采空区用高保水性三相泡沫及其制备方法

技术领域

本发明属于煤矿安全生产技术领域，尤其涉及一种采空区用高保水性三相泡沫及其制备方法。

背景技术

矿井生产过程中，回采形成的采空区被碎石和残煤充填，透气性大，导致邻近围岩和残煤释放的瓦斯富集在采空区内，同时也使得采空区漏风严重。当新鲜空气进入采空区，带入的氧气会氧化残煤，诱发采空区自燃灾害。煤自燃不仅会烧毁不可再生的煤炭资源，还会产生大量的有毒有害气体，污染环境，危害作业人员的健康和生命，更是诱发瓦斯煤尘爆炸事故的主要火源，严重影响煤矿安全生产，造成严重的资源浪费和经济损失。我国具有自燃危险的煤矿分布广泛，煤自燃是我国煤矿安全开采面临的重大灾害之一。

以氮气作为气源制备三相泡沫灌注采空区的防灭火方法已经在煤矿中得到了应用，但是制氮成本高，也会消耗掉大量能源。泡沫破裂后，主要依靠惰性气体和水分来维持防灭火作用，但是，氮气易随漏风扩散，不易滞留在注入的区域内，且存在破泡后水分蒸发较快的弊端，不能长时间发挥防灭火作用。

另外，煤电生产过程中产生的烟气对环境有着严重的污染。火电厂烟气属于工业废气，含有大量的有害气体成分，有国家严格限制排放的二氧化硫、氮氧化物，有能够造成温室效应的二氧化碳。据统计，目前全球二氧化碳排放总量的41%来自电力行业，而在全世界所有的火电厂中，煤电就占了72%。燃煤电厂烟气的任意排放带来的不止是烟雾、光化学烟雾和酸雨等危害，还有由于CO

发明内容

为克服上述相关技术中的缺陷，一方面，本发明提供一种采空区用高保水性三相泡沫，具有在蒸发量较大的场所使用时，维持长时间灭火的作用。

为实现上述技术目的，本发明提供一种采空区用高保水性三相泡沫。所述的采空区用高保水性三相泡沫包括：气相、液相和固相。所述气相包括氮气，所述固相包括粉煤灰。所述液相以质量百分数计，包括如下组分：电解质0.4%~0.5%、表面活性剂0.2%~0.8%、无机盐0.4%~2%，其余为水。

优选地，所述电解质包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

优选地，所述表面活性剂包括聚氧乙烯辛基苯酚醚-10和十二烷基硫酸钠，所述聚氧乙烯辛基苯酚醚-10在所述高保水性三相泡沫中的质量百分数为0.1%~0.4%，所述十二烷基硫酸钠在所述高保水性三相泡沫中的质量百分数为0.1%~0.4%。

另一方面，本发明提供一种采空区用高保水性三相泡沫的制备方法，适用于上述任一项实施例所述的采空区用高保水性三相泡沫。所述的采空区用高保水性三相泡沫的制备方法包括：收集烟气，调制复配溶液，制备粉煤灰浆液，将所述烟气、所述复配溶液和所述粉煤灰浆液添加至所述三相泡沫发生装置，且所述烟气、所述复配溶液和所述粉煤灰浆液的添加速度，使三相泡沫发生装置中的被添加物料以质量百分数计，包括如下组分：电解质0.4%~0.5%、表面活性剂0.2%~0.8%、无机盐0.4%~2%。以及所述三相泡沫发生装置将所述被添加物料生成高保水性三相泡沫。

其中，收集烟气包括自火电厂的脱硫塔的排气口处收集所述烟气，并将收集的所述烟气通过烟气处理装置加压后输送至三相泡沫发生装置。调制复配溶液包括将电解质、表面活性剂、无机盐和水混合混匀。制备粉煤灰浆液包括将粉煤灰与水混合均匀形成所述粉煤灰浆液。

优选地，将所述烟气、所述复配溶液和所述粉煤灰浆液添加至所述三相泡沫发生装置，且所述烟气、所述复配溶液和所述粉煤灰浆液的添加速度，使三相泡沫发生装置中的被添加物料以质量百分数计，包括如下组分：0.4%~0.5%的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、0.1%~0.4%的聚氧乙烯辛基苯酚醚-10、0.1%~0.4%的十二烷基硫酸钠和0.4%~2%的氯化钙。

