一种防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂及其制备和使用方法

摘要

本发明提供了一种防治低阶煤自燃的物理‑化学复合阻化剂及其制备和使用方法，该复合阻化剂由螯合物和凹凸棒土组成；其中，所述螯合物由原花青素和氯化钙经螯合作用生成。该复合阻化剂具有吸湿、保湿的作用，在低温下能减缓水分的散失，在高温下能产生稳定性较好的MgO、Al2O3等氧化物隔绝层，可以阻隔煤体与氧的接触；同时可以捕获链式循环反应过程中产生的羟基自由基，销毁过氧化物自由基，也可以与煤中的活性结构作用生成醚键、氢键等稳定的结构，实现对低阶煤的持久阻化。

权利要求

1.一种防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂，其特征在于：该复合阻化剂由螯合物和凹凸棒土组成；其中，所述螯合物由原花青素和氯化钙经螯合作用生成；

所述原花青素与氯化钙的质量比为1:6～1:8；

所述螯合物与凹凸棒土的质量比为1:4～1:6；

所述物理-化学复合阻化剂的制备方法包括以下步骤：步骤1：将原花青素和氯化钙溶解分散在溶剂水中，充分搅拌10～20min，制得螯合物溶液；

步骤2：将凹凸棒土加入到螯合物溶液中，充分搅拌10～20min，得到复合阻化剂溶液；

将所述复合阻化剂溶液喷洒于井下采空区遗煤区防治煤炭自燃；

所述凹凸棒土的结构中含有通道和空隙，所述螯合物分散在凹凸棒土的通道和空隙中；

2+

所述原花青素中的邻二羟基苯环结构与Ca 发生螯合作用；所述原花青素中未参与螯合作用的酚羟基与煤中的羟基发生氢键缔合作用。

2.根据权利要求1所述的防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂，其特征在于：所述原花青素与氯化钙的质量比为1:7。

3.根据权利要求1所述的防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂，其特征在于：所述螯合物与凹凸棒土的质量比为1:5。

说明书

一种防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂及其制备和使

用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及煤矿井下防灭火技术应用领域，尤其涉及一种防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂及其制备方法。技术背景

[0002] 我国低阶煤炭资源丰富，但发火十分严重。低阶煤中含有大量的甲基、亚甲基等脂基以及羟基等活性官能团，这些活性官能团具有很强的氧化活性，很容易发生氧化自燃，甚至引起火灾。煤自燃引起的火灾不仅会烧毁大量的煤炭资源，还会释放大量有毒有害气体，威胁人员健康和环境安全，是煤矿安全生产过程中亟需解决的问题。

[0003] 防治煤炭自燃的基本原理是消除煤氧化现象的发生或减少煤氧化过程中热量的产生和集聚。煤低温氧化是一个复杂的煤氧复合的自由基链式循环反应过程，自由基在这个过程中起到了链引发和链传递的作用，所以选择合适的阻化剂在能够对煤进行保湿降温的同时又能及时消除或减少活性官能团或链式循环反应过程中的关键自由基，对防治煤自燃具有重要的意义。目前，防治煤炭自燃的阻化剂主要有物理阻化剂和化学阻化剂。物理阻化剂的阻化机理主要是隔氧窒息和吸湿降温，主要有泡沫、凝胶和吸水性盐类(如NaCl、MgCl2和CaCl2)等，这些物理阻化剂能够改变煤体周围的物理条件，主要通过保水吸热降温阻化煤自燃，但没有从本质上改变煤的自燃危险性，所以当阻化剂的保水性能耗尽时，阻化效果也会消失。化学阻化剂的阻化机理主要是减少煤中活性官能团的数量或中断煤氧复合的自由基链式循环反应，从而抑制煤的氧化自燃，主要有高氯酸盐、高锰酸盐、过氧化物等氧化剂和尿素、防老剂、儿茶素等环保型阻化剂。但氧化剂反应会放出热量使得煤体的温度上升，而且氧化剂本身就具有较大的火灾危险性；而防老剂、儿茶素等价格昂贵，很难应用于实际现场。

