防治煤田火灾的两相泡沫技术浅析

防治煤田火灾的两相泡沫技术浅析

彭斌

（新疆维吾尔自治区煤田灭火工程局，新疆乌鲁木齐830063）

摘要：新疆是我国煤田火灾最为严重的地区，两相泡沫具有较好的灭火降温性能。本文总结了两相泡沫的灭火降温机理，分析了两相泡沫的形成机理及当前的制备工艺，为新疆大面积煤田火灾的治理提供参考。

关键词：煤田火灾；治理技术；两相泡沫

煤田火灾是指地下煤层因自然或人为因素发火后，逐步发展成对煤炭资源和生态环境造成较大危害的大面积煤燃烧现象[1]。煤火直接烧毁煤炭资源，释放大量有毒有害的物质，导致地表灾害等问题[2-4]。治理煤火的最主要手段是注水注浆配合黄土覆盖[5,6]。水、土等灭火材料较易获取，因此注水注浆是最经济的灭火方法。但在治理中传统注水注浆方式存在沿煤岩裂隙或老窑通道流失的局限。两相泡沫灭火技术可克服水浆水体易流失、扩散不均匀、无法控制高位火源点的缺陷，且泡沫耗水量低，适用于新疆地区水资源匮乏的现状。

1. 两相泡沫的灭火原理

两相泡沫的灭火作用主要包括封堵窒息、冷却降温、阻化防复燃。

1） 封堵作用

两相泡沫具有较好的堆积性，能对较大的空间和空隙进行填充，对漏风通道进行有效封堵（图1），可在多孔介质中形成“气液段塞”，气液分离速度下降，液膜不容易破坏，并且泡沫在运移过程中不断破灭和再生，因此封堵有效期大大增加。

2）冷却效应

泡沫灭火最初应用的目的是增加水灭火的有效性，把灭火用水从近距离转变为远距离。国外最先采用泡沫网的设计形式，产生了高倍数泡沫，喷至火源所在巷道内，大量泡沫在风流作用下不断向前堆积，形成巷道“泡沫塞”，泡沫中水分蒸发吸收大量热量，使巷道内温度迅速降低直至熄灭火源。

3）阻化防复燃

煤的自然氧化是一个自由基的链式反应，必须满足一定的条件才能进行循环氧化，破坏其中一个或多个条件，就可达到中止链式反应的目的，防止煤炭自燃。泡沫混合溶液的表面张力系数低，使得泡沫能更快渗入煤岩内部而有效防止复燃。

2. 两相泡沫的生成机理

1）泡沫形成条件

①气液两相接触

气液两相接触是泡沫产生的必要条件，泡沫是一种大量气体分散在液体连续相中的分散体系，只有气体与液体连续充分接触所产生的泡沫液膜才能有效包裹气相，形成两相泡沫。

②产泡速度大于破泡速度

产泡速度大于破泡速度，是泡沫液产生连续稳定泡沫的基础。相反如果泡沫破灭速率大于产泡速率，泡沫在泡沫液中只能瞬间存在，比如：纯水与气体无论如何混合都不可能产生泡沫群体，而只能产生单泡。要得到稳定的泡沫需在纯水中加入一定的表面活性剂，改善水体表面张力，使产泡速度大于破泡速度。

2） 两相泡沫的生成机理

在泡沫分散体系中，分散相是气体，分散介质是液体。向水中添加活性剂后，表面活性剂溶于水后会吸附在气－液界面，表面活性剂亲水基一端朝向水，疏水基一端朝向气体，当气－液界面上吸附的表面活性剂浓度增大到一定程度时，其分子已经不能够平躺在表面，而会自动形成定向排列的直立状态从而减少其所占的面积。当通过发泡装置使得发泡液和气体接触并使之发生紊流时，发泡剂的分子在溶液中也会发生上述的排列和吸附，且疏水基一端朝向气体，亲水基一端深入水中且密集的排列在气体和液体接触的面上，形成单分子膜产生的泡沫，在发泡装置不断引入气体到混合体系中，这时单分子膜产生的泡沫再和气体接触时，发泡剂就吸附在液面两侧从而形成双分子膜，此时泡沫稳定时间变长，随着时间的推移，就能够形成大量的泡沫群体。

