新型注漿系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化

李德軍，魏子燦，任萬興,3

1山西焦煤山煤國際左云韓家洼煤業(yè) 山西大同 037000

2中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

3中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室 江蘇徐州 221116

富煤、貧油、少氣是我國的基本國情，我國煤炭年產(chǎn)量超過世界煤炭年產(chǎn)量的一半，也反映了我國對煤炭資源的極大依賴[1-2]。煤炭開采過程中，自燃引起的火災(zāi)問題不容忽視[3]。

隨著科技的發(fā)展，防治煤炭自燃的技術(shù)得到了長足的發(fā)展。防滅火凝膠類材料因為其優(yōu)秀的保水性、突出的降溫效果以及良好的封堵漏風(fēng)能力，在煤礦防滅火領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。凝膠類材料優(yōu)秀的防滅火能力需要配套的設(shè)備才能發(fā)揮出來[4-6]。筆者通過理論實踐研發(fā)了一種新型注漿系統(tǒng)，用以充分發(fā)揮凝膠類材料的防滅火能力。

1 新型注漿系統(tǒng)

新型注漿系統(tǒng)如圖1 所示。其中，氣動雙液注漿泵用以解決雙組份材料高效泵送的問題；發(fā)泡成膠裝置用以解決漿液混合不均勻、發(fā)泡倍數(shù)低和流量小的問題。

圖1 新型注漿系統(tǒng)Fig.1 New-type grouting system

2 氣動雙液注漿泵

提高注漿效率是設(shè)計氣動雙液注漿泵的首要目標(biāo)。該泵共擁有 6 個進出口，2 個液體進口和 2 個料液出口，泵體下部設(shè)置有氣體入口以及排氣孔，用以穩(wěn)定氣壓。采用雙液注漿泵添加 A 料和 B 料，以壓縮空氣為動力，推動氣缸活塞往復(fù)運動。與泵頭的雙柱塞以及吸、排氣閥共同作用，完成漿液的吸、排工作[7-8]。

2.1 工作參數(shù)測

為了進一步掌握撥氣動雙液注漿泵的工作特性，對其工作參數(shù)進行試驗與檢測。設(shè)定進出口壓力，然后對其流量、耗氣量等參數(shù)進行測定，其中氣缸容積為 0.65 dm3，性能參數(shù)如表1 所列。

表1 氣動雙液注漿泵性能參數(shù)Tab.1 Performace parameters of pneumatic double liquid grouting pump

2.2 不同進口壓力下的參數(shù)關(guān)系

(1) 流量與出口壓力的關(guān)系 通過表1 可得，當(dāng)進口壓力一定時，出口壓力越大，流量越小。井下實際操作時，可以根據(jù)測定的數(shù)據(jù)調(diào)整進出口壓力，從而獲得適合泡沫凝膠生產(chǎn)的料液量，產(chǎn)生高質(zhì)量泡沫凝膠。

(2) 耗氣量和出口壓力的關(guān)系 通過對進出口壓力、流量及耗氣量的關(guān)系進行比較分析，得到在相同進口壓力條件下，出口壓力越大，耗氣量越小。

3 新型穩(wěn)流器的設(shè)計

氣動雙液注漿泵中，設(shè)計了流量補償器即新型穩(wěn)流器。

新型穩(wěn)流器的作用是：①在流量不足時瞬時補充流量；②在系統(tǒng)運行穩(wěn)定時吸收壓力脈沖[9]。其原理如圖2 所示。

圖2 穩(wěn)流器工作原理Fig.2 Working principle of current stabilizer

通過對氣動雙液注漿泵的測定，進口壓力為 0.5 MPa，出口壓力為 4 MPa，對應(yīng)的流量為 1 L/min，泵的沖次約為 45 次/min，即頻率為 0.75 Hz。氣動雙液注漿泵行程如圖3 所示。

