一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统

摘要

一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统是由气液两相流参数控制和调节装置、气液两相流输送管线、气液两相流立体喷管三部分构成，气液两相流立体喷管采用双管嵌套设计，将带有密集出气孔的气管嵌套进液管内部；气液两相流立体喷管上依次设置与喷管成90度、60度、30度和0度角的气泡雾化喷头；90度、60度、30度角气泡雾化喷头围绕喷管各均匀布置四个，0度角气泡雾化喷头布置在喷管中央正前方；各个气泡雾化喷头雾化锥角均设计成30度实心锥型，本系统通过合理的气液两相流参数控制和调节，气液两相流立体喷管装置能够产生雾化效果好、雾通量大、雾动量高的大面积立体阻化细水雾气雾场，实现采空区的高效防灭火。

权利要求

1.一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统，其特征在于：系统由气液两相流参数控制和调节装置、气液两相流输送管线、气液两相流立体喷管装置三部分组成；气液两相流参数控制和调节装置包括水管接头（1）、水管控制阀门（2）、水过滤装置（3）、水流量计（4）、水压调节阀（5）、氮气管接头（6）、氮气管控制阀门（7）、氮气过滤装置（8）、氮气流量计（9）、氮气气压调节阀（10）；气液两相流输送管线包括水管接头（11）、氮气管接头（12）、氮气管（13）、氮气管固定圆盘（14）、水管（15）、喷管外丝接头（16）；气液两相流立体喷管装置（18）包括喷管内丝接头（17）、90度角气泡雾化喷头（19）、60度角气泡雾化喷头（20）、30度角气泡雾化喷头（21）和0度角气泡雾化喷头（22）、氮气管喷孔（23）。

2.根据权利要求1所述的一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统，其特征在于：气液两相流立体喷管装置采用双管嵌套设计，将带有密集出气孔的气管嵌套进液管内部。

3.根据权利要求1所述的一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统，其特征在于：气液两相流立体喷管上依次设置与喷管成90度、60度、30度和0度角的气泡雾化喷头；90度、60度、30度角气泡雾化喷头围绕喷管各均匀布置四个，0度角气泡雾化喷头布置在喷管中央正前方；各个气泡雾化喷头雾化锥角均设计成30度实心锥型。

4.根据权利要求1所述的一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统，其特征在于：气液两相流立体喷管装置利用气泡雾化原理，在喷管内部通过高速气流强烈的剪切和撕裂作用产生大量包裹气泡的液滴和液线，形成一次雾化，液体内包裹的气泡在喷出喷头喷嘴后在内外压差作用下“爆炸”形成二次雾化。

说明书

一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统

技术领域

[0001] 本发明属于矿井采空区火灾防治领域，具体涉及一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统。

背景技术

[0002] 矿井火灾严重影响了煤矿生产，是威胁煤矿安全生产的最主要的灾害之一，煤矿每年由于自燃造成的直接和间接经济损失近百亿元。矿井自然发火占总发火次数94%，其中采空区自燃则占内因火灾的60%。采空区火灾会损耗煤炭资源、烧毁机械设备，引起瓦斯、煤尘爆炸，产生大量的高温火焰和有毒有害气体，对采空区火灾防治技术的研究具有重要的意义。

[0003] 目前存在的采空区火灾治理技术主要有：堵漏与均压防灭火技术、灌浆防灭火技术、阻化剂防灭火技术、三相泡沫灭火技术、惰性气体防灭火技术防治煤层自燃火灾等技术。不同的防灭火技术都难以在防治效果和经济效益两方面同时取得较好的效果，因此，迫切需要提出一种经济有效的采空区防灭火技术。

[0004] 氮气防灭火具有工艺简单、操作简便、易于掌握、不污染防灭火区域、对封闭区域内的设备损害少、较好的稀释抑爆作用、有效抑制防灭火区域的漏风等优点，但同时存在降温效果差、不能有效消除高温点等缺点。阻化水虽能起到较好的采空区防灭火作用，但是常常由于无法均匀覆盖到采空区内而难以起到应有的效果；细水雾灭火是一种新型的火灾防治技术，既有水喷淋系统的冷却作用，又有气体灭火系统的窒息作用，能够在冷却、窒息、隔绝热辐射和浸润多重作用下达到控制火灾、抑制火灾和扑灭火灾的目的。

