煤炭自燃的三相泡沫是由固态不燃物(粉煤灰或黄泥 等)、惰性气体(N2)和水三相防灭火介质组成。由于在纯固-液浆 液中很难形成固-液-气三相泡沫，必须加入表面活性剂降低浆液的表 面张力，气体通入浆液，通过加压或强烈的机械搅拌形成三相泡沫。三 相泡沫集固、液、气三相防灭火介质的防灭火性能于一体 利用粉煤 灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火。二、三相泡沫生成原理当向固液浆液中充气加压或者搅拌时，在固体颗粒和气泡周围 出现了水化层。由于浆液运动和表面间引力的作用，固体颗粒和气泡 开始出现了相互接触的机会。接着，固体颗粒开始与气泡的水化

2、层相 接触,原来固体颗粒与气泡间的普通水层，由于固体颗粒向气泡靠近, 逐渐从夹缝中被挤走，直至固体颗粒表面的水化层与气泡表面的水化 层相互接触。在外加能的作用下，水化层变薄形成水化膜，此时水化膜 表现出不稳定性,固体颗粒和气泡进一步逼近，自由能降低，水化膜的 厚度自发变薄，此时固体颗粒向气泡自发逼近，最后水化膜进一步变薄 直至破裂，固体颗粒与气泡接触并且附着在气泡壁上形成了固-液-气 的三相泡沫。图1三相泡沫生成过程图解：由于浆液运动和表面引力作用,固体颗粒和气泡开始出现相 互接触的机会，其相对位置如图1a所示;接着，固体颗粒开始与气泡的 水化层接触,原来固体颗粒与气泡间的普通水层，由于固体颗

3、粒向气泡 逼近，逐渐从夹缝中被挤走，直至固体颗粒表面的水化层与气泡表面的 水化层相互接触，其相对位置如图1b所示;在外加能的作用下,水化层 变薄形成水化膜,此时水化膜表现出不稳定性，固体颗粒和气泡进一步 逼近，自由能降低，水化膜的厚度自发变薄，其相对位置如图1c所示;最 后水化膜进一步变薄直至破裂，固体颗粒与气泡接触且附着在气泡壁 上，形成固-液-气三相泡沫，如图1d所示。三、三相泡沫灭火原理三相泡沫被注入到采空区，进行防灭火，主要有三个方面的作用：3. 1隔绝空气,阻止煤的氧化采空区浮煤发生自燃与遗留在采空区中浮煤的量、氧气的浓度、 采空区的漏风大小以及煤体的温度等因素有关，采空区由于浮煤存

4、在, 碳的供给充足，若氧的供给也充足，即两反应物浓度都充足，化学反应 速率必然快，如果聚热条件好,自然发火的进程速度必然快。三相泡沫中含有固态不燃物，它们是三相泡沫面膜的一部分，可较 长时间保持泡沫的稳定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的固体颗粒 仍然可较均匀地覆盖在浮煤上,可持久地减少浮煤表面的氧气浓度，从 而有效地阻碍、破坏碳氧络合吸附与解吸，防止煤的氧化。浆液通过 注入惰性气体后形成三相泡沫，体积大幅度增大，在采空区中堆积的高 度可达34 m,对低、高处的浮煤都能覆盖。同时,三相泡沫具有很好 的堵漏性能，能减少漏风供氧,减少采空区内氧气浓度,从而降低反应 速率和产热量，达到防止煤炭自燃的

5、目的，这是三相泡沫的防灭火性能 的特点之一。3. 2增加煤体外在水份吸热降温抑制煤炭氧化水的热容量和汽化热很大，水的比热为4. 18 J /g C，汽化潜热为2 256. 7 J /g。若将1kg常温的水(20C)，喷洒到火源处，使水温升到 100C，则能吸收2 227 kJ的热量。因而当水与炽热的燃烧物接触时, 在被加热和汽化的过程中,就会大量吸收燃烧物的热量。水与燃烧的 煤炭接触时，会通过物理作用和化学反应，从燃烧中吸取大量的热，同 时湿润煤体，迫使采空区内温度大大降低。根据温度对化学反应速率的影响,温度愈高化学反应愈快。在常温 下,温度每提高10C，反应速率将提高约24倍。无疑，煤的氧化

6、反应 速率随着反应温度升高快速增加。采空区浮煤自燃反应的速度随煤体和环境温度的升高而快速增大, 而采空区内的碳氧络合吸附与解吸的反复循环，将不断地氧化产热，提 高环境和煤炭的温度，导致煤炭氧化进程速度加快，从而引起自然发 火。三相泡沫中的浆水具有吸热降温作用，可以降低化学反应的速率, 减少反应的产热量，避免环境温升。实验得知,煤炭在氧化升温过程中, 首先析出来的是煤中的挥发成份和外在水份，而浆水和煤的接触可以 增加煤的外在水份。水份是以被汽化的方式析出，因而大量地消耗煤 的氧化产热量。同时，煤的比热值也因其含水量的增加而大致线性增 加，阻碍反应温度升高，从而达到抑制煤氧化的目的。3. 3惰化采

