CN113213821B - 一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫及其制备方法，该高稳定性胶质泡沫由以下重量百分比的原料制成：水58～80％、粉煤灰19～40％、引气剂0.4～0.8％、覆膜剂0.2～0.6％，交联剂0.2～0.6％。该高稳定性胶质泡沫的制备方法如下：先按比例称取粉煤灰和覆膜剂，加入水中，充分搅拌得到均匀的粉煤灰悬浮液；再按比例将引气剂加入到上述粉煤灰悬浮液中，快速搅拌5～10min，通过引气发泡膨胀过程制得粉煤灰泡沫；最后按比例加入交联剂，搅拌3～5min制得高稳定性胶质泡沫。本发明的高稳定性胶质泡沫耐热稳定性好、阻燃性能优异，可以长期保持水分、润湿煤体，对矿井采空区遗煤、煤田火区燃煤等松散煤体的包裹粘结效果好，可在煤体表面形成一层覆膜、持久隔绝氧气。

Description

一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫及其制备 方法

技术领域

本发明涉及煤自燃防治技术领域，具体涉及一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫及其制备方法。

背景技术

煤炭是我国的主体能源，“富煤、贫油、少气”的能源资源禀赋特征决定了煤炭作为我国主体能源的地位在短期内不会改变。然而，现阶段煤矿井下煤炭资源开采面临严重采空区煤炭自然发火威胁，主要是由于具有自燃倾向性的煤呈破碎堆积状态在连续供氧条件下，经过一系列的物理化学反应氧化积聚热量达到着火点而自发燃烧，甚至引发重大的煤矿灾害。针对采空区煤炭氧化自热的问题，国内外常用的技术有注浆、注惰气、物理和化学阻化剂、胶体等，但均都存在一定的缺陷和不足，尤其对大面积采空区内的隐蔽火源和高位点的煤炭氧化自热隐患点的治理效果不佳。

泡沫材料因其轻质、隔热，以及良好的高位堆积和渗流扩散特性，被视为防治采空区松散煤体氧化自燃较为有效的技术，受到学者的广泛关注。然而，现有的泡沫类材料对松散煤体的包裹润湿效果较差、隔绝氧气时间短，对采空区大范围松散煤体的隔氧降温效果十分有限。

粉煤灰三相泡沫等利用发泡剂对粉煤灰颗粒进行表面修饰，在发泡过程中吸附在气吸附在气/液界面上，达到稳定泡沫的效果；但三相泡沫仍存在稳定时间短、失水快的问题，其半衰期低于20h，且泡沫失水后残存的固体颗粒会干燥粉化，不能完整的覆盖遗煤，因此难以实现长期润湿煤体和覆盖隔氧的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，能够有效地包裹采空区的松散煤体，持久地保持水分润湿煤体，当水分完全蒸发消失后仍可附着在煤体表面形成一层含有粉煤灰、膨胀石墨等阻燃剂的隔氧膜，持久地隔氧氧气，抑制煤的氧化自热和燃烧过程。

本发明的另一目的是提供上述高稳定性胶质泡沫的制备方法，步骤简单，可工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，由以下重量百分比的原料制成：水58～80％、粉煤灰19～40％、引气剂0.3～0.8％、覆膜剂0.2～0.6％，交联剂0.2～0.6％；

其中所述覆膜剂的制备过程如下：

1)将黄原胶与魔芋葡甘聚糖按质量比1:2.5混合后球磨2h，制得有机物粉体；

2)将步骤1)中制得的有机物粉体与膨胀石墨按质量比1:1混合后球磨1h，制得有机-无机复合粉体；

3)按照1:9的重量比例将步骤2)中制得的有机-无机复合粉体溶解在蒸馏水中，在80℃恒温下搅拌30分钟，然后静置10h后得到覆膜剂水溶液；

4)将步骤3)制得的覆膜剂水溶液进行真空冷冻干燥，得到干燥的块状覆膜剂；

5)将步骤4)中得到的块状覆膜剂放入到球磨机中研磨成粉，最终制得覆膜剂粉体。

优选的，步骤4)中所述冷冻干燥温度为-30～-10℃，真空度为10～30Pa，时间40～60h。

优选的，步骤5)中所述球磨转速为400～600r/min，球磨时间为1～3h。

优选的，所述覆膜剂粉体的粒径为200目以下。

优选的，所述的引气剂由以下重量百分比的原料混合而成：脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠70～90％、十二烷基二甲基胺乙内酯10～30％。

