防治大空间煤炭自燃的泡沫高效制备技术及应用研究

发布时间：2017-11-08 16:27

  本文关键词：防治大空间煤炭自燃的泡沫高效制备技术及应用研究

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【摘要】：采空区煤炭自燃是煤矿生产中的主要自然灾害之一,它不仅烧毁或冻结大量煤炭资源,而且易诱发瓦斯爆炸,造成更大的人员伤亡和财产损失。采空区煤自燃存在火源隐蔽、过火面积大、火区呈空间立体分布的特点,传统的灌浆、惰气、阻化剂等防灭火技术难以有效治理大空间煤炭自燃火区。大流量阻化泡沫是防治采空火区的有效技术手段,但现有泡沫制备技术存在发泡剂添加不稳定,泡沫发生器产泡性能弱,阻力损失大的不足,煤矿现场大流量泡沫实施工艺科学性的缺失,也严重制约了该项技术的发展。本文以制备出大流量泡沫为出发点,创新性提出了泡沫高效制备方法与核心技术,取得的主要成果和结论如下:提出了射流汽蚀定量添加发泡剂的原理和方法。阐述了汽蚀界面波理论,分析了其运动特点及实现稳定吸液的机制,探究了出口压力、流量比、汽泡区范围对射流装置汽蚀吸液性能的影响,实验研究表明:汽蚀吸液压力为-94~-95 kPa,接近并略高于发泡剂的饱和蒸汽压,最大汽蚀吸液量为0.086 kg/s,最大汽蚀吸液比例为19.5%,吸液口下游测点压力随汽蚀流量比增大而降低,临界压强比随汽蚀流量比减小而增大,汽蚀区长度随汽蚀流量比增大而减小,汽蚀吸液时,吸液腔汽泡直径不变,喉管腔汽泡直径随汽蚀流量比增大而变小,且吸液腔汽泡直径大于喉管腔;射流汽蚀吸液模拟结果表明:汽液过渡波面内,混合流体密度、压力和速度发生突变;出口压力增大,汽泡区域减小直至完全消失,轴线上汽泡体积分数由58.6%减小至0;汽蚀吸液时,速度矢量由吸液口一致朝向射流装置内部,吸液量稳定,证明了采用汽蚀原理进行稳定吸液的科学性和准确性。发明了矿用新型螺旋射流式泡沫发生器。结合煤矿泡沫灭火的现场条件,构思设计该装置由射流喷嘴、螺旋喷头、扩散器和双层复合凹面网构成,实验研究了供液压力、供液流量、出口压力对螺旋射流式泡沫发生器产泡性能的影响,结果表明:随供液压力增大,供气压力小幅线性增加,供气量减小;供液量较低时,发泡效果差,泡沫量小,供液量增大时,泡沫量和发泡倍数增大,装置最佳工作流量为3.5~4.5 m3/h,继续增大供液量,泡沫量增大不明显,发泡倍数降低;供气压力随出口压力增大线性增大,且供液量越高,供气压力增幅越大,出口压力较低时,泡沫量变化不大,当出口压力大于临界出口压力后,泡沫量急剧降低。模拟结果表明:射流混合装置提高了气液出口断面组分的均匀度,改善了混合流体速度分布,距离混合出口更近的射流装置,气液组分和速度分布更均匀,实现了高供液压与低供气压的匹配,当射流出口位于进气口上游时,在进气口附近引起较大湍动能,当喷嘴处于进气口下游时,混合流体速度矢量趋于方向一致,混合装置腔体内不再出现旋流涡团,出口断面的湍动能明显降低。研究了泡沫在多孔介质采空区内的流动特性。设计了灭火泡沫制备工艺,构建了可视化采空区平台和泡沫灌注系统,探究了泡沫在多孔介质内的堆积性、扩散性、稳定性、封堵性、阻化性及对高位火源的灭火降温特性。研究表明:泡沫在采空区内呈梯形扩散,初始阶段,泡沫在水平方向上流动最快,随着流动阻力增大,扩散变慢,泡沫最终流动速度为0.0084~0.0087 m/s;气泡在裂隙内通过时间很短,并最终铺展在裂隙内边缘,发泡倍数越高,泡沫衰减越快,半衰期越短,泡沫对多孔介质裂隙的封堵时间约10 min,封堵压力6 kPa;泡沫快速扑灭了采空区上部燃烧煤体,火源中心温度由632.6℃降至38.5℃,泡沫对煤体阻化性较泥浆显著提高。全尺寸模拟采空区泡沫灌注结果表明:随灌注时间增长,泡沫在采空区内的流动压力和扩散长度不断增大,泡沫灌注2~20 h时,灌注压力随时间不断升高,灌注20~24 h后,泡沫由工作面涌出,泡沫仅向窒息带扩散了不足10 m,泡沫流动压力的最高点向采空区内部偏移,泡沫沿工作面方向扩散大于向两侧的扩散,灌注前期,泡沫在垂直方向的堆积较慢,之后有小幅波动,最终堆积速度趋于稳定。开发了基于发泡剂汽蚀定量吸液与螺旋射流高效发泡的矿用大流量泡沫灭火技术。通过明确大空间煤自燃火区成因及火源发展特点,有针对性地提出了露天矿与井工矿大流量泡沫实施工艺及具体灭火技术方案,建立现场泡沫灭火效果评估指标体系,并在东露天矿4#煤1245平盘和邹庄矿3103工作面采空区成功进行了工业性试验。现场应用效果证明:该技术耗水量小,发泡剂比例低(0.5%~1%),发泡倍数高(70~100倍),灭火降温效果显著,防复燃效果好,大幅降低了火区内CO浓度,系统装备操作简单,煤矿现场适用性强,可靠性高,解决了采空区高位隐蔽火源的防治难题,实现了大空间煤炭自燃火区的高效快速治理,经济、环境和社会效益突出。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD752.2

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