2008年自主课题结题报告-王德明
煤炭资源与安全开采国家重点实验室2008年自主研究课题结题报告
课题名称：煤矿隐蔽火源探测与治理关键技术
负责人：王德明
联系电话： 0516 ********
电子邮箱： wdmcumt@https://www.360docs.net/doc/0210286523.html,
通讯地址：徐州大学路1#中国矿业大学矿业中心
资助金额： 50 万元
执行年限： 2008 年1月—— 2012年12月
填表日期：年月日
中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室制表
2012.10
《结题报告》正文撰写提纲
一、报告正文
参照提纲格式自由撰写，并可以根据需要分解或增设栏目。要求层次分明、条目清晰、内容准确。主要栏目为：
1、课题摘要。
2、研究计划要点及执行情况概述。
3、研究工作主要进展和所取得的成果。
4、国内外学术合作交流与人才培养情况（如无，可以不写）。
5、存在的问题、建议及其他需要说明的情况。
二、研究成果目录和数据统计表。
1、成果类型分为“获奖、专利、专著、期刊论文、会议论文、其他”六大类，请
归类集中填写，逐类单独编号；无正式录用证明的论文暂不列入；表格不够可自行增加（作为完成计划任务书中所承诺的成果要放在成果列表最前面）；2、是否标注“自主课题资助编号及实验室为第一作者单位”情况，请根据实际情
况在标注栏中说明。
三、报告附件内容
1、属本课题研究内容已发表的（或已有录用通知）符合标注要求的学术论文复印件
（封面、目录、全文）及被引用情况（不包括自引情况）；
2、授权（或申请）专利相关证书复印件；
3、科研获奖证书复印件；
4、其他成果清单和必要的证明材料复印件（如实验或测试报告材料等）。
注：科技部《国家重点实验室建设与运行管理办法》及《煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题管理办法》请登录实验室网站查询，网址:https://www.360docs.net/doc/0210286523.html,。
四、注意事项
1、请以宋体、小四、行距20磅填写申请书的各项内容，要求实事求是，逐条认
真填写，表达明确严谨，字迹清晰易辨；
课题摘要
中文摘要（限500字）：
针对煤自燃火源隐蔽性强、治理手段难以奏效的技术现状，本课题开展了煤矿隐蔽火源井下煤自燃隐蔽火源特性与关键防治技术研究。研究了煤矿井下自燃隐蔽火源特性，建立了煤自燃隐蔽火源气、热产物运移规律的数学模型，通过现场实测和数值模拟技术分析了自燃火源位置与气体产物分布规律之间的关系；在对煤自燃火源热、电特性研究的基础上，提出了基于热电复合的大面积煤火区域煤自燃隐蔽火源探测技术，并在煤火区治理过程中进行了成功应用；在对煤自燃隐蔽火源特性和现有防灭火技术特点分析的基础上，指明防灭火泡沫是现阶段一种较适于煤矿隐蔽火源治理的关键技术，并对防灭火泡沫介质的管流、在采空区的渗流特性进行了研究，解决了应用泡沫防灭火技术治理隐蔽火源时所面临的扩散范围不明、堆积高度不清、影响因素不确定等关键问题，大幅提升了泡沫防灭火技术治理隐蔽火源的效率。
关键词(不超过5 个，用分号分开): 煤自燃火源位置探测防灭火泡沫流动
报告正文
1 研究计划要点及执行情况概述
1.1 研究计划要点