优选地，所述烟气处理装置将所述烟气进行脱硫、脱销、降温和干燥处理，并所述烟气处理装置将所述烟气加压后排放至所述三相泡沫发生装置。

优选地，将所述烟气、所述复配溶液和所述粉煤灰浆液添加至所述三相泡沫发生装置之前，所述采空区用高保水性三相泡沫的制备方法还包括对进入所述三相泡沫发生装置的被添加物料进行过滤。

本发明的有益效果在于：

本发明适用于煤矿采空区防灭火工程，使用表面活性剂和离子液体配制高保水性泡沫，实现提高采空区煤体保水性，解决水分快速蒸发后防灭火效果降低的弊端，延长三相泡沫防灭火作用的持续时间的目的。

本发明使用坑口电厂烟气为气源制备三相泡沫，除了具有传统三相泡沫的优点外，还可以节约制氮所需的能源，有效降低煤矿防灭火的成本，为企业节省大量资金；还可以回收利用电厂烟气，减少有害气体的排放，实现节能减排和灾害治理的统一；并且对于预防和控制煤炭自燃火灾有更好的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的采空区用高保水性三相泡沫的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

以下根据实施例详细阐述：

实施例1

本申请提供的一些实施例提供一种采空区用高保水性三相泡沫。所述的采空区用高保水性三相泡沫包括：气相、液相和固相。其中，所述气相包括氮气，所述固相包括粉煤灰。液相以质量份数计，包括如下组分：电解质4~5份、表面活性剂2~8份、无机盐4~20份，其余为水。

在一些示例中，一种采空区用高保水性三相泡沫可以是将气相、固相和液相经发泡而形成的具有一定分散体系的混合体。而且，采空区用高保水性三相泡沫以质量百分数计，包括如下组分：电解质0.4%~0.5%、表面活性剂0.2%~0.8%、无机盐0.4%~2%、气体、粉煤灰以及水。

可以理解的是，电解质、表面活性剂和无机盐可以溶于水中形成液相，且以质量份数计，溶于液相中的电解质为4~5份、表面活性剂为2~8份、无机盐为4~20份，例如，溶于液相中的电解质以质量份数计可以为4份、4.5份或者5份，表面活性剂以质量份数计可以为2份、5份或8份，无机盐以质量份数计可以为4份、12份或20份。

通过控制液相、气相和固相添加比例，可以使采空区用高保水性三相泡沫中的电解质以质量百分数计为0.4%~0.5%，表面活性剂以质量百分数计为0.2%~0.8%，无机盐以质量百分数计为0.4%~2%。例如，可以使采空区用高保水性三相泡沫中的电解质以质量百分数计为0.4%、0.45%或0.5%，表面活性剂以质量百分数计为0.2%、0.5%或0.8%，无机盐以质量百分数计为0.4%/1.2%或2%。

在一些实施例中，一种采空区用高保水性三相泡沫的液相包括电解质，所述电解质包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

在一些实施例中，一种采空区用高保水性三相泡沫的液相包括表面活性剂，所述表面活性剂包括聚氧乙烯辛基苯酚醚-10和十二烷基硫酸钠，所述聚氧乙烯辛基苯酚醚-10在所述高保水性三相泡沫中的质量百分数为0.1%~0.4%，所述十二烷基硫酸钠在所述高保水性三相泡沫中的质量百分数为0.1%~0.4%。

在一些示例中，采空区用高保水性三相泡沫可以包括聚氧乙烯辛基苯酚醚-10和十二烷基硫酸钠，其中，聚氧乙烯辛基苯酚醚-10在高保水性三相泡沫中的质量百分数可以为0.1%、0.25%或0.4%，十二烷基硫酸钠在高保水性三相泡沫中的质量百分数可以为0.1%、0.25%或0.4%。

可以理解的是，聚氧乙烯辛基苯酚醚-10和十二烷基硫酸钠作为表面活性剂可以溶解于液相中，通过控制聚氧乙烯辛基苯酚醚-10和十二烷基硫酸钠与电解质、无机盐或者水的质量比，使表面活性剂在高保水性三相泡沫中质量百分数为0.2%~0.8%。

