CN115138010B - 渐变双啮合旋体式混凝土凝胶泡沫发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了渐变双啮合旋体式混凝土凝胶泡沫发生装置，包括风管、电机、齿轮模组、转轴、添加装置、反应室、螺旋叶片、观察孔等，旨在向采空区自燃带注入混凝土凝胶泡沫，封堵漏风区域。添加装置内壁曲线设计为摆线，物料下落速度快；进液口设置三级射流器，利用高速水流产生的负压将制备泡沫的三种原料按序定量吸入反应室；砂石口外安装旋震筛，筛出中等粒径砂石；反应室内设有尺寸渐变的双螺旋叶片，搅拌更加充分；电机通过齿轮模组带动空心转子轴旋转，实现泡沫正向与反向搅拌；泡沫出口位置设有观察孔与密封旋塞，用于观察产泡质量。该装置可以稳定高效的制备混凝土凝胶泡沫并将其注入采空区自燃带。

Description

渐变双啮合旋体式混凝土凝胶泡沫发生装置

技术领域

本发明渐变双啮合旋体式混凝土凝胶泡沫发生装置，涉及向采空区自燃带灌注混凝土凝胶泡沫封堵煤层裂隙，减少漏风，治理煤层发火，属于矿山安全工程技术领域。

背景技术

我国化石能源的主要特点是：富煤、贫气、少油。据统计表明，2021年在能源消耗排名中，煤炭消费占能源消费总量的56％，与上年相比下降0.9％，仍为最高能源消耗量。作为我国重要的基础能源行业，煤矿不仅提供了庞大的能源储备，还解决了大量的就业问题。为了满足国民经济高速增长的需要，在今后相当一段时间内煤炭仍存在较大需求，因此煤炭开采过程中的安全问题显得尤为重要。煤炭自然发火常发生于采空区，由于煤层裂隙较多，漏风量大，热量蓄积多，为煤炭自燃提供了有利的条件。当采空区内氧气含量充足时，采空区自燃带化学反应速率、放热反应速率加快。近些年来，我国发生多起由裂隙封堵问题造成的大型事故，不仅对经济造成影响，煤炭燃烧生成的有毒气体还会威胁工作人员的身体健康。采空区内含有大量遗煤、碎煤，封堵煤体中的孔隙与煤块之间的空隙，减少氧气与煤体的接触面积是防止采空区自然发火的有效途径。传统堵漏风技术主要有高分子材料喷涂、泡沫喷涂、注浆封堵等，这些技术在实际应用中都有非常大的意义，但也存在一些缺点。高分子材料喷涂存在着成本较高的问题；注浆虽然成本较低，但长时间表面干裂会产生新的裂隙，同时还会造成用地紧张；聚氨酯泡沫虽然可以用于封堵采空区裂隙，但材料本身易燃；三相泡沫虽然可以向采空区高处堆积，但是泡沫破碎后水浆易流失。因此需要一种能够制备流动性好、固结速度适中、材料难燃、成本低廉的泡沫的装置。

发明内容

有鉴于此，本发明实例提供了渐变双啮合旋体式混凝土凝胶泡沫发生装置，喷射出的泡沫具有流动性良好、耐热性优良、成本低廉的特点。

本发明实例提供了渐变双啮合旋体式混凝土凝胶泡沫发生装置，包括：

风管，与气泵相连，采用Y型设计，风管转角处设计为90°圆角，减少了风流与风管转角处的局部阻力损失；

电机，安装在设备左侧，通过电机正转带动齿轮模组实现第一螺旋叶片的正转，第二螺旋叶片反转，完成反应室内搅拌；通过电机反转带动齿轮模组实现第一螺旋叶片的反转，第二螺旋叶片正转，排出反应室多余废料；

