新型注浆系统的设计及优化

李德军，魏子灿，任万兴,3

1山西焦煤山煤国际左云韩家洼煤业 山西大同 037000

2中国矿业大学安全工程学院 江苏徐州 221116

3中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室 江苏徐州 221116

富煤、贫油、少气是我国的基本国情，我国煤炭年产量超过世界煤炭年产量的一半，也反映了我国对煤炭资源的极大依赖[1-2]。煤炭开采过程中，自燃引起的火灾问题不容忽视[3]。

随着科技的发展，防治煤炭自燃的技术得到了长足的发展。防灭火凝胶类材料因为其优秀的保水性、突出的降温效果以及良好的封堵漏风能力，在煤矿防灭火领域得到了广泛应用。凝胶类材料优秀的防灭火能力需要配套的设备才能发挥出来[4-6]。笔者通过理论实践研发了一种新型注浆系统，用以充分发挥凝胶类材料的防灭火能力。

1 新型注浆系统

新型注浆系统如图1 所示。其中，气动双液注浆泵用以解决双组份材料高效泵送的问题；发泡成胶装置用以解决浆液混合不均匀、发泡倍数低和流量小的问题。

图1 新型注浆系统Fig.1 New-type grouting system

2 气动双液注浆泵

提高注浆效率是设计气动双液注浆泵的首要目标。该泵共拥有 6 个进出口，2 个液体进口和 2 个料液出口，泵体下部设置有气体入口以及排气孔，用以稳定气压。采用双液注浆泵添加 A 料和 B 料，以压缩空气为动力，推动气缸活塞往复运动。与泵头的双柱塞以及吸、排气阀共同作用，完成浆液的吸、排工作[7-8]。

2.1 工作参数测

为了进一步掌握拨气动双液注浆泵的工作特性，对其工作参数进行试验与检测。设定进出口压力，然后对其流量、耗气量等参数进行测定，其中气缸容积为 0.65 dm3，性能参数如表1 所列。

表1 气动双液注浆泵性能参数Tab.1 Performace parameters of pneumatic double liquid grouting pump

2.2 不同进口压力下的参数关系

(1) 流量与出口压力的关系 通过表1 可得，当进口压力一定时，出口压力越大，流量越小。井下实际操作时，可以根据测定的数据调整进出口压力，从而获得适合泡沫凝胶生产的料液量，产生高质量泡沫凝胶。

(2) 耗气量和出口压力的关系 通过对进出口压力、流量及耗气量的关系进行比较分析，得到在相同进口压力条件下，出口压力越大，耗气量越小。

3 新型稳流器的设计

气动双液注浆泵中，设计了流量补偿器即新型稳流器。

新型稳流器的作用是：①在流量不足时瞬时补充流量；②在系统运行稳定时吸收压力脉冲[9]。其原理如图2 所示。

图2 稳流器工作原理Fig.2 Working principle of current stabilizer

通过对气动双液注浆泵的测定，进口压力为 0.5 MPa，出口压力为 4 MPa，对应的流量为 1 L/min，泵的冲次约为 45 次/min，即频率为 0.75 Hz。气动双液注浆泵行程如图3 所示。

图3 气动双液注浆泵行程Fig.3 Stroke of pneumatic double liquid grouting pump

由图3 可知，每 0.75 s 会有 0.25 s 的供料间隔，这是造成供料波动的主要原因。在稳流器工作原理的基础上，设计了新型稳流器，如图4 所示。

图4 新型稳流器Fig.4 New type current stabilizer

图5 加入新型稳流器后的气动双液注浆泵行程Fig.5 Stroke of pneumatic double liquid grouting pump after adding a new current stabilizer

该稳流器主要是由 52 个水平腔体和 4 个竖管组成，每个腔体都有一高一低 2 个竖管，其竖管内部为空气仓。当料液经过水平腔体时，会在竖管中储存一定的料液，注浆间隙时，在重力作用下流入水平腔体，起到补偿料液的作用。而一高一低 2 个竖管是为了更好吸收压力波动，实现新型稳流器的二次调节，使料液能够均匀添加至发泡成胶装置中。在加入新型稳流器之后，气动双液注浆泵的行程如 5 所示。

