防治大空間煤炭自燃的泡沫高效制備技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、采空區(qū)煤炭自燃是煤礦生產(chǎn)中的主要自然災(zāi)害之一，它不僅燒毀或凍結(jié)大量煤炭資源，而且易誘發(fā)瓦斯爆炸，造成更大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。采空區(qū)煤自燃存在火源隱蔽、過火面積大、火區(qū)呈空間立體分布的特點，傳統(tǒng)的灌漿、惰氣、阻化劑等防滅火技術(shù)難以有效治理大空間煤炭自燃火區(qū)。大流量阻化泡沫是防治采空火區(qū)的有效技術(shù)手段，但現(xiàn)有泡沫制備技術(shù)存在發(fā)泡劑添加不穩(wěn)定，泡沫發(fā)生器產(chǎn)泡性能弱，阻力損失大的不足，煤礦現(xiàn)場大流量泡沫實施工藝科學(xué)性的缺失，也嚴重制約了該項技

2、術(shù)的發(fā)展。本文以制備出大流量泡沫為出發(fā)點，創(chuàng)新性提出了泡沫高效制備方法與核心技術(shù)，取得的主要成果和結(jié)論如下：
　　提出了射流汽蝕定量添加發(fā)泡劑的原理和方法。闡述了汽蝕界面波理論，分析了其運動特點及實現(xiàn)穩(wěn)定吸液的機制，探究了出口壓力、流量比、汽泡區(qū)范圍對射流裝置汽蝕吸液性能的影響，實驗研究表明：汽蝕吸液壓力為-94~-95 kPa，接近并略高于發(fā)泡劑的飽和蒸汽壓，最大汽蝕吸液量為0.086 kg/s，最大汽蝕吸液比例為19.5％，吸

3、液口下游測點壓力隨汽蝕流量比增大而降低，臨界壓強比隨汽蝕流量比減小而增大，汽蝕區(qū)長度隨汽蝕流量比增大而減小，汽蝕吸液時，吸液腔汽泡直徑不變，喉管腔汽泡直徑隨汽蝕流量比增大而變小，且吸液腔汽泡直徑大于喉管腔；射流汽蝕吸液模擬結(jié)果表明：汽液過渡波面內(nèi)，混合流體密度、壓力和速度發(fā)生突變；出口壓力增大，汽泡區(qū)域減小直至完全消失，軸線上汽泡體積分數(shù)由58.6%減小至0；汽蝕吸液時，速度矢量由吸液口一致朝向射流裝置內(nèi)部，吸液量穩(wěn)定，證明了采用汽蝕原

4、理進行穩(wěn)定吸液的科學(xué)性和準確性。
　　發(fā)明了礦用新型螺旋射流式泡沫發(fā)生器。結(jié)合煤礦泡沫滅火的現(xiàn)場條件，構(gòu)思設(shè)計該裝置由射流噴嘴、螺旋噴頭、擴散器和雙層復(fù)合凹面網(wǎng)構(gòu)成，實驗研究了供液壓力、供液流量、出口壓力對螺旋射流式泡沫發(fā)生器產(chǎn)泡性能的影響，結(jié)果表明：隨供液壓力增大，供氣壓力小幅線性增加，供氣量減??；供液量較低時，發(fā)泡效果差，泡沫量小，供液量增大時，泡沫量和發(fā)泡倍數(shù)增大，裝置最佳工作流量為3.5~4.5 m3/h，繼續(xù)增大供液量，

5、泡沫量增大不明顯，發(fā)泡倍數(shù)降低；供氣壓力隨出口壓力增大線性增大，且供液量越高，供氣壓力增幅越大，出口壓力較低時，泡沫量變化不大，當出口壓力大于臨界出口壓力后，泡沫量急劇降低。模擬結(jié)果表明：射流混合裝置提高了氣液出口斷面組分的均勻度，改善了混合流體速度分布，距離混合出口更近的射流裝置，氣液組分和速度分布更均勻，實現(xiàn)了高供液壓與低供氣壓的匹配，當射流出口位于進氣口上游時，在進氣口附近引起較大湍動能，當噴嘴處于進氣口下游時，混合流體速度矢量趨

6、于方向一致，混合裝置腔體內(nèi)不再出現(xiàn)旋流渦團，出口斷面的湍動能明顯降低。
　　研究了泡沫在多孔介質(zhì)采空區(qū)內(nèi)的流動特性。設(shè)計了滅火泡沫制備工藝，構(gòu)建了可視化采空區(qū)平臺和泡沫灌注系統(tǒng)，探究了泡沫在多孔介質(zhì)內(nèi)的堆積性、擴散性、穩(wěn)定性、封堵性、阻化性及對高位火源的滅火降溫特性。研究表明：泡沫在采空區(qū)內(nèi)呈梯形擴散，初始階段，泡沫在水平方向上流動最快，隨著流動阻力增大，擴散變慢，泡沫最終流動速度為0.0084~0.0087 m/s；氣泡在裂隙內(nèi)

7、通過時間很短，并最終鋪展在裂隙內(nèi)邊緣，發(fā)泡倍數(shù)越高，泡沫衰減越快，半衰期越短，泡沫對多孔介質(zhì)裂隙的封堵時間約10 min，封堵壓力6 kPa；泡沫快速撲滅了采空區(qū)上部燃燒煤體，火源中心溫度由632.6℃降至38.5℃，泡沫對煤體阻化性較泥漿顯著提高。全尺寸模擬采空區(qū)泡沫灌注結(jié)果表明：隨灌注時間增長，泡沫在采空區(qū)內(nèi)的流動壓力和擴散長度不斷增大，泡沫灌注2~20 h時，灌注壓力隨時間不斷升高，灌注20~24 h后，泡沫由工作面涌出，泡沫僅向

8、窒息帶擴散了不足10 m，泡沫流動壓力的最高點向采空區(qū)內(nèi)部偏移，泡沫沿工作面方向擴散大于向兩側(cè)的擴散，灌注前期，泡沫在垂直方向的堆積較慢，之后有小幅波動，最終堆積速度趨于穩(wěn)定。
　　開發(fā)了基于發(fā)泡劑汽蝕定量吸液與螺旋射流高效發(fā)泡的礦用大流量泡沫滅火技術(shù)。通過明確大空間煤自燃火區(qū)成因及火源發(fā)展特點，有針對性地提出了露天礦與井工礦大流量泡沫實施工藝及具體滅火技術(shù)方案，建立現(xiàn)場泡沫滅火效果評估指標體系，并在東露天礦4＃煤1245平盤和鄒