齿轮模组，由主动齿轮与从动齿轮组成，通过连接件与空心转子轴相连，两齿轮相啮合，通过电机正转实现主动齿轮的正转与从动齿轮的反转；

空心转子轴，固定在反应室内，通过滚珠与连接件实现空心转子轴的相对旋转与固定，空心转子轴外壁均匀打孔，气流通过空心转子轴外壁通孔沿轴线方向对反应室内均匀输入空气，提高装置产泡质量；

添加装置，安装在反应室外，用于添加水、泡沫原料、水泥、砂石，分为进灰口、砂石口、进液口三部分，砂石口外设有旋震筛，旨在筛出中等粒径砂石进行发泡，提高混凝土凝胶泡沫产出质量，进液口内有三级射流器，与反应室内可旋转高压喷头相连；

反应室，安装在设备右侧，顶部设有添加装置，底部设有排污口，内部由可旋转高压喷头、双螺旋叶片组成，要求可旋转高压喷头直径M约占反应室总长H的1/3-1/4；

螺旋叶片，用于搅拌反应室内原料，由第一螺旋叶片与第二螺旋叶片组成，螺旋叶片表层带有搅拌牙，搅拌牙面积占螺旋叶片面积的50％-60％；

观察孔，设置在反应室右侧收口处，用于观察物料搅拌情况，观察孔外设有密封旋塞，工作状态时，观察孔处于密封状态，密封旋塞对观察孔进行封堵，防止物料喷溅。

可选的，所述泡沫发生装置采用悬挂式安装，并随采煤工作面液压支柱一起移动。

可选的，所述螺旋叶片设计为尺寸渐变啮合设计，螺旋叶片顶部连接线与水平面的夹角α介于0°-8°之间，螺旋叶片上有搅拌牙，搅拌牙安装角介于40°-50°之间，物料与螺旋叶片上的搅拌牙相互碰撞，一部分电能转换为混合物料的动能向前输送，一部分电能转换为内能，泡沫混合液的分子运动剧烈，提升物料搅拌效率。

可选的，所述电机通过齿轮模组与空心转子轴相连，并通过电机的正转带动反应室内第一螺旋叶片正转，第二螺旋叶片反转来实现反应室内原料的搅拌；通过电机的反转带动反应室内第一螺旋叶片反转，第二螺旋叶片正转，排除多余废料，防止废料累积固化对元器件造成损坏。

可选的，所述进液口连接有可旋转高压喷头，与传统进液口相比，可以利用喷头旋转产生的离心力，将混合发泡液喷洒至反应室内，增大了混合发泡液与固体材料的接触面积，实现混合均匀，提高反应室内混凝土凝胶泡沫发泡质量，同时，在搅拌工序完成后，可向进液口三级射流器中吸入水泥清洗剂，便于清理反应室。

可选的，所述添加装置与外壁连接处均设计为单向阀结构，可以有效防止因反应室内压力P_a高于外界压力P₀而导致混合物料从原料入口溢出；

可选的，所述添加装置内壁曲线设计为摆线，减小水泥灰、砂石、混合发泡液与装置器壁摩擦产生的阻力。满足参数方程：

X(θ)＝R×(θ-sinθ)，

Y(θ)＝R×(1-cosθ)，其中R为圆形半径，θ为旋转角。

可选的，所述砂石添加装置外设有旋震筛，旋震筛分为三层，设有两层筛网，顶部筛网为低目数筛网—2目(8mm)，中部筛网为高目数筛网—8目-10目(2.36mm-1.7mm)，底部安装有托盘，既能筛选砂石粒径，又能提升混凝土凝胶泡沫产出质量。

可选的，所述反应室内螺旋叶片的最大尺寸与反应室内壁距离≥5％，充分搅拌反应室内原料的同时，避免与内壁的碰撞对反应室内元器件造成损害。

可选的，所述装置泡沫出口位置设计为收口结构，用于增大泡沫流速，根据伯努利方程Q＝V₀·S₀，当截面流量Q一定时，泡沫出口位置截面面积S₀减小，截面处泡沫流速V₀增大。

