三相泡沫防灭火新技术

三相泡沫防灭火新技术

煤炭自燃是我国煤矿的主要自然灾害之一。为防治煤炭自燃，国内外广泛采用灌浆、注凝胶、注惰气等技术。这些技术对保证矿井安全生产起了重要作用，但还存在一些问题：过度的黄泥灌浆会消耗土地资源；水玻璃—铵盐凝胶会产生有毒有味的氨气；高分子凝胶成本高；高水材料、泡沫树脂成本高、工艺复杂；惰气易随漏风扩散，不易滞留火区。为了综合固、液、气的灭火性能，中国矿业大学通风防灭火课题组在国内率先研究了三相泡沫防治煤炭自燃的新技术，研制出配套装备（国家发明专利：王德明等.防治煤炭自燃的三相泡沫发生装置，中国，专利号：02148411.2），并在大屯姚桥矿、枣庄柴里矿、抚顺老虎台矿、铁法大兴矿、宁夏白芨沟矿、宁夏乌兰矿、宁夏汝箕沟矿、阜新五龙矿、枣庄新安矿、水城大湾矿、新疆大黄山矿、义马常村矿、义马耿村矿、义马千秋矿等进行了成功的推广应用，取得了很好的灭火效果。宁夏白芨沟矿应用含氮气三相泡沫扑灭了井下所有的火区，火区启封2个月未发生复燃，挽救了一个全矿井封闭的矿井。

一、产品介绍

三相泡沫是由气（氮气或空气）、固（粉煤灰或黄泥等）、液相经发泡而形成的具有一定分散体系的混合体，见图1。粉煤灰或黄泥浆注入氮气发泡后形成三相泡沫，体积大幅增大，在采空区中可向高处堆积，对低、高处的浮煤均能有效地覆盖，避免了普通注水或注浆工艺中浆水易沿阻力小的通道流失的现象（拉沟现象）；氮气能有效地固封于三相泡沫之中并下落到火区底部，随泡沫破灭而释放出，充分发挥了氮气的惰化、抑爆作用；三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物质，这些固态物质组成三相泡沫面膜的一部分，可在较长时间内保持泡沫的稳定性，泡沫破碎后具有一定粘度的粉煤灰或黄泥仍可较均匀地覆盖于浮煤上，有效地阻碍煤对氧的吸附，防止了煤的氧化，从而遏制煤自燃的进程。上述内容表明三相泡沫具有降温、阻化、惰化、抑爆等综合性防灭火性能。

三相泡沫是利用矿井的注浆系统，在注浆管路中加入一定量的发泡剂并引入氮气，通过发泡装置而形成气、液、固三相泡沫，粉煤灰或黄泥浆液经发泡后形成的三相泡沫体积量大幅度增加，附在气泡壁上的粉煤灰或黄泥，可持久有效地隔离煤对氧的吸附，防止煤的氧化，不仅能有效地防止煤炭自燃，还能进行现场灭火，三相泡沫成本低廉，防灭火效果显著，具有广泛的实用性。

KSP 发泡器是三相泡沫的发生装置，最适用于煤矿井下快速扑灭和高效防治煤炭自燃火灾。它包括旁通管、阀门、过滤器、搅拌器、发泡器、逆止阀的管路系统和用来添加发泡剂的单螺杆泵。三相泡沫发泡设备的管路系统接入矿井的原注浆管路中，发泡剂经过单螺杆泵输送到三相泡沫发泡设备的管路系统中，经过三相泡沫发泡设备的搅拌、发泡，最终产生高倍数的细腻、稳定的固、液、气三相泡沫使产生的三相泡沫，其结构紧凑合理，操作简单，便于维护，使用可靠。

二、工艺流程

注三相泡沫的工艺流程如下图所示：首先在制浆站中，将一定比例的水与粉煤灰搅拌混合形成粉煤灰浆体（其中加入适当的稳泡剂），通过注浆管路输送到注浆地点，再通过定量螺杆泵将发泡剂加入到注浆管路中，浆液与发泡剂在流动的混合器中混合后进入发泡器，在发泡器中接入氮气（压风）管路，氮气（压风）与含有发泡剂的粉煤灰浆体相互作用产生出三相泡沫,形成的三相泡沫在螺杆泵动力和浆管压力作用下经钻孔到达火区。

图3 地面钻孔大流量注三相泡沫工艺流程

图1 实验室生产的粉煤灰三相泡沫

二、三相泡沫的技术参数

三相泡沫的发泡倍数30倍 泡沫稳定时间8 h ～36 h 水灰比 （质量比）1:1～4:1 耗浆量10～30 m 3/h 产泡量300～900 m 3/h 发泡剂使用比例0.2%

综合成本：1元/m 3

三相泡沫（以氮气为气源），0.5元/m 3

（以压气为气源）

三、安装说明

现场应用时根据矿井条件和实际需要，分为两种安装方式，即井下添加发泡剂

和地面添加发泡剂两种，结合我矿实际优先选用。 1、井下添加发泡剂时的安装方式

具体安装位置见附图2，把管路系统通过闸阀1接入矿井的注浆管道中适当的

制浆池（粉煤灰） 混合器

发泡器

发泡剂

制氮装置（氮气）

三相泡沫

注

稳泡剂

钻 孔 火 区

位置。其中接口6和螺杆泵23的出口25用高压胶管联接；接口20接供气管道；观察口21接一段≥2m的胶管，用来观察管道中的发泡效果。

2、地面添加发泡剂时的安装方式

由于在地面添加发泡剂，经过长距离的流动发泡剂已经和浆液混合均匀，所以此时搅拌器10不用安装在管路中。具体安装位置见附图3。接口20和观察口21的安装同上。

四操作说明

1、井下添加发泡剂时的安装方式

按照上面说明把设备安装好之后，如果需要注三相泡沫，关闭阀门4、12和18，打开阀门1、13、24、19。启动螺杆泵和地面的气源，打开阀门7和17，分别往管路系统中添加发泡剂和压入气体。过滤罐中的过滤网5用来过滤杂质及容易使发泡器堵塞的物质，可定期打开阀门4，通过排污口把杂质排出，以防管路堵塞。

如果注浆过程中发生发泡器被堵塞的现象，应立即打开阀门12，停止螺杆泵和气源，并关闭阀门7、17、13、24，通过旁通管11进行泄压，卸下发泡器进行检查维修。

逆止阀8和16是用来防止浆液倒流入添加发泡剂的管路和压气管路中，应该定期检查其是否能正常工作；从观察孔21接出一段至少2米长的胶管，需要观察发泡器的发泡效果时，打开阀门18，进行观察。

不需要注三相泡沫时，关闭阀门4、7、13、17、24、18，打开阀门1、12、19，浆液从旁通管11流过，进行注浆。

2、地面添加发泡剂时的安装方式

按照上面说明把设备安装好之后，注三相泡沫时，关闭阀门12、4、7和18，打开阀门1、13、24、19。启动地面的螺杆泵和地面的空气压缩机，打开阀门17，往管路系统中压入气体。过滤罐中的过滤网5用来过滤杂质及容易使发泡器堵塞的物质，可定期打开阀门4，通过排污口把杂质排出，以防管路堵塞。注其它浆液时，关闭阀门4、7、13、17、24、18，打开阀门1、12、19，浆液从旁通管11流入注浆管道，进行注浆。

其他操作同井下添加发泡剂时一致。