泡沫凝胶制备系统设计及应用

许永刚，宋红立，汪 虎，叶 志，郭 庆

（1．陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西 咸阳713602；2．中国矿业大学 安全学院，江苏 徐州221116）

煤自燃严重影响工作面安全回撤[1-5]，全国多个矿井的工作面在回撤支架期间均面临不同程度的煤自燃灾害，部分工作面被迫封闭。而随着深部煤层的开采，高温、高地压等趋于常态化，煤自燃灾害日趋严重，防治难度增加。

泡沫凝胶防灭火技术结合了泡沫与凝胶的防灭火优势，以泡沫为载体，利用泡沫良好的扩散堆积特性，将凝胶输送至火区；泡沫破裂后，在火区空隙内形成凝胶并覆盖在遗煤表面。利用凝胶的高固水和吸热性能，对高温区域进行吸热降温，从而实现火区安全治理[6-7]。基于泡沫凝胶的生成过程，确定了其制备流程，研发了关键设备。

1 泡沫凝胶的结构

泡沫凝胶的形成过程是含有发泡剂的溶液经过发泡器形成泡沫液，然后向泡沫液中加入胶凝剂，在泡沫液膜上发生胶凝反应生成凝胶，最终形成具有立体网状结构的固态凝胶颗粒与泡沫组成的混合体系。泡沫破裂前，泡沫凝胶利用泡沫的扩散性和堆积性，向采空区不同层位火源区域扩散并堆积；破灭破裂后，泡沫凝胶体系内的凝胶固结并附着在煤岩裂隙内，利用凝胶的耐温、高固水等特性防治火区。

泡沫凝胶体系中包括凝胶颗粒、自由水、泡沫，体系的连续相为液体，凝胶颗粒和气体为不连续相。泡沫保持稳定的近似六边形结构，凝胶颗粒随机分布在Plateau 边界内，同时参与泡沫壁的构成[8-10]。

2 关键设备及制备系统

2.1 发泡成胶装置

泡沫是制备泡沫凝胶的关键，同时胶凝反应需要在泡沫液中进行，因此，为了提高胶凝反应速率，设计了集发泡和胶凝于一体的发泡成胶装置，发泡成胶装置内部结构如图1。该装置包括发泡段和胶凝段，其中发泡段通过渐缩管形成高速射流，含有发泡剂的水撞击散流盘形成液膜，在氮气的作用下发泡；泡沫进入胶凝段后，在导流板的作用下与加入的胶凝剂混合并发生胶凝反应，生成泡沫凝胶。

图1 发泡成胶装置内部结构

2.2 双液注浆泵

1）双液注浆泵结构。泡沫凝胶采用发泡剂和胶凝剂2 种组分，为了提高注浆效率，设计了双液注浆泵，能够同时添加上述2 种组分。该泵以压缩空气为动力，推动气缸内的活塞往复运动，完成浆液的吸、排工作，双液注浆泵结构如图2。

图2 双液注浆泵

2）双液注浆泵参数测定。受氮气管路沿程阻力的影响，制氮机制备的氮气输送到工作面后压力衰减较大，稳定后一般在0.3～0.5 MPa 之间，因此，为了适应井下氮气的工况条件，对注浆泵的工作参数进行测定，确定不同氮气压力下料液的添加量。不同进气压力条件下流量与出口压力的关系如图3。从图3 可知，进口压力一定时，出口压力越大，流量越小。井下应用时，可基于上述数据调整进气端，一般选用0.4 MPa 的进气压力。

2.3 稳流器

图3 不同进气压力条件下流量与出口压力的关

根据对泵参数测试结果可知，当进口压力为0.5 MPa，出口压力为4 MPa 时，对应的流量约为1 L/min，泵的冲次约为45 次/min，即频率为0.75 Hz。每隔0.75 s 有0.25 s 的供料间歇，导致供料波动。为了弥补间歇期内供料不足，根据蓄能器原理设计了稳流器，主要有2 种功能：①能量不足时提供瞬时流量；②系统稳定运行时吸收压力脉冲[11]。

稳流器结构简图如图4，稳流器包括2 个水平管，每个水平管设有1 高1 低共4 个腔室。吸料期间，料液进入腔室，压缩空气并储存一定的能量；泵运动间歇，能量释放，补偿料液的不足，使其更好的吸收压力波动，稳定流量输出。加入稳流器后料的流量稍微有所减少，但是稳定性增强。