可选的，所述装置泡沫出口位置设有观察孔与密封旋塞，用于观察混凝土凝胶泡沫产出质量，对于密封旋塞中的立体密封套截面半径R₁与受挤压后立体密封套截面半径R₂、密封圆盘半径R₃、观察孔半径R₄的关系，要求为R₂＞R₄＞R₁＞R₃。

可选的，所述装置出口位置与输出管相连，输出管末端设计为花管结构，用于防止管口受压导致采空区灌注泡沫受阻。

可选的，所述添加装置对水泥与砂石的体积比控制在1:3-1:4。

可选的，进液口内采用三级射流器，射流器串联相接，高压水注入第一级射流区，从喷口高速喷出，形成真空，吸入交联剂，交联剂与水在喉管剧烈混合，通过渐扩管注入第二级射流区，吸入稠化剂，混合液经过渐扩管注入第三级射流区，吸入发泡剂，充分融合后，通过渐扩管注入罐体内部；选择发泡剂质量分数4％，交联剂与稠化剂的质量比为1:1，三种试剂可通过单个仪器注入，无需多个设备同时启动，使用更加方便；射流器在结构上取消了第二级和第三级射流区的渐缩管及缩短了第一级和第二级射流区渐扩管长度，大限度减小了三级射流器长度，降低了射流损失；三个射流区喉管长度不变，管径增大，长度与管径的比例保持在5-7之间，克服因管内物质过多造成的速度降低。

可选的，送风通道位于罐体轴线位置，两侧对称、等距布置开口，单个开口长度与总开口数目的乘积L×n为所述送风管道长度的1/3-1/4，工作时送风通道沿轴线旋转，实现均匀供风，促使泡沫充分发泡，彻底混合泡沫、灰和石子；开口为双层八字结构，从管道开口到罐内逐渐缩紧，一层上部开口间距不超过二层的1/2，也不超过一、二层上部开口距离的1/4，若泡沫混凝土回流到开口内，更易从一二层八字结构之间流出，回流到管道内部的概率较低，可以有效的防止泡沫混凝土回流到管道内部，堵塞管道。

附图说明

图1为渐变双啮合旋体式混凝土凝胶泡沫发生装置结构示意图；

图2为砂石口结构示意图；

图3为送风通道结构示意图；

图4为泡沫注入装置三级射流器结构示意图；

图5为观察孔密封旋塞结构示意图；

图6为观察孔密封旋塞效果示意图；

图7为实施工艺示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述，使得本发明的特点与实施方式更易使工程技术人员理解。

请参阅图1，本发明实施例渐变双啮合旋体式混凝土凝胶泡沫发生装置，装置包括风管、电机、齿轮模组、转轴、添加装置、反应室、螺旋叶片、观察孔等。

具体介绍如下：该装置布置在回风巷一侧，通过风机将风流压入Y型通风管，向反应室内供气；电机通过连接件与齿轮模组相连，通过电机带动齿轮模组旋转，从而实现反应室内带有搅拌牙的螺旋叶片的旋转；反应室外设有添加装置，旨在向反应室内加入混合发泡液、砂石、水泥；所述添加装置由进灰口、砂石口、进液口三部分组成，砂石口外设有旋震筛，可以自动筛分不同粒径砂石，提高装置产泡效率；进液口内设有三级射流器，按序定量吸入交联剂、稠化剂、发泡剂，进液口下连可旋转高压喷头，提高进液效率的同时，又在结束工作后起到高压水流清洗作用；泡沫出口位置设计为收口结构，并设有观察孔，观察孔外设计有密封旋塞，用于观察反应室内产泡质量，泡沫出口位置外连输出管，输出管插入至采空区内部自燃带，输出管末端采用花管设计。

反应室左侧安装有合页，旨在反应室内完成搅拌工序后，打开反应室进行清洁，防止物料累积固化损害元器件，通过电机反转，从而实现第一螺旋叶片反转，第二螺旋叶片正转，与螺旋叶片正常工作状态相反，用于排除反应室内多余废料，同时可以定期检查反应室内元器件工作状况并进行维修保养，对于一些难清洁的位置可以人工处理，提高了装置的使用寿命。