本课题的研究工作基本按照计划任务书展开，适当调整了部分内容的技术路线。课题组确立了“松散煤岩多孔介质中自燃火源及伴生物的运移特性”，“基于气体分析法的煤自燃隐蔽火源的探测原理”，“三相泡沫防灭火材料在采空区多孔介质中的流动及灭火机理”三个关键科学问题。针对这三个关键科学问题，项目初期制定的火源气体产物在采空区中运移扩散特性研究的主要技术路线为“通过在是实验室建立相似模型来展开”，在深入分析与系统调研的基础上，课题组最终否定了这一技术路线的可行性。具体的原因为：①在实验室建立的相似模型，模型很难模拟采空区真实的矿压特征，因此测试结果难以做到与现场实际状况相符；②模型的尺寸不可能足够大，这易造成模型内不同位置的气体差异较小，甚至体现不出差异，从而导致研究不能开展；③模型的密封和绝对隔热也存在技术难题，难以克服。这种情况下，存在得不到有价值研究结论的可能。因此，课题组对技术路线进行了适当修改，提出了现场实测、现场示踪气体试验和数值模拟相结合的采空区隐蔽火源气体产物运移扩散特性的研究方法，采用该方法研究了煤自燃隐蔽火源的特性。针对第二、第三个科学问题，技术路线没有做大的调整。总的来说，本课题按照既定的研究内容、目标和技术路线，完成了课题的研究目标。具体主要取得了以下几个方面的研究成果：
一、对采空区的气体组分进行了实测和数值模拟研究，在此基础上分析了采空区隐蔽火源的可能分布范围特征。
二、在隐蔽火源可能发生的范围内设置虚拟火源，采用数值模拟技术研究了采空区自燃火灾条件下气体产物运移扩散的特征，分析了自燃火源位置和气体产物分布规律间的对应关系，为依据气体分布判断采空区自燃火源的位置奠定基础。
三、在煤矿现场，开展了火灾条件下采空区气体分布特征的实测与分析研究，并将研究结论和数值模拟结论做了对比分析。
四、在对煤自燃火源热、电特性的研究的基础之上，提出了基于热电复合的大面积煤火区域煤自燃火源探测技术，并在煤火治理过程中进行了成功应用
五、采用现场灌注试验的方法研究了隐蔽火源治理的防灭火介质----三相泡沫在采空区的渗流特性，得到了三相泡沫的堆积高度和扩散宽度及其影响因素。
六、采用实验室实验的方法研究了三相泡沫的基本渗流特性，得出了三相泡沫渗流规律的理论计算方法。在理论分析、实验研究的基础上，建立了三相泡沫在采空区渗流的三维数学模型，采用对现场灌注试验进行数值模拟的方法对数值模拟的方法进行了验证。
七、建立了防灭火泡沫在采空区渗流的数学模型，提出了三相泡沫在采空区渗
流的数值模拟方法，开展了三相泡沫在综放面采空区流动特性的数值模拟研究。
八、开展了防治煤炭自燃的稠化砂浆及其特性研究。
1.2 执行情况
项目基本按照计划进行，研究的成果主要反映在出版的2部专著、申请的5项
专利，发表的14篇论文（含期刊论文、学位论文、会议论文等）中。
2 研究工作的主要进展和所取得的成果
2.1 开展了隐蔽自燃火源气体产物运移特征的数值模拟研究
采用数值模拟和现场实测的方法研究了采空区隐蔽火源自燃气体产物一氧化碳
在采空区的运移、扩散特性。
2.1.1 隐蔽火源传质传热数学模型
应用煤自燃、传质、传热学等理论建立了采空区自然发火的三维数学模型。
1）主要控制方程:
()()()()()(())()()()i m i ij i i j i i j i j s s s s s
T p u s t x p u u u g s t x x x c div c div D grad c S t T k div T div gradT S t c ρρτρρρρρμρρρμ???+=?????????+=-+++?????????+=+?????+=+???
