CN109058180A - 一种气体射流极限吸液方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体射流极限吸液方法，涉及液体材料添加应用技术领域。利用高速气流流经射流时出现的临界几何壅塞现象，设计为吸液工况点，实现对被吸液体的精准定量添加。该方法非常适合于风压充裕而水压不足的作业场所，具有适用性强，可靠度高，操作方便，本质安全的显著特点，基于该方法提出了井下采空区阻化泡沫灭火工艺系统，突破了制约泡沫剂稳定添加的技术瓶颈，大幅简化了添加环节的操作，提高了阻化泡沫灭火核心装备适用性，同时该添加方式也可用于地面消防气体泡沫灭火泡沫剂的精准配比，泡沫除尘泡沫剂微控添加，石化场所试剂、颜料的添加等，应用推广前景广阔。

Description

一种气体射流极限吸液方法
技术领域
本发明一种气体射流极限吸液方法，涉及液体材料添加应用技术领域，尤其涉及煤矿井下采空区灭火泡沫制备中泡沫剂添加领域。
背景技术
煤自燃是煤炭开采过程的主要灾害，随着综放技术的大力推广，采空区冒落高度大、遗留残煤多、漏风严重，煤炭自然发火频繁。统计显示我国90％的矿山火灾由煤自燃引起，其中近60％发生在井下采空区，采空区煤自燃不仅烧毁大量煤炭资源，而且易诱发瓦斯爆炸，造成更大的人员伤亡和财产损失。
现场实践已表明高倍阻化泡沫是防治采空区煤自燃火灾的有效手段，而实现泡沫剂的稳定添加是确保灭火泡沫可靠制备的前提，然而，泡沫剂的精准控制始终是该项技术难易突破的瓶颈，造成灭火泡沫制备过程工况调控困难，系统运行不稳定，操作繁琐，适用性受限，严重制约了该项技术的规模化应用。
目前，射流负压吸液是应用最为普遍的液体添加方式，但采用传统方式吸液时，射流吸液受压强比影响显著，背压的微小波动将引起吸液负压变化，吸液不稳定，精确添加实现困难，同时射流吸液过程损失较大，部分损失超过70％，对于井下采空区泡沫灭火，如果采用传统水压驱动射流吸液，过大的压差损失将造成吸液装置出口压力不足，形成低背压，后续驱动压力不足，泡沫不稳定，脉冲现象明显，产生动量不足的弱泡沫。
为此，本发明提出了利用气体射流极限吸液的方法，充分利用井下压风充裕，水压不足的特点，以压风为动力实现泡沫剂的精准添加，之后利用压力水/浆实现泡沫的长距离驱动，既简化了泡沫剂添加过程操作，也提高了系统整体运行的稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种气体射流极限吸液方法，突破制约泡沫剂稳定添加的技术瓶颈，大幅简化添加环节的操作，提高阻化泡沫灭火核心装备适用性。
技术方案：利用气流流经射流喷嘴时，速度逐渐增大至当地音速，出现的临界几何壅塞现象，设计为吸液工况点，在该临界条件下，吸液负压不受出口背压浮动的影响，吸液负压为确定值，被吸液体在恒定的内外压差作用下，被稳定吸入射流装置。
有益效果：由于本发明气体射流极限吸液方法以压风为动力，非常适合于风压充裕而水压不足的作业场所，在井下添加泡沫剂、阻化剂、乳化剂的作业工序中均可使用，同时该添加方式也可用于地面消防气体泡沫灭火泡沫剂的精准配比，泡沫除尘泡沫剂微控添加，部分石化场所试剂、颜料的添加等领域，具有适用性强，可靠度高，操作方便，本质安全的显著特点，应用推广前景广阔。
