CN111022104A

CN111022104A - 一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂

Info

Publication number: CN111022104A
Application number: CN202010040268.3A
Authority: CN
Inventors: 唐潮; 陈成果; 景巨栋; 时虎; 崔洪义; 李亚辉
Original assignee: Jingrun Kuang'an Technology Beijing Co ltd
Current assignee: Jingrun Kuang'an Technology Beijing Co ltd
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-04-17

Abstract

本发明属于泡沫界面缓释阻化剂研究技术领域，具体公开了一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂，包括如下组成成分：发泡剂、泡沫稳定剂、表面活性剂、成膜性添加剂、抗溶剂、抗冻剂、成膜剂、物理阻化剂、化学阻化剂和助剂；该泡沫界面缓释阻化剂具有以下优势：第一、隔绝氧气，吸热降温、保湿等防灭火特性，能够降低煤的自燃发生的概率；第二、泡沫界面缓释阻化剂的发泡倍数高，可快速扑灭火源和处理易自燃发火区域；第三、泡沫界面缓释阻化剂具有很强的附着能力、向高处堆积运移能力；第四、泡沫界面缓释阻化剂具有自动捕获火源的能力；第五、泡沫界面缓释阻化剂在扑灭外明火时，具有快速、高效、不易复燃等优点。

Description

一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂

技术领域

本发明涉及泡沫界面缓释阻化剂研究技术领域，具体为一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂。

背景技术

针对煤矿自燃的防灭火措施主要有注浆防灭火技术、阻化剂防灭火技术、均压防灭火技术、凝胶防灭火技术、惰性气体防灭火技术、三相泡沫防灭火技术、堵漏风防灭火技术，以及以上技术的某两项或多项综合的防灭火技术，而这些技术存在成本高、效果差、非环保等缺陷。

为解决上述存在的问题，本发明提出一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂，通过将阻化剂携带与泡沫载体有机的结合在一起，促进了资源的综合利用，降低了能耗，且在生产过程中不会产生废渣、废液、废气，无噪音，工业用水用量极少且可以循环使用，其本身不会造成环境污染，此外，该产品采用了创新的界面修饰包裹技术，产品性能更优越、价格适中，容易被市场接受，潜力较大，且技术、经济风险较小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂，针对目前煤矿防灭火技术的成本高、效果差、非环保等缺陷，借鉴并改进现有方法，通过应用可行性分析、配合比设计方法及其应用性能测试等得到可行的方案，创造性的将阻化剂携带与泡沫载体有机的结合在一起，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂，包括如下组成成分：发泡剂、泡沫稳定剂、表面活性剂、成膜性添加剂、抗溶剂、抗冻剂、成膜剂、物理阻化剂、化学阻化剂和助剂。

一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂的制备方法，包括以下几个步骤：

S1、准备原材料：发泡剂、泡沫稳定剂、表面活性剂、成膜性添加剂、抗溶剂、抗冻剂、成膜剂、物理阻化剂、化学阻化剂和助剂；

S2、将物理阻化剂和化学阻化剂经界面修饰合成工艺，得到复合阻化剂体系，物理阻化剂和化学阻化剂是从煤自燃的基本理论和特点出发，针对复杂煤体结构中具有不同活化能的分子结构或官能团，研制而成，从本质上降低煤自燃发火的几率；

S3、采用界面修饰工艺将复合阻化剂体系包裹，使其可以缓慢释放，得到具有长期高效阻化防火作用的界面缓释阻化剂体系，界面修饰将复合阻化剂体系包裹，使其可以缓慢释放，达到长期高效阻化防火的作用，同时选择合适的发泡剂、泡沫稳定剂表面活性剂和成膜性添加剂，使得以泡沫为载体，将复合阻化剂体系带到需要进行防灭火治理的区域，有效的解决了以往采用喷洒、雾化等方法不能有效对大面积、远距离和隐蔽区域进行防灭火的巨大难题；

S4、取发泡剂、泡沫稳定剂、表面活性剂和成膜性添加剂，并将其投入容器内，经高速搅拌混合均匀后，得到混合物，备用；

S5、将步骤S3中的界面缓释阻化剂体系和步骤S1准备的抗溶剂、抗冻剂、成膜剂以及助剂投入到步骤S4得到的混合物内，并采用中温低速将其搅拌混合均匀，得泡沫界面缓释阻化剂初料；