圖3 氣動雙液注漿泵行程Fig.3 Stroke of pneumatic double liquid grouting pump

由圖3 可知，每 0.75 s 會有 0.25 s 的供料間隔，這是造成供料波動的主要原因。在穩(wěn)流器工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了新型穩(wěn)流器，如圖4 所示。

圖4 新型穩(wěn)流器Fig.4 New type current stabilizer

圖5 加入新型穩(wěn)流器后的氣動雙液注漿泵行程Fig.5 Stroke of pneumatic double liquid grouting pump after adding a new current stabilizer

該穩(wěn)流器主要是由 52 個水平腔體和 4 個豎管組成，每個腔體都有一高一低 2 個豎管，其豎管內(nèi)部為空氣倉。當(dāng)料液經(jīng)過水平腔體時，會在豎管中儲存一定的料液，注漿間隙時，在重力作用下流入水平腔體，起到補償料液的作用。而一高一低 2 個豎管是為了更好吸收壓力波動，實現(xiàn)新型穩(wěn)流器的二次調(diào)節(jié)，使料液能夠均勻添加至發(fā)泡成膠裝置中。在加入新型穩(wěn)流器之后，氣動雙液注漿泵的行程如 5 所示。

4 新型發(fā)泡成膠裝置

發(fā)泡成膠裝置是制備高質(zhì)量泡沫凝膠材料的重要組成部分。由于該材料的原料添加順序和目標(biāo)產(chǎn)物的不同，現(xiàn)有的設(shè)備不能滿足其需要，所以研發(fā)了新型發(fā)泡成膠裝備。

4.1 模擬裝置設(shè)計

4.1.1 射流設(shè)計理論

新研制的射流添加裝置屬于紊動射流、有限空間射流、淹沒射流、伴隨射流的綜合。

伴隨紊動射流是一種及其復(fù)雜的射流問題，當(dāng)紊動射流進入具有一定速度和壓力的流場，應(yīng)使用阿勃拉摩維奇算法[11]，利用射流邊界層變厚規(guī)律和積分形式的動量方程進行紊動射流積分。

對軸對稱紊動射流列動量方程

列連續(xù)性方程

式中：ρ為射流密度，kg/m3；μ為軸向時射流均速度，m/s；v為縱向時射流均速度，m/s；τ為紊動射流切應(yīng)力，N。

式(3) 中，正號對應(yīng)主射流流速低于伴隨射流流速，負(fù)號對應(yīng)主射流流速高于伴隨射流流速的情況，其中積分常數(shù)由射流出口條件和流經(jīng)物體的阻力共同決定。

4.1.2 設(shè)計原理

國內(nèi)外現(xiàn)有發(fā)泡設(shè)備的主要形式有孔隙式、螺旋式、網(wǎng)式、同心管式和射流泵式[10]。常用的發(fā)泡設(shè)備都具有以下特點：

(1) 利用射流原理，采用物理發(fā)泡；

(2) 最大程度地增加碰撞強度，使得發(fā)泡劑和溶液充分混合，再利用高速氣流和液體的相互碰撞，初次發(fā)泡；

(3) 利用網(wǎng)孔、螺旋板、孔板等裝置增加初次泡沫的擾動，使其二次發(fā)泡。

考慮到一些特殊環(huán)境因素，發(fā)泡設(shè)備所使用的發(fā)泡液和風(fēng)流的速度及壓力均較大，使用的礦井循環(huán)水含有煤巖顆粒物等固體雜質(zhì)，極易導(dǎo)致泡沫發(fā)生器中的細小通道堵塞。經(jīng)過研究比較同心管式、射流泵式、擋板式發(fā)泡器的優(yōu)點，設(shè)計研發(fā)了新型發(fā)泡成膠裝置[12]。

為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、泡沫效果好以及凝膠質(zhì)量優(yōu)秀，設(shè)計過程中應(yīng)重點考慮以下 4 個因素：①盡可能保證氣、液兩相流體高速紊態(tài)流動；②盡可能保證液體呈分散狀，用以增大與氣體的接觸面積；③其內(nèi)部不能出現(xiàn)其他運動物體，防止發(fā)生阻塞現(xiàn)象；④ 盡可能增加泡沫與添加劑的接觸面積，使料液混合均勻。