更优选的，所述的引气剂由以下重量百分比的原料混合而成：脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠80％、十二烷基二甲基胺乙内酯20％。

优选的，所述的交联剂为有机硼交联剂，其有机配位体为葡萄糖酸钠。

本发明还提供上述抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫的制备方法，具体步骤为：

1)按比例称取粉煤灰和覆膜剂，加入水中，充分搅拌，得到均匀的粉煤灰悬浮液；

2)按比例将引气剂加入到步骤1)得到的粉煤灰悬浮液中，快速搅拌5～10min，通过引气发泡膨胀过程制得粉煤灰泡沫；

3)将交联剂按比例加入到步骤2)得到的粉煤灰泡沫中，搅拌3～5min制得高稳定性胶质泡沫。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，以粉煤灰和水为主要成分，以引气剂、覆膜剂和交联剂为助剂，通过快速搅拌后形成高稳定性的高稳定性胶质泡沫。其中，引气剂由脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基二甲基胺乙内酯复配而成，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠中亲水基所带负电荷能够与十二烷基二甲基胺乙内酯中亲水基所带正电荷形成很强的静电吸引力，能够有效地屏蔽粉煤灰在浆液中释放的钙离子、镁离子等，从而增强粉煤灰浆液的引气和膨胀发泡效果；覆膜剂和交联剂可将粉煤灰泡沫进一步凝胶化，形成具有高保水、长期稳定的高稳定性胶质泡沫，胶质泡沫的析液半衰期超150h以上，泡沫中气体完全逸散后可形成一层保水的粉煤灰胶质膜，能够持久覆盖煤体隔绝氧气。

2、本发明以黄原胶、魔芋葡甘聚糖为原料通过球磨混合、水中溶解、冷冻干燥、研磨成粉等过程制备覆膜剂，原材料绿色安全、易降解，对煤矿井下水体、土壤、环境等无害，制备过程无废气废水等，环保无污染。覆膜剂与粉煤灰在水中充分搅拌后，可凭借自身优异的增稠和悬浮效果，最终制得均匀的粉煤灰悬浮液，有利于后续用过搅拌引气并发泡膨胀形成粉煤灰泡沫材料；交联剂是以葡萄糖酸钠为有机配位体的有机硼，在加入粉煤灰泡沫后具有多级电离、缓慢释放交联剂离子的特性，有利于缓慢交联粉煤灰泡沫，最终制备得到均匀的高稳定性胶质泡沫。此外，高稳定性胶质泡沫中含有的膨胀石墨可有效吸收煤氧化释放的热量迅速膨胀100倍以上，起到吸热降温的作用，进一步增强了高稳定性胶质泡沫对松散煤体氧化自热的抑制效果。

3、本发明制得的高稳定性胶质泡沫不仅具备了胶体材料高吸水保水的特性，同时也具有泡沫材料优异的渗流扩散性能，可实现对矿井大范围采空区遗煤、大空间煤田火区燃煤等灾害区域的快速覆盖，并借助泡沫携带的水分快速降温救灾；此外，当高稳定性胶质泡沫中水分随着时间完全蒸干后，覆膜剂和交联剂在粉煤灰颗粒间形成的三维空间网络结构可将粉煤灰、膨胀石墨等固相颗粒包裹连接在一起，形成一层致密的粉煤灰胶质膜，紧密地包裹粘结在煤体表面，从而有效地隔绝松散煤与氧气的接触和反应，最终高效、持久地抑制松散煤体的氧化自热过程，防止煤矿自然发火、瓦斯爆炸等热动力灾害的发生。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