S6、对泡沫界面缓释阻化剂初料进行过滤，得泡沫界面缓释阻化剂成品料；

S7、对泡沫界面缓释阻化剂成品料依次进行检验、包装和仓储，即可得到泡沫界面缓释阻化剂成品。

作为本发明一种优选的技术方案，所述检验的方法是将泡沫界面缓释阻化剂通过溴化钾压片，再采用傅里叶红外检测的方法进行检验。

作为本发明一种优选的技术方案，步骤S2中的界面修饰合成工艺的具体操作方法为：首先，将选择好的两种或多种物理阻化剂以及化学阻化剂超细粉碎、混合后投入溶剂中，快速搅拌15min形成悬浊液；之后，在快速搅拌条件下加入1-5%左右的界面修饰剂溶液，搅拌均匀后再加入促进剂，让界面修饰剂逐渐沉积在阻化剂混合物微细颗粒的表面，形成较完整的界面包裹修饰层；然后将修饰完全的阻化剂混合物悬浊液进行喷雾干燥，得到复合阻化剂体系。

作为本发明一种优选的技术方案，所述溶剂为不溶解两种或多种物理阻化剂以及化学阻化剂混合物的溶剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、泡沫界面缓释阻化剂以泡沫作为载体有效地将物理和化学阻化剂带入到煤易于自燃区域，可通过管路进行远距离输送，泡沫缓释阻化剂具有隔绝氧气，吸热降温、保湿等防灭火特性、能够降低煤的自燃发生的概率，从根本上达到防治煤自燃的目的；

2、泡沫界面缓释阻化剂的发泡倍数高（达到150～200倍），在与其它材料量相同的条件下，泡沫缓释阻化剂具有防灭火覆盖面积和堆积体积更大等特点，可快速扑灭火源和处理易自燃发火区域；

3、泡沫界面缓释阻化剂具有很强的附着能力、能够更好的覆盖在有自燃倾向的煤层表面，且其堆积效果好、综合成本低，具有很好的高位堆积性，可以将阻化剂带到普通条件无法达到的高位，有效的防止自燃和灭火，复合泡沫体系在井下能够维持20小时以上，所以是煤矿井下高冒区和采空区防灭火的理想材料，当泡沫界面缓释阻化剂及其溶液附着在易被氧化的新煤的表面时，将吸收空气中的水分，在煤的表面形成含水的液膜，不仅隔断了煤表面活性自由基团与氧气的直接接触，也破坏了活性自由基团对氧气的吸附氧化反应，并且起到吸热降温的作用，同时泡沫界面缓释阻化剂中的惰化离子也能够有效捕捉煤层中的活性自由基、惰化自由基，在这样双重作用下中断或抑制自由基链式反应的进行，从而阻止煤和氧接触和反应，起到隔氧阻化的作用；同时因泡沫界面缓释阻化剂及其溶液始终含有大量的水分，能吸收煤体在井下发生低温氧化时产生的少量氧化热，并发生蒸发，使煤的低温氧化温度难以升高，从而抑制煤的自燃，减少或杜绝有毒有害气体的产生；其次，表面活性剂既含有亲水基团，又含有疏水基团，与煤层接触后，疏水基团吸附在疏水性煤的表面，而亲水基团排斥向外，使煤层获得亲水性，促使煤层得以很快被泡沫界面缓释阻化剂溶液浸润且很快往煤层渗透，使得充足的泡沫界面缓释阻化剂水溶液能渗入煤炭的裂隙与孔隙，覆盖并强占煤层碳晶格的表面，挤走已吸附和将吸附的氧分子，由于水具有一定的表面张力，能阻止和破坏碳氧络合的形成，起到防止煤炭自燃的作用；另一方面，利用泡沫的滚动携带以及泡沫体系中的渗透助剂的高渗透能力，可以更进一步增加泡沫界面缓释阻化剂对煤层基料的湿润能力，使得泡沫界面缓释阻化剂溶液更有效地浸入煤体微细空隙内，进一步提高阻化剂的阻化效果；另外，该体系能够长时间保持高湿度的潮湿状态，也能够在煤矿开采过程中起到抑尘剂的作用；