新型發(fā)泡成膠裝置的設(shè)計思路。

(1) 保留物理發(fā)泡的優(yōu)點，采用文丘里管形式，充分利用井下風(fēng)壓和水壓大的特點，形成射流，保證混合液具有較高的流速。

(2) 在文丘里管的收縮段添加一個錐形散流盤，通過混合液沖擊散流盤，產(chǎn)生湍流旋渦，并生產(chǎn)破碎液膜，這樣避免了氣液分離，既增加了氣液的接觸面積，更有利于引入氮氣進行發(fā)泡。

(3) 將添加劑 B 的添加方式設(shè)置為徑向雙向?qū)α鳎黾恿伺菽号c添加劑 B 的接觸面積。

(4) 在新型發(fā)泡成膠裝置后部設(shè)置了多個一定角度的擋板，將其交錯安放，擋板上設(shè)置多個大小不一的孔洞，用以增大泡沫液與添加劑 B 的混合強度，同時也增強了其湍流和渦流速度。

4.1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)井下特點，發(fā)泡設(shè)備采用物理發(fā)泡的原理，含有發(fā)泡劑的漿液由漸縮管吸入，并從噴嘴射出撞擊在散流板上，氣體整流器放置于漸縮管前端，用以控制氣流，沿軸線方向流動。整流器上的氣孔，使得氣流速度增大，也增加了氣液撞擊效果，增強了發(fā)泡效果。

該新型發(fā)泡成膠裝置另一個特點是實現(xiàn)了發(fā)泡和成膠相結(jié)合融為一體。為保證能生產(chǎn)出高質(zhì)量泡沫凝膠材料，選擇黏度較大的凝膠劑，并采用徑向?qū)α魈砑悠?。通過圓心方向和小型添加器的反向添加 2 種方式共同作用，使得泡沫在遇到出料孔射出的添加劑之后，快速混合。

泡沫凝膠材料的發(fā)泡過程如下。

(1) 含發(fā)泡劑的混合液由進水口被壓入射流器中，產(chǎn)生高速射流，射流撞擊到散流板上，生成大量液壁很薄的水膜。同一時間，進氣口中通入高壓氮氣，經(jīng)過氣體整流通道，再經(jīng)排氣孔高速吹向散流盤，被產(chǎn)生的水膜包裹形成氣泡。

(2) 大量氣泡形成泡沫，被壓入膠凝劑對流添加器中，膠凝劑從進料口進入，分別經(jīng)過周向進料槽和徑向進料槽后，由料孔排出并形成對流，徑向?qū)α魃涑龅哪z凝劑和軸向壓入的泡沫接觸后快速混合，通過膠凝劑附著在泡沫表面并鎖住水分，形成初步的高效保水泡沫凝膠材料。

(3) 初步形成的泡沫凝膠材料經(jīng)過混料孔及兩兩錯開的螺旋混料板后，充分混合，形成穩(wěn)定可靠的泡沫凝膠材料，最終通過出料口連接的管道，輸送至火災(zāi)區(qū)域。

4.2 數(shù)值模擬

在經(jīng)過對新型發(fā)泡成膠裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計分析之后，對整個裝置內(nèi)部凝膠材料的壓力分布進行數(shù)值模擬。

4.2.1 發(fā)泡段模擬

在發(fā)泡段所采用的是文丘里管，通過管徑的收縮將靜壓力轉(zhuǎn)化為動壓力，用以提高流體的速度，從而進一步增加流體與錐形管中流體的撞擊動量，使得流體的擾動范圍增加，提高了發(fā)泡能力。壓力分布數(shù)值模擬如圖6 所示。

圖6 壓力分布數(shù)值模擬Fig.6 Simulated pressure distribution

4.2.2 不同時間凝膠材料的壓力狀態(tài)

