防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂.pdf

本发明提供了一种防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂，该化学阻化剂是由0.5～1％的表面活性剂，0.1％的高分子树脂和一定浓度的氧化剂组成的水溶液，pH值在3～5之间。在煤矿开采过程中通过煤层预注水，向采煤工作面后的遗煤和其它易于发火的地方喷洒该化学阻化剂溶液，也可以将化学阻化剂添加到其它防灭火材料作为添加剂注入易发火区域。阻化剂的作用使煤体中的不同活性结构和基团被氧化发生不可逆的反应从而失去低温氧化性，使煤的自燃倾向性降低，从而彻底防止煤的自燃，操作简单，取材方便经济，适合于矿井下作业。

1、  一种防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂，其特征是以原料在水为溶剂的化学阻化剂中的质量百分比浓度计，由0.5～1％的表面活性剂，0.1％的高分子吸水树脂和氧化剂组成，PH值在3～5之间；其中所述氧化剂的浓度是：自燃倾向性等级为容易自燃的煤一级氧化剂的质量百分比浓度为0.5～1％，二级氧化剂的质量浓度为1～2％；自燃倾向性等级为自燃的煤一级氧化剂的质量浓度为0.3～0.5％，二级氧化剂的质量浓度为0.5～1％；自燃倾向性等级为不易自燃的煤一级氧化剂的质量浓度为0.1～0.3％，二级氧化剂的质量浓度为0.3-0.5％。

2.  如权利要求1所述的防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂，其中所述表面活性剂的质量百分比浓度为0.5％。

3.  如权利要求1所述的防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂，其中所述表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠。

4.  如权利要求1所述的防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂，其中所述高分子吸水树脂的吸水能力至少在500倍以上。

5.  如权利要求1所述的防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂，其中所述一级氧化剂是高锰酸盐。

6.  如权利要求1所述的防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂，其中所述二级氧化剂是高碘酸。

