三相泡沫

一般粉煤灰和黄泥中的矿物组成主要有石英、莫来石、氧化钙等，同时有部分长石、硬石膏、磁铁矿、赤铁矿等矿物成分;粉煤灰与黄泥中的这些成分都是亲水性极强的物质，当其分散在水中形成泥浆后，颗粒周围形成了一层水化层，以阻止颗粒黏附在气泡壁上。当在水中加入表面活性剂后，表面活性剂一方面能使亲水性颗粒表面形成亲水基朝向粉煤灰或黄泥，疏水基朝向水的定向吸附， 使粉煤灰或黄泥表面变成疏水性，这样易于粘附在气泡壁上;同时表面活性剂吸附在气泡壁上，能形成稳定的水化层，且能防止气泡兼并，形成三相泡沫过程如右图所示;另一方面表面活性剂能有效地降低浆液的表面张力，有很强的发泡能力，能克服液相成分中大量阴阳离子及杂质的影响，使水容易形成大量的泡沫群体。

粉煤灰或黄泥浆注入氮气发泡后形成三相泡沫，体积大幅增大，在采空区中可向高处堆积，对低、高处的浮煤均能有效地覆盖，避免了普通注水或注浆工艺中浆水易沿阻力小的通道流失的现象(拉沟现象);氮气能有效地固封于三相泡沫之中并下落到火区底部，随泡沫破灭而释放出，充分发挥了氮气的惰化、抑爆作用;三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物质，这些固态物质组成三相泡沫面膜的一部分，可在较长时间内保持泡沫的稳定性，泡沫破碎后具有一定粘度的粉煤灰或黄泥仍可较均匀地覆盖于浮煤上，有效地阻碍煤对氧的吸附，防止了煤的氧化，从而遏制煤自燃的进程。上述内容表明三相泡沫具有降温、阻化、惰化、抑爆等综合性防灭火性能。

为防治矿井火灾，国内外广泛采用灌浆、喷洒阻化剂、注惰气等技术。在灌浆材料方面，主要是黄泥、粉煤灰，此外还有矸石、砂子、水泥砂浆、石膏、高水材料等;近年来，又较广泛地采用了胶体泥浆、阻化汽雾、泡沫树脂等防灭火技术。这些技术对保证矿井安全生产起了重要作用，但还存在一些问题:注浆方法泥浆分布不均，浆水往往沿着流动阻力小的通道流失，即存在所谓的"拉沟"现象;水玻璃-铵盐凝胶产生有毒有味的氨气，高分子凝胶成本高;水泥砂浆、高水材料、泡沫树脂成本高，工艺复杂;惰气易随漏风扩散，不易滞留在注入的区域内。为了克服现有防灭火方法的不足，国内外开展了压注惰气泡沫防治矿井火灾的研究。惰气泡沫由惰气(N2)和水两相物质组成，通过在水中加入起泡剂和其它添加剂，引入氮气而发泡。但泡沫的稳定时间短，一旦水分蒸发，防灭火的性能就消失。而在气、液两相泡沫材料中增加固态物质，构成三相泡沫就能克服其不足，为此中国矿业大学课题组率先提出地面钻孔大流量注三相泡沫防灭火技术。

三相泡沫是由中国矿业大学在2001年6月推出的防治煤炭自燃火灾的新材料，并迅速在全国范围内获得巨大的成功。三相泡沫防灭火挽救了宁夏白芨沟矿的特大型瓦斯爆炸矿井，防止了铁法大兴矿高产高效工作面的封闭，扑灭了多个矿井的隐蔽火源。

三相泡沫的生产流程:首先在制浆站中，将一定比例的水与黄泥搅拌混合形成黄泥浆体，通过渣浆泵输送到注浆管路中， 再通过定量螺杆泵将发泡剂加入到注浆管路中，浆液与发泡剂在管道中混合后进入发泡器，在发泡器中接入气源管路，惰性气体与含有发泡剂的黄泥浆体相互作用产生出三相泡沫。其工艺流程图如右图所示。

(1)在管路连接时，发泡设备两端要求4寸管路，如发泡设备前管路不为4寸，可使用适当的变径对接。发泡设备后的管路也可用分流器(比如4寸变为多个2寸，对多个钻孔同时灌注);

(2)地面钻孔孔口要求封严，防止空气进入;

(3)发泡剂的流量使用定量注浆泵上的调速手柄进行调节(最大流量为0.5m3/h)。比如浆体流量20m3/h，发泡剂流量为100kg/h(为浆体的0.5%);

(4)黄泥浆(或粉煤灰浆体)要求混合均匀，黄土若含沙量太多对发泡有影响，如黄土土质不好，建议使用粉煤灰浆体。

三相泡沫对一般性封闭采空区煤炭自燃、较大范围采空区火灾和巷道火灾、采空区高位和不明位置隐蔽火源、综放及俯采工作面煤炭自燃的扑灭和预防， 效果都十分显著。结合煤矿现场的实际情况，中国矿业大学课题组提出了地面打钻、支架后方插花管、沿顺槽采空区埋管和与其它防灭火技术手段(注砂、注凝胶等)相互配合使用的多种注三相泡沫的工艺技术，并在很多现场成功地推广和应用。

(1)地面打钻大流量注三相泡沫扑灭特大型火区技术

当采空区发生较大范围火灾，井下无法采取灭火技术手段时，可利用地面打钻大流量注三相泡沫技术，将大量三相泡沫在采空区迅速堆积，快速充满整个防灭火区域，有效地控制和扑灭采空区火灾。

(2) 巷道打钻大流量注三相泡沫扑灭大范围高冒火区技术

当发生大范围巷道高冒火灾，可利用巷道打钻大流量注三相泡沫技术，依靠大量的三相泡沫迅速在高冒区中呈三维状向周围运移堆积，包裹、覆盖了高冒区内松散煤体;同时泡沫破灭后释放出氮气，充分发挥氮气的惰化、抑爆作用。

(3)停采线打钻注三相泡沫防治采空区煤炭自燃技术

对于防治封闭采空区的煤炭自燃，利用在停采线每隔15~20m打一个钻孔，通过钻孔注三相泡沫在采空区进行范围覆盖和堆积而捕捉隐蔽火源点。

(1)三相泡沫在采空区可向高处堆积，对低、高处的浮煤都能覆盖，能有效的解决因采空区比工作面地势高而造成的"拉沟"现象;

(2)注入在采空区的氮气被封装在泡沫之中，能较长时间滞留在采空区中，充分发挥氮气的窒息防灭火作用;

(3)三相泡沫中含有黄泥固态物质，这些固态物质是三相泡沫面膜的一部分，可较长时间保持泡沫的稳定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的黄泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤上，可持久有效地阻碍煤对氧的吸附，防止煤的氧化，从而有效地防止煤炭自燃发火。

可知三相泡沫具有很好的适应性和优越性，更好的达到防火效果，确保井下安全生产。