防治煤田火災的兩相泡沫技術淺析

防治煤田火災的兩相泡沫技術淺析

彭斌

（新疆維吾爾自治區煤田滅火工程局，新疆烏魯木齊830063）

摘要：新疆是我國煤田火災最為嚴重的地區，兩相泡沫具有較好的滅火降温性能。本文總結了兩相泡沫的滅火降温機理，分析了兩相泡沫的形成機理及當前的製備工藝，為新疆大面積煤田火災的治理提供參考。

關鍵詞：煤田火災；治理技術；兩相泡沫

煤田火災是指地下煤層因自然或人為因素髮火後，逐步發展成對煤炭資源和生態環境造成較大危害的大面積煤燃燒現象[1]。煤火直接燒燬煤炭資源，釋放大量有毒有害的物質，導致地表災害等問題[2-4]。治理煤火的最主要手段是注水注漿配合黃土覆蓋[5,6]。水、土等滅火材料較易獲取，因此注水注漿是最經濟的滅火方法。但在治理中傳統注水注漿方式存在沿煤巖裂隙或老窯通道流失的侷限。兩相泡沫滅火技術可克服水漿水體易流失、擴散不均勻、無法控制高位火源點的缺陷，且泡沫耗水量低，適用於新疆地區水資源匱乏的現狀。

1. 兩相泡沫的滅火原理

兩相泡沫的滅火作用主要包括封堵窒息、冷卻降温、阻化防復燃。

1） 封堵作用

兩相泡沫具有較好的堆積性，能對較大的空間和空隙進行填充，對漏風通道進行有效封堵（圖1），可在多孔介質中形成“氣液段塞”，氣液分離速度下降，液膜不容易破壞，並且泡沫在運移過程中不斷破滅和再生，因此封堵有效期大大增加。

2）冷卻效應

泡沫滅火最初應用的目的是增加水滅火的有效性，把滅火用水從近距離轉變為遠距離。國外最先採用泡沫網的設計形式，產生了高倍數泡沫，噴至火源所在巷道內，大量泡沫在風流作用下不斷向前堆積，形成巷道“泡沫塞”，泡沫中水分蒸發吸收大量熱量，使巷道內温度迅速降低直至熄滅火源。

3）阻化防復燃

煤的自然氧化是一個自由基的鏈式反應，必須滿足一定的條件才能進行循環氧化，破壞其中一個或多個條件，就可達到中止鏈式反應的目的，防止煤炭自燃。泡沫混合溶液的表面張力係數低，使得泡沫能更快滲入煤巖內部而有效防止復燃。

2. 兩相泡沫的生成機理

1）泡沫形成條件

①氣液兩相接觸

氣液兩相接觸是泡沫產生的必要條件，泡沫是一種大量氣體分散在液體連續相中的分散體系，只有氣體與液體連續充分接觸所產生的泡沫液膜才能有效包裹氣相，形成兩相泡沫。

②產泡速度大於破泡速度

產泡速度大於破泡速度，是泡沫液產生連續穩定泡沫的基礎。相反如果泡沫破滅速率大於產泡速率，泡沫在泡沫液中只能瞬間存在，比如：純水與氣體無論如何混合都不可能產生泡沫羣體，而只能產生單泡。要得到穩定的泡沫需在純水中加入一定的表面活性劑，改善水體表面張力，使產泡速度大於破泡速度。

2） 兩相泡沫的生成機理

在泡沫分散體系中，分散相是氣體，分散介質是液體。向水中添加活性劑後，表面活性劑溶於水後會吸附在氣－液界面，表面活性劑親水基一端朝向水，疏水基一端朝向氣體，當氣－液界面上吸附的表面活性劑濃度增大到一定程度時，其分子已經不能夠平躺在表面，而會自動形成定向排列的直立狀態從而減少其所佔的面積。當通過發泡裝置使得發泡液和氣體接觸並使之發生紊流時，發泡劑的分子在溶液中也會發生上述的排列和吸附，且疏水基一端朝向氣體，親水基一端深入水中且密集的排列在氣體和液體接觸的面上，形成單分子膜產生的泡沫，在發泡裝置不斷引入氣體到混合體系中，這時單分子膜產生的泡沫再和氣體接觸時，發泡劑就吸附在液麪兩側從而形成雙分子膜，此時泡沫穩定時間變長，隨着時間的推移，就能夠形成大量的泡沫羣體。