以下实施例中所用引气剂由以下重量百分比的原料混合而成：脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠80％、十二烷基二甲基胺乙内酯20％；

所用交联剂为有机硼交联剂，其有机配位体为葡萄糖酸钠；

所用覆膜剂是按以下步骤制备得到：(1)按照1:2.5的重量比例将黄原胶与魔芋葡甘聚糖混合后球磨2h，制得有机物粉体；(2)将步骤(1)中制得的有机物粉体与膨胀石墨按质量比1:1混合后球磨1h，制得有机-无机复合粉体；(3)按照1:9的重量比例将步骤(2)中制得的有机-无机复合粉体溶解在蒸馏水中，在80℃恒温下搅拌30分钟，然后静置10h后得到覆膜剂水溶液；(4)将步骤(3)制得的覆膜剂水溶液放置在冷冻干燥箱中冻干，冷冻干燥温度为-30～-10℃，真空度为10～30Pa，时间40～60h，得到干燥的块状覆膜剂；(5)利用球磨机将步骤(4)中得到的块状覆膜剂研磨至200目粒径以下，球磨转速为400～600r/min，球磨时间为1～3h，最终制得覆膜剂粉体。

实施例1

一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，由以下重量百分比的原料制成：水58％、粉煤灰40％、引气剂0.8％、覆膜剂0.6％，交联剂0.6％。

本实施例中抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫的制备方法，具体步骤为：首先按比例称取粉煤灰和覆膜剂，将其在水中充分地分散溶解，搅拌得到均匀的粉煤灰悬浮液；其次按比例将引气剂加入到上述粉煤灰悬浮液中，快速搅拌5～10min，通过引气发泡膨胀过程制得粉煤灰泡沫；最后将交联剂按比例加入粉煤灰泡沫中，搅拌3～5min制得高稳定性胶质泡沫。

实施例2

一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，由以下重量百分比的原料制成：水63％、粉煤灰35％、引气剂0.8％、覆膜剂0.6％，交联剂0.6％。

本实施例中抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫的制备方法同实施例1。

实施例3

一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，由以下重量百分比的原料制成：水69％、粉煤灰30％、引气剂0.5％、覆膜剂0.3％，交联剂0.2％。

本实施例中抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫的制备方法同实施例1。

实施例4

一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，其特征在于，由以下重量百分比的原料制成：水74％、粉煤灰25％、引气剂0.4％、覆膜剂0.3％，交联剂0.3％。

本实施例中抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫的制备方法同实施例1。

实施例5

一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，其特征在于，由以下重量百分比的原料制成：水80％、粉煤灰19％、引气剂0.3％、覆膜剂0.2％，交联剂0.5％。

本实施例中抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫的制备方法同实施例1。

将上述实施例1-5中所制备的抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫通过管路灌注至点燃的松散煤堆内(煤堆尺寸30cm×30cm×20cm)，在此过程中泡沫用量控制10L。在高稳定性胶质泡沫快速从煤堆底部向上堆积并完全包裹覆盖的煤体过程中，分别测试胶质泡沫将燃煤从燃烧状态熄灭降温至60℃的时间，将该时间记为灭火时间t，单位为分钟(min)；同时，记录高稳定性胶质泡沫在煤堆上的稳定覆盖时长，记为稳定时间T(天)，并观察最终能否形成一层完整覆盖膜，具体数据见表1。

