煤矿巷道快速密封防爆泡沫剂、发生器及密封防爆方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采安全技术领域，具体涉及一种煤矿巷道快速密封防爆泡沫剂，煤矿巷道快速密封防爆泡沫发生器，以及煤矿巷道快速密封防爆方法。

背景技术

矿井火灾和爆炸是困扰煤矿行业安全生产的灾害性难题。当井下局部区域发生火灾，在难以快速扑灭火情的情况下，通常需要将火区巷道进行密闭，即：封堵火区进出端巷道，实现火区巷道与外部巷道的隔离，通过绝氧窒息来扑灭火情，并控制火灾区域的进一步扩大。传统的巷道密闭工艺，一般是由人力堆砌厚度较大的砖石或混凝土墙体，该方法耗费人力和时间，且存在较大安全风险。当堆砌墙体过程中，火区发生瓦斯爆炸，产生的冲击波将对密闭处施工人员的生命安全造成极大威胁。近年来，部分技术人员开始尝试采用充气气囊型密闭技术，但难以抵抗爆炸冲击波，无法有效保障矿井安全。在军工领域，已有少数研究人员开展剪切稠化流体材料防弹、防震研究，剪切稠化流体材料的潜在应用和推广价值巨大。

发明内容

本发明旨在煤矿巷道密闭技术领域，引入剪切稠化流体材料，进行巷道密封，提高密封速率的同时，具有更好的抗爆炸冲击能力，保障受灾人员及救护人员的人身安全，促进煤矿行业安全生产。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种煤矿巷道快速密封防爆泡沫剂，包括14-16％wt二氧化硅颗粒、0.8-1.0％wt十二烷基硫酸钠、0.5-0.7％wt瓜尔胶、20-24％wt 1-丁基咪唑四氟硼酸盐溶液、1.0-1.5％wt三甲基甘氨酸，余量为液态二氧化碳。

作为上述方案的优选，所述氧化硅颗粒为椭圆盘状，直径为25—35nm。

本发明还提供了一种煤矿巷道快速密封防爆泡沫发生器，包括泡沫枪和可移动的高压储存罐，在高压储存罐内分为泡沫液仓和消泡液仓，所述泡沫液仓内储存有上述的煤矿巷道快速密封防爆泡沫剂，消泡液仓内储存有消泡剂；所述高压储存罐配备有补压泵、连接管和可调节三通阀，所述补压泵用于确保高压储存罐内压力恒定，所述连接管上设置有可调节三通阀，用于选择切换泡沫液仓的泡沫剂或消泡液仓的消泡剂接入泡沫枪。

作为上述方案的优选，所述高压储存罐底部安装有移动轮，所述补压泵安装在高压储存罐内，在泡沫枪内装有起泡网。

进一步优选为，所述起泡网材质为聚乙烯材料，起泡网孔径为5mm。

本发明还提供了一种煤矿巷道快速密封防爆方法，采用上述的煤矿巷道快速密封防爆泡沫发生器，包括以下步骤：

第一步，准备工作；

按照原料比向高压储存罐的泡沫液仓内注入泡沫剂、消泡液仓内注入消泡剂，将煤矿巷道快速密封防爆泡沫发生器存放于井下避难硐室处；

步骤二、喷射泡沫；

当煤矿巷道发生火灾时，确定巷道密闭位置，将泡沫发生器由避难硐室取出，运送至密闭位置处，开启高压储存罐，大量泡沫从泡沫枪喷出；在泡沫喷射时，将耐火束管前端置于泡沫密封墙前方，后端置于泡沫密封墙后方并与防爆型气体检测器相连接；喷射过程从左到右、从下到上进行，泡沫逐渐膨胀、堆积并与煤矿巷道四周紧密接触，形成密闭泡沫密封墙；

