泡沫凝膠制備系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

許永剛，宋紅立，汪 虎，葉 志，郭 慶

（1．陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽713602；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全學(xué)院，江蘇 徐州221116）

煤自燃嚴(yán)重影響工作面安全回撤[1-5]，全國(guó)多個(gè)礦井的工作面在回撤支架期間均面臨不同程度的煤自燃災(zāi)害，部分工作面被迫封閉。而隨著深部煤層的開采，高溫、高地壓等趨于常態(tài)化，煤自燃災(zāi)害日趨嚴(yán)重，防治難度增加。

泡沫凝膠防滅火技術(shù)結(jié)合了泡沫與凝膠的防滅火優(yōu)勢(shì)，以泡沫為載體，利用泡沫良好的擴(kuò)散堆積特性，將凝膠輸送至火區(qū)；泡沫破裂后，在火區(qū)空隙內(nèi)形成凝膠并覆蓋在遺煤表面。利用凝膠的高固水和吸熱性能，對(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行吸熱降溫，從而實(shí)現(xiàn)火區(qū)安全治理[6-7]。基于泡沫凝膠的生成過程，確定了其制備流程，研發(fā)了關(guān)鍵設(shè)備。

1 泡沫凝膠的結(jié)構(gòu)

泡沫凝膠的形成過程是含有發(fā)泡劑的溶液經(jīng)過發(fā)泡器形成泡沫液，然后向泡沫液中加入膠凝劑，在泡沫液膜上發(fā)生膠凝反應(yīng)生成凝膠，最終形成具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固態(tài)凝膠顆粒與泡沫組成的混合體系。泡沫破裂前，泡沫凝膠利用泡沫的擴(kuò)散性和堆積性，向采空區(qū)不同層位火源區(qū)域擴(kuò)散并堆積；破滅破裂后，泡沫凝膠體系內(nèi)的凝膠固結(jié)并附著在煤巖裂隙內(nèi)，利用凝膠的耐溫、高固水等特性防治火區(qū)。

泡沫凝膠體系中包括凝膠顆粒、自由水、泡沫，體系的連續(xù)相為液體，凝膠顆粒和氣體為不連續(xù)相。泡沫保持穩(wěn)定的近似六邊形結(jié)構(gòu)，凝膠顆粒隨機(jī)分布在Plateau 邊界內(nèi)，同時(shí)參與泡沫壁的構(gòu)成[8-10]。

2 關(guān)鍵設(shè)備及制備系統(tǒng)

2.1 發(fā)泡成膠裝置

泡沫是制備泡沫凝膠的關(guān)鍵，同時(shí)膠凝反應(yīng)需要在泡沫液中進(jìn)行，因此，為了提高膠凝反應(yīng)速率，設(shè)計(jì)了集發(fā)泡和膠凝于一體的發(fā)泡成膠裝置，發(fā)泡成膠裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。該裝置包括發(fā)泡段和膠凝段，其中發(fā)泡段通過漸縮管形成高速射流，含有發(fā)泡劑的水撞擊散流盤形成液膜，在氮?dú)獾淖饔孟掳l(fā)泡；泡沫進(jìn)入膠凝段后，在導(dǎo)流板的作用下與加入的膠凝劑混合并發(fā)生膠凝反應(yīng)，生成泡沫凝膠。

圖1 發(fā)泡成膠裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 雙液注漿泵

1）雙液注漿泵結(jié)構(gòu)。泡沫凝膠采用發(fā)泡劑和膠凝劑2 種組分，為了提高注漿效率，設(shè)計(jì)了雙液注漿泵，能夠同時(shí)添加上述2 種組分。該泵以壓縮空氣為動(dòng)力，推動(dòng)氣缸內(nèi)的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成漿液的吸、排工作，雙液注漿泵結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 雙液注漿泵

