防治煤自燃的胶体阻化惰泡制备装置及其工艺

摘要

本发明提出了一种防治煤自燃的胶体阻化惰泡制备装置，包括依次相连的射流比例混合器装置、一级发泡装置、二级发泡装置以及气体输送装置；射流比例混合器装置包括射流比例混合器（射流比例器仿照消防上用的射流器，根据实际需要，通过一定计算，得到射流比例混合器各部分的尺寸，然后设计定做）、与射流比例混合器喷嘴连接的高压水进口、与射流比例混合器吸液室连接的胶体阻化液进口，射流比例混合器输出口与一级发泡装置进液口连接；本发明防治煤自燃的胶体阻化惰泡制备装置及其工艺，以压力水和压力氮气作为输送动力，安全可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及采空区煤自燃防灭火技术领域，尤其涉及一种防治煤自燃的胶 体阻化惰泡制备装置及其工艺。

背景技术

全国煤矿中有56%的矿井存在自然发火的危险，每年造成的直接和间接经 济损失近百亿元。现有的防灭火技术均是通过降低或减少煤氧结合来实现防灭 火，对于漏风较为通畅的采空区的阻化、惰化、堵漏难度较大。尤其是综采和 综放开采技术的采用，矿井开采强度加大，通风系统相对复杂化，采空区范围 不断扩大，而采空区是最容易也是最常发生自燃火灾的区域，极大的增加了矿 井煤炭自然发火的频率及防治的难度。采空区丢落有大量的遗煤；存在连续不 断的漏风供氧；具备良好的遗煤蓄热环境，而且采空区面积大、自燃“三带”随采 煤工作面的推进呈动态移动、遗煤高温范围大、高温点隐蔽，一旦发生自燃往 往是大面积的，灭火难度很大。

目前防治煤自燃的主要手段是降温（如注水、注浆、注胶体、注三相泡沫 等）和采空区惰化（如注氮气、注二氧化碳等），这些手段虽然在煤矿近距离采 空区低位空间中的防灭火发挥了积极作用，但对于远距离采空区的高位空间着 火还不能完全奏效。由于煤自燃多发生在采空区内，采空区的面积较大，火源 点比较隐蔽并且难以确定其具体位置，常规防灭火材料很难进行大面积充填， 并且不具备良好的堆积性，对防治工作面采空区等区域煤自燃火灾效果不理想。 所以迫切需要研究能使采空区降氧、惰化、堵漏，能把阻化材料带到远距离隐 蔽区域阻化遗煤自燃，并易堆积且到达采空区高位空间的防火材料、装备及应 用工艺。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种防治煤自燃的 胶体阻化惰泡制备装置及其工艺，以压力水和压力氮气作为输送动力，安全可 靠。

本发明的技术解决方案是：防治煤自燃的胶体阻化惰泡制备装置，其特征 在于：包括依次相连的射流比例混合器装置、一级发泡装置、二级发泡装置以 及气体输送装置；

射流比例混合器装置包括射流比例混合器（射流比例器仿照消防上用的射 流器，根据实际需要，通过一定计算，得到射流比例混合器各部分的尺寸，然 后设计定做）、与射流比例混合器喷嘴连接的高压水进口、与射流比例混合器吸 液室连接的胶体阻化液进口，射流比例混合器输出口与一级发泡装置进液口连 接；

一级发泡装置包括发泡室、和胶体阻化液进口连接的螺旋喷嘴，发泡室内 设有发泡网，一级发泡装置进气口与气体输送装置输出口连接，一级发泡装置 泡沫液出口与二级发泡装置泡沫液进口连接；

气体输送装置为提供高压气体的输送装置，所述高压气体是氮气或二氧化 碳。

上述射流比例混合器包括喷嘴、位于喷嘴外围的吸液室、与吸液室连接的 喉管和与喉管连接的扩散管；所述扩散管与射流比例混合器输出口连接。

上述发泡网为不锈钢压制网，所述喷嘴为螺旋实心圆锥形喷嘴。

射流比例混合器的压力水进口管道和阻化液进口管道上分别设有防爆涡街 流量计、滤网和矿用截止阀。

一级发泡装置和二级发泡装置的连接是法兰连接，根据输送距离的不同选 择同时使用两级发泡或者单独使用一级发泡。

一级发泡装置内有发泡网，二级发泡装置底部设有排液阀，进口和气体输 送装置输出口连接。

防治煤自燃的胶体阻化惰泡制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1）将胶体阻化惰泡制备装置放到采空区附近，压力水由压力水进口进入射 流比例混合器的喷嘴，在喷嘴出口处由于压力水射流和空气之间的黏滞作用， 把喷嘴附近的空气带走，使喷嘴附近形成负压；

2）胶体阻化液体在喷嘴负压和环境大气压力作用下经吸液室被吸上来,并随 压力水一同进入喉管内，形成胶体阻化混合液；

3）胶体阻化混合液进入扩散管，到扩散管出口处胶体阻化混合液的压力高 于被抽送的胶体阻化液体流入喉管的压力，低于压力水流入喉管的压力，胶体 阻化混合液从DN20mm的扩散管排出，通过螺旋实心喷嘴，进入一级发泡装置；