基于气体射流极限吸液方法，提出了一种井下采空区阻化泡沫灭火工艺系统，以实现对大空间采空区内煤炭自燃的高效治理。系统主要包括压风管道、供水管道、过滤器、调节阀、射流器、发泡器、连接头、泡沫输送管、阻化泡沫剂储液罐等，其中射流器利用气体射流极限吸液方法进行阻化泡沫剂的精准定量添加。压风管道通过压风连接头与井下压缩空气或注氮管道直接相连，供水管道通过水连接头与井下静压水相连，阻化泡沫剂储液罐通过吸液管与射流器连接，射流器出口的混合液管与发泡器连接，发泡器出口通过泡沫输送管将泡沫灌注到采空区。
有益效果：利用气体射流极限方法吸液，简化了泡沫剂添加环节的操作工序，提高了阻化泡沫灭火核心装备适用性。利用阻化泡沫流动性好、堆积性强、粘附性大和倍数高的优点，以惰性气体为载体，可将其灌注到一般液固介质难以到达的采空区高位火源区域，然后利用水(浆)的冷却性、惰性气体窒息性和泡沫的阻化性抑制煤自燃，快速驱替采空区内煤自燃产生的高温热量，实现对采空区高位隐蔽火源的快速治理，保障矿山安全生产。
优选地，为实现气体射流极限吸液，射流扩散管内应出现正激波，射流出口无斜激波，无膨胀不足和膨胀过渡现象。
优选地，达到气体射流极限吸液的条件是P**(下临界压强比)<Pb/P0≤P*(上临界压强比)，最佳工况为Pb/P0等于上临界压强比P*。
优选地，调节阀布置在过滤器之前，且压风管道上的过滤器对固体杂质的过滤直径小于1mm，阻力损失小于10％。
优选地，混合液管与发泡器连接角度α小于60°。
优选地，阻化泡沫可利用工作面现有的注浆(氮气)管或通过工作面底(顶)板巷道打钻灌注至采空区，采用注浆(氮气)管灌注时，预埋管出口距离工作面20～60m，采用打钻灌注时，需确保钻孔终端落在前面所述的水平范围内。
附图说明
图1为本发明一种气体射流极限吸液方法工作原理图；
图2为本发明一种井下采空区阻化泡沫灭火工艺系统；
图中：1-进口整流管；2-射流喷嘴；3-收缩管；4-喉管；5-扩散管；6-出口整流管；7-吸液管；8-管快速接头；9-高压风管；10-风调节阀；11-风过滤器；12-射流器；13-混合液管；14-水管快速接头；15-高压水/浆管；16-水调节阀；17-水/浆过滤器；18-发泡器；19-泡沫输送管；20-钻孔管；21-预埋管；22-逆止阀；23-微型调节阀；24-阻化泡沫剂储液罐；25-过滤器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，发明公开了一种气体射流极限吸液方法，其工作原理为：亚声速气流经进口整流管(1)进入射流喷嘴(2)时，由于射流截面面积减小，气流速度逐渐增大，并在喷嘴出口附近达到当地音速，此时气流马赫数M＝1，高速紊动气体射流形成强烈边界效应，在收缩管(3)内，气流压力逐渐降至大气压以下，并在喉管(4)前端附近达到最低负压，如图1中的(a)到(b)变化。
降低射流出口背压与进口压强比Pb/P0，马赫数M将在射流扩散管(5)内突破1，达到超声速流，扩散管(5)内出现正激波，激波前后压力、速度、密度变化剧烈，如图1中的椭圆虚线标识，正激波就像是吸能缓冲墙，隔开了下游流动参数的变化对上游的影响，因而射流出口背压的任何变化都不会影响上游吸液口处的状态参数，利用该正激波形成的隔断效应，控制着上游的吸液负压维持在确定值，进而精准控制吸液量，被吸液体由吸液管(7)稳定吸入。