7、空区氮为气态时用于煤矿防灭火，主要有以下作用:窒息作用。在防灭 火区域内注入氮气后，使该区域内气体氧的含量降低，增加了气体的惰 性化，阻止了煤炭氧化。对于火区，则因氧的含量不足而熄灭。对于防 火区域，则缩小了氧化带，扩大了窒息带，有利地抑制了煤的氧化自燃； 抑爆作用。这种气体遇高温（火区）其成份不变,与可燃物质及可燃气 体不产生化学反应，充入氮气后冲淡了可燃气体与氧的含量，使其形成 惰化气，从而使混合气体失去可爆性。若采空区中氧气浓度充足，则煤自燃的化学反应速率和放热速率 就会增大。因此，在必要时，需要降低采空区内的氧气浓度。三相泡沫 的泡沫内包裹大量的氮气，随着泡沫的破裂，氮气被释放出来,能

8、较长 时间滞留在采空区中。同时三相泡沫具有很好的稳定性，能在很长的 时间内不断的释放出氮气。泡沫破裂后，氮气可以充满任何形状的有限燃烧空间和预防自燃 的空间，发挥其阻燃抑爆作用，使采空区的气体惰性化。这样不仅可以 对煤矿采空区深部、高冒之处以及人们难以接近的地点进行防灭火, 而且可以防止瓦斯和煤尘的爆炸。四、三相泡沫特点含氮气的三相泡沫兼有一般注浆方法和惰气泡沫防灭火的优点。泥浆通过引入氮气发泡后形成三相泡沫，体积大幅快速增加，被注入后 能充斥整个火区，因为三相泡沫有很好的堆积性,所以能在火区中向高 处堆积，对低、高处的浮煤都能覆盖;三相泡沫能将浆水均匀的分散，有 较好的挂壁性，有效地避免浆体

9、的流失，保护井下环境;注入在采空区 的氮气被封装在泡沫之中，能较长时间滞留在采空区中,充分发挥氮气 的窒息防灭火功能;三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物质,可较长 时间保持泡沫的稳定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黄 泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤上，可持久有效地阻碍煤对氧的吸附，防 止煤的氧化。此外，三相泡沫施工工艺简便、安全环保、价格低廉。五、三相泡沫防灭火工艺流程5.1安装、准备1）将发泡器连接在注浆管路上，距离灌注地点50m左右。2）将注氮机安接至发泡器附近，并安设一阀门可以进行控制。3）在发泡器出口侧安装一观察口,以便观察发泡效果。4）井上根据注浆泵的流量调节添加泵的流量。5）

10、对注浆池入口的过滤网进行加工，过滤网密度8mm为宜。闸阀注：灌注三相泡沫时开启发泡器处阀门.同时关闭旁通管路阀门；普通注浆时相反.能够实现两种工艺的方便转换.观察孔（用于观测发泡效果,6分铁管制）球阀- 二相泡沫出口图2三项泡沫安装图5.2灌注工艺及参数5.2.1 灌注工艺首先在制浆站中，用高压水枪冲洗粉煤灰（或黄土），形成浓度为20% 左右的浆液，经过过滤网（网孔大小W8mm）,过滤出浆液中的杂质，打 开浆泥泵向注浆管输送浆液，同时开启发泡剂定量添加泵将发泡剂加 入注浆管路中，浆液与发泡剂在管道流动中进行混合均匀后，经过装在 管路中的发泡器，在发泡器中接入氮气,氮气与含有发泡剂的粉煤灰 （或

11、黄泥）浆体相互作用产生出三相泡沫，形成的三相泡沫经采空区预 埋管路注入采空区，覆盖采空区浮煤，防治浮煤自燃。图3灌注三相泡沫工艺流程5.2.2基本参数（1）水土比（体积比）为4 : 1;（2）耗浆量:10m3/ h，水:8m3/ h，黄泥:2m3/ h ;(3)氮气机(空气压缩机)的气量应该不小于300m3/h;发泡器进气口压力不小于0.3MPa;三相泡沫产生量为300m3/h;发泡剂使用的比例0.3%0.5%，即发泡剂:3050kg/h;连续灌注24小时。注:根据现场观测三相泡沫的泡沫持续时间约为1天左右，同一地 点灌注三相泡沫时。建议间隔时间不超过1天;如果井上注浆泵的流 量大于8m3/h ,应采取措施对流量进行控制，否则发