（2-1） 式中，ρ为混合气体密度，i 标记为（x ，y ，z ），i x 表示三维空间中的i 方向，
t 为时间，u 表示速度，i u 为i （x , y , z ）方向上的速度分量，m s 采空区内气体质
量增减量。p 是气流微元上的压力，其中i ,j 标记为(x ，y ，z )，j x 表示三维空间中
的j 方向，ij τ为分子粘性作用而产并作用在气体微元上的粘性应力张量，i g 为i 方
向上的重力体积力，S i 为i 方向上气体在采空区多孔介质运移过程中附加的动量损
失源项，由括粘性损失和惯性损失两部分构成，可表示为： 33
1112
i ij j ij
j j j j S D v C v v μρ===+∑∑ (2-2) 式s i 中，μ为采空区气体的粘度；ij D ,ij C 分别为粘性损失系数、惯性损失系
数矩阵。j v 为速度在x ，y ，z 三个坐标方向上的分量，由此可见当流动速度足够小
时，式中惯性损失部分相对于粘性损失可看作无穷小项，附加动量损失源可简化为
Dacy 公式表示。式中，s c 为组分s 的体积浓度，ρ是该组分的密度，s D 为该组分
的扩散系数，s S 为采空区内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质
量，x y z div(*)=a /a /a /x y z ??+??+??为引入的矢量符号。
根据FICK 定律，采空区各种气体的扩散流量用下式表示，即：
T i i i im i i X D T J D x T x ρ??=-?? （2-3）
式中，i J 为第i 种气体的扩散流量，主要由浓度梯度、热力梯度引起；im D 为
混合气体的扩散系数，i X 为气体i 的质量分数；T i D 为热扩散系数；T 为温度。
对于非稀薄气体，式x 可以采用多组分扩散公式代替，即：
,min ()T j j i
mix i i ij j j i i mix i i X X M M D T J D M x M x T x ρ≠???=+-???∑ （2-4）
其中，i M 是气体i 的分子量；mix M 是混合气体的分子量；
ij D 是气体组分i 的多
组分扩散系数。 氧气与浮煤发生物理吸附、化学吸附以及煤氧复合等物理化学变化，是采空区
氧浓度不断下降的主要原因。低温氧化阶段（低于70°C ）氧气的消耗速率可以采
用下述公式来表示：
2[]exp(/)n Rate A o E RT =- （2-5）
式中，E 为反应活化能，根据煤种的不同取12～95/KJ mol ，本次数值试验取值
64/KJ mol ；A 是指前因子，依赖于煤级和测试方法；n 为常数，取值多在0.5～1
之间；R 为气体常；T 为热力学温度；[O 2]是指氧气的体积浓度。
2.1.2 隐蔽火源火灾产物的数值模拟研究
1） 隐蔽火源可能分布范围研究
一般情况下隐蔽火源出现在采空区“自燃带”内，因此研究得到采空区“自燃带”
的分布范围，即可掌握隐蔽火源可能分布区域。确定“自燃带”可能分布区域，是采
用设置火源的方式研究火源产物运移分布特征的前提，因为只有在隐蔽火源可能存在
范围内，利用“模拟火源（设置火灾气体释放源项）”展开火源特性研究，才具有实
际的意义。 60m
60m
3#
2#
1#
4#
图2-1 测点分布示意图 为研究综放工作面“自燃带”的分布，对某矿综放工作面采空区氧气分布进行了
现场实测研究，测点布置见图2-1，实测得到的采空区氧气浓度曲线见图2-2所示。
050100150200
250300
03
6
9
121518
21
氧气浓度(%)距工作面距离(m ) 1# 2# 3# 4#
图
2-2综放面氧气浓度实测数据曲线
应用渗流、传质、计算流体力学等理论，建立描述采空区自然发火的数学模型，
通过可视化求解软件对采空区氧气浓度场的分布进行了数值模拟研究。模拟结果如图
5所示。
图2-3 氧气浓度分布云图
按照氧气浓度
5%~18%为采空区“自燃带”的划分标准，圈定了采空区可能出现隐