继续降低压强比Pb/P0，扩散管(5)内的正激波逐渐向下游移动，如图1，此时在扩散管外出现斜激波，根据压强比Pb/P0的降低程度，出口整流管(6)末端将出现膨胀不足和膨胀过度两种现象，如图1中的(e)和(g)，两种现象的出现虽不会影响上游吸液口的流动参数，但由于激波移动至射流出口位置，出口处压力等流动参数变化剧烈，出口背压的浮动将对后续的流动产生不稳定的负面影响，因而为同时实现气体射流实现稳定吸液和整体系统稳定，射流扩散管内应出现正激波，射流出口无斜激波，无膨胀不足和膨胀过度现象，根据图1，此时，射流出口背压与进口压强比值Pb/P0必须大于下临界压强比P**。
达到射流几何壅塞是实现气体射流极限吸液的首要前提，根据图1，增大压强比Pb/P0时，正激波逐渐上移，直止移动至吸液口附近，继续增大Pb/P0，吸液口位置流动参数将发生变化，壅塞现象将消失，稳定吸液将不能保持，因此，达到几何壅塞需要射流出口背压与进口压强比值Pb/P0不大于上临界压强比P*，结合[0022]中的结论，理论上达到气体射流极限吸液的条件是P**<Pb/P0≤P*。
实际利用气体射流极限过程中，还须考虑液体被吸之后的后续驱动问题，过低的压强比Pb/P0(尤其是Pb过低)将导致液体被吸之后驱动性能降低、无法传动，甚至于后续压力过高导致流体返流，破坏射流吸液过程。因而，必须保证射流压强比Pb/P0尽可能高，因此，气体射流极限吸液的最佳工况为射流出口背压与进口压强比值Pb/P0等于上临界压强比P*，如图1中的(b)曲线。
图2为基于气体射流极限吸液方法，提出的井下采空区阻化泡沫灭火工艺系统，系统包括风管快速接头(8)、高压风管(9)、风调节阀(10)、风过滤器(11)、射流器(12)、混合液管(13)、水管快速接头(14)、高压水/浆管(15)、水调节阀(16)、水/浆过滤器(17)、发泡器(18)、泡沫输送管(19)、钻孔(20)、预埋管(21)、逆止阀(22)、微型调节阀(23)、阻化泡沫剂储液罐(24)和过滤器(25)。其中高压风管(9)通过压风快速接头(8)与井下压缩空气或注氮管道直接相连，高压水/浆管(15)通过水管快速接头(14)与井下静压水相连，阻化泡沫剂储液罐(24)通过吸液管(7)与射流器(12)连接，射流器(12)出口的混合液管(13)与发泡器(18)连接，发泡器(18)出口与泡沫输送管(19)连接。
井下采空区泡沫灭火工艺流程为：气体由高压风管(9)经风调节阀(10)和风过滤器(11)进入射流器(12)，在射流器(12)内，利用高速气体射流实现极限吸液，阻化泡沫液经储罐(24)由吸液管(7)吸入射流器(12)，与压风混合进入混合液管(13)，高压水/浆经管道(15)上设置的水调节阀(16)和水/浆过滤器(17)进入发泡器(18)，与混合液管(13)内的气体和阻化泡沫液混合，在发泡器(18)内，多相流间在高速下发生强烈碰撞、剪切、拉伸，形成致密均匀的大流量高倍阻化泡沫，经泡沫输送管(19)灌注到采空区内。
为便于维护过滤器、射流器和发泡器，风管和水/浆管上的调节阀需布置在过滤器之前，且压风管道上的过滤器(11)要求更为严格，滤网对固体杂质的过滤直径需小于1mm，以确保射流器喉管部位(4)不会因固体颗粒而阻塞，同时太小的过滤直径也会增大过滤器(11)的阻力，因而过滤器阻力损失应小于10％。
为减小气液在发泡器内混合过程的能量损失，混合液管(13)与发泡器(18)的连接角度α不宜大于60°。
阻化泡沫的灌注工艺为：采用工作面现有的注浆(氮气)管或通过工作面底(顶)板巷道打钻灌注至采空区，采用注浆(氮气)管灌注时，预埋管(21)出口距离工作面20～60m，采用打钻灌注时，需确保钻孔(20)终端落在前面所述的水平范围内。