通過設(shè)置初始速度為 2.5 m/s，模擬了在不同時刻發(fā)泡成膠管內(nèi)部的壓力分布，如圖7 所示。

圖7 不同時刻發(fā)泡成膠管內(nèi)部的壓力分布Fig.7 Pressure distribution inside foaming-into-gel tube at different times

4.3 裝置結(jié)構(gòu)與工作流程

新型發(fā)泡成膠裝置主要由殼體、殼蓋、底架、發(fā)泡成膠部分等組成。

該裝置利用井下的供水和風(fēng)壓管路，通過專用設(shè)備在水中加入一定比例的 A 料，引入風(fēng)壓先行發(fā)泡，再加入 B 料混合，形成凝膠。依靠液體和氣體連續(xù)流動，高效穩(wěn)定的制備出保水泡沫凝膠材料，不需要額外動力。在完成加料、發(fā)泡、混料等流程，生產(chǎn)出高保水泡沫凝膠材料，通過專用組件噴灑或灌注防滅火區(qū)域。

新型發(fā)泡成膠裝置有如下特點。

(1) 不需要額外的動力驅(qū)動，工作時不產(chǎn)生噪聲。在環(huán)境變化較大的場所均可使用，安全可靠。

(2) 可控性強，可以根據(jù)不同需求進行參數(shù)調(diào)整，用以滿足不同流量和不同輸送介質(zhì)的特殊需要。

(3) 易于操作，方便重新組裝，結(jié)構(gòu)簡單。

(4) 體積小、質(zhì)量輕，便于移動和使用。

(5) 內(nèi)部含有獨特的混合部件，能保證泡沫和凝膠均勻混合，從而提高滅火效果。

5 實踐應(yīng)用

2021 年 2 月 13 日，西盤區(qū)輔助運輸巷 750 m 西幫距巷道頂板 1 m 處錨桿孔口出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，西盤區(qū)回風(fēng)巷 670 m 煤柱裂隙 CO 質(zhì)量濃度為 1 000 g/m3。在出現(xiàn)發(fā)火跡象后，礦方采取了淋水降溫，巷道噴漿，降低西盤區(qū)輔助運輸巷供風(fēng)量等防滅火措施，但CO 仍有超標(biāo)現(xiàn)象。

在西盤區(qū)回風(fēng)巷煤巖體溫度異常區(qū)、CO 超標(biāo)區(qū)、出現(xiàn)自燃征兆區(qū)及前后 20 m 的煤柱等區(qū)域，運用新型注漿系統(tǒng)壓注封堵材料和泡沫凝膠材料，用以堵塞漏風(fēng)通道降溫防滅火。經(jīng)過治理，西盤區(qū)輔助運輸巷 750 m 處溫度降至 13 ℃，西盤區(qū)回風(fēng)巷裂隙CO 質(zhì)量濃度降至 400 g/m3。在現(xiàn)場應(yīng)用時，總體注漿效果均勻流暢，未出現(xiàn)斷流現(xiàn)象；壓注泡沫凝膠材料時，材料發(fā)泡均勻，成型效果良好，未出現(xiàn)發(fā)泡失敗現(xiàn)象；雙組分防滅火材料在物料混合反應(yīng)、灌注輸送、發(fā)泡成型過程中均未產(chǎn)生熱量。

6 結(jié)論

新型注漿系統(tǒng)主要包括氣動雙液注漿泵、流量補償穩(wěn)流器以及新型發(fā)泡成膠裝置，經(jīng)過數(shù)值模擬和井下實際應(yīng)用證明，具有如下結(jié)論。

(1) 針對雙組份防滅火材料的輸送、混合流量及壓力需求，氣動雙液注漿泵解決了普通注漿泵泵送流量小、注漿壓力低，無法滿足泵送要求的問題；

(2) 新型穩(wěn)流器解決了普通氣動雙液注漿泵輸送過程中存在的脈沖問題，提高了穩(wěn)定性；

(3) 新型發(fā)泡成膠裝置解決了漿液混合不均勻、發(fā)泡倍數(shù)低、流量小等問題。