蔽火源的范围，如图2-4所示。
图2-4采空区“自燃带”分布范围
2）隐蔽火源气体产物运移规律的研究
在“采空区隐蔽火源可能分布区域划分”即自燃带分布特征研究的成果上，开展
隐蔽火源产热、产物特征的数值试验研究。具体的研究方法是,将采空区“自燃带”
划分成几个主要区域，在每个区域内设置火灾气体产物（主要指一氧化碳）和热产物传播特征的数值试验研究。目前已经开展了气体产物的运移扩散特性研究，具体做法是：在如图所示的9个点区域范围内，设置火灾气体源项，之后采用CFD技术数值模拟气体产物的运移扩散特性。火源位置示意图如图所示，这九个点分别位于采空区深部5m，10m，20m的采空区进回风测、采空区中部。
5m5m10m
图2-5 数值试验设置的火源（气体源项）位置示意图第二步，在不同区域内设置模拟火源，采用数值试验相的方法研究火源产物的在采场可接触边界上的分布特征。
图2-6~2-14为数值模拟得到的火灾条件下气体产物一氧化碳在采空区的分布规律。
图2-6采空区火灾气体分布特征（火源点位于采空区后部5m，回风侧）
图2-7 采空区火灾气体分布特征（火源点位于采空区后部10m，回风侧）
图2-8 采空区火灾气体分布特征（火源点位于采空区后部20m，回风侧）
图2-9 采空区火灾气体分布特征（火源点位于采空区后部5m，进风侧）
图2-10 采空区火灾气体分布特征（火源点位于采空区后部10m，进风侧）
图2-11 采空区火灾气体分布特征（火源点位于采空区后部20m，进风侧）
图2-12 采空区火灾气体分布特征（火源点位于采空区后部5m，中部）
图2-13 采空区火灾气体分布特征（火源点位于采空区后部10m，中部）
图2-14 采空区火灾气体分布特征（源点位于采空区后部20m，中部）通过对数值模拟结果的简单分析可以获知：当火源位于采空区进风侧时，一氧化碳在采空区中运移扩散的范围较广。在进风侧采空区浅部时（支架后部5m和10m），一氧化碳在工作面据进风巷稍远位置处，即可通过工作面支架处溢向工作面，当火源位置存在于采空区的稍深部，距工作面的距离达到20m时，一氧化碳则不会从距进风巷较近的支架间溢出，而是从靠近工作面回风侧扩散出来。因此，当工作面回风侧有一氧化碳扩散出来时，这并不能说明着火点就在采空区回风侧，这种情况下，存在火源点位于采空区进风侧的可能。
采空区中部有隐蔽火源时，火灾气体产物一氧化碳浓度下降的梯度较大，气体扩散的范围较小，气体浓度下降的梯度较大，若采空区中部出现自燃隐蔽火源则火源气体产物一般仅从采空区中部的支架间扩散出来。
在采空区回风侧出现隐蔽火源时，一氧化碳不会从进风侧和工作面中部出来，一般仅从回风侧扩散出来；火源位于采空区浅部时，火灾气体产物运移扩散的范围较广，
火源位于采空区深部时，气体产物运移扩散的范围较小；进风侧有火源时，火灾气体产物一氧化碳的扩散范围较广，回风侧有火源时一氧化碳的扩散范围次之，工作面中部有火源时一氧化碳的扩散范围较小。
2.2 开展了采空区自燃火灾气体分布特征的现场实测
1）现场实测案例1
2010年1月19日前窑街三矿5521-15工作面正常回采，瓦检员、火区观察员均未检测出CO气体，也未发现任何发火预兆。2010年1月19日22时许，工作面8#～12#架后部采空区出现烟雾（支架从进风巷向回风巷方向编号，共65架，架宽1.5m），回风流中CO浓度达到300ppm；19日夜班开始，工作面开始不放顶煤，加快推进速度，20日工作面推进了2m，此后每天的推进速度维持在3m左右。但工作面的火势继续发展，CO浓度不断升高，至26日6时，上隅角CO浓度为1200ppm，回风流中达820ppm，工作面能见度小于3m，工作面面临封闭的危险。