4、泡沫界面缓释阻化剂具有自动捕获火源的能力，对于隐蔽的煤自燃高温区域，注入一定量的泡沫缓释阻化剂后，可有效降低整个区域的温度，同时，由于泡沫缓释阻化剂的阻化作用，还能有效防治火区复燃；

5、泡沫界面缓释阻化剂在扑灭外明火时，具有快速、高效、不易复燃等优点，且该泡沫界面缓释阻化剂原料中无可燃成分、无毒、无害、无味、无污染，不含重金属及其它有机挥发性物质，与环境友好，是对黄泥灌浆、注凝胶等防灭火措施的很有效的补充。

附图说明

图1为本发明煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂工艺流程图；

图2为本发明泡沫界面缓释阻化剂的红外谱图；

图3为本发明应用例中工作面回风流一氧化碳气体浓度变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂，包括如下组成成分：包括如下组成成分：发泡剂、泡沫稳定剂、表面活性剂、成膜性添加剂、抗溶剂、抗冻剂、成膜剂、物理阻化剂、化学阻化剂和助剂。

进一步的，所述检验的方法是将泡沫界面缓释阻化剂通过溴化钾压片，再采用傅里叶红外检测的方法进行检验，检验结果如附图2所示，由附图2对比可以得知，除了氯化钙本身的特征吸收之外，2860～3000cm^-1范围内为饱和的C-H伸缩振动，在1375cm^-1的谱带为甲基C-H的对称弯曲振动，清楚地表明界面缓释微胶囊中聚合物的存在。

进一步的，步骤S2中的界面修饰合成工艺的具体操作方法为：首先，将选择好的两种或多种物理阻化剂以及化学阻化剂超细粉碎、混合后投入溶剂中，快速搅拌15min形成悬浊液；之后，在快速搅拌条件下加入1-5%左右的界面修饰剂溶液，搅拌均匀后再加入促进剂，让界面修饰剂逐渐沉积在阻化剂混合物微细颗粒的表面，形成较完整的界面包裹修饰层；然后将修饰完全的阻化剂混合物悬浊液进行喷雾干燥，溶剂回收利用，干燥后的粉体作为下步加工的原料，其验证图谱见图2所示。

进一步的，所述溶剂为不溶解两种或多种物理阻化剂以及化学阻化剂混合物的溶剂。

试验例1、泡沫界面缓释阻化剂产品比重测定：

（1）仪器：

精密密度计：量程为0.900～1.300g/cm³；温度计：量程为0～50℃，分度值为0.5℃；量筒：250mL或100mL；恒温水浴：恒温范围为0～100℃，控温精度为±1℃；

（2）试验步骤：

S1、将恒温水浴温度控制在20±1℃，把混合均匀的泡沫界面缓释阻化剂慢慢注入干燥、洁净的量筒中，如有气泡产生，应静置待气泡升至液面，用滤纸刮去；

S2、然后将装有泡沫界面缓释阻化剂的量筒垂直放入恒温水浴中，阻化剂液面应低于水浴液面；

S3、待恒温至20℃±1℃时，手持洁净的比重计上端慢慢放入界面缓释阻化剂中，当比重计稳定后读数；取两次试验结果的平均值作为测定结果，两次试验结果之差应不大于0.002g/cm³。

试验例2、泡沫界面缓释阻化剂产品PH值测定：

（1）仪器、试剂：

酸度计：范围0～14PH，精度0.1PH；烧杯：50mL；温度计：量程0～50℃，分度值0.5℃；容量瓶：250mL；实验室用水：二级水；PH基准试剂：四硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)……PH9.182(25℃)，混合磷酸盐(KH2PO4和NaH2PO4等摩尔混合物)…PH6.864(25℃)，邻苯二甲酸氢钾(KHC3H4O4)………PH4.003(25℃)；