发明内容

[0004] 本发明针对低阶煤的低温氧化特性和克服现有技术的不足，提供一种防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂，该复合阻化剂既能保持良好的物理保水阻化效果，又能根据低阶煤氧化过程中关键活性官能团的性质，从本质上抑制低阶煤的自燃。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0006] 一种防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂，该复合阻化剂由螯合物和凹凸棒土组成；其中，所述螯合物由原花青素和氯化钙经螯合作用生成。

[0007] 所述原花青素与氯化钙的质量比为1:6～1:8，最佳质量比为1:7。

[0008] 所述螯合物与凹凸棒土的质量比为1:4～1:6，最佳质量比为1:5。

[0009] 本发明还提供了上述防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂的制备方法，技术方案为：

[0010] 一种防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂的制备方法，包括以下步骤：

[0011] (1)将原花青素和氯化钙溶解分散在溶剂水中，充分搅拌10～20min，制得螯合物溶液；

[0012] (2)将凹凸棒土加入到螯合物溶液中，充分搅拌10～20min，得到复合阻化剂溶液。

[0013] 本发明还提供了上述防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂的使用方法，技术方案为：

[0014] 一种防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂的使用方法，将该复合阻化剂溶液喷洒于井下采空区遗煤区防治煤炭自燃。

[0015] 有益效果：

[0016] 复合阻化剂中的凹凸棒土是一种具有链层状结构的含水富镁铝硅酸盐黏土矿物，具有独特的分散、耐高温、抗盐碱等良好的胶体性质，具有一定的可塑性和粘结力，吸水性强，其结构中含有大量的沸石水和结晶水，在低温下水分不易散失，在高温下产生水蒸汽，并能产生稳定性较好的MgO、Al2O3等氧化物隔绝层，可以阻隔煤体与氧的接触。原花青素中的邻二羟基苯环结构可以与Ca2+发生螯合作用形成一个稳定的“供氢体”，其提供出来的氢可以捕获链式循环反应过程中产生的羟基自由基，也可以销毁过氧化物自由基，从而中断自由基链式循环反应；同时，原花青素中未参与螯合作用的酚羟基可以与煤中的羟基等活性结构发生氢键缔合作用生成稳定的结构，酚羟基供出氢后还可以与脂基等活性结构作用生成稳定的醚键结构，从而达到抑制煤自燃的目的。另外，凹凸棒土的结构中含有大量的通道和孔隙，复合阻化剂中的螯合物成分可以很好的分散在这些通道和孔隙中，使螯合物与凹凸棒土形成一个稳定的嵌套式复合阻化剂。形成的复合阻化剂具有吸湿、保湿的作用，在低温下能减缓水分的散失，在高温下能产生稳定性较好的MgO、Al2O3等氧化物隔绝层，可以阻隔煤体与氧的接触；同时可以捕获链式循环反应过程中产生的羟基自由基，销毁过氧化物自由基，也可以与煤中的活性结构作用生成醚键、氢键等稳定的结构，实现对低阶煤的持久阻化。

[0017] 复合阻化剂绿色、经济、来源丰富、性能稳定、使用简单。在低阶煤的开采区和采空区喷洒该复合阻化剂溶液，在物理阻化的基础上，能惰化活性官能团的氧化活性，使煤中的脂基等活性官能团变成稳定的结构，捕获并消除氧化过程中产生的羟基自由基，从而达到抑制低阶煤自燃的目的。

具体实施方式

[0018] 为使本发明的目的、方案及效果更加明确，以下对本发明进一步详细说明。应当指出，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不限定于此。

[0019] 一种防治低阶煤自燃的物理-化学复合阻化剂，该复合阻化剂由螯合物和凹凸棒土按照质量比为1:4～1:6组成；其中，所述螯合物由原花青素和氯化钙按照质量比为1:6～1:8经螯合作用生成。