4 新型发泡成胶装置

发泡成胶装置是制备高质量泡沫凝胶材料的重要组成部分。由于该材料的原料添加顺序和目标产物的不同，现有的设备不能满足其需要，所以研发了新型发泡成胶装备。

4.1 模拟装置设计

4.1.1 射流设计理论

新研制的射流添加装置属于紊动射流、有限空间射流、淹没射流、伴随射流的综合。

伴随紊动射流是一种及其复杂的射流问题，当紊动射流进入具有一定速度和压力的流场，应使用阿勃拉摩维奇算法[11]，利用射流边界层变厚规律和积分形式的动量方程进行紊动射流积分。

对轴对称紊动射流列动量方程

列连续性方程

式中：ρ为射流密度，kg/m3；μ为轴向时射流均速度，m/s；v为纵向时射流均速度，m/s；τ为紊动射流切应力，N。

式(3) 中，正号对应主射流流速低于伴随射流流速，负号对应主射流流速高于伴随射流流速的情况，其中积分常数由射流出口条件和流经物体的阻力共同决定。

4.1.2 设计原理

国内外现有发泡设备的主要形式有孔隙式、螺旋式、网式、同心管式和射流泵式[10]。常用的发泡设备都具有以下特点：

(1) 利用射流原理，采用物理发泡；

(2) 最大程度地增加碰撞强度，使得发泡剂和溶液充分混合，再利用高速气流和液体的相互碰撞，初次发泡；

(3) 利用网孔、螺旋板、孔板等装置增加初次泡沫的扰动，使其二次发泡。

考虑到一些特殊环境因素，发泡设备所使用的发泡液和风流的速度及压力均较大，使用的矿井循环水含有煤岩颗粒物等固体杂质，极易导致泡沫发生器中的细小通道堵塞。经过研究比较同心管式、射流泵式、挡板式发泡器的优点，设计研发了新型发泡成胶装置[12]。

为保证结构设计合理、泡沫效果好以及凝胶质量优秀，设计过程中应重点考虑以下 4 个因素：①尽可能保证气、液两相流体高速紊态流动；②尽可能保证液体呈分散状，用以增大与气体的接触面积；③其内部不能出现其他运动物体，防止发生阻塞现象；④ 尽可能增加泡沫与添加剂的接触面积，使料液混合均匀。

新型发泡成胶装置的设计思路。

(1) 保留物理发泡的优点，采用文丘里管形式，充分利用井下风压和水压大的特点，形成射流，保证混合液具有较高的流速。

(2) 在文丘里管的收缩段添加一个锥形散流盘，通过混合液冲击散流盘，产生湍流旋涡，并生产破碎液膜，这样避免了气液分离，既增加了气液的接触面积，更有利于引入氮气进行发泡。

(3) 将添加剂 B 的添加方式设置为径向双向对流，增加了泡沫液与添加剂 B 的接触面积。

(4) 在新型发泡成胶装置后部设置了多个一定角度的挡板，将其交错安放，挡板上设置多个大小不一的孔洞，用以增大泡沫液与添加剂 B 的混合强度，同时也增强了其湍流和涡流速度。

4.1.3 结构设计

根据井下特点，发泡设备采用物理发泡的原理，含有发泡剂的浆液由渐缩管吸入，并从喷嘴射出撞击在散流板上，气体整流器放置于渐缩管前端，用以控制气流，沿轴线方向流动。整流器上的气孔，使得气流速度增大，也增加了气液撞击效果，增强了发泡效果。

该新型发泡成胶装置另一个特点是实现了发泡和成胶相结合融为一体。为保证能生产出高质量泡沫凝胶材料，选择黏度较大的凝胶剂，并采用径向对流添加器。通过圆心方向和小型添加器的反向添加 2 种方式共同作用，使得泡沫在遇到出料孔射出的添加剂之后，快速混合。

泡沫凝胶材料的发泡过程如下。

(1) 含发泡剂的混合液由进水口被压入射流器中，产生高速射流，射流撞击到散流板上，生成大量液壁很薄的水膜。同一时间，进气口中通入高压氮气，经过气体整流通道，再经排气孔高速吹向散流盘，被产生的水膜包裹形成气泡。

