防治煤炭自燃的三相泡沫理论与技术研究.pdf

第3 7 卷第4 期 2 0 0 8 年7 月 中国矿业大学学报 J o u m a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V o I ．3 7N o ．4 J u l ．2 0 0 8 全国优秀博士学位论文摘要 防治煤炭自燃的三相泡沫理论与技术研究 秦波涛 中国矿业大学安全工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要针对目前我国煤矿防灭火技术和手段存在不足，特别是针对大范围采空区或巷道高冒火 灾、采空区隐蔽火源及高位火源、综放及俯采工作面煤炭自燃防治的难题，提出了由粉煤灰 黄 泥 、氮气和水组成的三相泡沫防灭火新技术，该技术可以利用煤矿已有的注浆系统将三相泡沫 注入采空区并形成覆盖面广、可向高冒区堆积的泡沫体，能较好地充填采空区或高冒区，有效扑 灭火灾．针对固体不燃物 粉煤灰、黄泥 、水和氮气三相介质的特性，成功研制出了使浆液具有较 高发泡倍数和较长稳定时间的三相泡沫发泡荆．应用浮选动力学、表面化学、物理化学、热力学和 流体机械等理论，较系统地提出了三相泡沫的形成机理．根据三相泡沫的特点，发明了三相泡沫 发泡器。应用流体力学理论，建立了发泡器喉部至扩散段区域负压大小和浆液流量的方程关系 式，并通过C F D 流体力学软件模拟了三相泡沫发泡器内不同扩散角度下管内静压和浆液流速的 分布状况，得出了扩散角为6 0 。时的压力分布和流速是形成三相泡沫的最佳条件．开展了三相泡 沫发泡剂溶液阻止煤自燃的试验研究，结果表明三相泡沫发泡剂溶液对煤自燃的阻化效果显 著，能有效地减缓煤的氧化放热速率，抑制煤温度的升高，同时也有效地抑制C O 的释放量，是很 好的防止煤炭自燃的阻化剂；三相泡沫的灭火性能试验表明，三相泡沫可在较致密的多孔介质中 不同方向流动，渗透性强，流动范围广，可扑灭较大范围区域内的高位火源和隐蔽地点的火源．三 相泡沫流变特性研究表明，合黄泥或粉煤灰颗粒的三相泡沫属于屈服假塑性非牛顿流体；试验考 察了发泡倍数、浆液浓度、外界温度及气体介质对三相泡沫黏度的影响；建立了三相泡沫在水平 管道中流动的数学模型，确定了三相泡沫发泡器在井巷中合理的安装位置；建立了三相泡沫在大 空间中堆积高度的数学模型． 在矿井灌浆系统中加入氮气，使泥浆发泡，体积增大，大流量的三相泡沫能在采空区中形成 面与三维的流动方式，较之一般的水浆流动，覆盖面广，并可向上部堆积，能将更多的水、固体不 燃物 黄泥、粉煤灰 带入防灭火区域，防灭火效果显著．建立了一套适合煤矿自然火灾防治的注 三相泡沫的工艺系统，该系统安全可靠，操作方便，可连续大流量灌注．提出了沿顺槽采空区埋 管、综采 综放 支架插管、地面打钻和与其它防灭火技术手段相互配合使用的多种注三相泡沫新 工艺，并在现场得到了广泛应用． 关键词矿井火灾；煤炭自燃；三相泡沫；发泡剂；发泡器 中图分类号T D 7 5 3 ．4文献标识码A 万方数据 Ⅱ 中国矿业大学学报 第3 7 卷 R e s e a r c ho nT h e o r ya n dT e c h n 0 1 0 9 yo fT h r e e P h a s e F o a mf o r P r e v e n t i n gS p o n t a n e o u sC o m b u s t i o no fC o a l Q I NB o - t a o S c h 0 0 1o fS a f e t yE n g i n e e r i n g ，S t a t eK e yl 。a b o r a t o r yo fC o a lR e s o u r c e sa n dM i n eS a f e t y ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t 1 ti sd i f f i c u l tt od e a lw i t ht h ef i r ei n1 a r g ea r e ag o a { ，t h et o po ru n d e t e r m i n a t e df i r ei n g o a fa n ds p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a li ns l o p ea n dd o w n w a r dw o r k i n gf a c e ． B a s e do nt h i s ，a n e wt e c h n o l o g yo ft h r e e - p h a s e f o a m ，w h i c hc o m p o s e do ff l ya s ho rm u d ，n i t r o g e ng a sa n dw a t e r ，w a sd e v e l o p e df o rm i n ef i r ec o n t r o l -T h en e wt e c h n o l o g yg r o u t st h et h r e e - p h a s e - f o a mi n t o t h eg o a fc o v e r i n gw i d e ra r e aa n da c c u m u l a t i n gt ot h eh i g hc a V i n ga r e au s i n gt h ee x i s t i n gg r o u t i n gs y s t e m ． S ot h ef i r ec a nb ep u to u te f f i c i e n t l y ．A c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so nc h e m i c a le l e m e n t s ，m i c r o s t r u c t u r e ，p h a s ec o m p o s i t i o n sa n dw a t e rq u a l i t y ，an e wf o a m i n ga g e n tw i t hh i g h f o a me x p a n s i o na n dl o n gs t a b l et i m ew a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y ． T h ef o r m i n gm e c h a n i s mo f t h r e 伊p h a s r f o a mw a so b t a i n e dw i t ht h ep r i n c i p l e so ft h e r m o d y n a m i c s ，c h e m i s t r ya n dh y d r o k i n e t i c s ．B a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e e - p h a s e - f o a m ，t h ef o a m i n gg e n e r a t o rw i t hh i g hf o a m e x p a n s i o nw a sd e s i g n e d ．E q u a t i o nb e t w e e nf l u xo fs t u r r ya n dr e l a t i V em i n u sp r e s s u r ei nt h e d i s t a n c eo fl a r y n g e a lt od i f f u s e ds e g m e n tw a ss e tu pb yB e r n o u l l i ’se q u a t i o n ． D i s t r i b u t i o n so fV e l o c i t ya n dp r e s si nt u b ew i t hd “f e r e n td i f f u s e da n g l e sw e r es i m u l a t e db yC F Ds o f t w a r e ． T h e f l o wr a t ea n dp r e s s u r eu n d e r6 0 。