反应室外进液口与反应室内可旋转高压喷头相连，通过转轴带动高压喷头旋转，旋转产生的离心力将喷头内的混合溶液均匀喷洒至反应室内，喷头直径M约占反应室总长H的1/3-1/4；在搅拌工序完成后，可以向进液口输送高压水流，通过三级射流器吸入水泥清洗剂，高压喷嘴可以对双螺旋叶片的搅拌牙及空心转子轴的通孔进行冲洗，防止混凝土固化对螺旋叶片等元器件造成损害，还可以进一步防止空心转子轴通孔堵塞，同时反应室底部设有排污口，用于排出清洗后的废液。

图2为砂石口结构示意图，反应室外固定安装旋震筛，旋震筛共分三层，顶部安装有防尘罩，防止砂石扬尘，旋震筛内侧层与层之间固定连接两层筛网，顶部筛网为低目数筛网—2目(8mm)，中部筛网为高目数筛网—8目-10目(2.36mm-1.7mm)，底部安装托盘，两层筛网与底部托盘之间采用相互平行设置；每层筛网外连接360°可旋转式出料口，当混合粒径砂石从顶部投入时，旋震筛底部马达带动弹簧开始震动，从而实现对不同粒径砂石的自动筛分，筛除大粒径、小粒径砂石，旨在向砂石口输送中等粒径砂石，提高了反应室内混凝土凝胶泡沫产出质量；在实际使用过程中，可在出料口处外接软管，将软管输送到砂石收集池，一方面可以将砂石进行分级收集，很大程度解决人工投送物料筛分效率低的问题，另一方面可以减少因向砂石收集池投送时的高差而形成的粉尘。

图3为本发明送风通道结构图，送风通道位于罐体轴线位置，两侧对称、等距布置开口，单个开口长度与总开口数目的乘积L×n为所述送风管道长度的1/3-1/4，工作时送风通道沿轴线旋转，实现均匀供风，促使泡沫充分发泡，彻底混合泡沫、灰和石子；开口为双层八字结构，从管道开口到罐内逐渐缩紧，一层上部开口间距不超过二层的1/2，也不超过一、二层上部开口距离的1/4，若泡沫混凝土回流到开口内，受限于开口尺寸差异及气流推力作用，更易从一二层八字结构之间流出，回流到管道内部的概率不超过1/10，可以有效的防止泡沫混凝土回流到管道内部，堵塞管道；喷射结束设备清洗时，送风通道可以顺时针、逆时针循环转动，实现无死角清洗。

空心转子轴表面固定连接有双螺旋叶片，双螺旋叶片采用尺寸渐变啮合设计，要求螺旋叶片顶部连接线与水平面的夹角α介于0°-8°之间，螺旋叶片最大尺寸处与反应室内留有≥5％的孔隙，防止叶片与反应室碰撞对螺旋叶片造成损坏，第二螺旋叶片啮合至第一螺旋叶片间隙的1/4-1/5处；两个螺旋叶片上均带有搅拌牙，搅拌牙面积占螺旋叶片面积50％-60％，搅拌牙安装角介于40°-50°之间，可以有效提高反应室内混合材料的搅拌效率，由于齿轮模组啮合，启动电机后，主动齿轮带动第一螺旋叶片正向转动，从动齿轮带动螺旋叶片反向转动，螺旋叶片搅拌转速为15r/min-20r/min；第一螺旋叶片与第二螺旋叶片搅动砂石、混凝土、混合发泡液，混合物料与螺旋叶片产生摩擦，一部分电能转换为内能，使得反应室内温度提高，混合发泡液内分子运动剧烈，提高了混凝土凝胶泡沫发泡效率。