2）雙液注漿泵參數(shù)測(cè)定。受氮?dú)夤苈费爻套枇Φ挠绊懀频獧C(jī)制備的氮?dú)廨斔偷焦ぷ髅婧髩毫λp較大，穩(wěn)定后一般在0.3～0.5 MPa 之間，因此，為了適應(yīng)井下氮?dú)獾墓r條件，對(duì)注漿泵的工作參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，確定不同氮?dú)鈮毫ο铝弦旱奶砑恿俊２煌M(jìn)氣壓力條件下流量與出口壓力的關(guān)系如圖3。從圖3 可知，進(jìn)口壓力一定時(shí)，出口壓力越大，流量越小。井下應(yīng)用時(shí)，可基于上述數(shù)據(jù)調(diào)整進(jìn)氣端，一般選用0.4 MPa 的進(jìn)氣壓力。

2.3 穩(wěn)流器

圖3 不同進(jìn)氣壓力條件下流量與出口壓力的關(guān)

根據(jù)對(duì)泵參數(shù)測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)進(jìn)口壓力為0.5 MPa，出口壓力為4 MPa 時(shí)，對(duì)應(yīng)的流量約為1 L/min，泵的沖次約為45 次/min，即頻率為0.75 Hz。每隔0.75 s 有0.25 s 的供料間歇，導(dǎo)致供料波動(dòng)。為了彌補(bǔ)間歇期內(nèi)供料不足，根據(jù)蓄能器原理設(shè)計(jì)了穩(wěn)流器，主要有2 種功能：①能量不足時(shí)提供瞬時(shí)流量；②系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)吸收壓力脈沖[11]。

穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4，穩(wěn)流器包括2 個(gè)水平管，每個(gè)水平管設(shè)有1 高1 低共4 個(gè)腔室。吸料期間，料液進(jìn)入腔室，壓縮空氣并儲(chǔ)存一定的能量；泵運(yùn)動(dòng)間歇，能量釋放，補(bǔ)償料液的不足，使其更好的吸收壓力波動(dòng)，穩(wěn)定流量輸出。加入穩(wěn)流器后料的流量稍微有所減少，但是穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖4 穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.4 泡沫凝膠制備系統(tǒng)

基于發(fā)泡成膠裝置、雙液注漿泵、穩(wěn)流器等共同構(gòu)成泡沫凝膠制備系統(tǒng)，同時(shí)確定了泡沫凝膠的工藝流程, 泡沫凝膠制備工藝流程如圖5。

圖5 泡沫凝膠制備工藝流程

3 泡沫凝膠防滅火試驗(yàn)

3.1 擴(kuò)散性能試驗(yàn)

泡沫凝膠屬于泡沫流體的一種，具有流體的流動(dòng)性及固體的堆積性，形成初期泡沫凝膠主要體現(xiàn)泡沫的流動(dòng)性，黏度相對(duì)較低，有良好的擴(kuò)散性；后期，隨著泡沫破裂，膠體的形成，泡沫凝膠黏度逐漸增加，更多的體現(xiàn)凝膠的屬性，因此將泡沫凝膠看成是與時(shí)間有關(guān)的純黏性非牛頓流體，且井下為帶壓連續(xù)性灌注泡沫凝膠。

自制體積為1.5 m×2 m×2 m 的煤矸石堆，矸石堆上放有燃燒的木柴，底部距地面10 cm 處埋入注泡沫凝膠管接頭，出口位于矸石堆中部位置。

預(yù)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)，生成的泡沫凝膠滿足要求后接入泡沫凝膠管接頭。試驗(yàn)中泡沫凝膠首先快速地從矸石堆上部滲出，逐漸地矸石裂隙中也不斷有泡沫凝膠流出，隨著試驗(yàn)的推進(jìn)，泡沫凝膠從矸石堆的各個(gè)方位滲透、擴(kuò)散，5 min 后全部覆蓋煤矸石堆。此外，預(yù)先引燃的木柴也很快被熄滅，未發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象。試驗(yàn)表明，泡沫凝膠在采空區(qū)中具有良好的擴(kuò)散性能，能夠通過采空區(qū)的裂隙向采空區(qū)高處及遠(yuǎn)處擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)大面積的覆蓋，且能夠防治不同位置的火災(zāi)。

3.2 防復(fù)燃性能試驗(yàn)