d i f f u s i o na n g l em e e tt h ec o n d i t i o no ff o r m i n gt h r e e p h a s e f o a m w e l l ．E x D e r i m e n t sw e r ed o n et or e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e e - p h a s e - f o a mi np r e V e n t i n g s D o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a l ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e v e n t i n ge f f e c to ft h r e e _ p h a s e - f o a mi sr e m a r k a b l e ．I tc a ne f f e c t i v e l yd e p r e s st h eo x i d a t i o nh e a tr e l e a s er a t e ，c o n t r o It h et e m p e r a t u r eo fc o a lt or i s ea n dr e s t r a i nr e l e a s i n gq u a n t i t yo fC 0 ．T h ee x t i n g u i s h i n ge x p e r i m e n t so { t h r e e D h a s r f o a ms h o wt h a ti tc a nf l o wa td i f f e r e n ta z i m u t hi nc o m p a c tp o r o u sm e d i a w l t h s t r o n gp e n e t r a b i l i t ya n dw i d er a n g e ，a n dc a ne x t i n g u i s ht h et o po ru n d e t e r m i n a t e df i r ei ng o a f T h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h r e e - p h a s e - f o a mw i t hf l ya s ho rm u dw e r es t u d i e d ． I te x h i b i t s n o n N e w t o n i a nb e h a v i o u ra n dac h a r a c t e r i s t i co fp s e u d o p l a s t i cm a t e r i a l ．R h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s o ft h r e e p h a s e - f o a mw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l yi nr e l a t i o nt os h e a rr a t e ，e x p a n s i o no ff o a m ’ t e m p e r a t u r ea n dg a s e o u sm e d i u m ． T h er i g h ti n s t a l l a t i o np l a c eo ff o a m i n gg e n e r a t o rw a sd e t e r m i n a t e da c c o r d i n gt ot h er e d u c t i o no fp r e s s u r ei np i p eo ft h r e e - p h a s e ．f o a m ． T h em a t h e m a t i c s m o d e lo fa c c u m u l a t i n gi nb i gs p a c ew a ss e tu p ，s ot h ea c c u m u l a t i n gm a x i m a lh e i g h tc a nb ec o m p u t e d ． S l u r r vi sf r o t h e da n di t sb u l ke x p a n d sw h e nt h es l u r r yi sa d d e dn i t r o g e ng a si nt h eg r o u t i n g s y s t e m ．T h r e e - p h a s e - f o a mw i t he x p a n s i o nc a nf l o wi n t h et h r e e - d i m e n s i o n a lf a s h i o n ． I tc a n c o v e rw i t hw i d e ra r e a ，a c c u m u l a t et ot h et o pa n ds c h l e pm o r ew a t e ra n dn o n f l a m m a b l eg r a n u l e s i n t ot h eg o a f ．At e c h n o l o g i cs y s t e mw i t ht h ea b i l i t yf o rp r e V e n t i n gt h es p o n t a n e o u sc o m b u s t l o n o fc o a li nm i n ew a ss e tu p ．T h eo p e r a t i o n a ls y t e mi ss a f e ，r e l i a b l ea n dc o n V e n i e n t ，i tc a ng r o u t w i t hc o n t i n u o u sf l u x ．M a n yn e wt e c h n o l o g yo fg r o u t i n gt h r e e - p h a s e - f o a mw e r ep u t { o r w a r d ’ f o re x a m p l e ，b u r y i n gp i p e l i n ea l o n ga i r w a y ，s p i l i n gp i p e l i n ea tt h eb a c ko fb r a c k e t s ，d r i l I i n g b o r e so nt h ef l o o ra n dm a t c h i n gw i t ho t h e rt e c h n o l o g i e so fc o n t r o l l i n gm i n ef i r e ． T h e s et e c h n o l o g i e sa rew i d e l yu s e di nC h i n e s em i n e s ． K e yw o r d s m i n ef i r e ，s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a l ，t h r e e - p h a s r f o a m ，f o a m i n ga g e n t ，f o a m i n gg e n e r a t o r 万方数据