表1不同原料配比的高稳定性胶质泡沫灭火及稳定性能的变化

现有利用硅酸钠凝胶等材料稳定的泡沫在覆盖煤体过程中易失水、破裂，对煤体的覆盖隔氧时间短，一般低于24h，尤其是覆盖高温煤体过程中由于泡沫自身耐热稳定性差、覆盖降温效果差，灭火时间一般均超过2h，且对松散煤体的覆盖保护效果较差(稳定覆盖时间<1天)。通过表1测试结果可以看出，利用本发明抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫覆盖点燃的松散煤堆，灭火时间可由现有技术的2h以上降低至≤40min，稳定覆盖时间可延长至30天以上，这是由于本发明提供高稳定性胶质泡沫是一种经覆膜剂和交联剂作用形成的类似于凝胶体的泡沫，在覆盖煤体、吸热降温过程中不会破坏泡沫的液膜结构，泡沫仍可稳定存在，因此可长时间稳定地覆盖松散煤体、隔绝氧气；同时，胶质泡沫优异的保水性可有效避免水分的流失，将大量的水分用于熄灭冷却高温煤体。此外，胶质泡沫携带的膨胀石墨和粉煤灰等固相成分也可起到冷却降温、防止泡沫受热燃烧的效果。最终，高稳定性胶质泡沫可在松散煤体表面形成一层保水的粉煤灰胶质隔氧膜，能够持久覆盖煤体隔绝氧气。

本发明提出的一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫及其制备方法能够满足煤矿井下采空区等区域松散煤体的长期覆盖、隔氧保护等需求，由于该泡沫对松散煤体的覆盖效果好、周期长，可有效避免重复灌注泡沫等施工过程，大大降低了煤矿相关材料的消耗以及人力成本投入，符合煤矿现场的应用需求。

Claims (7)

1.一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，其特征在于，由以下重量百分比的原料制成：水58~80%、粉煤灰19~40%、引气剂0.3~0.8%、覆膜剂0.2~0.6%，交联剂0.2~0.6%；制备步骤包括：

1）按比例称取粉煤灰和覆膜剂，加入水中，充分搅拌，得到均匀分散的粉煤灰悬浮液；

2）按比例将引气剂加入到步骤1）得到的粉煤灰悬浮液中，快速搅拌5~10min，通过引气发泡膨胀过程制得粉煤灰泡沫；

3）将交联剂按比例加入到步骤2）得到的粉煤灰泡沫中，搅拌3~5min，制得高稳定性胶质泡沫；

其中所述覆膜剂的制备过程如下：

（1.1）将黄原胶与魔芋葡甘聚糖按质量比1:2.5混合后球磨2h，制得有机物粉体；

（1.2）将步骤（1.1）中制得的有机物粉体与膨胀石墨按质量比1:1混合后球磨1h，制得有机-无机复合粉体；

（1.3）按照1:9的重量比例将步骤（1.2）中制得的有机-无机复合粉体溶解在蒸馏水中，在80℃恒温下搅拌30分钟，然后静置10h后得到覆膜剂水溶液；

（1.4）将步骤（1.3）制得的覆膜剂水溶液进行真空冷冻干燥，得到干燥的块状覆膜剂；

（1.5）将步骤（1.4）中得到的块状覆膜剂放入到球磨机中研磨成粉，最终制得覆膜剂粉体。

2.根据权利要求1所述的一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，其特征在于，步骤（1.4）中所述冷冻干燥温度为-30~-10℃，真空度为10~30Pa，时间40~60h。

3.根据权利要求1所述的一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，其特征在于，步骤（1.5）中所述球磨转速为400~600r/min，球磨时间为1~3h。

4.根据权利要求1所述的一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，其特征在于，所述覆膜剂粉体的粒径为200目以下。

5.根据权利要求1所述的一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，其特征在于，所述的引气剂由以下重量百分比的原料混合而成：脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠70~90%、十二烷基二甲基胺乙内酯10~30%。

6.根据权利要求5所述的一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，其特征在于，所述的引气剂由以下重量百分比的原料混合而成：脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠80%、十二烷基二甲基胺乙内酯20%。

7.根据权利要求1所述的一种抑制松散煤体氧化自热的高稳定性胶质泡沫，其特征在于，所述的交联剂为有机硼交联剂，其有机配位体为葡萄糖酸钠。