防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂
技术领域
本发明涉及防治煤炭矿井煤自燃的阻化剂，特别涉及防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂。
背景技术
煤炭自燃是煤炭矿井的重大灾害之一。在我国国有重点煤矿中，存在较严重煤自燃的矿井占矿井总数的56％，由煤自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的90～94％。煤炭自燃严重威胁到煤矿矿井的安全生产，并且还可能引起瓦斯爆炸造成重大人员伤亡，破坏资源设备造成重大的经济损失等。
防治煤炭自燃的主要原则是阻止煤氧化过程的发生和消除热量集聚。物理类型的阻化剂主要是无机盐类阻化剂，包括NaCl，MgCl₂，AlCl₃，Na₂SO₄等，因为这类物质具有较强的吸水性，将这些物质抛洒到煤体表面后，能够在一定时间内保持煤体表面的湿度，使煤体低温氧化时候温度不易于上升。物理阻化剂仅仅是在一定程度上吸收空气中的水分保湿，并不能够阻止煤低温氧化释放出热量，对于氧化性或者条件比较适合的情况下，氧化产生的热量使煤体表面蒸发加速，而吸收的水分却不足的时候，煤体的温度同样也会逐渐上升从而引发煤的自燃，并且在一定条件下煤体中适量的水分还有利于煤的低温氧化和自燃。因此，物理阻化剂不能够从根本上阻止煤的低温氧化，也就不能够从根本上阻止煤的自燃发生。
海藻酸钠、水玻璃和高吸收树脂等为主要原料制作的凝胶类防灭火等材料对煤自燃也有一定阻化作用，是利用胶体包裹煤体，使煤体与空气中的氧隔绝开来达到阻化的目的。这类阻化剂但是成本高，同样属于物理阻化剂类型。但是由于煤矿井下由于矿山压力和煤本身的物理化学变化，包裹隔氧的效果往往被破坏掉，达不到防治煤自燃的目的。
防老化剂是应用在防止橡胶老化的添加剂，有文献报道用该类材料防治煤的自燃。但是煤的氧化发生自燃与橡胶氧化发生老化的机理不同，煤低温氧化自燃主要是煤体结构中的活性基团与氧发生氧化反应导致的，橡胶老化有氧化的作用，但是防老化剂是在橡胶生产过程中加入橡胶中，使橡胶本身结构发生改变具备一定的抗氧化性，这与煤自燃阻化剂的作用方式显然不同。
还有文献报道利用食品抗氧化剂作为煤自燃阻化剂的。但是食品一般为蛋白质和脂肪类物质，与煤的物理化学结构大不一样，同时抗氧化剂本身也易于氧化，抗氧化剂作用的时间短，而煤自燃的低温氧化是一数十天甚至数月的过程，因此利用抗氧化剂作为煤自燃阻化剂同样也存在许多不足，没有理论基础，效果差。
发明内容
针对现有技术问题，本发明提供了一种防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂。具体技术方案如下：
一种防治煤炭矿井煤自燃的化学阻化剂，其特征是以原料在水为溶剂的化学阻化剂中的质量百分比浓度计，由0.5～1％的表面活性剂，0.1％的高分子吸水树脂和氧化剂组成，PH值在3～5之间；其中所述氧化剂的浓度是：自燃倾向性等级为容易自燃的煤一级氧化剂的质量百分比浓度为0.5～1％，二级氧化剂的质量浓度为1～2％；自燃倾向性等级为自燃的煤一级氧化剂的质量浓度为0.3～0.5％，二级氧化剂的质量浓度为0.5～1％；自燃倾向性等级为不易自燃的煤一级氧化剂的质量浓度为0.1～0.3％，二级氧化剂的质量浓度为0.3-0.5％。
所述表面活性剂的质量百分比浓度最好是为0.5％
表面活性剂的作用是使水溶液的表面张力降低，这样化学阻化剂溶液不但能够与煤体表面接触，而且也能够浸润煤体内部的孔隙，使氧气能够达到的地方化学阻化剂基本都能够达到，更容易与煤体接触发生化学阻化作用。阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、两性离子表面活性剂中的各类均可选择，仅从经济、方便的角度考虑就可以了，如十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠等。
高分子吸水树脂能够从空气不断吸收水分使煤体一直保持湿润，利于化学阻化作用实现，同时形成的水溶液保护膜可以在一定程度上隔绝空气进入煤体。高分子吸水树脂选择吸水能力越强的效果越好，一般吸水能力在500倍以上可达到本发明所述的效果。
煤自燃是由于煤低温氧化产生热量并在一定条件下热量积聚使煤体温度逐渐上升达到煤的自燃点而引起的。煤结构中存在数量不同，氧化活性不同的结构和基团，一种煤中存在易于氧化的活性结构和基团越多，这种煤与氧发生氧化产生热量也越多越快，煤的自燃倾向性就越强，煤也就更容易发生自燃。行业人员据此将煤的自燃倾向性分成三个等级，即容易自燃、自燃、不易自燃。如果将煤体中特别是煤体表面易于氧化的结构进行破坏使其惰性化不能够与氧发生氧化反应，从而使煤的自燃倾向性减弱，那么煤就在一般条件下不能够发生自燃，并且这种化学阻化是不可逆的，而现有的物理阻化是可逆的，因此就能够从根本上防治煤自燃的发生。
基于上述理论，本发明化学阻化剂的核心成分是氧化剂，其作用是使煤体中的不同活性结构和基团被氧化从而失去氧化性，使煤的自燃倾向性降低，并且这种化学阻化是不可逆的，从而有效达到防灭火的目的。氧化剂的选择原则是(1)溶于水；(2)稀释到使用浓度时无毒无害；(3)氧化过程比较持久。对自燃倾向性较高的煤最好选择氧化性强的一级氧化剂，如高氯酸盐；高锰酸盐类；过氧化物等。
对不易自燃的煤则一般选择氧化性较弱的二级氧化剂如高碘酸、过氧乙酸、高氯酸钙等。
为了使氧化剂更好的发挥作用，可利用稀硫酸或者盐酸调节，使化学阻化剂的PH值在3～5之间。
本发明所述的化学阻化剂使煤体在可控制条件下被化学阻化，发生不可逆的变化。所谓的在可控条件下，是指虽然化学阻化剂要与煤在比较短的时间内发生氧化产生非常微小的热量，但是产生的热量由于有大量水分，表面活性剂和吸水树脂的存在，并且产生的热量也仅仅能够使煤体温度上升很微小的值，并且喷喷洒的地方热量非常迅速的被风流，水分蒸发，热传导等带走，因此氧化剂与煤氧化产生的热量并不能够使煤体温度有明显上升，更不能够引起煤体自燃(喷洒化学阻化剂的地方都是热量易于散失的地方)。一旦氧化剂与煤完全发生氧化作用也就不能够再释放出热量。
发明的具体方法是利用表面活性剂、能够持续氧化的氧化剂和高分子高性能吸水树脂按照一定比例配置成为PH值在3～5之间的化学阻化剂溶液，在煤矿开采过程中通过煤层预注水，向采煤工作面后的遗煤和其它易于发火的地方(比如高冒区，煤壁煤柱裂隙和破碎带，储存煤的煤仓)喷洒化学阻化剂溶液，也可以将化学阻化剂添加到其它防灭火材料作为添加剂注入易发火区域。喷洒的用量只要能够完全湿润煤体即可。
为了证实使用本发明阻化剂的效果，在同一时间同一矿井采集样品煤，使用本发明阻化剂处理前后做对照：
采用以下几种方式检验化学阻化剂防治煤自燃的效果：1)利用红外光谱检测化学阻化剂破坏煤体中活性结构和基团的情况，阻化剂处理后煤体中活性结构和基团被破坏，受破坏的程度越大，阻化效果越好；2)利用热分析、煤自燃过程模拟和程序升温等方式对比分析煤在化学阻化前和化学阻化后低温氧化产热量和产热速率，阻化后产热量和产热速率均下降，且下降值越大，表明化学阻化效果越好；3)对煤低温氧化进行指标气体分析，阻化后CO等指标气体在同样测试条件下产生总量下降，且下降越多，表明化学阻化效果越好。
本发明的有益效果是煤体中的不同活性结构和基团被氧化发生不可逆的反应从而失去氧化性，使煤的自燃倾向性降低，从而彻底防止煤的自燃，操作简单，取材方便经济，适合于矿井下作业。
具体实施例
称取表面活性剂十二烷基苯磺酸钠、一级氧化剂高锰酸钾、吸水能力500倍的高分子吸水树脂加水溶解配置成质量百分浓度分别是0.8％、0.5％、0.1％的混合溶液即化学阻化剂共2000毫升，加硫酸调节溶液的PH为4，选取自燃倾向等级是容易自燃的样品煤500克，将配置的化学阻化剂喷洒于煤体将煤体完全湿润，处理前后的样品煤作分析，结果如下：
(1)利用CO产生量的阻化率测定方法测得阻化率达到93％；
(2)用红外光谱分析化学阻化前后煤结构的变化发现易于氧化的某些官能团已经不存在，有的数量明显减少，而煤体中的含氧官能团明显增多，比如：芳烃-CH类、甲基类、甲基、亚甲基不对称伸缩振动、亚甲基对称伸缩振动类、芳香环中C＝C伸缩振动类、亚甲基剪切振动类、甲基剪切振动类、取代苯类和亚甲基平面振动类等官能团数量明显减少或者消失，而芳香酮、醛类羰基、酚、醇、醚、酯氧键类官能团数量明显增多。