摘要
矿井火灾是我国煤矿事故重要灾害事故,煤氧化自燃是引发矿井火灾的重要原因,而我国煤炭自燃火灾事故频发,煤层自燃倾向性高,这不仅严重威胁着我国煤炭的安全高效开采,还造成了重大的人员伤亡和经济损失.随着各国学者对煤低温氧化过程、自燃机理的不断深入研究,逐渐形成了注浆、惰气、泡沫、胶体、阻化剂等防治方法.阻化剂尤以盐类阻化剂为主,其来源广泛、价格低廉、简单易制得而被广泛使用,但易流失、阻化性质单一、阻化寿命短、需要反复喷洒等问题又困扰着我国煤炭的安全生产.因此,开发复合、协同阻化、阻化周期长、阻化效率高的新型绿色环保阻化剂显得尤其重要. 本文在前人对煤自燃机理研究的理论基础上,选用3种不同变质程度的煤样为研究对象,以防治煤层自燃的阻化材料的制备、应用以及阻化工艺的优化为研究基点.制备聚乙酸乙烯酯乳液,与典型的物理阻化剂高吸水性树脂(SAP)和新型化学阻化剂镁铝层状双氢氧化物(LDHS)复合,借鉴高分子阻燃方法中的微胶囊技术和气溶胶雾化技术,通过ZRJ-1煤自燃性测定仪、程序升温-气相色谱联用、同步热分析仪、傅里叶变换原位红外光谱仪,探索了煤样阻化前后吸氧量、交叉点温度、耗氧速率、放热强度、CO、CO2和CH4生成速率、特征温度点的变化特征,并以阻化率、活化能为衡量指标定量考察了不同浓度阻化剂的阻化性能,最后结合煤样红外光谱图和分峰软件推测了阻化剂抑制煤氧化自燃的阻化机理. 实验结果表明: 1)程序升温过程中,不同浓度阻化煤样的耗氧速率、放热强度、CO、CO2和CH4生成量都远远低于原煤样,对比上述煤自燃特性宏观参数,说明新制备的阻化剂能很好的包裹煤体,延缓煤氧反应速率,有效阻止煤体被氧化,有很好的抑制阻化煤自燃效果;阻化处理后的煤样各特征温度点相较于原煤都有所上升,阻化后的煤样每个温度段的活化能都大幅提高,整个氧化自燃过程都大大滞后,不管是低温吸氧增重阶段还是高温受热分解、燃烧阶段,都表现出优异的抑制煤炭氧化自燃能力;综合煤自燃特性参数来看,20%浓度的阻化剂阻化效果表现最优. 2)阻化处理后的煤样不论是游离羟基、醇、酚、羧酸形成的羟基、氢键缔合的羟基,还是脂肪侧链上的甲基、亚甲基含量都有所减少,且低温下活泼的甲基、亚甲基参与煤氧复合反应的速率大大下降,增加了煤分子的结构稳定性;随着温度升高,亚甲基峰明显右移,导致煤反应链的滞后性;LDHS能与煤大分子中-COOH等酸性官能团发生吸附和络合,形成稳定的沉淀,使-COOH中C=O基团稳定性提高,延缓C=O、C-H这类官能团的氧化分解,这些机理共同作用,提高了阻化剂的阻化效果.
NETL