图4为本发明泡沫注入装置三级射流器结构图，射流器串联相接，高压水注入第一级射流区，从喷口高速喷出，形成真空，吸入交联剂，交联剂与水在喉管剧烈混合，通过渐扩管注入第二级射流区，吸入稠化剂，混合液经过渐扩管注入第三级射流区，吸入发泡剂，充分融合后，通过渐扩管注入罐体内部；选择发泡剂质量分数4％，交联剂与稠化剂的质量比为1:1，三种试剂可通过单个仪器注入，无需多个设备同时启动，使用更加方便；射流器在结构上取消了第二级和第三级射流区的渐缩管及缩短了第一级和第二级射流区渐扩管长度，大限度减小了三级射流器长度，降低了射流损失；三个射流区喉管长度不变，管径增大，长度与管径的比例控制为5<L/D₃<L/D₂<L/D₁<7，克服因管内物质过多造成的速度降低；采用此射流器操作简单，可一次性向罐体内注入所有泡沫制备原料，结构的简化有效的降低了损失。

图5与图6分别为观察孔密封旋塞结构示意图与效果示意图，观察孔外设有密封旋塞，当需要观察反应室内泡沫产出质量时，同时按压按钮1与按钮2，开启旋塞，按钮挤压伸缩杆内滚珠，滚珠受到挤压后向内侧滑动，伸缩杆向下伸长，双按钮设计提高了装置的本质安全性，防止工人误操作打开密封旋塞，导致反应室内物料喷出；当需要封堵观察孔时，向上提指针拉杆，指针拉杆处设计为60°圆角，起到向上提拉指引的同时，避免指针尖端对工人造成的伤害，向上提拉指针拉杆时，与拉杆相连的密封圆盘受到向上拉力，伸缩杆向上收缩，密封圆盘挤压立体密封套形成多个密封层，对密封孔进行密封；设计时要求伸缩杆长度为7cm-10cm，立体密封套截面半径R₁与受挤压后立体密封套截面半径R₂、密封圆盘半径R₃、观察孔半径R₄的关系为R₂＞R₄＞R₁＞R₃，立体密封套相较于传统密封套，密封效果更好，方便更换，可以有效防止混合物料喷出。

图7为实施工艺示意图，当采空区自燃带发生火灾时，启动电机、风机，打开水流、气流阀门，向反应室内输送气流与水流，同时向反应室内投放制备混凝土凝胶泡沫原料，风管与水管上安装有阀门和压力表，用来控制水流和气流泵入量；为了保证所制备的泡沫质量，待反应室内均匀混合后通过减缩段的观察孔取样观察，待搅拌完成后连接输出管，输出管末端深入采空区内部20m-40m，对采空区内火区进行注入混凝土凝胶泡沫灭火。由于混凝土凝胶泡沫具有良好流动性，可根据现场实际情况选用采空区预埋管注入泡沫、煤层顶板以上若干米处向下打孔注泡沫、煤层底板以下若干米处向上打孔注泡沫三种实施工艺，从而实现对采空区内破碎煤体的覆盖，有效封堵采空区，减少漏风，对采空区内煤自燃进行有效控制。混凝土凝胶泡沫由固体不燃物、空气、混合发泡液等成分组成，混凝土凝胶泡沫内的水分不仅使泡沫具有良好的流动性能，当注入的混凝土凝胶泡沫开始向自燃带扩散，包裹、覆盖破碎煤体后，泡沫体积迅速膨胀，水分还可以带走高温煤块的热量，降低周围环境温度；注入后的混凝土凝胶泡沫能够充满整个自燃带，有效降低采空区自燃带的氧气浓度，泡沫内含有的砂石等固体颗粒均匀的附着在煤体表面，封堵煤体表面孔隙，减少氧气与煤的接触面积，对煤的氧化放热起到抑制作用；当水分蒸发后，混凝土固化，进一步封堵煤块间的空隙，从而遏制氧气与煤块的反应，使正在自燃的煤体窒息。该发生装置产泡效率高，布孔密集，能够实现对火区的有效治理。

