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(cái)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(diǎn)，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(chǎng)大流量泡沫實(shí)施工藝科學(xué)性的缺失，也嚴(yán)重制約了該項(xiàng)技

2、術(shù)的發(fā)展。本文以制備出大流量泡沫為出發(fā)點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定吸液的機(jī)制，探究了出口壓力、流量比、汽泡區(qū)范圍對(duì)射流裝置汽蝕吸液性能的影響，實(shí)驗(yàn)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(cè)點(diǎn)壓力隨汽蝕流量比增大而降低，臨界壓強(qiáng)比隨汽蝕流量比減小而增大，汽蝕區(qū)長(zhǎng)度隨汽蝕流量比增大而減小，汽蝕吸液時(shí)，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?jǐn)?shù)由58.6%減小至0；汽蝕吸液時(shí)，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(jìn)行穩(wěn)定吸液的科學(xué)性和準(zhǔn)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(chǎng)條件，構(gòu)思設(shè)計(jì)該裝置由射流噴嘴、螺旋噴頭、擴(kuò)散器和雙層復(fù)合凹面網(wǎng)構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)研究了供液壓力、供液流量、出口壓力對(duì)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?。还┮毫枯^低時(shí)，發(fā)泡效果差，泡沫量小，供液量增大時(shí)，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(shí)，泡沫量變化不大，當(dāng)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(shí)現(xiàn)了高供液壓與低供氣壓的匹配，當(dāng)射流出口位于進(jìn)氣口上游時(shí)，在進(jìn)氣口附近引起較大湍動(dòng)能，當(dāng)噴嘴處于進(jìn)氣口下游時(shí)，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(tuán)，出口斷面的湍動(dòng)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(dòng)特性。設(shè)計(jì)了滅火泡沫制備工藝，構(gòu)建了可視化采空區(qū)平臺(tái)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(kuò)散性、穩(wěn)定性、封堵性、阻化性及對(duì)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(kuò)散，初始階段，泡沫在水平方向上流動(dòng)最快，隨著流動(dòng)阻力增大，擴(kuò)散變慢，泡沫最終流動(dòng)速度為0.0084~0.0087 m/s；氣泡在裂隙內(nèi)

7、通過時(shí)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(duì)多孔介質(zhì)裂隙的封堵時(shí)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(duì)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(shí)間增長(zhǎng)，泡沫在采空區(qū)內(nèi)的流動(dòng)壓力和擴(kuò)散長(zhǎng)度不斷增大，泡沫灌注2~20 h時(shí)，灌注壓力隨時(shí)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(kuò)散了不足10 m，泡沫流動(dòng)壓力的最高點(diǎn)向采空區(qū)內(nèi)部偏移，泡沫沿工作面方向擴(kuò)散大于向兩側(cè)的擴(kuò)散，灌注前期，泡沫在垂直方向的堆積較慢，之后有小幅波動(dòng)，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(diǎn)，有針對(duì)性地提出了露天礦與井工礦大流量泡沫實(shí)施工藝及具體滅火技術(shù)方案，建立現(xiàn)場(chǎng)泡沫滅火效果評(píng)估指標(biāo)體系，并在東露天礦4＃煤1245平盤和鄒