[0020] 各成分的质量比均为适宜的比例范围，该比例可根据实际情况进行调整，效果最佳的质量比：原花青素与氯化钙的质量比为1:7；螯合物与凹凸棒土的质量比为1:5。

[0021] 下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

[0022] 实施例1：

[0023] 根据复合阻化剂为10％的质量浓度，按质量比为1:6的比例称取原花青素和氯化钙，加入到1mL的水中，搅拌10～20min，得到螯合物溶液；按螯合物与凹凸棒土的质量比为1:4的比例称取凹凸棒土，将凹凸棒土加入到螯合物溶液中，充分搅拌10～20min，得到复合阻化剂溶液。选取自燃倾向性等级为易自燃的低阶煤样1g，将配置好的复合阻化剂溶液与煤充分搅拌混合，在空气中常温静置干燥24h，放入保干箱中备用。

[0024] (1)取10mg煤样，采用SDT-Q600型同步热分析仪程序升温模拟煤自燃过程，测得经阻化剂溶液处理后的煤样的初始放热温度比未经处理的煤样的初始放热温度高33℃。同时初始放热温度到100℃之间的放热量以及初始放热温度到200℃之间的放热量也较原煤显著降低。

[0025] (2)采用初始放热温度到100℃之间的放热量的阻化率测定方法测定阻化率达到80％。

[0026] (3)采用原位红外光谱测试了阻化前后的煤中的甲基、亚甲基随温度的变化，发现阻化煤中的甲基、亚甲基变化很小，而原煤中的变化很明显，这说明阻化剂可以减缓煤中的甲基、亚甲基的氧化；而阻化煤中的羟基比原煤明显减少，这说明阻化剂可以减少羟基的存在，使煤体的自燃特性得到改善。

[0027] 实施例2：

[0028] 复合阻化剂为与实施例1同一浓度，按质量比为1:7的比例称取原花青素和氯化钙，加入到1mL的水中，搅拌10～20min，得到螯合物溶液；按螯合物与凹凸棒土的质量比为1:5的比例称取凹凸棒土，将凹凸棒土加入到螯合物溶液中，充分搅拌10～20min，得到复合阻化剂溶液。选取自燃倾向性等级为易自燃的低阶煤样1g，将配置好的复合阻化剂溶液与煤充分搅拌混合，在空气中常温静置干燥24h，放入保干箱中备用。

[0029] (1)取10mg煤样，采用SDT-Q600型同步热分析仪程序升温模拟煤自燃过程，测得经阻化剂溶液处理后的煤样的初始放热温度比未经处理的煤样的初始放热温度高40℃。同时初始放热温度到100℃之间的放热量和初始放热温度到200℃之间的放热量也较原煤显著降低。

[0030] (2)采用初始放热温度到100℃之间的放热量的阻化率测定方法测定阻化率达到86％。

[0031] 其它与实施例1同。

[0032] 实施例3：

[0033] 复合阻化剂为与实施例1同一浓度，按质量比为1:8的比例称取原花青素与氯化钙，加入到1mL的水中，搅拌10～20min，得到螯合物溶液；按螯合物与凹凸棒土的质量比为1:6的比例称取凹凸棒土，将凹凸棒土加入到螯合物溶液中，充分搅拌10～20min，得到复合阻化剂溶液。选取自燃倾向性等级为易自燃的低阶煤样1g，将配置好的复合阻化剂溶液与煤充分搅拌混合，在空气中常温静置干燥24h，放入保干箱中备用。

[0034] (1)取10mg煤样，采用SDT-Q600型同步热分析仪程序升温模拟煤自燃过程，测得经阻化剂溶液处理后的煤样的初始放热温度比未经处理的煤样的初始放热温度高36℃。同时初始放热温度到100℃之间的放热量和初始放热温度到200℃之间的放热量也较原煤显著降低。

[0035] (2)采用初始放热温度到100℃之间的放热量的阻化率测定方法测定阻化率达到84％。

[0036] 其它与实施例1同。

[0037] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。