为了找准发火位置并研究自燃气体产物一氧化碳的运移扩散规律，采用钻探分析CO变化圈定位火区范围。先后从皮带巷壁向采空区施工注水钻孔1#～5#，钻孔的终孔位置分别在3#、6#、9#、12#和15#支架顶部；由皮带巷向14分层皮带巷施工灌浆孔G2、G4、G6、G7；从工作面下方的1400东抽放巷（该巷道标高1400m，5521-15工作面标高1476m）向5521-15采空区中皮带巷位置施工1#、2#孔，终孔位置分别位于支架后15m底板向上15m和支架后8m底板向上10m；并检查分析温度和CO气体变化情况，只有1400东抽放巷1#孔有高浓度CO，并有热气，CO从东北切眼向西南二系统方向浓度逐渐降低，CO分布是：1400东抽放巷1#孔CO，2.48%,并有乙炔、乙稀、乙烷；2#孔无CO气体，注水孔1#～5#孔CO，0.5%；G2、G4孔CO，0.5%；G6、G7孔CO，0.26%。1月19日工作面出现烟雾，温度20℃。1400东抽放巷1#孔内气体最大，且有乙炔，有微量烟雾，温度20℃，根据CO、温度情况，分析认为火源在5521-15采空区皮带巷顶板侧附近，距采帮线200~30m。综合分析判断，采空区中煤自燃高温点位于采空区进风巷道附近的丢煤区，距采帮线20~30m，高度在本分层底板向上10~20m范围内。
2）现场实测案例2
07年9月27日5时10分综采二队工作面机道以上11m处有轻微烟雾从架后冒出，从而断定采空区自然发火隐患升级。此时，青烟下风流5m处气样中CO含量达5000 ppm以上。为控制火势的发展，立即采取从顶板巷钻孔和架后插管向采空区注水的措施。由于火区环复杂，措施未能奏效，烟雾逐渐扩大，人员被迫撤离，为了防止事故进一步扩大，9月27日19时开始将工作面封闭，至当晚23时封闭工作完毕，29日在顶板巷、机道以及回风道完成永久密闭，至此形成综采二队工作面采后火区，如图2-15。
11米烟
工
作
面
眼
切
机 道顶板巷
回风道
图2-15 火区示意图
封闭火区形成后，分别从回风道密闭，机道密闭和顶板巷进行了采空区气体的实
测。依据实测数据绘制的一氧化碳气体变化曲线如下图所示： 051015202530050100150200250300
P P m
顺次
05101520253035
50100150
200
250
P P m
顺次
图2-16 回风巷、进风巷密闭一氧化碳浓度的变化
020406080100120
50
100
150
200
250
300350
P P m 顺次
图2-17 顶板巷内一氧化碳浓度的变化
通过对上述地点一氧化碳浓度的实测数据可以看出：进风侧一氧化碳浓度较高，
并且持续时间较长，按照数值模拟研究得出的结论，这说明火源位置位于进风侧的
可能性较大。进风巷、顶板巷、回风巷构成了一进两回的通风方式，其中回风巷和
顶板巷可以视作为回风巷，进风侧出现自燃火源时顶板和回风巷二者均出现火灾气
体产物一氧化碳这与数值模拟得到的结论是相同的。
2.3 提出了基于热电复合异常响应的大面积煤火区域自燃火源探测技
术
目前主要使用的煤火探测方法有：遥感法、磁法和电法。遥感探测对地表温度
显现不明显的浅埋煤层煤火的探测比较困难；磁法探测只在富含铁质矿物的地区有
较为明显的响应，且无法对火区发展边缘进行定位；电法探测受水分影响较大，不适合已采用了注水灭火的火区探测。安太堡火区虽然埋藏浅，但受煤岩弱导热性的影响地表部分区域温度无明显异常显现，且前期采用注水治理，火区底部存在大量积水，导致以上探测方法难以对火区进行精确定位。为此，课题组提出了基于热电复合异常响应的煤火发展区域探测技术，对火区发展边缘及高温区域进行探测。
根据浅藏煤层赋存、漏风及自燃发火条件，采用钻探法对安太堡火区浅藏煤层可能发火地点的地下煤岩介质松散度进行探测并结合钻孔测温表明：浅埋藏煤层自然发火高温区主要分布在松散煤岩区域附近，松散煤岩区是煤火可能发生的危险区，如图1所示。根据浅藏煤层发火分布特征，通过对煤岩介质内松散垮落区（即煤火可能发生区）的准确探测并结合针对性的布孔测温与温度场反演即可对煤火发展区精确探测。煤岩介质松散垮落区具有电磁特性差异特征，煤火温度异常区主要体现为热信号差异。因此，综合利用火区电磁场和热异常响应信息的复合探测技术，可实现浅地表煤火发展区域的精确探测，并大幅削减以往单独使用测温法进行火区填图的工程量。