（2）试验步骤：

S1、用PH基准试剂和实验室用水配制好250mL缓冲溶液，调试好酸度计；

S2、将35mL泡沫界面缓释阻化剂注入干燥、洁净的烧杯中；

S3、将电极浸入界面缓释阻化剂中；

S4、待泡沫界面缓释阻化剂恒温至20℃±0.5℃时，测定搅拌均匀的阻化剂PH值，取两次试验结果的平均值作为测定结果，两次试验结果之差应不大于0.1 PH。

试验例3、泡沫界面缓释阻化剂产品流动点测定：

S1、用移液管向清洁、干燥的凝固点管内加入25mL泡沫界面缓释阻化剂，并记下泡沫界面缓释阻化剂的温度；

S2、先将盛界面缓释阻化剂的凝固点管直接插入寒剂中，上下移动搅棒(勿拉过液面，约每秒钟一次)，使水的温度逐渐降低，当过冷到-6℃以后，要快速搅拌(以搅棒下端擦管底)，幅度要尽可能的小，待温度回升后，恢复原来的搅拌，同时用放大镜观察温度计读数，直到温度回升稳定为止，此温度即为泡沫界面缓释阻化剂的近似凝固点；

S3、取出凝固点管，用手捂住管壁片刻，同时不断搅拌，使管中固体全部熔化，将凝固点管放在空气套管中，缓慢搅拌，使温度逐渐降低，当温度降至近似凝固点时，自支管加入少量晶种，并快速搅拌(在液体上部)，待温度回升后，再改为缓慢搅拌；直到温度回升到稳定为止，记下稳定的温度值，重复测定三次，每次之差不超过0.006℃，三次平均值作为泡沫界面缓释阻化剂的流动点。

试验例4、泡沫界面缓释阻化剂产品沉降物(%)测定：

S1、取50g样，溶于200mL水中，至室温；

S2、用已在(105±2)℃恒重的4号玻璃坩埚过滤；

S3、用去离子水洗涤残渣至洗液无氯离子反应；

S4、于(105±2)℃的电烘箱中干燥至恒重，计算残余物重量与原溶液重量的百分比。

试验例5、泡沫界面缓释阻化剂产品发泡倍数和存在时间测定：

S1、用清水将标准高倍数泡沫试验系统洗净，排除余水；

S2、把标准高倍数泡沫试验系统装配好，整个系统不得有泄漏；

S3、介质源出口风量为0.25 m³/min；

S4、用20℃±2℃的水，调试喷液嘴水的出口压力为0.1±0.02MPa，流量为6.0±0.2L/min；

S5、按规定的泡沫界面缓释阻化剂使用浓度在量筒中配制300mL溶液，搅拌均匀后用80～100目的滤网过滤倒入耐压溶液贮罐中；

S6、按规定的风量、流量，开机发泡，发泡正常后，用秒表记录泡沫充满0.05 m³盛泡沫桶的时间；

泡沫倍数N按式(1)计算：

式中：Q——标准高倍数泡沫试验系统溶液流量；

t——泡沫充满0.05m³盛泡沫桶的时间，s；

记录0.05m³盛泡沫桶中的泡沫破裂体积减少到十分之一的时间，这个时间即为存在时间，单位为h，取发泡倍数、存在时间各两次试验结果的平均值作为测定结果。

试验例6、泡沫界面缓释阻化剂产品阻化率的测定：

S1、先称取100g煤炭，经粉碎机粉碎后，置于容量为500ml的烧杯中，用泡沫喷枪将制备好的化学阻化剂喷射出大量泡沫喷洒至烧杯中，泡沫充满整个烧杯；

S2、然后放入一只含有100ml水的容量为1L的烧杯中，将该1L的烧杯密封后放入40℃烘箱中；

S3、经大约3～12小时待泡沫完全消失后，进行一氧化碳浓度实时检测,得到浓度最大值；

S4、做一组空白实验（即不加阻化剂），将得到的最大浓度值与前者进行比较，结果发现经阻化后的样品CO最大浓度值相比于未经阻化的对照样品降低了70%，再将残余物烘干进行红外光谱分析，观察阻化前后官能团的变化，结果发现易于氧化的官能团如芳烃类、甲基类振动峰明显减少或消失；