由于阻化泡沫的流动性好、堆积性强、粘附性大和倍数高，因而可以灌注到一般液固介质难以到达的采空区高位火源区域，然后利用水(浆)的冷却性、惰性气体窒息性和泡沫的阻化性抑制煤自燃，快速驱替采空区内煤自燃产生的高温热量，实现对采空区高位隐蔽火源的快速治理，保障矿山安全生产。
由于本发明提出的气体射流极限吸液方法以压风为动力，因而非常适合于风压充裕而水压不足的作业场所，而矿山火灾紧急救援过程这种情况经常遇到，时常出现由于水压不足而无法可靠吸液的问题，因此气体射流极限吸液方法非常适用于井下采空区阻化泡沫的制备，具有适用性强，可靠度高，操作方便的显著特点，同时该吸液无需计量泵等电气设备即可实现定量添加，从根本上消除了产生电火花的可能，具有高度本质安全性。
气体射流极限吸液方法突破了制约泡沫剂稳定添加的技术瓶颈，大幅简化了添加环节的操作，提高了阻化泡沫灭火核心装备适用性，在井下需要泡沫剂、阻化剂、乳化剂添加的作业工序中均可使用，同时该添加方式也可用于地面消防气体泡沫灭火泡沫剂的精准配比，泡沫除尘泡沫剂微控添加，部分石化场所试剂、颜料的添加，应用推广前景广阔。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.本发明公开了一种气体射流极限吸液方法，该方法利用高速气体在射流喷口处达到当地音速的临界条件时，出现的极限壅塞现象，设计为吸液工况点，在该临界条件下，吸液负压不受出口背压浮动的影响，吸液负压为确定值，被吸液体在恒定的内外压差作用下，被稳定吸入射流装置。
2.根据权利要求1所述的气体射流极限吸液方法，其特征在于，为实现气体射流极限吸液，射流扩散管内出现正激波，射流出口无斜激波，无膨胀不足和膨胀过渡现象。
3.根据权利要求1所述的气体射流极限吸液方法，其特征在于，达到气体射流极限吸液的条件是P**(下临界压强比)<Pb/P0≤P*(上临界压强比)，最佳工况为Pb/P0等于上临界压强比P*。
4.根据权利要求1所述的一种气体射流极限吸液方法，提出了一种井下采空区泡沫灭火工艺系统，其特征在于：工艺系统主要包括压风管道、供水管道、过滤器、调节阀、射流器、发泡器、连接头、泡沫输送管、阻化泡沫剂储液罐等，其中射流器利用气体射流极限吸液方法进行阻化泡沫剂的精准定量添加。
5.根据权利要求4所述的井下采空区阻化泡沫灭火工艺系统，其特征在于，压风管道通过压风连接头与井下压缩空气或注氮管道直接相连，供水管道通过水连接头与井下静压水相连，阻化泡沫剂储液罐通过吸液管与射流器连接，射流器出口的混合液管与发泡器连接，发泡器出口通过泡沫输送管将泡沫灌注到采空区。
6.根据权利要求4所述的调节阀和过滤器，其特征在于，调节阀布置在过滤器之前，且压风管道上的过滤器对固体杂质的过滤直径小于1mm，阻力损失小于10％。
7.根据权利要求5所述的混合液管与发泡器连接，其特征在于，连接角度α小于60°。
8.根据权利要求5所述的泡沫灌注采空区工艺，其特征在于，泡沫可利用工作面现有的注浆(氮气)管或通过工作面底(顶)板巷道打钻灌注至采空区，采用注浆(氮气)管灌注时，预埋管出口距离工作面20～60m，采用打钻灌注时，需确保钻孔终端落在前面所述的水平范围内。
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