3. 兩相泡沫的製備工藝

目前泡沫發生器種類主要包括渦輪式、網式、同心管式、檔板式、射流泵式發泡器。渦輪式泡沫發生器採用氣體、液體及表面活性劑從不同噴嘴注入的方式，增加氣、液充分混和、碰撞、擠壓的機會來提高發泡效率，此類發泡器的特點是發泡效率高，性能穩定，但渦輪組件製造複雜；網式發泡器的工作原理是噴嘴把發泡液霧化噴灑在發泡網上形成液膜，風流鼓吹髮泡網進行發泡，優點是能夠形成高倍數泡沫，但對發泡液和風流的壓力和速度要求比較苛刻，過大或者過小都影響發泡效果；擋板式泡沫發生器中氣相和液相從相同的入口注入發泡腔體，通過發泡腔體內的檔板實現氣、液混合和發泡；射流泵式泡沫發生器中液體和氣體在喉管入口段及喉管內混合進行能量和質量傳遞，通過擴散管將混合流體的動能轉換為壓能，產生的泡沫沿擴散管被輸送出去，其優點是結構簡單、穩定，缺點是對泡沫液的粘度要求較高、發泡倍數相對較低。如下圖所示：

射流泵式泡沫發生器結構示意圖

4. 泡沫的輸運

泡沫的輸送指發泡裝置製得的兩相泡沫輸送到滅火區域的過程。根據滅火地點的不同，泡沫的輸送分為兩大部分，即：管道內的輸送和巷道空間內泡沫的流動。

（1）管道內泡沫輸送

泡沫是氣液兩相流體，在管道內流動是複雜的氣液兩相流動，流動過程中，泡沫與管道壁面會發生作用，相互撞擊過程中泡沫不斷破碎和重生成，同時泡沫膜壁會逐漸變薄，小泡併為大泡，泡沫均勻性發生改變。

泡沫在管道流動分為層流、紊流和過渡流三種流動。流動形式的不同主要受流速的影響。液體流速較小時，氣體在擴散段內的獨立性較強。隨着液體流速的增大，產生的泡沫紊流程度增強，氣液混合趨於均勻，大顆粒泡沫逐漸消失，粒徑較小的微泡沫開始增多，使得管道內“氣泡鏈”也就變得更細更均勻。

泡沫在管道流動過程中，管道輸送長度對泡沫結構也存在影響。發泡倍數隨着泡沫輸送長度的增加呈現先增加後減小趨勢，因為在一定的範圍內，輸送管道長度的增加，增大了泡沫液與氣體在管道中相互擾流流動的長度，使得氣液混合得更加充分，促進泡沫的形成，從而發泡倍數不斷增加。當輸送管道增加到一定長度後，管道中的擾流達到最大，發泡效果達到最好，但如超過這個臨界長度，隨泡沫前進的阻力激增，使已形成的泡沫無法迅速釋放，進而在管路內部發生“消泡”現象，從而發泡倍數開始減少。

（2）泡沫在巷道空間內的流動

兩相泡沫在巷道內的輸送過程中，在開始階段泡沫沿着底板向前流動，巷道上部留有大量自由空間，一段時間後泡沫開始充滿後部巷道，泡沫近似為一個整體結構向前推進，泡沫最前面的自由面始終和水平面保持着一定的角度。在傾斜巷道中則有兩種情況：當泡沫向高位流動時，泡沫充滿巷道向上推進，其自由表面層和水平面交角很小，當泡沫向低位流動時，泡沫依靠自重，首先是沿着巷道底板往下滑到達下部，同時往上排出空氣。

5. 結論

應對新疆地區煤火防治中水資源短缺的問題，本文從滅火原理以及泡沫製備的角度分析了兩相泡沫防滅火技術。兩相泡沫在流動性、堆積性、以及降温阻燃性能方面有獨特優勢，同時憑藉其較少的耗水量可在新疆煤火防治中發揮重要作用。目前，本項技術中泡沫的製備環節可繼續優化，在實現高效製備的基礎上降低成本，進一步提高其實用性。

參考文獻

[1] 張建民，中國地下煤火研究與治理[M], 北京：煤炭工業出版社，2008.

[2] Kuenzer C, Zhang J, Tetzlaff A, et al. Uncontrolled coal fires and their environmental impacts: investigating two arid mining regions in north-central China. Appl. Geogr. 2007, 27(1): 42–62.

[3] Finkelman R B. Potential health impacts of burning coal beds and waste banks. International Journal of Coal Geology, 2004, 59(1-2): 19-24.