Ứng dụng “Bọt tam tương” trong chữa cháy mỏ

ThS. Đào Văn Chi, ThS. Lê Tiến Dũng, KS. Lê Văn Quang 
Trường Đại học Mỏ - Địa chất

I. Đặt vấn đề

Cháy mỏ là một trong những hiểm họa vô cùng to lớn đến quá trình sản xuất của mỏ than hầm lò. Ở nước ta cũng như các nước có sản lượng khai thác than lớn trên thế giới thì vấn đề này chiếm tỷ lệ tương đối cao trong các quá trình khai thác than, đặc biệt xẩy ra nghiêm trọng đối với các mỏ than có vỉa dầy. Trong những năm gần đây tình hình khai thác than ở các vỉa dầy ngày càng nhiều. Vì vậy vấn đề phòng chống khả năng cháy cho các mỏ  than cần được giải quyết.

1. Hiện trạng của công tác phòng chống cháy mỏ hiện nay

Hiện nay có rất nhiều phương pháp chữa cháy được áp dụng trong nhiều trường hợp khác nhau. Các hệ thống này có thể là: Chỉ sử dụng nước, sử dụng hóa chất như dung môi dầu, bọt foam… kết hợp với nước. hoặc chỉ sử dụng hóa chất chống cháy như bột khô, CO₂, sử dụng phương pháp bơm dung dịch, bơm ni tơ (N₂), bơm dung dịch keo,….Tuy nhiên các phương pháp này vẫn chưa đạt hiệu quả cao cho việc phòng chống cháy  mỏ. Trong quá trình thi công còn nhiều hạn chế, biện pháp xử lý khó khăn, thời gian khống chế dài, hiệu quả rất thấp. Ví dụ như sử dụng phương pháp bơm dung dịch và khí hoặc sử dụng hóa chất như bột khô thì những hóa chất đó chỉ lan tỏa đến một phạm vi nhất định không thể đến được những vị trí cao và những đám cháy có phạm vi rộng. Sau khi dừng bơm hóa chất đó thì gió (O₂) sẽ thẩm thấu vào bên trong khiến cho đám cháy sẽ tiếp tục bùng phát rất nhanh.  Nếu sử dụng phương pháp  bơm Ni tơ (N₂) để phòng chống cháy thì chỉ có hiệu quả trong một khu vực khép kín, nhất thiết phải được ngăn cách kín đáo. Khi đó lượng nhiệt có nhiệt độ cao được thoát ra ngoài thấp, thời gian dập lửa dài, xác suất cháy lại là rất cao. Lò chợ làm việc trở lại trong trạng thái bình thường là rất thấp [1]..

Nếu áp dụng phương pháp bơm nước, bơm dung dịch để xử lý các đám cháy phía trên. Khi đó các thiết bị trong lò chợ sẽ bị ngâm trong nước hoặc dung dịch khiến cho bị gỉ và an mòn dẫn đến khôi phục lại quá trình sản xuất sẽ khó khăn.

Nếu sử dụng phương pháp phun keo (hợp chất kết dính) thì hiệu quả dập lửa sẽ tốt hơn. Tuy nhiên lưu lượng rất nhỏ, sử dụng để dập một đám cháy lớn sẽ mất nhiều thời gian, không thể nhanh chóng có hiệu quả. Vì vậy, để khắc phục những nhược điểm của các phương pháp trên bài báo xin giới thiệu một kỹ thuật mới trong việc phòng chống cháy đó là sử dụng “Bọt tam tương”. Kỹ thuật này không những có hiệu quả nhanh mà biện pháp thi công lại đơn giản.

2. Thành phần và đặc tính  của Bọt tam tương

2.1. Thành phần của Bọt tam tương

Cái được gọi là “tam tương”  bởi vì nó bao gồm ba thanh phần tương tác với nhau đó là chất rắn, chất lỏng và chất khí. Trong thực tế khi ứng dụng là đất sét, khí Ni tơ và nước. Như chúng ta đã biết Ni tơ và nước là hai nguyên liệu có khả năng phòng chống cháy rất cao, chất rắn là đất sét, thành phần chủ yếu là thạch anh (SiO₂), Al₆Si₂O₁₃, CaO, Fe₂O₃ , Fe₃O₄, … Đây là những nguyên liệu sẵn có dễ dàng tận dụng được để tạo ra hợp chất này.

2.2. Tính chất cơ lý  của Bọt tam tương

Sau khi chất tạo bọt được bơm lẫn với dung dịch đất sét và nước, khi đó những hạt đất sét sẽ thấm nước bị trương nở kết dính với nhau tạo thành bọt khí. Dung dịch này sau khi đi qua máy bơm chính là chất chống cháy gọi là Bọt tam tương.

2.3. Đường đặc tính của Bọt tam tương khi phân tích trong phòng thí nghiệm

Hình 1: Quan hệ giữa nồng độ chất tạo bọt với thể tích khi bọt phát sinh ra.

Trên hình 1 chúng ta thấy khi nồng độ chất tạo bọt đạt tới 0,15 % trở lên thì thể tích mà bọt phát sinh ra không thay đổi ở một mức cố định, cụ thể là đến khoảng 425ml thì thể tích không tăng nữa. Cho nên khi ứng dụng trong thực tế ví dụ như cần lấp đầy khoảng không gian đã khai thác trong lò chợ, che phủ những khu vực có nhiệt độ cao, cách ly với không khí thì cần điều chỉnh chất tạo bọt không nên quá cao để tránh lãng phí. Từ đó sẽ nhanh chóng dập tắt được đám cháy mà lại tiết kiệm được nguyên vật liệu [2].