4）经过螺旋实心喷嘴，胶体阻化混合液喷洒到发泡网上，通过气体输送装 置，氮气进入一级发泡装置，通过发泡网，胶体阻化混合液进行一次发泡；

5）在二级发泡装置内，通过气体输送装置注入氮气进行二次发泡。

上述步骤2）中的胶体阻化混合液与压力水的体积流量比为3:97或6:94。

上述步骤4）中一次发泡的具体参数是：动力水的流量为3m³/h，氮气流量 为300-600m³/h；进入一级发泡装置的胶体阻化混合液的流量为3.093m³/h或 3.191m³/h。

本发明具有以下优点：

1）本发明以压力水和压力氮气作为输送动力，所以安全可靠。由于制备的 胶体阻化惰泡为泡沫状，借助压力氮气的动力可以迅速对整体大面积采空区和 高位空间的遗煤进行覆盖、阻化、堵漏、延长自然发火期，起到包裹、阻化、 惰化以及吸热降温的作用，有效的抑制和预防煤自燃的发展。

2）本发明可利用井下注氮系统，通过气体输送装置将胶体阻化惰泡输送到 采空区煤自燃隐蔽区域，进入火区的氮气具有降氧惰化的作用。胶体阻化泡沫 具有在短时间内充填体积大、流动性和堆积性好等特点，能将胶体阻化剂送到 不同厚度、不同形状的松散煤体空隙或冒落空间，堵塞漏风通道，隔绝空气， 起到窒息作用，胶体阻化剂附着在松散煤体表面，与水形成一层能抑制氧气与 煤接触的薄膜，阻止氧气和煤结构上的活动链式环基反应，使煤和氧的亲合力 降低，并吸收煤炭表面氧化自由基，阻止煤体氧化放热；通过泡沫带入大量的 水分，蒸发时吸收大量的热量，起到降温作用，减小了松散煤体的升温速率。 所以，胶体阻化惰泡具有多效协同的防灭火作用，防灭火效果显著。

3）本发明采用二级发泡装置，和以前的装置比较具有发泡效果好，输送距 离远，对胶体阻化混合液的利用率高等优点，很好的解决了一级发泡装置输送 动力不足的问题。

4）本发明采用射流比例混合器对胶体阻化液和水进行混合，利用井下压力 水作为动力，不需要水泵，进而也不需要用到电，保证了井下的安全。

5）本发明提供的胶体阻化惰泡制备装置体积小、结构简单、操作方便、运 行安全、稳定可靠，使用动力可以采用井下正常使用的供水、注氮系统，在高 瓦斯矿井使用更安全可靠，且对环境和人员没有任何负面影响。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图；

图2为本发明的结构简图；

1-射流比例混合器；2-压力水进口；3-矿用截止阀；4-滤网；5-防爆涡街流 量计；6-发泡装置进气口；7-射流比例混合器喷嘴；8-吸液室；9-喉管；10-扩散 管；11-射流比例混合器出口；12-胶体阻化液进口；13-一级发泡装置外壳；14- 螺旋喷嘴；15-发泡网；16-泡沫出口；17-积液出口；18-快速接头；19-法兰接口； 20-二级发泡装置外壳；

具体实施方式

参见图1、图2，本发明的胶体阻化惰泡制备装置包括射流比例混合器装置、 一级发泡装置、二级发泡装置以及气体输送装置。射流比例混合器装置包括射 流比例混合器1、与射流比例器喷嘴7连接的压力水进口2、与射流比例器吸液 室8连接的胶体阻化液进口12，射流比例器输出口11与一级发泡装置进液口连 接；一级发泡装置包括置于外壳内的发泡室，和进液口连接的螺旋喷嘴14，发 泡室内设有发泡网15，发泡室的胶体阻化惰泡输出口与二级发泡装置胶体阻化 惰泡进口连接，发泡装置进气口6与气体输送装置出口连接；气体输送装置为 提供高压气体的输送装置，所述的压力气体是氮气或二氧化碳，考虑到对工作 人员的安全，优选氮气。二级发泡装置进气口6与气体输送装置出口连接，二 级发泡装置胶体阻化惰泡出口与泡沫出口16连接，考虑到阻化剂对泡沫的破泡 效果以及发泡效果，选择高分子胶体阻化剂，在阻化液中加入一定量的稳泡剂， 表面活性剂等。氮气的压力优选为0.6～1.0MPa。

参见图2，射流比例混合器包括喷嘴7、位于喷嘴外围的吸液室8、与吸液 室连接的喉管9和与喉管连接的扩散管10，经过一系列的计算，根据所选压力 不同，而选择的比例混合器也不同，喉管长度一般为喉管半径7倍，扩散管长 度为喉管半径的8倍，喷嘴到喉管的距离为喉管半径，当压力水的压力为0.6～ 1.2Mpa时，阻化混合液与压力水的体积流量比为3:97或6:94。