图2-18 浅埋藏煤层煤火分布特征现场实验图
（1）浅埋煤层煤火可能发火区的识别
根据火区煤层埋藏较浅的实际情况，同时考虑因注水致使火区电阻率异常特性已遭到破坏的问题，选用分辨率高、操作简便、特别适用于浅埋深异常构造勘探的探地雷达对可能发生煤火的煤岩松散垮落区域探测。为提高探地雷达的探测精度，本项目开展了地下松散垮落异常结构的电磁响应规律和辨识方法的研究。
首先根据煤火区现场地质条件构建了两类典型地下松散垮落结构的物理模型，利用麦克斯韦理论推导了二维煤岩介质中的波动方程，结合时域有限差分和Yee元胞网格剖分方法模拟了电磁波在含松散垮落结构煤岩介质内的传播过程及电磁场分布，建立了松散垮落异常结构的电磁响应正演模型，如图2所示。
图2-19 两类典型松散垮落结构物理模型与电磁场响应正演结果理论研究结果表明：煤层上覆岩层与煤层之间具有较为明显的电性参数（介电常数和电导率）差异，在非松散垮落区域内的煤层会在探地雷达资料上形成一连续的地下反射波同相轴；而在松散垮落区域内，由于松散垮落区域造成的岩性与产状突变（松散垮落区域内较为破碎且填充有大量空气，为低电导率和低相对介电常数异常），必然引起煤层反射同相轴的连续性遭到破坏，振幅产生异常；同时在松散垮落区域边界和区内较为高频的突变点还会引起电磁波的绕射，增加松散垮落区域范围圈定的可靠性。应用电磁勘探手段可以很好的判别松散垮落区域。
其次，根据不同条件下模拟获得的松散垮落异常结构电磁响应规律和合成雷达剖面数据，对雷达数据的处理方法进行效果比较分析及优化，通过对原始雷达波进行增益处理增强有效信息，采用多次滤波来压制随机与不规则的电磁干扰，利用发射波层析成像技术进行偏移绕射处理，最终形成了合成雷达剖面数据的多重滤波校正数据处理方法。通过该方法获得了浅藏煤层地下煤岩介质内典型松散垮落结构的电磁响应基本特征：煤岩松散区域雷达反射波的同相轴不连续，尾波紊乱；空洞界面雷达反射波同相轴连续，能量较强。图2-20为雷达剖面处理技术流程示意图，图2-21和图2-22为处理后的松散介质和空洞区电磁响应图。
图2-20 雷达剖面处理技术流程示意图
图2-21含松散煤岩介质电磁响应特性图图2-22 含空洞煤岩介质电磁响应特性图（2）基于温度场反演的煤火发展区域的定位
在雷达探测确定的浅藏煤层可能发火危险区域内，采用热电偶对危险区内布置的钻孔进行测温，获得火区钻孔温度数据；通过烧变煤岩、高温产气两相热传输能量平衡模型和火区温度场模拟方法，采用以钻孔数据为目标函数的温度场分布人工智能优化技术，对煤火区温度场分布重构反演。图2-23为火区温度场重构技术流程示意图。
图2-23 火区温度场重构技术流程示意图
采用以上技术对安太堡9号煤火区中的隐蔽火点进行探测，图2-24为煤火松散区域探地雷达探测数据处理与解释图。图2-25（a）为火区测试区探地雷达的测试结果，图中蓝色区域为松散垮落区、红色区域为空洞分布区，黑点为布置的测温钻孔。通过现场测试并结合钻探验证结果表明：应用本方法处理煤火区松散垮落结构雷达探测数据，可以增强有效信息，抑制随机噪声，压制非目标体的杂乱回波，同时提高煤岩松散区在雷达图像上反射波的分辨率和信噪比，提取反射波的各种有用参数，并真实地反映地下介质分布的情况，有利于火区的地质解释。通过对安太堡9号煤层的现场测量，根据处理后的电磁响应特征可对探地雷达数据进行有效的地质解释，从而确定可能发火的浅藏煤层地下煤岩松散区域，该方法对于地下浅部煤岩松散异常体的最小空间分辨尺度为约为5m，深度校正误差小于2m。在此基础上
通过对煤火可能发生区布孔测温，通过温度场反演得出火区发展区及高温区分布如图2-25（b）所示。在安太堡9号煤层实验火区的现场验证结果表明：基于热电复合异常响应的煤火发展区域探测技术对煤火发展区探测的准确率可达90%以上，大幅提高了探测精度。
图2-24 煤火松散区域探地雷达探测数据处理与解释图
图2-25 热电复合探测煤火区域现场实验结果示意图
2.4 搭建了防灭火泡沫的渗流特性实验系统
