泡沫載體技術(shù)在煤礦防滅火中的應(yīng)用

1、中國煤炭學(xué)會(huì)煤礦安全專委會(huì)2009年學(xué)術(shù)研討會(huì)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(shù)在煤礦防滅火中的應(yīng)用陸偉,劉朝文,張青松(煤炭科學(xué)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(qiáng)等優(yōu)良性能。分析了泡沫的構(gòu)成、產(chǎn)生及特點(diǎn),同時(shí)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(yīng)用。泡沫載體因其特殊的物理化學(xué)性能,在防滅火工藝上得到成功應(yīng)用,是一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景和推廣價(jià)值的實(shí)用技術(shù)。關(guān)鍵詞:煤礦防滅火;泡沫;載體+中圖分類號(hào):TD753.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1008-4495(2

2、009)S1-0185-03煤炭自燃是我國礦井的主要自然災(zāi)害之一。為防治煤炭自燃,煤礦采用了各種防滅火技術(shù)。防滅火技術(shù)的使用有2個(gè)關(guān)鍵:一是防滅火材料的性能;二是將防滅火材料向目標(biāo)煤體的準(zhǔn)確輸送。因此對(duì)防滅火材料的研究也可以對(duì)應(yīng)分為2類,其中對(duì)“準(zhǔn)確輸送”有效載體。,如灌,滲透性強(qiáng),容易從煤巖裂隙流失,材料不易保留在目標(biāo)區(qū)域,浪費(fèi)嚴(yán)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(duì)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(kuò)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(yīng)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(dòng)性好,無壓力情況下黏度高,堆積性、黏壁性強(qiáng),可以很好地適應(yīng)地形復(fù)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(yīng)用潛力。11泡沫簡介在煤礦防滅火中應(yīng)用的泡沫載體是以水溶液為液相,以空氣、氮?dú)狻⒍趸嫉葰怏w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(xué)博士,高級(jí)工程師,從事礦井通風(fēng)與防滅火、安全工程等方面的研究工作。炸、煤炭燃燒等危險(xiǎn)的場(chǎng)合,氣相可以是空氣;在有爆炸、燃燒危險(xiǎn)的場(chǎng)合,多使用二氧化碳、氮?dú)饧捌渌栊詺怏w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(duì)其在防滅火工程中的應(yīng)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(shí)際防滅火施工中關(guān)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(duì)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(yīng)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(chǎng)一般更關(guān)注泡沫的穩(wěn)定時(shí)間,即泡沫由產(chǎn)生到完

5、全破滅的時(shí)間。泡沫載體的穩(wěn)定性與氣體直徑和加入的化學(xué)穩(wěn)泡劑有關(guān)。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(duì)起泡也同樣有影響,淡水的起泡能力最強(qiáng);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?yàn)榕菽d體是氣液兩相的,在流動(dòng)時(shí),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(shí)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(biāo)區(qū)域堆積。泡沫是一種假塑性185中國煤炭學(xué)會(huì)煤礦安全專委會(huì)2009年學(xué)術(shù)研討會(huì)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(dòng)性,可以泵送到目標(biāo)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(guān),當(dāng)流體靜置時(shí),固體在其中會(huì)迅速下降。泡沫載體攜帶固體顆粒的能力很強(qiáng)。當(dāng)泡沫中的固體顆粒下沉?xí)r,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(qiáng)很多。泡沫液體的攜帶能力與氣體數(shù)量和直徑有關(guān),當(dāng)氣泡多、密度很低時(shí),在靜止?fàn)顟B(tài)下固體顆粒也不會(huì)下沉。泡沫液體攜帶大直徑固體顆粒的能力強(qiáng),攜帶固體的數(shù)量也多。泡沫載體的攜砂性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過清水。據(jù)實(shí)

7、測(cè),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(jī)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(yīng)用用表面活性劑水溶液和氮?dú)饣旌现瞥傻獨(dú)馀菽Ｅ菽鳛檩d體,將氮?dú)獍?在泡沫的穩(wěn)定時(shí)間內(nèi),氮?dú)舛寄茉谀繕?biāo)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(shù),漿

8、液不能均勻覆蓋浮煤,只能流向地勢(shì)低的地方,難以處理較高位置的區(qū)域。針對(duì)灌漿技術(shù)的缺點(diǎn),中國礦業(yè)大學(xué)研制了采用氮?dú)?、粉煤?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(yīng)用現(xiàn)狀煤礦防滅火所需處理的區(qū)域地勢(shì)復(fù)雜多變,普通的載體難以有效地適應(yīng)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(shí),難以有效地將防滅火材料送至目標(biāo)區(qū)域,即使在壓力下到達(dá)目標(biāo)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(qiáng);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(dòng)性好,無壓力情

9、況下堆積性、黏壁性強(qiáng);可以很好地適應(yīng)地形復(fù)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(yīng)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?dú)饬鲃?dòng)性強(qiáng),注入目標(biāo)區(qū)域后很難停留,容易順著漏風(fēng)通道很快流失。其防滅火效果持續(xù)時(shí)間短,需要頻繁施工。186在三相泡沫中,氮?dú)獗灰耗ぐ?可以長時(shí)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(biāo)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(yùn)用了泡沫載體后的灌漿技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shì)復(fù)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(shù)。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(biāo)煤體之中,使阻化劑和煤充分接觸反應(yīng),達(dá)到更好的阻化效果。5中國煤炭學(xué)會(huì)煤礦安全專委會(huì)2009年學(xué)術(shù)研討會(huì)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(qiáng);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(dòng)性好,無壓力情況下堆積性

11、、黏壁性強(qiáng)。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(yīng)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(xué)阻化劑,也可以是保水保濕的物理阻化劑,2種阻化劑復(fù)配使用效果更好。參考文獻(xiàn):1李學(xué)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(shù),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?dú)馀菽黧w技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用C/高含水期油藏提高采收率國際會(huì)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(zé)任編輯:吳自立)4結(jié)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(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(gè)方面入手,從宏觀和工業(yè)園區(qū)兩個(gè)層面上分別規(guī)定了22個(gè)和14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)合礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域,整體描述如下:1)資源產(chǎn)出指標(biāo),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(biāo)。2)資源消耗指標(biāo),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(diǎn)行業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗、取水等指標(biāo)。3)資源綜合利用指標(biāo),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(fù)利用率、廢棄金屬回收利用率等指標(biāo)。4)廢物排放指標(biāo),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(xué)需氧量(COD)排放量等指標(biāo)?？紤]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(jī)礦產(chǎn)勘查資源量;潔凈能源占總能源的比例等指標(biāo)。5結(jié)論總結(jié)分析了我國礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展的必要性、需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)與