将电解质、表面活性剂和无机盐按上述比例溶解于水配置为液相，液相对焦煤的接触角为36.657°～43.627°，表面张力为28.19mN/m～29.639mN/m。液相对焦煤的接触角处于0~90°之间，即液相可以将焦煤表面浸润，而其较大的表面张力可以降低蒸发，提高保水性能。

近年来，为了提高资源回采率，将很多地下开采的矿山，特别是煤矿，转型为露天开采。露天煤矿采空区透气性更大，煤岩体内水分蒸发加剧，大大缩短了泡沫作用时间，影响泡沫防灭火效果。

本申请提供的采空区用高保水性三相泡沫的液相，对焦煤、煤炭等浸润性高，且表面张力大，不易蒸发，延长三相泡沫防灭火作用的持续时间，在煤矿安全生产中十分必要，适用于露天开采的矿区或者蒸发性较强的地区。

对比例1

本对比例提供一种纯水三相泡沫，所述的纯水三相泡沫包括固相、液相和气相。在本对比例中，纯水三相泡沫包括的固相与上述实施例1所述的高保水性三相泡沫包括的固相成分一致，纯水三相泡沫包括的气相与上述实施例1所述的高保水性三相泡沫包括的气相成分一致。且纯水三相泡沫中固相、液相和气相的各质量份数与述实施例1所述的高保水性三相泡沫中固相、液相和气相的各质量份数一致。

其中，本对比例的纯水三相泡沫包括的液相可以为纯水，纯水对焦煤的接触角为87.29°，表面张力为92mN/m，也就是说，实施例1的复配溶液对焦煤的润湿效果优于纯水，蒸发速度低于纯水。

取相同质量的复配溶液和纯水，将相同质量和颗粒度的焦煤样品完全浸湿，在相同条件下进行自然蒸发。经过测定，纯水对焦煤样品的含水率随时间降低较快，在144小时达到稳定，对应的含水率为4.76%。复配溶液对焦煤样品的含水率在204小时达到稳定，对应的含水率为19.22%。

对比例2

本对比例提供一种传统三相泡沫，所述的传统三相泡沫包括固相、液相和气相。在本对比例中，传统三相泡沫包括的固相与上述实施例1所述的高保水性三相泡沫包括的固相成分一致，传统三相泡沫包括的气相与上述实施例1所述的高保水性三相泡沫包括的气相成分一致。且传统三相泡沫中固相、液相和气相的各质量份数与述实施例1所述的高保水性三相泡沫中固相、液相和气相的各质量份数一致。

其中，本对比例的传统三相泡沫的液相可以包括：表面活性剂和无机盐，且传统三相泡沫以质量百分数计，包括如下组分：表面活性剂0.2%~0.8%和无机盐0.4%~2%。也就是说，制备传统三相泡沫可以采用的传统复配溶液，传统复配溶液以质量份数计，包括表面活性剂为2~8份、无机盐为4~20份，即传统复配溶液与上述实施例1的复配溶液相比，仅缺失电解质，其它成分不变。

经过实验测量，传统三相泡沫的液相对焦煤的接触角为73.43°~78.33°，表面张力为58.00mN/m~60.09mN/m，也就是说，实施例1的复配溶液对焦煤的润湿效果优于传统复配溶液，蒸发速度低于传统复配溶液。

取相同质量的复配溶液和传统复配溶液，将相同质量和颗粒度的焦煤样品完全浸湿，在相同条件下进行自然蒸发。经过测定，传统复配溶液对焦煤样品的含水率随时间降低较快，在177小时达到稳定，对应的含水率为9.12%。复配溶液对焦煤样品的含水率在204小时达到稳定，对应的含水率为19.22%。

经过实施例1与对比例1、对比例2的实验对比可以知道，采用电解质的复配溶液制备的三相泡沫对焦煤的灭火效果更好，灭火保持时间更长，适合露天矿场等水份蒸发量较大的地区使用。

另一方面，如图1所示，本申请的一些实施例还提供一种采空区用高保水性三相泡沫的制备方法，适用于上述任一项实施例所述的采空区用高保水性三相泡沫。所述采空区用高保水性三相泡沫的制备方法包括：