泡沫密封墙形成后，将煤矿巷道快速密封防爆泡沫发生器撤出巷道，随着密封巷道内瓦斯持续涌出，加上巷道内存在火源，瓦斯爆炸的可能性增加；当瓦斯爆炸发生时，爆炸冲击波冲击密封泡沫密封墙，泡沫吸收能量，降低巷道压力；泡沫发生压缩，发生剪切增稠效应，呈现出固体状，抗冲击能力增强，保障巷道密封外部的安全；同时，部分泡沫在被冲击波破碎后，气相二氧化碳将起到窒息阻爆效果；

步骤三、气体检测；

防爆型气体检测器实时监测密封巷道内的瓦斯浓度、一氧化碳浓度、氧气浓度，以此判断密闭巷道内的危险性；

步骤四、密闭启封；

当根据防爆型气体检测器的气体监测结果，判定火区内部火灾消除，则开展密闭启封工作；通过可调节三通阀切换，使消泡液仓中的消泡液通过泡沫枪喷出，泡沫密封墙在消泡剂的作用下，泡沫发生迅速破裂，实现快速密闭启封。

作为上述方案的优选，步骤二中，在泡沫密封墙形成后，在泡沫密封墙后方搭建人工混凝土墙体；步骤四中，先人工拆除混凝土墙体，再利用消泡剂进行泡沫密封墙的拆除。

本发明的有益效果：通过液态二氧化碳降压迅速汽化与混合液产生大量泡沫，泡沫因其可压缩性，可以与巷道紧密接触，同时结合二氧化硅颗粒促进剪切增稠效应，抵抗爆炸冲击，三甲基甘氨酸使泡沫密封墙存在时间显著增强，并调整泡沫剂中各成分的配比，实现对巷道的快速密封；混合液为非牛顿流体，在遭受瓦斯爆炸所产生的冲击波时，由于剪切增稠效应，使泡沫表观粘度急剧增加，泡沫呈现固态化，结合泡沫自身具有一定的抗压能力，泡沫抗压性能得到提升，因此，泡沫密封墙具有良好的抗冲击能力，能够实现对煤矿火灾爆炸冲击能量的有效吸收，有效保障巷道密封外部的安全。

附图说明

图1为煤矿巷道快速密封防爆泡沫发生器的使用状态图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

一种煤矿巷道快速密封防爆泡沫剂，包括14-16％wt二氧化硅颗粒、0.8-1.0％wt十二烷基硫酸钠、0.5-0.7％wt瓜尔胶、20-24％wt 1-丁基咪唑四氟硼酸盐溶液、1.0-1.5％wt三甲基甘氨酸，余量为液态二氧化碳。

二氧化硅颗粒作为分散相，直径最好为25—35nm，能够保证单位基液中，含有足够的粒子，增加粒子间相互干扰碰撞的几率，促进剪切增稠效应，抵抗爆炸冲击；氧化硅颗粒为椭圆盘状，由于其长短轴之比相对圆盘更大，在分散体系中运动时所受阻力更大，促进剪切增稠强度增加，有效抵抗爆炸冲击。

十二烷基硫酸钠可以作为起泡剂，降低表面张力，促进泡沫的形成；并且可以和1-丁基咪唑四氟硼酸盐溶液互溶形成复配体，促进剪切增稠效应，有效抵抗爆炸冲击。

瓜尔胶作为稳泡剂，能够提高分散介质的粘度，保证泡沫的稳定性，便于泡沫堆积，形成泡沫密封墙；同时，产生的泡沫增加了分散相的流动阻力，使分散相能携带更多介质，因此自由介质的体积减小，增加剪切增稠强度，有效抵抗爆炸冲击。