[0005] CN103806932A公布了一种用高压喷头雾化在采空区实现化学反应预防煤炭着火和灭火的方法，该方法缺陷在于采用的高压喷头雾化要想产生理想的雾化效果，需要很高的水压（产生1级细水雾的水压大于10Mpa），大大增加了系统的成本，且同时需要保证喷嘴喷口足够小（一般小于1mm），喷嘴极易堵塞；CN101915113B授权了一种矿用氮气细水雾发生装置，通过导水旋风器和雾化器的设置，可用于注氮过程中添加细水雾，CN103195462B授权了矿井注氮过程中液体添加及雾化装置，该装置与CN101915113B授权的一种矿用氮气细水雾发生装置均利用传统的双流体雾化技术，通过高速流动的气体对水的剪切作用实现水的雾化，该技术虽然不需要较高的水压就能达到较好的雾化效果（水压和气压均在0.3~0.7Mpa之间即可产生1级细水雾），但是该系统结构较为复杂，通过高速流动的气动力作用将液体雾化，耗气量过大，雾通量较低；CN103362534B授权了防治矿井火灾的氮气阻化细水雾制备系统及其防灭火方法，但是并没有对具体的雾化原理和雾化装置进行详细的介绍。

[0006] 气液两相流阻化细水雾防灭火技术对矿井采空区火灾防治具有显著的效果，现阶段对该技术中包括雾化装置在内的整套系统的设计不够合理，难以真正发挥该项技术的优势，迫切需要提出一种雾化效果好、耗能量低、防治效果显著、操作性强的矿井采空区气液两相流防灭火系统。

发明内容

[0007] 发明的目的：

[0008] 为了克服现有气液两相流阻化细水雾防灭火技术在雾化装置和系统设计中存在的问题，本发明设计一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统，该系统具有雾化效果好、耗能量低、火灾防治效果显著、操作性强等特点，真正意义上实现气液两相流阻化细水雾防灭火技术在矿井采空区火灾防治工作中的应用。

[0009] 发明提供的技术方案：

[0010] 一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统，将氮气作为气源，采用内气外液式气泡雾化原理，雾化阻化水，利用氮气的流动与扩散性将阻化细水雾输送到采空区的各个角落，对采空区高温煤岩进行三维立体覆盖，综合利用氮气和阻化剂细水雾在采空区火灾防治方面的优点，实现采空区火灾的有效防治。

[0011] 一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统，包括气液输送管道、气液控制和调节装置、气液两相流立体喷管。其特征在于：所述气液控制和调节装置安装于气液输送管道上，气液输送管道的末端连接气液两相流立体喷管，气液两相流立体喷管喷出大量的气液两相流阻化细水雾实现矿井采空区火灾的有效防治。

[0012] 所述气液输送管线由水管网和氮气管网组成，阻化剂水流和气流相互独立流入气液两相流立体喷管装置，在气液两相流立体喷管装置发生气泡雾化作用。

[0013] 所述气液参数控制和调节装置包含水管控制阀门、水过滤装置、水流量计、水压调节阀、氮气管控制阀门、氮气过滤装置、氮气流量计、氮气气压调节阀，能够对水压、气压、水流量、气流量等参数进行控制和调节。

[0014] 所述气液两相流立体喷管装置上依次设置与喷管成90度、60度、30度和0度角的气泡雾化喷头；90度、60度、30度角气泡雾化喷头围绕喷管各均匀布置四个，0度角气泡雾化喷头布置在喷管中央正前方；各个气泡雾化喷头雾化锥角均设计成30度实心锥型。气液两相流立体喷管装置内嵌喷气管沿螺旋方向均匀布置喷气孔，各个喷头入口段均设置带有密集喷孔的喷孔板。

[0015] 发明的有益效果：

[0016] 一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统能够实现在惰化、冷却、窒息、隔绝热辐射和浸润等多种作用下的矿井采空区火灾防治。

[0017] 气泡雾化过程中通过高速气流强烈的剪切和撕裂作用产生大量包裹气泡的液滴和液线，形成一次雾化，液体内包裹的气泡在喷出喷嘴后在内外压差作用下“爆裂”形成二次雾化。由于气泡的表面膜远小于液柱或液膜的厚度，气泡雾化技术雾化所需能量较小，雾化的粒度也很细。喷嘴出口直径大小对雾化效果影响较小，因此，喷嘴出口直径可以设计成普通喷嘴出口直径的几倍大小，杜绝了喷嘴的堵塞。