在高1 m，直徑為0.8 m 的圓柱型火爐（共2個(gè)，記為1#和2#）內(nèi)放入相同質(zhì)量且堆積高度相同的塊煤，在火爐中部放置溫度傳感器。塊煤初始溫度均為900℃，同時(shí)向1#火爐內(nèi)注入三相泡沫、2#火爐內(nèi)注入泡沫凝膠，注入的材料與火爐高度一致時(shí)停止。火爐內(nèi)溫度變化曲線如圖6。

圖6 溫度變化曲線

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在0～40 s 內(nèi)，1#火爐降溫速度明顯快于2#火爐；但是在40～70 s 內(nèi)，1#火爐溫度下降緩慢，2#火爐溫度逐漸低于1#火爐的溫度且持續(xù)快速下降；90 s 左右，1#火爐溫度降至302℃時(shí)，2#火爐溫度已經(jīng)降至17.2℃；90 s 以后，1#火爐溫度出現(xiàn)回升，最終穩(wěn)定在447℃左右，而2#火爐溫度基本穩(wěn)定在17℃。0～40 s，1#火爐中的泡沫含有大量的自由水，直接作用到煤表面變成水蒸汽帶走大量的熱，所以溫度下降快，而泡沫凝膠內(nèi)的水大部分屬于固結(jié)水，無法直接發(fā)生相變吸熱，因此初始降溫速率相對(duì)低于1#火爐的溫降速度；40～90 s，三相泡沫內(nèi)的水基本蒸發(fā)掉，無法完全覆蓋煤塊，溫度下降減緩，2#火爐依然存在大量的泡沫凝膠，并且泡沫破裂，自由水增多，且凝膠吸收大量的熱，溫度下降明顯加快；90 s 以后，1#火爐內(nèi)的泡沫已經(jīng)完全蒸發(fā)，爐內(nèi)尚未完全熄滅的塊煤失去泡沫的覆蓋后重新與新鮮空氣接觸發(fā)生復(fù)燃，溫度快速回升；此時(shí)，2#火爐內(nèi)泡沫凝膠仍然全面覆蓋塊煤，隔絕其與氧氣的接觸，且大量的水分固結(jié)在泡沫凝膠內(nèi)減緩其蒸發(fā)速率，具有長(zhǎng)久的吸熱降溫作用，固2#火爐溫度能夠持續(xù)保持在低溫狀態(tài)，避免熄滅的塊煤發(fā)生復(fù)燃。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

胡家河礦工作面回撤期間，由于停采區(qū)域含有火成巖，導(dǎo)致附近煤體破碎，漏風(fēng)嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間停采為遺煤提供了良好的蓄熱條件，回風(fēng)流CO 濃度高達(dá)（500～600）×10-6。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析，確定在進(jìn)風(fēng)巷施工鉆孔，灌注泡沫凝膠。共施工7 個(gè)鉆孔，其中架后距離為36 m，7#鉆孔距離進(jìn)風(fēng)巷45 m。雙液注漿泵的工作參數(shù)為壓力0.4 MPa，添加量100 L/min。灌注泡沫凝膠1 d，CO 濃度開始下降，3 d 后從600×10-6左右降至100×10-6，7 d 恢復(fù)正常，工作面安全回撤。

5 結(jié) 語

1）泡沫凝膠是具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠顆粒與泡沫組成的混合體系，水是該體系的連續(xù)相，凝膠和泡沫為分散相。泡沫凝膠集成了泡沫和凝膠的防滅火特性，泡沫破碎前具有泡沫的擴(kuò)散和堆積性，泡沫破裂后期具有凝膠的耐高溫和固水性能。

2）泡沫凝膠制備的關(guān)鍵設(shè)備有發(fā)泡成膠裝置、雙液注漿泵和穩(wěn)流器。其中發(fā)泡成膠裝置是發(fā)泡和膠凝反應(yīng)的主要裝置；雙液注漿泵的合理工況條件為氣體壓力0.4 MPa，相應(yīng)的吸液量為100 L/min；穩(wěn)流器能有效地降低料液波動(dòng)。

3）構(gòu)建了泡沫凝膠制備系統(tǒng)，并成功應(yīng)用與工作面回撤期間的煤自燃治理，說明了該泡沫凝膠制備系統(tǒng)能夠滿足井下火災(zāi)治理的要求。