3. 两相泡沫的制备工艺

目前泡沫发生器种类主要包括涡轮式、网式、同心管式、档板式、射流泵式发泡器。涡轮式泡沫发生器采用气体、液体及表面活性剂从不同喷嘴注入的方式，增加气、液充分混和、碰撞、挤压的机会来提高发泡效率，此类发泡器的特点是发泡效率高，性能稳定，但涡轮组件制造复杂；网式发泡器的工作原理是喷嘴把发泡液雾化喷洒在发泡网上形成液膜，风流鼓吹发泡网进行发泡，优点是能够形成高倍数泡沫，但对发泡液和风流的压力和速度要求比较苛刻，过大或者过小都影响发泡效果；挡板式泡沫发生器中气相和液相从相同的入口注入发泡腔体，通过发泡腔体内的档板实现气、液混合和发泡；射流泵式泡沫发生器中液体和气体在喉管入口段及喉管内混合进行能量和质量传递，通过扩散管将混合流体的动能转换为压能，产生的泡沫沿扩散管被输送出去，其优点是结构简单、稳定，缺点是对泡沫液的粘度要求较高、发泡倍数相对较低。如下图所示：

射流泵式泡沫发生器结构示意图

4. 泡沫的输运

泡沫的输送指发泡装置制得的两相泡沫输送到灭火区域的过程。根据灭火地点的不同，泡沫的输送分为两大部分，即：管道内的输送和巷道空间内泡沫的流动。

（1）管道内泡沫输送

泡沫是气液两相流体，在管道内流动是复杂的气液两相流动，流动过程中，泡沫与管道壁面会发生作用，相互撞击过程中泡沫不断破碎和重生成，同时泡沫膜壁会逐渐变薄，小泡并为大泡，泡沫均匀性发生改变。

泡沫在管道流动分为层流、紊流和过渡流三种流动。流动形式的不同主要受流速的影响。液体流速较小时，气体在扩散段内的独立性较强。随着液体流速的增大，产生的泡沫紊流程度增强，气液混合趋于均匀，大颗粒泡沫逐渐消失，粒径较小的微泡沫开始增多，使得管道内“气泡链”也就变得更细更均匀。

泡沫在管道流动过程中，管道输送长度对泡沫结构也存在影响。发泡倍数随着泡沫输送长度的增加呈现先增加后减小趋势，因为在一定的范围内，输送管道长度的增加，增大了泡沫液与气体在管道中相互扰流流动的长度，使得气液混合得更加充分，促进泡沫的形成，从而发泡倍数不断增加。当输送管道增加到一定长度后，管道中的扰流达到最大，发泡效果达到最好，但如超过这个临界长度，随泡沫前进的阻力激增，使已形成的泡沫无法迅速释放，进而在管路内部发生“消泡”现象，从而发泡倍数开始减少。

（2）泡沫在巷道空间内的流动

两相泡沫在巷道内的输送过程中，在开始阶段泡沫沿着底板向前流动，巷道上部留有大量自由空间，一段时间后泡沫开始充满后部巷道，泡沫近似为一个整体结构向前推进，泡沫最前面的自由面始终和水平面保持着一定的角度。在倾斜巷道中则有两种情况：当泡沫向高位流动时，泡沫充满巷道向上推进，其自由表面层和水平面交角很小，当泡沫向低位流动时，泡沫依靠自重，首先是沿着巷道底板往下滑到达下部，同时往上排出空气。

5. 结论

应对新疆地区煤火防治中水资源短缺的问题，本文从灭火原理以及泡沫制备的角度分析了两相泡沫防灭火技术。两相泡沫在流动性、堆积性、以及降温阻燃性能方面有独特优势，同时凭借其较少的耗水量可在新疆煤火防治中发挥重要作用。目前，本项技术中泡沫的制备环节可继续优化，在实现高效制备的基础上降低成本，进一步提高其实用性。

参考文献

[1] 张建民，中国地下煤火研究与治理[M], 北京：煤炭工业出版社，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.