(2) 大量气泡形成泡沫，被压入胶凝剂对流添加器中，胶凝剂从进料口进入，分别经过周向进料槽和径向进料槽后，由料孔排出并形成对流，径向对流射出的胶凝剂和轴向压入的泡沫接触后快速混合，通过胶凝剂附着在泡沫表面并锁住水分，形成初步的高效保水泡沫凝胶材料。

(3) 初步形成的泡沫凝胶材料经过混料孔及两两错开的螺旋混料板后，充分混合，形成稳定可靠的泡沫凝胶材料，最终通过出料口连接的管道，输送至火灾区域。

4.2 数值模拟

在经过对新型发泡成胶装置的工作原理和结构设计分析之后，对整个装置内部凝胶材料的压力分布进行数值模拟。

4.2.1 发泡段模拟

在发泡段所采用的是文丘里管，通过管径的收缩将静压力转化为动压力，用以提高流体的速度，从而进一步增加流体与锥形管中流体的撞击动量，使得流体的扰动范围增加，提高了发泡能力。压力分布数值模拟如图6 所示。

图6 压力分布数值模拟Fig.6 Simulated pressure distribution

4.2.2 不同时间凝胶材料的压力状态

通过设置初始速度为 2.5 m/s，模拟了在不同时刻发泡成胶管内部的压力分布，如图7 所示。

图7 不同时刻发泡成胶管内部的压力分布Fig.7 Pressure distribution inside foaming-into-gel tube at different times

4.3 装置结构与工作流程

新型发泡成胶装置主要由壳体、壳盖、底架、发泡成胶部分等组成。

该装置利用井下的供水和风压管路，通过专用设备在水中加入一定比例的 A 料，引入风压先行发泡，再加入 B 料混合，形成凝胶。依靠液体和气体连续流动，高效稳定的制备出保水泡沫凝胶材料，不需要额外动力。在完成加料、发泡、混料等流程，生产出高保水泡沫凝胶材料，通过专用组件喷洒或灌注防灭火区域。

新型发泡成胶装置有如下特点。

(1) 不需要额外的动力驱动，工作时不产生噪声。在环境变化较大的场所均可使用，安全可靠。

(2) 可控性强，可以根据不同需求进行参数调整，用以满足不同流量和不同输送介质的特殊需要。

(3) 易于操作，方便重新组装，结构简单。

(4) 体积小、质量轻，便于移动和使用。

(5) 内部含有独特的混合部件，能保证泡沫和凝胶均匀混合，从而提高灭火效果。

5 实践应用

2021 年 2 月 13 日，西盘区辅助运输巷 750 m 西帮距巷道顶板 1 m 处锚杆孔口出现冒烟现象，西盘区回风巷 670 m 煤柱裂隙 CO 质量浓度为 1 000 g/m3。在出现发火迹象后，矿方采取了淋水降温，巷道喷浆，降低西盘区辅助运输巷供风量等防灭火措施，但CO 仍有超标现象。

在西盘区回风巷煤岩体温度异常区、CO 超标区、出现自燃征兆区及前后 20 m 的煤柱等区域，运用新型注浆系统压注封堵材料和泡沫凝胶材料，用以堵塞漏风通道降温防灭火。经过治理，西盘区辅助运输巷 750 m 处温度降至 13 ℃，西盘区回风巷裂隙CO 质量浓度降至 400 g/m3。在现场应用时，总体注浆效果均匀流畅，未出现断流现象；压注泡沫凝胶材料时，材料发泡均匀，成型效果良好，未出现发泡失败现象；双组分防灭火材料在物料混合反应、灌注输送、发泡成型过程中均未产生热量。

6 结论

新型注浆系统主要包括气动双液注浆泵、流量补偿稳流器以及新型发泡成胶装置，经过数值模拟和井下实际应用证明，具有如下结论。

(1) 针对双组份防灭火材料的输送、混合流量及压力需求，气动双液注浆泵解决了普通注浆泵泵送流量小、注浆压力低，无法满足泵送要求的问题；

(2) 新型稳流器解决了普通气动双液注浆泵输送过程中存在的脉冲问题，提高了稳定性；

(3) 新型发泡成胶装置解决了浆液混合不均匀、发泡倍数低、流量小等问题。