Ổn định theo thời gian của “Bọt tam tương”.

Hình 2: Độ ổn định theo thời gian của Bọt tam tương

Từ hình số 2 cho thấy (tỷ lệ đất sét và nước là 1:4; nồng độ chất tạo bọt là 0,2%) nếu như lượng bọt sinh ra gấp 5 lần thì thời gian ổn định là 30h. Nếu lượng bọt sinh ra gấp 30 lần thì độ ổn định của bọt là 10h. Tức là lượng bọt sinh ra càng lớn thì độ ổn định theo thời gian càng thấp. Vì vậy khi ứng dụng trong điều kiện thực tế tùy từng điều kiện để lựa chọn lượng bọt phát sinh ra và nồng độ chất tạo bọt.

3. Hệ thống cung cấp Bọt tam tương 

Hệ thống cung cấp Bọt tam tương rất đơn giản, dễ thao tác. Xem hình dưới đây.

4. Đặc tính phòng chống cháy của Bọt tam tương

4.1. Đặc điểm phòng chống cháy của Bọt tam tương

Lợi dụng khả năng bao phủ của đất sét, khả năng dập lửa của Ni tơ và khả năng làm giảm nhiệt độ của nước để tiến  hành chống cháy; nước kết hợp với chất tạo bọt sẽ biến thành một hợp chất có khả năng phân bố đồng đều. Có hiệu quả phòng chống cháy mỏ rất cao, có khả năng lan rộng đến những khoảng trống đã khai thác và đến những khu vực xung quanh để dập tắt những ngọn lửa hoặc những khu vực xẩy ra cháy ngầm.

4.2. Ưu điểm của Bọt tam tương

Bọt được phun ra sẽ chồng chất lên nhau, ổn định trong thời gian dài và không bị phá vỡ, có thể lưu động lan tỏa rất nhanh. Dung dịch này có khả năng đi đến những chỗ cao để bao phủ và được cách ly hoàn toàn không khí do đó có tác dụng dập lửa rất tốt.

5. Ứng dụng trong thực tế của Bọt tam tương

Loại bọt này được ứng dụng cho một số mỏ của Trung Quốc. Trong đó điều kiện địa chất tương đối tốt nhưng thường xuyên xẩy ra sự cố cháy mỏ, mỏ được xếp hạng II mức độ nguy hiểm khí mêtan, nhiều khu vực có độ thoát khí cao, lửa và khí CH₄ luôn tồn tại trong mỏ, khó khăn trong quá trình theo dõi và quản lý mỏ. Do vậy để khắc phục hiện tượng này, đầu tiên cần xây dựng ngay trên mặt đất và dưới mỏ một trạm bơm và hút, tăng thêm khả năng hút khí mê tan ra ngoài nhằm hạn chế một phần thoát ra của khí mỏ. Lúc đầu khi xẩy ra hiện tượng cháy mỏ thì khắc phục bằng cách bơm dung dịch, khí Ni tơ, keo,….Tuy nhiên kết quả cũng không được như mong muốn. Về sau áp dụng Bọt tam tương trong quá trình thi công thì hiệu quả đạt được rất tốt.

6. Những thông số cơ bản

(1). Tỷ lệ nước và đất sét là 4 : 1

(2). Lượng tiêu hao của máy bơm: 20m³/h, trong đó nước là 16m³/h; đất sét là 4m³/h.

(3). Máy cung cấp khi Ni tơ hoặc khí nén không nên < 600m³/h

(4). Áp lực để hút chất tạo bọt khí vào đường ống không nhỏ hơn 0,3MPa

(5). Công suất để sản xuất ra Bọt tam tương là 600m³/h

(6). Tỷ lệ bọt chiếm khoảng 0,3 – 0,5%, tức là khoảng 60 – 100kg/h

7. Những điều cần lưu ý

(1). Trong thành phần tỷ lệ của nước và đất sét 4:1. Trước khi chế biến đất sét được nghiền nhỏ, sàng lọc với cỡ hạt 8 – 10mm.

(2). Vị trí để đặt máy phun bọt cách tâm cháy khoảng 20 – 30m là tốt nhất.

(3). Trước khi phun bọt đầu tiên cần kiểm tra toàn bộ hệ thống đường ống có thể phun liên tục được không? Bao gồm ống bơm dung dịch, máy trộn (khuấy đều), đường ống dẫn khí và hệ thống hút chất tạo bọt.

(4). Dưới mỏ phải có người có chuyên môn để phục trách bơm bọt xuống. Khi bắt đầu bơm người trên mặt đất có nhiệm vụ thông tin cho người phía dưới. Người phía dưới lúc nào cũng phải chú ý đến lượng bọt trong đường ống có duy trì hay không? Trước khi bơm nên mở đường ống chứa Ni tơ ra trước.

II. Kết luận

Từ những kết quả đã nghiên cứu đạt được cùng với việc chế biến cũng dễ dàng, nguyên liệu rẻ và sẵn có. Do đó có thể thấy việc ứng dụng Bọt tam tương trong công tác phòng chống chữa cháy mỏ đã đem lại hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật rất cao. Với những tính năng đó hiện nay đã được ứng dụng phổ biến cho các khu vực xẩy ra cháy mỏ của Trung Quốc.

Tài liệu tham khảo:

[1]. Kỹ thuật mới trong phòng chống cháy mỏ, 2004 - Vương Đức Minh – Trường Đại học Mỏ và Công nghệ Trung Quốc.

[2]. Nghiên cứu phòng ngừa cháy ngầm các mỏ than Trung Quốc – Trương Kiến Dân – Nhà xuất bản Công nghiệp than Trung Quốc.