煤礦用三相泡沫發泡倍數評價的研究

左 勝，王 斌,2,3，王良贏，張 宇，吳云峰，馬祥梅,2,3

(1.安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 環境友好材料與職業健康(蕪湖)研究院，安徽 蕪湖 241003；3.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

煤炭是我國的重要資源，煤炭的需求一直在增長，在未來很長的時間，煤炭資源在我國仍然占主體地位[1-2]。煤礦開采過程中存在很多安全隱患，煤炭自燃是導致礦井火災的重要因素，煤炭自燃不僅會燒毀大量煤炭資源，還會導致人員傷亡，污染自然環境。煤炭自燃的防治十分必要，最常見的防治技術有噴灑阻化劑、灌漿、注氮氣、注凝膠泡沫[3-4]。噴灑阻化劑在美國、俄羅斯等國家應用廣泛，該技術是在煤表面附著溶液以防止氧化，但不能對隱秘的煤炭進行覆蓋[5-6]；20世紀50年代，灌漿是我國的主要防治手段，灌漿技術是將一定比例的水和灌漿材料混合，通過管道輸送到起火點，但漿液會順勢流向低處，不能覆蓋到中高處；近年來，注凝膠和注惰性氣體也得到廣泛應用，其原理都是阻礙氧氣與煤的接觸，但注凝膠、氮氣成本較高，且凝膠流動性較差[7]。為了克服這些不足，秦波濤等[8-10]提出一種將固體粉末加入傳統兩相泡沫的新技術，利用粉煤灰三相泡沫技術防治煤炭自燃，粉煤灰三相泡沫具有較強的穩定性、覆蓋性，應用阻斷火源效果較好。評價三相泡沫性能優異指標中，發泡倍數是三相泡沫的重要性能指標之一，發泡倍數越高，三相泡沫的發泡效果越好，更適用于大面積和大傾角的火災工作面。目前國內外關于三相泡沫的穩定性、流動性研究較多，對不同發泡方式形成的三相泡沫的發泡倍數研究較少，所以本文采用目前最常見的3種發泡方式，即震蕩法、壓力氣流法和攪拌法[11-12]，通過控制變量，對比實驗，計算不同方法形成三相泡沫的發泡倍數，得出應用于實驗室評價煤礦三相泡沫發泡倍數的最佳評價方法。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

實驗所用粉煤灰來自淮南洛河電廠，發泡劑來自淮南宏陽工貿責任有限公司，檢測發泡倍數的實驗儀器如表1所示。

表1 實驗儀器

1.2 實驗方法

實驗使用的三相泡沫漿液比例不變，固液比為1∶4，發泡劑的質量分數為5%，分別通過震蕩法、攪拌法和壓力氣流法發泡。震蕩法中，將配制好的一定體積溶液倒入自制的封閉容器中，保持均勻搖晃15 s，將泡沫快速倒入量杯中，計算發泡倍數；壓力氣流法中，將泡沫噴灑槍的氣管一端接入空壓機，保證每次實驗的空壓機儲滿氣，壓強為0.8 MPa，將另一端氣管通入配制好的一定體積溶液中，將泡沫打入量杯中，計算發泡倍數；攪拌法中，分別在高速攪拌器上安裝無孔板形攪拌桿、一孔板形攪拌桿、兩孔板形攪拌桿、三孔板形攪拌桿，并且分別控制轉速為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min進行平行實驗，直接在量杯中攪拌配制好的一定體積溶液，計算發泡倍數。

1.3 壓強對發泡倍數的影響

通過控制空壓機的壓強，分別設定壓強為0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa，使用一定體積的泡沫溶液進行平行實驗，觀察不同壓強打出的泡沫體積，計算發泡倍數，研究壓力氣流法中空壓機壓強對發泡倍數的影響。

1.4 發泡倍數計算

控制發泡液的溫度以保證打出的泡沫溫度在室溫，保持量杯內壁和外壁的清潔、干燥，記錄量杯質量，再記錄裝入泡沫后量杯質量，如果泡沫溢出量杯則需刮平，計算公式為：

(1)

式中：F泡沫的發泡倍數；ρ為溶液的密度， g/mL；V為裝入量杯中泡沫的體積，mL；m1為干燥量杯的質量，g；m2為裝入泡沫后量杯的質量，g.

2 結果分析

2.1 三相泡沫的形成

2.1.1 形成機理

三相泡沫的形成主要經歷固體顆粒與兩相泡沫碰撞、黏附并聯合這兩個階段。首先，當發泡劑與固體漿液充分碰撞時，發泡劑在氣泡表面和固體粉末表面密集分布并且出現水化層，由于表面引力和固體漿液的運動，固體粉末和氣泡開始互相靠近。然后，固體粉末與氣泡間的水化層慢慢變薄，當距離更接近時，該系統自由能快速下降，分離壓力變為負值，兩者之間產生附著力，水化層變薄直至破裂，最后，固體粉末完成附著[13-15]。此時，自由能達到最低值，系統處于穩定狀態，該過程如圖1所示。

圖1 三相泡沫形成過程

2.1.2 三相泡沫的微觀結構

由于氣泡間存在大量粉煤灰顆粒，氣泡被液膜相隔，從而形成具有穩定骨架的三相泡沫。大量單個多面體泡沫堆積組成三相泡沫，因而在泡沫的交界處是氣—液—固三相結構，該形狀類似于兩相泡沫的結構[16-18]，結構示意如圖2所示。在高速光學顯微鏡下放大50倍可以觀察到，在邊界處，液體表面和液體內部的壓力差導致液體的運動，從而壓力大的液體被排走而導致液膜變薄直至破裂，但液體間的固體顆粒加固了泡沫骨架的穩定性，因此泡沫性能優于傳統兩相泡沫，顯微鏡觀察如圖3所示。

