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法律状态
2020-07-14
授权
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2018-05-04
实质审查的生效 IPC(主分类):C09K21/02 申请日:20171113
实质审查的生效
2018-04-10
公开
公开
技术领域：
本发明属于采空区自燃防治材料领域，具体涉及一种预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂及其制备方法。
背景技术：
煤炭自然发火是威胁煤矿安全生产过程中的主要灾害之一，由此引起的矿井火灾从而引起的火灾事故造成了巨大的人员伤亡以及财产损失。当前，利用采空区喷洒阻化剂来预防煤炭自燃是煤矿常用的一种防灭火技术，阻化剂可以起到隔氧降温、惰化煤中活性基团的作用，但是遗煤周围氧气浓度对煤炭自燃依然存在威胁。
鉴于以上原因，需要一种新型阻化剂，既可以具有传统阻化剂的作用，又可以降低遗煤周围氧气浓度，释放CO2起到惰化采空区的作用，使得采空区自燃隐患降到最低。
发明内容：
针对现有采空区自燃防治技术的弊端，本发明提供一种预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂及其制备方法，目的是通过脱氧剂中添加碳酸盐成分，加速还原性铁粉电离速度和消耗反应产物，使得还原性铁粉与氧气的平衡反应进行更彻底，克服铁系脱氧型阻化剂反应进行不彻底，不能完全高效的消耗氧气的问题，反应产生的CO2起到惰化采空区的作用，同时保留阻化剂吸水隔氧、惰化煤中活性基团，降低遗煤被氧化的可能性，对井下遗煤自燃起到“阻氧”、“耗氧”、“惰化”、“降温”四重保护作用，高效地抑制采空区遗煤自燃，且材料广泛，成本较低。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂，由含铁耗氧剂、碳酸盐和增稠剂组成，其中，按质量比，含铁耗氧剂：碳酸盐：增稠剂＝2：(1～2)：(1～4)。
所述的含铁耗氧剂是还原性铁粉。
所述的碳酸盐为碳酸钠和/或碳酸镁，其中，当碳酸盐为碳酸钠和碳酸镁的混合物时，二者混合比例为任意比。
所述的增稠剂为气相法白炭黑。
所述的还原性铁粉质量纯度≥98％，粒度≤200目。
所述的气相法白炭黑粒度≤200目。
所述的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，含铁耗氧剂活化：
按配比，称取含铁耗氧剂，并用硫酸溶液对含铁耗氧剂进行活化处理后，过滤掉硫酸溶液，获得活化后的含铁耗氧剂；
所述的步骤1中，硫酸溶液浓度为4～6％，由浓硫酸溶液稀释而成。
所述的步骤1中，含铁耗氧剂的活化时间为0.5～2min。
步骤2，阻化剂制备：
按配比，向活化后的含铁耗氧剂中先后添加碳酸盐和增稠剂，搅拌均匀，获得预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂。
本发明的有益效果：
本发明的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂中的含铁耗氧剂是还原性铁粉，还原性铁粉与氧气接触，发生反应如下：
2Fe-4e-＝2Fe2+
4Fe(OH)2+O2+2H2O＝4Fe(OH)3→[Fe2O3·n>2O]
因为反应的第二步为平衡反应，随着反应的进行，H+的聚集使得平衡反应逆向进行，因此考虑到添加碳酸盐对H+进行消耗的时产生CO2，发生如下反应：
H++HCO3-＝H2O+CO2
不仅使得消耗氧气的速率与量大大增加，达到3倍以上，同时具备耗氧与惰化的作用，即产生大量CO2惰化采空区，其中的气相法白炭黑作为增稠剂使用，能够提高阻化物的透气性。同时，稠化剂使得本发明的脱氧剂便于向井下采空区输送，同时由于稠化剂能够吸收脱氧反应及遗煤自热产生的热量，可以降低遗煤周围温度。
本发明的惰化耗氧阻化剂具有以下功能：
(1)高效降低遗煤周围氧气浓度，从而减缓煤体氧化速度，是以前脱氧剂效果的三倍；
(2)碳酸盐在反应进程中释放CO2气体，阻化耗氧的同时起到惰化采空区的作用；
(3)呈液体状的阻化剂成分覆盖遗煤的表面，起到隔氧阻化、惰化煤中活性基团的作用，同时反应最终生成的坚硬层可进一步防治遗煤氧化；
(4)本发明的惰化耗氧阻化剂具有降低氧气浓度以及惰化采空区、降温、隔氧的四重效果，能够极大地提高脱氧剂的耗氧效果，而且用料少，价格便宜，能够有效防治遗煤自燃。
附图说明：
图1是本发明实施例1制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的耗氧对比规律图；
图2是本发明实施例1制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的阻化对比规律图；
图3是本发明实施例2制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的释放CO2对比规律图；