S5、重复S1-S3，待泡沫消失后将物理阻化剂溶液用喷枪喷洒至化学阻化剂阻化后的煤层，泡沫充满整个500ml烧杯后放入含有100ml水的1L烧杯中，密封后放入40℃烘箱中，大约10～24小时等到泡沫完全消失后,进行一氧化碳浓度实时检测,得到浓度最大值；

S6、重复步骤S4，再做一组不加阻化剂的空白实验，将得到的最大浓度值与前者进行比较，结果发现经化学阻化剂和物理阻化剂共同作用的煤层，其CO最大浓度比未阻化的降低了90%。

试验例7、泡沫界面缓释阻化剂产品铅含量的测定：

按GB/T 9735-2008化学试剂重金属测定通用方法规定的方法进行。

试验例8、泡沫界面缓释阻化剂产品砷含量的测定：

按GB/T 610-2008化学试剂砷测定通用方法规定的方法进行。

根据上述试验1-试验8所述，得到泡沫界面缓释阻化剂产品指标，如下表所示：

序号	项目	指标
			1	密度（20℃)，g/cm3	1.00～1.20
2	PH值	6.5～7.5
			3	流动点（℃）	≤-15
4	发泡倍数（20℃）	200～250
			5	发泡稳定时间（h）	≥20
6	阻化率（%）	≥50
			7	沉淀物，%(20℃)	≤0.8
8	铅含量(mg/L)	≤2.0
			9	砷含量(mg/L)	≤0.3

应用例：

在X矿防灭火中的应用，由于该煤矿工作面直接顶为工作面基本顶，比较坚硬，在溜尾附近冒落后上部形成大空洞，使得工作面进风，很容易通过冒落区进入采空区后方，作业人员尽管多次从进风隅角建筑设施封堵漏风，但效果仍不明显。

同时，因采空区自燃发火隐患发展较快，需快速抑制采空区高温隐患的发展。为此，公司在工作面进风顺槽处，利用埋入采空区的注浆管路压注阻化泡沫，管路出口距当时工作面的距离为50米左右，泡沫界面缓释阻化剂的用量为3吨，产生泡沫的量大约有1500m³，此时，工作面回风流一氧化碳气体浓度变化如下图3所示：

由图3可得，通过注入泡沫界面缓释阻化剂，在向采空区漏风源头的位置形成泡沫墙体覆盖层，阻止氧气漏入高温隐患位置，同时，缓释阻化剂对有自燃发火倾向的煤层进行阻化、惰化作用，降低煤层活化能，煤的氧化还原反应被阻止或延迟，因此一氧化碳气体浓度下降十分明显，抑制了自燃隐患的发展，经过多次治理工作，工作面采空区后部的自燃发火隐患得到了较好的控制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂，其特征在于，包括如下组成成分：发泡剂、泡沫稳定剂、表面活性剂、成膜性添加剂、抗溶剂、抗冻剂、成膜剂、物理阻化剂、化学阻化剂和助剂。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

S2、将物理阻化剂和化学阻化剂经界面修饰合成工艺，得到复合阻化剂体系；

S3、采用界面修饰工艺将复合阻化剂体系包裹，使其可以缓慢释放，得到具有长期高效阻化防火作用的界面缓释阻化剂体系；

3.根据权利要求2所述的一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂的制备方法，其特征在于，所述检验的方法是将泡沫界面缓释阻化剂通过溴化钾压片，再采用傅里叶红外检测的方法进行检验。

4.根据权利要求2所述的一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂的制备方法，其特征在于，步骤S2中的界面修饰合成工艺的具体操作方法为：首先，将选择好的两种或多种物理阻化剂以及化学阻化剂超细粉碎、混合后投入溶剂中，快速搅拌15min形成悬浊液；之后，在快速搅拌条件下加入1-5%左右的界面修饰剂溶液，搅拌均匀后再加入促进剂，让界面修饰剂逐渐沉积在阻化剂混合物微细颗粒的表面，形成较完整的界面包裹修饰层；然后将修饰完全的阻化剂混合物悬浊液进行喷雾干燥，得到复合阻化剂体系。

5.根据权利要求4所述的一种煤矿防灭火用泡沫界面缓释阻化剂的制备方法，其特征在于，所述溶剂为不溶解两种或多种物理阻化剂以及化学阻化剂混合物的溶剂。