由于本发明在工作时，胶体阻化惰泡装置在发泡过程中会产生液体，影响 发泡工作，因此，胶体阻化惰泡装置在二级发泡装置上设置了排液口17，装有 排液阀，当胶体阻化混合液在二级发泡装置内达到一定高度且影响发泡效果时， 打开排液阀，将残留液体排出。

为了实时观测管道上液体的压力和流量，防止杂质进入，在压力水进口2 管道上和胶体阻化液进口12管道上设置有矿用截止阀3、滤网4、防爆涡街流 量计5，管道间采用矿用快插接头；气体输送装置进气口的管道上设置有防爆涡 街流量计5、矿用截止阀3；压力水与胶体阻化液的流量和比例可以利用矿用截 止阀3进行调节与控制。一级发泡装置内的发泡网15通过法兰接口19，卡在发 泡室内，可以进行拆卸，方便更换，一级发泡装置分为两部分，通过法兰连接， 便于实心螺旋喷嘴14的安装与更换，还可以调节实心螺旋喷嘴14到发泡网15 的距离。本发明各个管道的端头采用了矿用快速接头，工作人员可以根据煤矿 深度的具体情况，灵活的增加、拆卸或安装本发明的装置。

如图1所示，胶体阻化惰泡制备装置的使用流程图，高压水和胶体阻化液 通过射流比例混合器的混合，进入一级发泡装置，经过一次发泡，通过气体输 送装置进入二级发泡装置，进行二次发泡，再次通过气体输送装置，经泡沫出 口注入目标区域。

实例具体说明，压力气体以氮气为例：

工艺流程图如图1所示，在某个矿井，把胶体阻化惰泡制备装置放到采空 区附近，采用井下专用压力水输送管路，1.0Mpa压力水由压力水进口进入射流 比例混合器的喷嘴，在喷嘴出口处由于压力水射流和空气之间的黏滞作用，把 喷嘴附近的空气带走，使喷嘴附近形成负压（主流的流速增加，位能降低，动 能增加），在环境大气压力作用下，被抽送的胶体阻化液体经吸液室被吸上来（胶 体阻化液体与压力水的体积流量比为3:97或6:94），并随同压力水一同进入喉管 内，在喉管内两股液体发生动量交换，压力水将一部分能量传递给被抽送的胶 体阻化液体，压力水流速减慢，被抽送的胶体阻化液体速度加快，到达喉管末 端时两股液体的速度渐趋一致，混合过程基本完成，形成胶体阻化混合液进入 扩散管，在扩散管内流速逐渐降低（动能逐渐减小），位能（压力）逐渐增高， 到扩散管出口处胶体阻化混合液的压力高于被抽送的胶体阻化液体流入喉管的 压力，低于压力水流入喉管的压力，最后胶体阻化混合液从DN20mm的扩散管 排出，通过螺旋实心喷嘴，进入一级发泡装置。

在胶体阻化惰泡装置内，经过螺旋实心喷嘴，胶体阻化混合液喷洒到发泡 网上，通过气体输送装置，氮气进入一级发泡装置，通过发泡网，胶体阻化混 合液进行一次发泡，动力水的流量为3m³/h，氮气流量为300-600m³/h，按照3:97 或6:94的比例进行计算，则每小时消耗的胶体阻化液为0.093m³/h或0.191m³/h， 进入一级发泡装置的胶体阻化混合液的流量为3.093m³/h或3.191m³/h。经过一 次发泡装置后，经试验测定发泡倍数可达60-80倍，为了进一步增强阻化混合液 的利用率以及发泡倍数，在二级发泡装置内进行二次发泡，最终发泡倍数可达 120-200倍，产生的泡沫量为360-700m³/h，稳泡时间大于20小时。

如图1所示，经过二次发泡以后，通过气体输送装置，经预埋管路将胶体 阻化惰泡输送到采空区，利用胶体阻化惰泡良好的流动特性和运移特性，把胶 体阻化剂带到远距离隐蔽自燃危险区域，并可到达采空区高位空间，尤其对预 防采空区“两道两线”顶煤和煤巷自燃效果非常理想，在煤体表面形成一层阻化 膜，阻化膜的成分具有很强的吸水性，能使煤长期处于潮湿状态，减少煤氧化 学反应的官能团或阻止自由基反应，使氧化速度受到抑制，延长煤自然发火期， 氮气作为压缩气体的动力，在惰化自燃区域的同时，也起到抑制瓦斯和水煤气 燃爆的作用。并且泡沫具有粘度高、弹性大以及密度小的特点，能够移动并聚 积在采空区的空隙中，在回采工作面冒落矸石中建立空气不透气区。泡沫还具 有防热剂的性质，泡沫中的水分蒸发从周围吸收热量，1m³的水蒸发成水蒸汽吸 热46021.5J，同时煤的热容量和导热性能也增大了。另外泡沫液对煤具有较好的 湿润作用，能在煤的表面形成膜，阻碍煤对氧的吸附，减弱煤的氧化作用，降 低煤的发热速度。

注入胶体阻化惰泡以后，对采空区自燃进行实时监测，一氧化碳释放量明 显降低，温度也降低到合理范围以内，防灭火效果明显。