图4是本发明实施例3制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的耗氧对比规律图；
图5是本发明实施例3制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的释放CO2对比规律图；
图6是本发明实施例4制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的耗氧对比规律图；
图7是本发明实施例4制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的释放CO2对比规律图；
图8是本发明实施例5制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的耗氧对比规律图；
图9是本发明实施例5制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的释放CO2对比规律图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例1～5中采用的还原性铁粉质量纯度≥98％，粒度≤200目；气相法白炭黑粒度≤200目。
实施例1
一种预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂，由还原性铁粉、碳酸钠和气相法白炭黑组成，其中，按质量比，还原性铁粉：碳酸钠：气相法白炭黑＝2：1：4。
所述的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，含铁耗氧剂活化：
按配比，称取还原性铁粉，并用浓度为5％的硫酸溶液对还原性铁粉活化处理1min后，过滤掉硫酸溶液，获得活化后的还原性铁粉；
步骤2，阻化剂制备：
按配比，向活化后的还原性铁粉中先后添加碳酸钠和气相法白炭黑，搅拌均匀，获得预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂。
实施例2
一种预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂，由还原性铁粉、碳酸钠和气相法白炭黑组成，其中，按质量比，还原性铁粉：碳酸钠：气相法白炭黑＝2：1：4。
所述的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，含铁耗氧剂活化：
按配比，称取还原性铁粉，并用浓度为5％的硫酸溶液对还原性铁粉活化处理1min后，过滤掉硫酸溶液，获得活化后的还原性铁粉；
步骤2，阻化剂制备：
按配比，向活化后的还原性铁粉中先后添加碳酸钠和气相法白炭黑，搅拌均匀，获得预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂。
实施例3
一种预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂，由还原性铁粉、碳酸镁和气相法白炭黑组成，其中，按质量比，还原性铁粉：碳酸镁：气相法白炭黑＝2：2：1。
所述的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，含铁耗氧剂活化：
按配比，称取还原性铁粉，并用浓度为4％的硫酸溶液对还原性铁粉活化处理2min后，过滤掉硫酸溶液，获得活化后的还原性铁粉；
步骤2，阻化剂制备：
按配比，向活化后的还原性铁粉中先后添加碳酸镁和气相法白炭黑，搅拌均匀，获得预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂。
实施例4
一种预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂，由还原性铁粉、碳酸镁和气相法白炭黑组成，其中，按质量比，还原性铁粉：碳酸镁：气相法白炭黑＝2：1：1。
所述的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，含铁耗氧剂活化：
按配比，称取还原性铁粉，并用浓度为6％的硫酸溶液对还原性铁粉活化处理0.5min后，过滤掉硫酸溶液，获得活化后的还原性铁粉；
步骤2，阻化剂制备：
按配比，向活化后的还原性铁粉中先后添加碳酸镁和气相法白炭黑，搅拌均匀，获得预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂。
实施例5
一种预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂，由还原性铁粉、碳酸钠与碳酸镁的混合物，和气相法白炭黑组成，其中，按质量比，还原性铁粉：碳酸钠和/或碳酸镁：气相法白炭黑＝1：1：2，其中，碳酸钠和碳酸镁按1:1混合而成。
所述的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，含铁耗氧剂活化：
按配比，称取还原性铁粉，并用浓度为5％的硫酸溶液对还原性铁粉活化处理1min后，过滤掉硫酸溶液，获得活化后的还原性铁粉；