本发明的有益效果是：本发明将三级射流器、渐变双啮合螺旋、旋震筛集于一体，可以实现定量吸液、自动筛分搅拌，使得混凝土凝胶泡沫制备自动化程度高、效果优良，并且用户可以根据实际情况选择此发生装置的实施工艺，满足用户不同需求。

以上所述仅仅是为了描述本发明的目的，并非限制本发明的范围，任何能够做到同等替换的修改，都应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (2)

1.渐变双啮合旋体式混凝土凝胶泡沫发生装置，其特征在于，包括：风管、电机、齿轮模组、空心转子轴、送风通道、添加装置、三级射流器、旋震筛、反应室、渐变双啮合螺旋叶片、观察孔；风管，与气泵相连，风管转角处设计为90°圆角，减少风流与风管之间的局部阻力损失；电机，安装在设备左侧，通过齿轮模组带动双螺旋叶片进行搅拌；齿轮模组，两齿轮相啮合，通过电机实现主动齿轮的正转与从动齿轮的反转；空心转子轴，通过连接件与齿轮模组相连，固定于反应室内部；送风通道，位于罐体轴线位置，两侧对称、等距布置开口，单个开口长度L与总开口数目n的乘积为所述送风管道长度的1/3-1/4，工作时送风通道沿轴线旋转，实现均匀送风，开口为双层八字结构，从管道开口到罐内逐渐缩紧，一层上部开口间距不超过二层的1/2，也不超过一、二层上部开口距离的1/4，有效防止泡沫混凝土回流到送风管道内部；添加装置，安装在反应室外，用于添加水、泡沫原料、水泥、砂石；反应室，安装在设备右侧，用于盛放混合材料的容器；三级射流器，射流器串联相接，交联剂、稠化剂和发泡剂按照顺序注入三级射流器的三个分区，实现通过单个仪器完成所有泡沫原料同时注入罐体，射流器结构上取消了第二级和第三级射流区的渐缩管及缩短了第一级和第二级射流区渐扩管长度，减小了三级射流器长度，降低了射流损失，三个射流区喉管长度不变，管径增大，长度与管径的比例控制为5<L/D₃<L/D₂<L/D₁<7，克服因管内物质过多造成的速度降低；高压水注入第一级射流区，从喷口高速喷出，形成真空，吸入交联剂，交联剂与水在喉管剧烈混合，通过渐扩管注入第二级射流区，吸入稠化剂，混合液经过渐扩管注入第三级射流区，吸入发泡剂，充分融合后，通过渐扩管注罐体内部，选择发泡剂质量分数4％，交联剂与稠化剂的质量比为1:1，三种试剂可通过单个仪器注入；旋震筛，共设有三层，顶部设置有防尘罩，层与层之间安装筛网，顶部选用低目数筛网，中部选用高目数筛网，底部安装托盘，用于筛除粒径较大、较小的砂石，选用中等粒径砂石，提升泡沫产出质量，进砂口内壁曲线设计为摆线，减少砂石与内壁之间的阻力，加快物料投放速度；渐变双啮合螺旋叶片，通过空心转子轴的旋转带动叶片的旋转，螺旋叶片采用尺寸渐变设计，主动齿轮螺旋叶片与从动齿轮螺旋叶片相互啮合，螺旋叶片上留有搅拌牙，实现反应室物料的均匀搅拌，最长尺寸螺旋叶片与反应室内壁之间留有≥5％的距离，避免叶片与内壁发生碰撞；观察孔，用于观察物料搅拌情况，外设有观察孔密封旋塞，防止物料喷溅。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置泡沫出口位置设计为收口结构，并设有观察孔，观察孔外设有密封旋塞；密封旋塞由指针拉杆、按钮、伸缩杆、立体密封套、密封圆盘构成，主要对观察孔起密封作用，避免泡沫材料溢出；出口位置连接输出管，输出管末端设计为花管结构，用于防止管口受压导致采空区灌注泡沫受阻。