S1、收集烟气，自火电厂的脱硫塔的排气口处收集所述烟气，并将收集的所述烟气通过烟气处理装置加压后输送至三相泡沫发生装置。

S2、调制复配溶液，将电解质、表面活性剂、无机盐和水混合混匀。

S3、制备粉煤灰浆液，将粉煤灰与水混合均匀形成所述粉煤灰浆液。

S4、将所述烟气、所述复配溶液和所述粉煤灰浆液添加至所述三相泡沫发生装置，且所述烟气、所述复配溶液和所述粉煤灰浆液的添加速度，使三相泡沫发生装置中的被添加物料以质量百分数计，包括如下组分：电解质0.4%~0.5%、表面活性剂0.2%~0.8%、无机盐0.4%~2%。

S5、所述三相泡沫发生装置将所述被添加物料生成高保水性三相泡沫。

由于煤吸附CO

在一些示例中，可以通过收集的烟气作为三相泡沫的气相。收集烟气可以是自火电厂的脱硫塔排气口处收集排放的烟气，并将烟气经过处理满足三相泡沫气相的要求后输送至三相泡沫的发生装置。

为制备高保水性三相泡沫，调制复配溶液，复配溶液作为三相泡沫的液相，为确保制备的高保水性三相泡沫中电解质、表面活性剂、无机盐上述实施例的配比要求。复配溶液可以根据上述实施例的液相的配比进行配制。示例性地，配溶液可以是以质量份数计，包括如下组分：电解质4~5份、表面活性剂2~8份、无机盐4~20份，其余为水，例如，可以电解质以质量份数计可以为4份、4.5份或者5份，表面活性剂以质量份数计可以为2份、5份或8份，无机盐以质量份数计可以为4份、12份或20份以及与以质量份数计少于90份的水进行配制。

配制粉煤灰浆液，将一定量的粉煤灰和水混合均匀形成浆体。需要注意的是，为使电解质在制备的高保水性三相泡沫中的的质量百分数为0.4%~0.5%，表面活性剂在制备的高保水性三相泡沫中的的质量百分数为0.2%~0.8%，无机盐在制备的高保水性三相泡沫中的的质量百分数为0.4%~2%。可以获取粉煤灰浆液中粉煤灰和水的质量比。通过控制烟气、粉煤灰浆液和复配溶液的添加速度，使得单位时间内，电解质进入三相泡沫发生装置中的质量占其它物质质量的0.4%~0.5%，表面活性剂进入三相泡沫发生装置中的质量占其它物质质量的0.2%~0.8%，无机盐进入三相泡沫发生装置中的质量占其它物质质量的0.4%~2%。

在一些实施例中，将所述烟气、所述复配溶液和所述粉煤灰浆液添加至所述三相泡沫发生装置，且所述烟气、所述复配溶液和所述粉煤灰浆液的添加速度，使三相泡沫发生装置中的被添加物料以质量百分数计，包括如下组分：0.4%~0.5%的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、0.1%~0.4%的聚氧乙烯辛基苯酚醚-10、0.1%~0.4%的十二烷基硫酸钠和0.4%~2%的氯化钙。

在一些示例中，电解质可以是1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，表面活性剂可以包括聚氧乙烯辛基苯酚醚-10和十二烷基硫酸钠，无机盐可以是氯化钙。其中，控制添加至三相泡沫发生装置烟气、复配溶液和粉煤灰浆液的添加速度，使得单位时间内，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐进入三相泡沫发生装置中的质量占其它物质质量的0.4%~0.5%，聚氧乙烯辛基苯酚醚-10进入三相泡沫发生装置中的质量占其它物质质量的0.1%~0.4%，十二烷基硫酸钠进入三相泡沫发生装置中的质量占其它物质质量的0.1%~0.4%，氯化钙进入三相泡沫发生装置中的质量占其它物质质量的0.4%~2%。

在一些实施例中，所述烟气处理装置将所述烟气进行脱硫、脱销、降温和干燥处理，并所述烟气处理装置将所述烟气加压后排放至所述三相泡沫发生装置。

在一些实施例中，将所述烟气、所述复配溶液和所述粉煤灰浆液添加至所述三相泡沫发生装置之前，所述采空区用高保水性三相泡沫的制备方法还包括对进入所述三相泡沫发生装置的被添加物料进行过滤。

示例性地，可以在三相泡沫发生装置进入口设置金属过滤网，可以避免大颗粒杂质或者块状物进入三相泡沫发生装置内，防止出现设备损坏的情况发生。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。