一般情况下，泡沫在低渗多孔介质中的渗流是以破灭和再生的方式进行的。由于破灭和再生会产生诸多的附加阻力，若大部分泡沫以这种方式渗流，其渗流过程中所表现出的粘度值势必要远远大于依靠旋转粘度计获取的实测粘度。三相泡沫和采空区流场具有各自的特点。三相泡沫的泡沫单体粒径小，稳定性强；采空区流场属破碎煤岩堆积多孔介质，其空隙率大，通道直径大，渗透性强，这与石油行业研
究的原岩低渗多孔介质有很大的不同。因此，三相泡沫在这类多孔介质中渗流时，
是否存在因破灭和再生而引起的附加阻力还不被我们所认识。为此，必须搭建三相
泡沫的渗流实验系统，并开展三相泡沫的渗流特征实验，为认识其基本渗流规律奠
定基础。
1）系统总体构成
通过在实验室三相泡沫制备系统上增加流量、压力的测量与控制装置，增设多
孔介质渗透装置，建立了三相泡沫渗流特性的实验测试系统，系统主要的组成部分
见图2-26。 E-1制浆池单向阀P-3混合器
过滤网空气压缩机
涡街流量计
发泡器
发泡剂添加泵
压力表
碎石颗粒充填多孔介质
流量计泥浆泵
图2-26三相泡沫渗流实验系统简图 该系统满足流量可控、可测，压力可测的基本实验要求。主要包含以下装置：
空气压缩机、泥浆泵、自制渗透装置、各种规格的液体储存器具、自制制浆罐、搅
拌机、涡街气体流量计、浆体电磁流量计、电机精密调速装置、三相泡沫发生装置、
精密压力表、各种控制阀门等设备和仪器。
2）渗透装置的研制
如图2-27所示，三相泡沫渗流实验采用的多孔介质夹持容器主要有施压螺杆、
渗滤网、旋转活塞式渗滤网及导流管组成。全长1700 mm ，其中筒长1500 mm ，内径
100 mm ，外径108 mm 。施压螺杆全长500 mm ，可以在固定盘的作用下，通过扳手的
拧转在0~400 mm 范围内做往复式活塞运动，以提供碎石颗粒的压载力，进而改变
空隙及渗透特性。
1.活塞式渗滤网
2.渗滤网
3.导流管
4.施压螺杆
图2-27 自制多孔介质夹持容器结构与原理图
渗透装置内部采用的多孔介质为破碎的颗粒岩石充填介质，由粒径小于0.05 m
的碎石颗粒按照自然级配组成，形成的多孔介质总长度可在1.1~1.5 m 之间进行调
节，直径为0.1 m 。
2.5 开展了防灭火泡沫基本渗流规律的实验研究
利用自建的泡沫渗流实验系统，研究了三相泡沫渗流规律的主要影响因素。
1） 发泡倍数对三相泡沫渗流特性的影响 010********
607080900.000.05
0.10
0.15
0.20
0.250.30
0.35
0.40
发泡倍数15倍 发泡倍数5倍 发泡倍数10倍压力降(M P a )流量(m 3/h )
图2-28 三相泡沫流量和压力降之间的关系
由图2-28可以看出，在三相泡沫在多孔介质中的稳态渗流过程中，压力降与流
量并不是严格的遵守平滑曲线的关系，具有一定的波动。产生这种现象的原因是，
主要与三相泡沫在多孔介质中的捕集和流动相关，当少量泡沫突然破裂或流动时，
压力降将有所降低。另一方面，三相泡沫流量相同或相近的情况下，随着三相泡沫
发泡倍数的改变，压力差并没有出现显著的变化，甚至数据毫无差异可循。这一点
与石油行业对泡沫在原岩多孔介质中渗流特征研究得到的结论有很大不同，对其原
因分析认为，①三相泡沫借助发泡器的方式制备，制备过程中浆液和气体充分混合，
气体能够完全被包裹在浆液之中，进入多孔介质前的泡沫中就已无大量游离态气体
的存在，这点与通过向多孔介质中分别注入气体和含表面活性剂的产生泡沫方式不
同。②三相泡沫渗流实验采用的碎石颗粒充填多孔介质有多数为粒径大于10 mm 的
碎石颗粒构成，属高空隙、高渗透率的多孔介质，孔隙通道一般大于单个泡沫的直
径，三相泡沫中的泡沫单体多以整体方式通过通道，因此三相泡沫在其中流动所受
毛管力的影响较小，这与低渗多孔介质中大部分泡沫以破灭和再生而带来附加阻力
的通过方式有本质上的不同。此外，随着实验流量的持续升高，多孔介质两侧的压
力降不断增加，但增加的梯度却略有减少的趋势，这说明三相泡沫渗流过程中随着
