三相泡沫

三相泡沫是由氣（氮氣或空氣）、固（粉煤灰或黃泥等）、液（水）相經發泡而形成的具有一定分散體系的混合體。

基本介紹

• 中文名：三相泡沫
• 形態：固液氣
• 體系：分散
• 作用：防治煤炭自燃火災
• 提出者：中國礦業大學
• 提出時間：2001年6月

技術簡介

三相泡沫是由中國礦業大學在2001年6月推出的防治煤炭自燃火災的新材料，並迅速在全國範圍內獲得巨大的成功。三相泡沫防滅火挽救了寧夏白芨溝礦的特大型瓦斯爆炸礦井，防止了鐵法大興礦高產高效工作面的封閉，撲滅了多個礦井的隱蔽火源。

三相泡沫

提出背景

為防治礦井火災，國內外廣泛採用灌漿、噴灑阻化劑、注惰氣等技術。在灌漿材料方面，主要是黃泥、粉煤灰，此外還有矸石、砂子、水泥砂漿、石膏、高水材料等；近年來，又較廣泛地採用了膠體泥漿、阻化汽霧、泡沫樹脂等防滅火技術。這些技術對保證礦井安全生產起了重要作用，但還存在一些問題：注漿方法泥漿分布不均，漿水往往沿著流動阻力小的通道流失，即存在所謂的“拉溝”現象；水玻璃—銨鹽凝膠產生有毒有味的氨氣，高分子凝膠成本高；水泥砂漿、高水材料、泡沫樹脂成本高，工藝複雜；惰氣易隨漏風擴散，不易滯留在注入的區域內。為了克服現有防滅火方法的不足，國內外開展了壓注惰氣泡沫防治礦井火災的研究。惰氣泡沫由惰氣（N2）和水兩相物質組成，通過在水中加入起泡劑和其它添加劑，引入氮氣而發泡。但泡沫的穩定時間短，一旦水分蒸發，防滅火的性能就消失。而在氣、液兩相泡沫材料中增加固態物質，構成三相泡沫就能克服其不足，為此中國礦業大學課題組率先提出地面鑽孔大流量注三相泡沫防滅火技術。

形成機理

一般粉煤灰和黃泥中的礦物組成主要有石英、莫來石、氧化鈣等，同時有部分長石、硬石膏、磁鐵礦、赤鐵礦等礦物成分；粉煤灰與黃泥中的這些成分都是親水性極強的物質，當其分散在水中形成泥漿後，顆粒周圍形成了一層水化層，以阻止顆粒黏附在氣泡壁上。當在水中加入表面活性劑後，表面活性劑一方面能使親水性顆粒表面形成親水基朝向粉煤灰或黃泥，疏水基朝向水的定向吸附，使粉煤灰或黃泥表面變成疏水性，這樣易於粘附在氣泡壁上；同時表面活性劑吸附在氣泡壁上，能形成穩定的水化層，且能防止氣泡兼併，形成三相泡沫過程如右圖所示；另一方面表面活性劑能有效地降低漿液的表面張力，有很強的發泡能力，能克服液相成分中大量陰陽離子及雜質的影響，使水容易形成大量的泡沫群體。

三相泡沫形成示意圖

三相泡沫防滅火原理

粉煤灰或黃泥漿注入氮氣發泡後形成三相泡沫，體積大幅增大，在採空區中可向高處堆積，對低、高處的浮煤均能有效地覆蓋，避免了普通注水或注漿工藝中漿水易沿阻力小的通道流失的現象（拉溝現象）；氮氣能有效地固封於三相泡沫之中並下落到火區底部，隨泡沫破滅而釋放出，充分發揮了氮氣的惰化、抑爆作用；三相泡沫中含有粉煤灰或黃泥等固態物質，這些固態物質組成三相泡沫面膜的一部分，可在較長時間內保持泡沫的穩定性，泡沫破碎後具有一定粘度的粉煤灰或黃泥仍可較均勻地覆蓋於浮煤上，有效地阻礙煤對氧的吸附，防止了煤的氧化，從而遏制煤自燃的進程。上述內容表明三相泡沫具有降溫、阻化、惰化、抑爆等綜合性防滅火性能。

