泡沫凝膠制備系統(tǒng)設計及應用

許永剛，宋紅立，汪 虎，葉 志，郭 慶

（1．陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽713602；2．中國礦業(yè)大學 安全學院，江蘇 徐州221116）

煤自燃嚴重影響工作面安全回撤[1-5]，全國多個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，煤自燃災害日趨嚴重，防治難度增加。

泡沫凝膠防滅火技術結合了泡沫與凝膠的防滅火優(yōu)勢，以泡沫為載體，利用泡沫良好的擴散堆積特性，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，對高溫區(qū)域進行吸熱降溫，從而實現火區(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)了關鍵設備。

1 泡沫凝膠的結構

泡沫凝膠的形成過程是含有發(fā)泡劑的溶液經過發(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)生膠凝反應生成凝膠，最終形成具有立體網狀結構的固態(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散性和堆積性，向采空區(qū)不同層位火源區(qū)域擴散并堆積；破滅破裂后，泡沫凝膠體系內的凝膠固結并附著在煤巖裂隙內，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)定的近似六邊形結構，凝膠顆粒隨機分布在Plateau 邊界內，同時參與泡沫壁的構成[8-10]。

2 關鍵設備及制備系統(tǒng)

2.1 發(fā)泡成膠裝置

泡沫是制備泡沫凝膠的關鍵，同時膠凝反應需要在泡沫液中進行，因此，為了提高膠凝反應速率，設計了集發(fā)泡和膠凝于一體的發(fā)泡成膠裝置，發(fā)泡成膠裝置內部結構如圖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，在氮氣的作用下發(fā)泡；泡沫進入膠凝段后，在導流板的作用下與加入的膠凝劑混合并發(fā)生膠凝反應，生成泡沫凝膠。

圖1 發(fā)泡成膠裝置內部結構

2.2 雙液注漿泵

1）雙液注漿泵結構。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，設計了雙液注漿泵，能夠同時添加上述2 種組分。該泵以壓縮空氣為動力，推動氣缸內的活塞往復運動，完成漿液的吸、排工作，雙液注漿泵結構如圖2。

圖2 雙液注漿泵

2）雙液注漿泵參數測定。受氮氣管路沿程阻力的影響，制氮機制備的氮氣輸送到工作面后壓力衰減較大，穩(wěn)定后一般在0.3～0.5 MPa 之間，因此，為了適應井下氮氣的工況條件，對注漿泵的工作參數進行測定，確定不同氮氣壓力下料液的添加量。不同進氣壓力條件下流量與出口壓力的關系如圖3。從圖3 可知，進口壓力一定時，出口壓力越大，流量越小。井下應用時，可基于上述數據調整進氣端，一般選用0.4 MPa 的進氣壓力。

2.3 穩(wěn)流器

圖3 不同進氣壓力條件下流量與出口壓力的關

根據對泵參數測試結果可知，當進口壓力為0.5 MPa，出口壓力為4 MPa 時，對應的流量約為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，導致供料波動。為了彌補間歇期內供料不足，根據蓄能器原理設計了穩(wěn)流器，主要有2 種功能：①能量不足時提供瞬時流量；②系統(tǒng)穩(wěn)定運行時吸收壓力脈沖[11]。

穩(wěn)流器結構簡圖如圖4，穩(wěn)流器包括2 個水平管，每個水平管設有1 高1 低共4 個腔室。吸料期間，料液進入腔室，壓縮空氣并儲存一定的能量；泵運動間歇，能量釋放，補償料液的不足，使其更好的吸收壓力波動，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。

圖4 穩(wěn)流器結構簡圖

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)流器等共同構成泡沫凝膠制備系統(tǒng)，同時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

3.1 擴散性能試驗

泡沫凝膠屬于泡沫流體的一種，具有流體的流動性及固體的堆積性，形成初期泡沫凝膠主要體現泡沫的流動性，黏度相對較低，有良好的擴散性；后期，隨著泡沫破裂，膠體的形成，泡沫凝膠黏度逐漸增加，更多的體現凝膠的屬性，因此將泡沫凝膠看成是與時間有關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。

預調試驗系統(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，隨著試驗的推進，泡沫凝膠從矸石堆的各個方位滲透、擴散，5 min 后全部覆蓋煤矸石堆。此外，預先引燃的木柴也很快被熄滅，未發(fā)生復燃現象。試驗表明，泡沫凝膠在采空區(qū)中具有良好的擴散性能，能夠通過采空區(qū)的裂隙向采空區(qū)高處及遠處擴散，從而實現對采空區(qū)大面積的覆蓋，且能夠防治不同位置的火災。

3.2 防復燃性能試驗

在高1 m，直徑為0.8 m 的圓柱型火爐（共2個，記為1#和2#）內放入相同質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℃，同時向1#火爐內注入三相泡沫、2#火爐內注入泡沫凝膠，注入的材料與火爐高度一致時停止。火爐內溫度變化曲線如圖6。

圖6 溫度變化曲線

試驗發(fā)現，在0～40 s 內，1#火爐降溫速度明顯快于2#火爐；但是在40～70 s 內，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，2#火爐溫度已經降至17.2℃；90 s 以后，1#火爐溫度出現回升，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，而泡沫凝膠內的水大部分屬于固結水，無法直接發(fā)生相變吸熱，因此初始降溫速率相對低于1#火爐的溫降速度；40～90 s，三相泡沫內的水基本蒸發(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#火爐內的泡沫已經完全蒸發(fā)，爐內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)生復燃，溫度快速回升；此時，2#火爐內泡沫凝膠仍然全面覆蓋塊煤，隔絕其與氧氣的接觸，且大量的水分固結在泡沫凝膠內減緩其蒸發(fā)速率，具有長久的吸熱降溫作用，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)生復燃。

4 現場應用

胡家河礦工作面回撤期間，由于停采區(qū)域含有火成巖，導致附近煤體破碎，漏風嚴重，長時間停采為遺煤提供了良好的蓄熱條件，回風流CO 濃度高達（500～600）×10-6。通過現場測試與分析，確定在進風巷施工鉆孔，灌注泡沫凝膠。共施工7 個鉆孔，其中架后距離為36 m，7#鉆孔距離進風巷45 m。雙液注漿泵的工作參數為壓力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 恢復正常，工作面安全回撤。

5 結 語

1）泡沫凝膠是具有立體網狀結構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）泡沫凝膠制備的關鍵設備有發(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，相應的吸液量為100 L/min；穩(wěn)流器能有效地降低料液波動。

3）構建了泡沫凝膠制備系統(tǒng)，并成功應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)能夠滿足井下火災治理的要求。