1-丁基咪唑四氟硼酸盐溶液作为分散介质，在一定外剪切速率下，能够与二氧化硅颗粒形成分散凝胶，表现出强剪切增稠效应，有效抵抗爆炸冲击。

三甲基甘氨酸作为保湿剂，其吸湿性能够减少泡沫水分的蒸发，使泡沫密封墙存在时间显著增强。

二氧化碳为液态，当液态混合液通过连接管进入泡沫枪，随着压力降低，液态二氧化碳在常温下迅速汽化，快速与溶液混合，形成大量泡沫。

如图1所示，一种煤矿巷道快速密封防爆泡沫发生器，包括泡沫枪8和可移动的高压储存罐2。在高压储存罐2内分为泡沫液仓3和消泡液仓11，泡沫液仓3内储存有煤矿巷道快速密封防爆泡沫剂，消泡液仓11内储存有消泡剂，如聚醚脂溶液。

高压储存罐2配备有补压泵4、连接管7和可调节三通阀12。补压泵4用于确保高压储存罐内压力恒定；连接管7上设置有可调节三通阀12，用于选择切换泡沫液仓3的泡沫剂或消泡液仓11的消泡剂接入泡沫枪8，在泡沫枪8内最好装有起泡网9。

高压储存罐2底部安装有移动轮1，补压泵4安装在高压储存罐2内。

起泡网9材质为聚乙烯材料，具有优良的耐低温能力，同时抗冲击强度高、韧性好。起泡网9孔径为5mm，便于产生小泡沫，使产生的泡沫更加均匀、绵密。

一种煤矿巷道快速密封防爆方法，采用上述的煤矿巷道快速密封防爆泡沫发生器，包括以下步骤：

第一步，准备工作；

按照原料比向高压储存罐2的泡沫液仓3内注入泡沫剂、消泡液仓11内注入消泡剂，将煤矿巷道快速密封防爆泡沫发生器存放于井下避难硐室处。在未启用时期，煤矿巷道快速密封防爆泡沫发生器存放于井下避难硐室处。

步骤二、喷射泡沫；

当煤矿巷道发生火灾时，确定巷道密闭位置，将泡沫发生器由避难硐室取出，运送至密闭位置处，开启高压储存罐2，大量泡沫从泡沫枪8喷出。在泡沫喷射时，将耐火束管6前端置于泡沫密封墙10前方，后端置于泡沫密封墙10后方并与防爆型气体检测器12相连接。喷射过程从左到右、从下到上进行，泡沫逐渐膨胀、堆积并与煤矿巷道四周紧密接触，形成密闭泡沫密封墙10，使巷道内风流减小，实现火区内部与外部巷道的隔绝。

泡沫密封墙10形成后，将煤矿巷道快速密封防爆泡沫发生器撤出巷道，随着密封巷道内瓦斯持续涌出，加上巷道内存在火源，瓦斯爆炸的可能性增加。当瓦斯爆炸发生时，爆炸冲击波冲击密封泡沫密封墙10，泡沫吸收能量，降低巷道压力。泡沫发生压缩，泡沫中悬浮的二氧化硅颗粒发生相互摩擦碰撞，发生剪切增稠效应，泡沫表观粘度急剧增加，呈现出固体状，抗冲击能力增强，保障巷道密封外部的安全。同时，部分泡沫在被冲击波破碎后，气相二氧化碳将起到窒息阻爆效果；

步骤三、气体检测；

防爆型气体检测器12实时监测密封巷道内的瓦斯浓度、一氧化碳浓度、氧气等气体浓度，以此判断密闭巷道内的危险性。

步骤四、密闭启封；

当根据防爆型气体检测器12的气体监测结果，判定火区内部火灾消除，则开展密闭启封工作；通过可调节三通阀12切换，使消泡液仓11中的消泡液通过泡沫枪8喷出，泡沫密封墙10在消泡剂的作用下，泡沫表面张力降低，泡沫发生迅速破裂，实现快速密闭启封。

最好是，由于泡沫存在一定的衰减，在喷射形成泡沫阻爆墙体后，根据实际情况，步骤二中，在泡沫密封墙10形成后，在泡沫密封墙10后方搭建人工混凝土墙体，进一步强化防爆效果。步骤四中，先人工拆除混凝土墙体，再利用消泡剂进行泡沫密封墙10的拆除。