圖2 三相泡沫結構

圖3 光學顯微鏡放大50倍觀察三相泡沫

2.2 震蕩法發泡倍數

通過震蕩法形成三相泡沫的三組平行實驗如表2所示。

表2 震蕩法形成三相泡沫的發泡倍數

實驗數據表明，震蕩法形成的三相泡沫發泡倍數平均值為5.5，發泡倍數不高，且出現三相泡沫和兩相泡沫分層現象。通過震蕩法發泡，泡沫總體含水量較少，泡沫顆粒比較大，樣品為深灰色，樣品分層較嚴重，上層泡沫顆粒大，呈灰白色，粉煤灰沉在底部，泡沫呈現灰色，泡沫中夾雜著少量固體顆粒，但固體顆粒和泡沫能形成較穩定的骨架。泡沫隨著時間的增加在杯底會沉降一層粉煤灰，下降速率也逐漸加快。

2.3 壓力氣流法發泡倍數

2.3.1 壓力氣流法平行實驗

通過壓力氣流法形成三相泡沫的三組平行實驗如表3所示。

表3 壓力氣流法形成三相泡沫的發泡倍數

實驗數據表明，壓力氣流法形成的三相泡沫發泡倍數平均值為7.5，三組平行數據的差異較小，發泡倍數高于震蕩法。壓力氣流法采用射流噴射原理，進氣泵加壓，由于壓差，泡沫溶液通過管道吸入發泡網處，氣體與漿液充分碰撞，破壞固體顆粒與氣泡間的液化層而實現黏附，再通過發泡網形成綿密的三相泡沫，通過壓力氣流法形成的三相泡沫要比震蕩法更加細膩，但沒有使用高速分散機攪拌形成的三相泡沫均勻。壓力氣流法的發泡時間較快，但仍然存在一些需要改進的地方。當空壓機儲滿氣時，在一段時間后，空壓機的壓強不能維持在初始值，需要選擇規格較大的空壓機進行實驗。此外，發泡槍的槍頭易被固體顆粒堵塞，需要清洗干凈，以免影響下次實驗的發泡效果。

2.3.2 壓強的影響

使用壓力氣流法，將空壓機的壓強分別設置為0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa，分別將配制好的一定體積泡沫溶液打入量杯中，計算發泡倍數，結果見表4.

表4 空壓機壓強對三相泡沫發泡倍數的影響

實驗數據表明，在空壓機的壓強足夠將泡沫溶液打出泡沫的基礎上，通過控制空壓機的壓強，壓強越大，通過壓力氣流法形成三相泡沫的發泡倍數越高。漿液進入發泡器內時，空氣進速越快，則在發泡器內空氣與漿液碰撞更加劇烈，由熱力學原理，過剩的能量對泡沫溶液做功，使得形成的三相泡沫更加均勻，發泡更加充分。

2.4 攪拌法發泡倍數

在高速攪拌器上,分別安裝無孔板形攪拌桿、一孔板形攪拌桿、兩孔板形攪拌桿、三孔板形攪拌桿，通過攪拌法形成三相泡沫，每組攪拌時間均為3 min，控制每組轉速，進行發泡倍數的檢測，得到使用4種攪拌棒在轉速為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min下的發泡倍數，如圖4所示。

圖4 不同攪拌棒及轉速形成三相泡沫的發泡倍數

由圖4可知，當轉速為3 000 r/min時，兩孔板形攪拌桿的發泡倍數最高，發泡倍數為9.6倍，當轉速為2 500 r/min時，無孔板形攪拌桿的發泡倍數最低，發泡倍數為5.2倍。當轉速為3 000 r/min時，4種攪拌桿間發泡倍數差異較大；當轉速為1 500 r/min時，4種攪拌棒間發泡倍數最接近，差異最小。通過對比震蕩法和壓力氣流法發現，震蕩法的發泡倍數雖然比較穩定，但效果不佳，使用壓力氣流法形成的三相泡沫最高發泡倍數仍小于使用攪拌法。當使用三孔板形攪拌桿時，轉速大于1 500 r/min時，由于孔隙的增多，在轉速較快時，已經完成黏附的三相泡沫出現了脫附現象，從而導致破碎，發泡效果沒有使用兩孔攪拌桿和一孔攪拌桿好。

3 結 語

1) 使用震蕩法，發泡方式較簡易，平均發泡倍數為5.5倍，發泡倍數在三種發泡方式中最低，而且發泡劑中固相粉煤灰沉降較快，對三相泡沫發泡倍數影響較大，因此，震蕩法發泡方式不適合實驗室中檢測三相泡沫發泡倍數。

2) 使用壓力氣流法，平均發泡倍數高于震蕩法，發泡倍數隨壓強增大而增大，在常用壓強下還是低于震蕩法，而且壓強過高危險性增大，因此，壓力氣流法發泡方式也不適合實驗室中檢測三相泡沫發泡倍數。

3) 使用攪拌法，攪拌桿為兩孔板形攪拌桿，轉速為3 000 r/min時，發泡倍數在3種發泡方式中最高，而且形成的三相泡沫能形成穩定的骨架，未發現固體顆粒快速沉降，三相泡沫的穩定性較好。因此，攪拌法發泡方式適合實驗室中檢測三相泡沫的發泡倍數。