主要技術參數

項目	參數
三相泡沫的發泡倍數	30倍
泡沫穩定時間	8 h～36 h
水灰比 （質量比）	1:1～4:1
耗漿量	10～30 m3/h
產泡量	300～900 m3/h
發泡劑使用比例	0.2%
綜合成本	1元/m3（以氮氣為氣源）； 0.5元/m3（以壓氣為氣源）

生產工藝

三相泡沫的生產流程：首先在製漿站中，將一定比例的水與黃泥攪拌混合形成黃泥漿體，通過渣漿泵輸送到注漿管路中，再通過定量螺桿泵將發泡劑加入到注漿管路中，漿液與發泡劑在管道中混合後進入發泡器，在發泡器中接入氣源管路，惰性氣體與含有發泡劑的黃泥漿體相互作用產生出三相泡沫。其工藝流程圖如右圖所示。

三相泡沫工藝流程圖

三相泡沫套用

三相泡沫對一般性封閉採空區煤炭自燃、較大範圍採空區火災和巷道火災、採空區高位和不明位置隱蔽火源、綜放及俯采工作面煤炭自燃的撲滅和預防，效果都十分顯著。結合煤礦現場的實際情況，中國礦業大學課題組提出了地面打鑽、支架後方插花管、沿順槽採空區埋管和與其它防滅火技術手段（注砂、注凝膠等）相互配合使用的多種注三相泡沫的工藝技術，並在很多現場成功地推廣和套用。

三相泡沫現場套用總體思路

（1）地面打鑽大流量注三相泡沫撲滅特大型火區技術

當採空區發生較大範圍火災，井下無法採取滅火技術手段時，可利用地面打鑽大流量注三相泡沫技術，將大量三相泡沫在採空區迅速堆積，快速充滿整個防滅火區域，有效地控制和撲滅採空區火災。

（2） 巷道打鑽大流量注三相泡沫撲滅大範圍高冒火區技術

當發生大範圍巷道高冒火災，可利用巷道打鑽大流量注三相泡沫技術，依靠大量的三相泡沫迅速在高冒區中呈三維狀向周圍運移堆積，包裹、覆蓋了高冒區內鬆散煤體；同時泡沫破滅後釋放出氮氣，充分發揮氮氣的惰化、抑爆作用。

（3）停采線打鑽注三相泡沫防治採空區煤炭自燃技術

對於防治封閉採空區的煤炭自燃，利用在停采線每隔15～20m打一個鑽孔，通過鑽孔注三相泡沫在採空區進行範圍覆蓋和堆積而捕捉隱蔽火源點。

三相泡沫的優點

（1）三相泡沫在採空區可向高處堆積，對低、高處的浮煤都能覆蓋，能有效的解決因採空區比工作面地勢高而造成的“拉溝”現象；

（2）注入在採空區的氮氣被封裝在泡沫之中，能較長時間滯留在採空區中，充分發揮氮氣的窒息防滅火作用；

（3）三相泡沫中含有黃泥固態物質，這些固態物質是三相泡沫面膜的一部分，可較長時間保持泡沫的穩定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的黃泥仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上，可持久有效地阻礙煤對氧的吸附，防止煤的氧化，從而有效地防止煤炭自燃發火。

可知三相泡沫具有很好的適應性和優越性，更好的達到防火效果，確保井下安全生產。

三相泡沫使用注意事項

（1）在管路連線時，發泡設備兩端要求4寸管路，如發泡設備前管路不為4寸，可使用適當的變徑對接。發泡設備後的管路也可用分流器（比如4寸變為多個2寸，對多個鑽孔同時灌注）；

（2）地面鑽孔孔口要求封嚴，防止空氣進入；

（3）發泡劑的流量使用定量注漿泵上的調速手柄進行調節（最大流量為0.5m3/h）。比如漿體流量20m3/h，發泡劑流量為100kg/h(為漿體的0.5%)；

（4）黃泥漿（或粉煤灰漿體）要求混合均勻，黃土若含沙量太多對發泡有影響，如黃土土質不好，建議使用粉煤灰漿體。