步骤2，阻化剂制备：
按配比，向活化后的还原性铁粉中先后碳酸钠与碳酸镁的混合物和气相法白炭黑，搅拌均匀，获得预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂。
对以上实施例1～5制备的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂进行阻化性能测试，通过预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂抑制煤自燃实验过程，以实验产生的CO浓度、消耗氧气速度、试验产生的CO2浓度分别为判断指标，与现有的脱氧型阻化剂在阻化、耗氧方面进行对比，具体按照以下步骤进行：
称取0.6g粒径为100目的煤样放置在玻璃皿中，分别将实施例1～5中制备的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂覆盖到煤体表面，并对应称取与相应实施例含量相同的现有铁系脱氧剂覆盖到煤体表面，作为对比例1～5，放入广口瓶中密封，连接氧气测定仪、CO2测定仪，CO测定仪，放到水浴锅中，进行加热升温，选择100℃进行试验，每隔1h测定一次上述浓度，当有试验组中氧气浓度消耗完、CO2浓度恒定时分别停止相应的实施例与对比例试验，以氧气消耗完毕的时间、CO2最终的浓度作为衡量惰化耗氧阻化剂性能的标准。
测试结果如下：
实施例1
实施例1制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的耗氧对比规律图，如图1所示，阻化对比规律图，如图2所示，在实施例1制备的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂作用下，氧气浓度在1.5h之内降低到0，CO浓度在1h之内稳定在15.6ppm，说明其具有良好的耗氧性能和阻化性能；
同时作为对比，对含铁系耗氧剂的相同组分脱氧剂在相同条件下分别做耗氧性能测试和阻化性能测试，结果表明不含碳酸盐的脱氧剂在3h内氧气浓度降为0，在1h内CO浓度为21.3ppm。
实施例2
实例2制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的释放CO2规律图，如图3所示，在实施例2制备的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂作用下，氧气浓度在1.5h之内降低到0，CO2浓度在1h之内稳定在2.53％，说明其具有良好的耗氧性能和惰化性能；
对含铁系耗氧剂的相同组分脱氧剂在相同条件下分别做耗氧性能测试和惰化性能测试，结果表明不含碳酸盐的脱氧剂氧气浓度在3h之内降低到0，在试验时间内CO2浓度始终保持为0.03％。
实施例3
实施例3制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的耗氧对比规律图，如图4所示，释放CO2对比规律图，如图5所示，在实施例3制备的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂作用下，氧气浓度在1.3h之内降低到0，CO2浓度增加到5.06％，说明其具有良好的耗氧性能和惰化性能；
对含铁系耗氧剂的相同组分脱氧剂在相同条件下分别做耗氧性能测试和惰化性能测试，结果表明不含碳酸盐的脱氧剂氧气浓度在3h之内降低到0，在试验时间内CO2浓度始终保持在0.03％。
实施例4
实施例4制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的耗氧对比规律图，如图6所示，释放CO2对比规律图，如图7所示，在实施例4制备的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂作用下，氧气浓度在1.5h之内降低到0，CO2浓度增加到2.53％，说明其具有良好的耗氧性能和惰化性能；
对含铁系耗氧剂的相同组分脱氧剂在相同条件下分别做耗氧性能测试和惰化性能测试，结果表明不含碳酸盐的脱氧剂氧气浓度在3h之内降低到0，在试验时间内CO2浓度始终保持在0.03％。
实施例5
实施例5制备的惰化耗氧阻化剂与铁系脱氧型阻化剂在100℃条件下的耗氧对比规律图，如图8所示，释放CO2对比规律图，如图9所示，在实施例5制备的预防采空区自燃的惰化耗氧阻化剂作用下，氧气浓度在1.2h之内降低到0，CO2浓度增加到5.06％，说明其具有良好的耗氧性能和惰化性能；
对含铁系耗氧剂的相同组分脱氧剂在相同条件下分别做耗氧性能测试和惰化性能测试，结果表明不含碳酸盐的脱氧剂氧气浓度在3h之内降低到0，在试验时间内CO2浓度始终保持在0.03％。
机译： 惰化排气组件，使用该惰气组件的惰化系统以及惰化消防洒水系统的方法
机译： 一种环境可持续的水泥组合物，其用于惰化沉淀物/淤泥的惰性化，惰性化的相关方法和装置
机译： 基于氧乙基化和氧丙基化的苯基-1-乙基苯酚的表面活性剂，其制备方法及其在获得活性化合物浓溶液中的用途。