流速的增加，表观粘度不断降低，渗流过程中也具有一定的剪切稀化特征。
10203040
5060708090100
0.000.08
0.16
0.24
0.32
0.40
等量气体与浆液
发泡倍数15倍 压力降(M P a )流量(m 3/h )
图2-29 三相泡沫渗流压降与气液单独渗流压降之和的对比 图2-29为三相泡沫的渗流压力降与粉煤灰浆、气体各相分别渗流时的压力降之
和的对比图。从图中可以看出，三相泡沫渗流过程中的压力降，并不等于浆液单独
渗流压力降和气体单独渗流压力降之和，三相泡沫渗流的压力降要远远大于二者单
独渗流的压降之和。这就表明，三相泡沫在渗流过程中的阻力特征并不能通过对简
单各相渗流阻力的累加来表述。这一现象主要是，在三相泡沫形成以后，气相介质
被完全包裹在液膜之中，气体的粘度特征在渗流过程中已经不能充分地表现出来，
三相泡沫以整体的形式通过多孔介质，表现出来更多的是泡沫液膜的粘度特征，因
此三相泡沫的表观粘度远远大于气相的粘度。并且，即使渗流过程中，存在部分气
液分离的现象，但渗流过程中任意一相的存在对另一相来说都是多孔介质空隙率或
渗透率的降低，因此阻力也会相对有所增加。
2）浆液浓度对三相泡沫渗流特征的影响 2030405060
7080
0.15
0.20
0.25
0.30
0.350.400.450.50
0.55
0.60
压力降(M p a )流量(m 3/h )水灰比4:1水灰比2:1
图2-30流量-压降的关系曲线 水测渗透率得出，本次实验所采用的自制多孔介质渗透率为7.14×10-7 m 2，空
隙率为0.45，以此作为后续对该渗流实验进行模拟时的物理模型的相关参数。
通过图2-30的实验结果可以看出，随着浆液浓度的增加，同等实验条件下测得
的三相泡沫渗流过程中的压力损失有所增大。浆液浓度从水灰比4:1增加到水灰比
2:1时，压力降出现了明显的变化。相发泡倍数，制备三相泡沫的粉煤灰浆液浓度
对三相泡沫渗流特征的影响更为显著。随着浆液浓度的增加三相泡沫在渗流过程中
的阻力损失增大，这一点不利于三相泡沫在采空区或松散多孔介质中较快较远的流
动扩散。因此，三相泡沫在防灭火应用过程时，制备泡沫的浆液浓度应处在一个合
理的范围内，过大则会影响到其扩散范围，较小则存在达不到防火要求的可能。若
在灭火工作中使用时，可以适当降低浆液浓度甚至可以不加粉煤灰或黄泥，以得到
更好的流动性，可迅速实现较广的覆盖范围，达到快速捕捉火源的目的。
3）渗透率对三相泡沫渗流特征的影响
三相泡沫在渗流过程中没有一个固定的粘度，其粘度的表达式是一个剪切速率
的函数，在这里为了研究渗流过程中粘度的变化情况，引入了视粘度的概念。视粘
度是指非牛顿流体在多孔介质中流动时按达西公式求出的粘度值。
7891011
121312.812.9
13.0
13.1
13.2
13.3
13.4
渗透率×107(m 2)视粘度×10(p a .s )
2-31 渗透率和视粘度的关系
由图2-31可以看出，随着介质渗透率的增加三相泡沫渗流过程中的视粘度有所
增加，且渗透率和视粘度的变化基本成线性关系。产生这一现象的主要原因是，由
于三相泡沫具有剪切变稀的性质，相同流量的情况下，不同渗透率多孔介质中三相
泡沫受到的剪切速率不同。渗透率越高，一般对应的空隙率也就越大，渗流通道的
直径也就相应较大，这种情况下三相泡沫所受的剪切速率反而越小，则三相泡沫所
表现出的粘度越大，这样三相泡沫在多孔介质中渗流的阻力因子也就随着渗透率的
增大而增大。反之，渗透率越小，对应的空隙率也就越小，渗流通道的直径也相应
较小，这种情况下三相泡沫所受的剪切速率反而相对较大，三相泡沫的视粘度就越
小；这一特点表现在对三相泡沫在采空区宏观渗流方面的影响是，三相泡沫在采空
区内高渗区域流动时，由于剪切速率小、视粘度大，有利于三相泡沫形成对高渗透
区域的封堵，这是三相泡沫在采空区可以向高处堆积的原因之一，是与采空区灌浆
注水的不同之处。
4）实验的数值模拟与分析
（1）流量80m 3
/h 时，对渗流实验的模拟。