[0018] 采用气泡雾化原理对水压和气压的要求较低，耗气量低，雾通量大，在水压和气压均小于0.5Mpa，气液质量流量比（GLR）为0.1的情况就可以产生雾滴粒径小于100μm的水雾。

[0019] 合理的气液两相流立体喷管装置设计，使系统结构更加简单可靠，喷管的喷雾角度和射程大大提高，实现了采空区大范围全方位立体氮气-阻化细水雾覆盖，有效提高了采空区的防灭火效果。

附图说明

[0020] 图1是本发明气液两相流防灭火系统的结构示意图。

[0021] 图2是本发明气液两相流立体喷管装置半剖示意图。

[0022] 图3是本发明气液两相流立体喷管90度角的气泡雾化喷头剖面图。

[0023] 图4是本发明气液两相流立体喷管60度角的气泡雾化喷头剖面图。

[0024] 图5是本发明气液两相流立体喷管30度角的气泡雾化喷头剖面图。

[0025] 图6是本发明气液两相流立体喷管0度角的气泡雾化喷头剖面图。

[0026] 图7是本发明气液两相流立体喷管90度、60度、30度和0度角的气泡雾化喷头喷孔板25的结构示意图。

[0027] 图8是本发明氮气雾化喷管及喷孔布置三维效果图。

[0028] 图9是本发明气液两相流立体喷管装置正面直视结构示意图。

[0029] 图10是本发明气液两相流立体喷管装置喷射效果示意图。

[0030] 图中：1：水管接头、2：水管控制阀门、3：水过滤装置、4：水流量计、5：水压调节阀、6：氮气管接头、7：氮气管控制阀门、8：氮气过滤装置、9：氮气流量计、10：氮气气压调节阀；
11：水管接头、12：氮气管接头、13：氮气管、14：氮气管固定圆盘、15：水管、16：喷管外丝接头、17：喷管内丝接头、18：气液两相流立体喷管装置、19：90度角气泡雾化喷头、20：60度角气泡雾化喷头、21：30度角气泡雾化喷头、22：0度角气泡雾化喷头、23：氮气管喷孔、24：气液混合室、25：喷孔板。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

[0032] 如附图所示：本发明的一种气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统由气液参数控制和调节装置、气液输送管线、气液两相流立体喷管装置三部分组成。

[0033] 气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统工作流程：

[0034] （1）管路和气液两相流立体喷管装置布置。氮气管路和阻化水管路均布置在工作面进风顺槽内；通过喷管外丝接头16和喷管内丝接头17将气液两相流立体喷管装置与事先加工好的内嵌气管的水管连接；将气液两相流立体喷管装置18预先水平埋入采空区，喷管装置18用大块岩体掩埋或者利用外套刚性铁笼进行保护。

[0035] （2）气液参数控制和调节。通过水管接头1和氮气管接头6将该系统与阻化水源和氮气源进行连接；调节水管控制阀门2和氮气管控制阀门7，将阻化水和氮气的压力和流量调节至最佳的雾化参数。

[0036] （3）阻化水雾化与喷射。阻化水和氮气分别通过水管15和氮气管13向前输送；阻化水流和氮气到达气液两相流立体喷管装置后，高速流动的高压氮气通过氮气雾化喷管和喷孔板上的的氮气管喷孔23对阻化水流进行强烈的剪切和撕裂作用，从而产生大量包裹气泡的液滴和液线，依次在气液混合室24内形成均匀的气液两相流；气泡在两相流动过程中运动、加速、变形，依次在90度、60度、30度、0度角气泡雾化喷头19、20、21、22的喷嘴出口处将液体挤压成细丝线状喷射而出；同时在离开喷嘴出口极短的时间和距离内，气泡由于内外压差的骤然变化而急剧膨胀，直至爆裂，从而将液丝、液线炸成更加细微的颗粒，实现阻化水滴充分雾化。

[0037] （4）阻化细水雾的运移。从气液两相流立体喷管装置喷出的阻化细水雾在氮气和采空区漏风的作用下，运移至采空区的各个角落。

[0038] （5）氮气-阻化细水雾防灭火。该系统能够同时发挥水、阻化剂、氮气三者的防灭火作用，实现采空区的防灭火。

[0039] 本发明的气泡雾化采空区气液两相流防灭火系统，可以采用埋管注射、托管注射、钻孔注射、插管注射和密闭注射等工艺。

[0040] 最后应该说明的是：以上所述仅为本发明的技术方案，并未对其进行限制，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、改进、等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。