图4 稳流器结构简图

2.4 泡沫凝胶制备系统

基于发泡成胶装置、双液注浆泵、稳流器等共同构成泡沫凝胶制备系统，同时确定了泡沫凝胶的工艺流程, 泡沫凝胶制备工艺流程如图5。

图5 泡沫凝胶制备工艺流程

3 泡沫凝胶防灭火试验

3.1 扩散性能试验

泡沫凝胶属于泡沫流体的一种，具有流体的流动性及固体的堆积性，形成初期泡沫凝胶主要体现泡沫的流动性，黏度相对较低，有良好的扩散性；后期，随着泡沫破裂，胶体的形成，泡沫凝胶黏度逐渐增加，更多的体现凝胶的属性，因此将泡沫凝胶看成是与时间有关的纯黏性非牛顿流体，且井下为带压连续性灌注泡沫凝胶。

自制体积为1.5 m×2 m×2 m 的煤矸石堆，矸石堆上放有燃烧的木柴，底部距地面10 cm 处埋入注泡沫凝胶管接头，出口位于矸石堆中部位置。

预调试验系统，生成的泡沫凝胶满足要求后接入泡沫凝胶管接头。试验中泡沫凝胶首先快速地从矸石堆上部渗出，逐渐地矸石裂隙中也不断有泡沫凝胶流出，随着试验的推进，泡沫凝胶从矸石堆的各个方位渗透、扩散，5 min 后全部覆盖煤矸石堆。此外，预先引燃的木柴也很快被熄灭，未发生复燃现象。试验表明，泡沫凝胶在采空区中具有良好的扩散性能，能够通过采空区的裂隙向采空区高处及远处扩散，从而实现对采空区大面积的覆盖，且能够防治不同位置的火灾。

3.2 防复燃性能试验

在高1 m，直径为0.8 m 的圆柱型火炉（共2个，记为1#和2#）内放入相同质量且堆积高度相同的块煤，在火炉中部放置温度传感器。块煤初始温度均为900℃，同时向1#火炉内注入三相泡沫、2#火炉内注入泡沫凝胶，注入的材料与火炉高度一致时停止。火炉内温度变化曲线如图6。

图6 温度变化曲线

试验发现，在0～40 s 内，1#火炉降温速度明显快于2#火炉；但是在40～70 s 内，1#火炉温度下降缓慢，2#火炉温度逐渐低于1#火炉的温度且持续快速下降；90 s 左右，1#火炉温度降至302℃时，2#火炉温度已经降至17.2℃；90 s 以后，1#火炉温度出现回升，最终稳定在447℃左右，而2#火炉温度基本稳定在17℃。0～40 s，1#火炉中的泡沫含有大量的自由水，直接作用到煤表面变成水蒸汽带走大量的热，所以温度下降快，而泡沫凝胶内的水大部分属于固结水，无法直接发生相变吸热，因此初始降温速率相对低于1#火炉的温降速度；40～90 s，三相泡沫内的水基本蒸发掉，无法完全覆盖煤块，温度下降减缓，2#火炉依然存在大量的泡沫凝胶，并且泡沫破裂，自由水增多，且凝胶吸收大量的热，温度下降明显加快；90 s 以后，1#火炉内的泡沫已经完全蒸发，炉内尚未完全熄灭的块煤失去泡沫的覆盖后重新与新鲜空气接触发生复燃，温度快速回升；此时，2#火炉内泡沫凝胶仍然全面覆盖块煤，隔绝其与氧气的接触，且大量的水分固结在泡沫凝胶内减缓其蒸发速率，具有长久的吸热降温作用，固2#火炉温度能够持续保持在低温状态，避免熄灭的块煤发生复燃。

4 现场应用

胡家河矿工作面回撤期间，由于停采区域含有火成岩，导致附近煤体破碎，漏风严重，长时间停采为遗煤提供了良好的蓄热条件，回风流CO 浓度高达（500～600）×10-6。通过现场测试与分析，确定在进风巷施工钻孔，灌注泡沫凝胶。共施工7 个钻孔，其中架后距离为36 m，7#钻孔距离进风巷45 m。双液注浆泵的工作参数为压力0.4 MPa，添加量100 L/min。灌注泡沫凝胶1 d，CO 浓度开始下降，3 d 后从600×10-6左右降至100×10-6，7 d 恢复正常，工作面安全回撤。

5 结 语

1）泡沫凝胶是具有立体网状结构的凝胶颗粒与泡沫组成的混合体系，水是该体系的连续相，凝胶和泡沫为分散相。泡沫凝胶集成了泡沫和凝胶的防灭火特性，泡沫破碎前具有泡沫的扩散和堆积性，泡沫破裂后期具有凝胶的耐高温和固水性能。

2）泡沫凝胶制备的关键设备有发泡成胶装置、双液注浆泵和稳流器。其中发泡成胶装置是发泡和胶凝反应的主要装置；双液注浆泵的合理工况条件为气体压力0.4 MPa，相应的吸液量为100 L/min；稳流器能有效地降低料液波动。

3）构建了泡沫凝胶制备系统，并成功应用与工作面回撤期间的煤自燃治理，说明了该泡沫凝胶制备系统能够满足井下火灾治理的要求。