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煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第5期 2020年5月 Vo l.43 No .5 May 2020 化工工艺与工程 卤盐阻化剂对郭屯煤矿煤层的阻化效果研究 李进海，王兵，张安山，姚忠兵，周国豪 临矿集团荷泽煤电有限公司郭屯矿，山东荷泽27400 摘 要利用阻化剂防止煤炭自燃，是国内外煤矿常用的防灭火技术之一。为了防止郭屯煤 矿发生煤自燃，避免影响煤矿安全生产，选用最常见的卤盐阻化剂氯化镁，在其浓度为20 的基础上，将实验煤样进行阻化处理后，通过程序升温测试与红外测试，对郭屯矿原煤样和 阻化煤样在自燃过程中宏观与微观参数的变化进行了研究。实验发现，添加Mg Cl2阻化剂，煤 表面的活性基团［脂肪婕侧链-CH3与-CHJ以及含氧基团C0］的含量显著减少，煤自燃 过程中的耗氧速率以及CO气体产量降低，阻化率后期降低。本研究从物理和化学角度对卤盐 阻化剂阻化机理进行分析，试验结果可为郭屯煤矿有效防治井下火灾提供相关依据和参考。 关键词煤自燃；阻化剂；活性基团；耗氧速率；阻化率； 中图分类号TD7522 文献标识码A 文章编号2095-5979 2020 05-0142-04 Research on inhibition effect of halogen inhibitor on coal seam of Guotun Coal Mine Li Jinhai, Wang Bing , Zhang Anshan, Yao Zho ng bing , Zho u Guo hao Guot un Coal Mine, Heze Coal Power Corporat ion Lt d., Linyi Mining Group Co. Lt d, Heze, Sh andong, 27400, Ch ina Abstract The use o f inhibito rs to prevent co al spo ntaneo us co mbustio n is o ne o f the co mmo n f ire preventio n and ex ting uishing techno lo g ies used in co al mines at ho me and abro ad. In o rder to prevent co al spo ntaneo us co mbustio n in Guo tun Co al Mine and serio usly af f ect co al mine saf ety pro ductio n, selecting the mo st co mmo n halo g en salt inhibito r mag nesium chlo ride w hich had its co ncentratio n o f 20, thro ug h the temperature rise test and inf rared test af ter the ex perimental co al sample is subjected to inhibito ry treatment and passed the pro cedure the macro and micro parameters o f the o rig inal co al sample and the inhibited co al sample o f Guo tun Mine during the spo ntaneo us co mbustio n pro cess w ere studied. It is aund af ter Mg Cl2 inhibito r is added, the active g ro ups o n the co al surf ace w hich are f atty hydro carbo n side chain -CH3 And CHJ and the co ntent o f o x yg en-co ntaining g ro ups CO are sig nif icantly reduced, the rate o f o x yg en co nsumptio n during co al spo ntaneo us co mbustio n and the pro ductio n o f CO g as are reduced, and the inhibitio n rate is reduced in the later perio d. In this study, the mechanism o f the halo g en salt inhibito r f ro m the physical and chemical perspectives. The test results can pro vide the relevant basis and ref erence f o r Guo tun Co al Mine to ef f ectively prevent and co ntro l underg ro und f ires. Key w o rds co al spo ntaneo us co mbustio n; inhibito r; active g ro up; o x yg en co nsumptio n rate; inhibitio n rate 0引 言 中国是世界能源生产和消耗大国，受我国“富 煤、少气、贫油”的资源禀赋影响，煤炭一直作为 主要能源支撑着国民经济的高速增长，预计到 2030 2050年，煤炭在我国一次能源消费结构中 的比重将分别达50和40。 矿井火灾是煤炭开采过程中的主要灾害之一, 我国煤矿中具有自然发火危险的矿井占50以上, 煤自燃不仅会烧毁大量的煤炭资源，造成巨大的 经济损失，还会诱发瓦斯、煤尘爆炸，给矿井带 来巨大的灾难，对人类赖以生存的环境也会造成 责任编辑杨超 DOI ki.cci.2020.05.042 作者简介李进海1978-,男，山东郵城人，高级工程师。 引用格式李进海，王 兵，张安山，等卤盐阻化剂对郭屯煤矿煤层的阻化效果研究［J］.煤炭与化工，2020, 43 5 142-145. 142 李进海等卤盐阻化剂对郭屯煤矿煤层的阻化效果研究2020年第5期 严重污染。 因此，高效防治煤自燃尤为重要，对煤矿安全 生产以及国民经济的推动有着重大意义。 目前，常用的煤自燃防灭火技术主要有注水、 灌浆、封堵漏风、均压，或使用阻化剂、惰性气 体、胶体等。其中，利用阻化剂抑制煤自燃是国内 外煤矿常用的防灭火技术之一，在预防和治理矿井 火灾上已经得到了较好的应用。 很多化学物质被用作防治煤炭自燃的阻化剂， 主要分为化学阻化剂和物理阻化剂2大类。 化学阻化剂主要是通过与煤表面活性官能团发 生反应，以抑制自由基反应和破坏煤体中反应活化 能较低的化学结构，从而防止煤自燃，使阻化效率 较高。 目前使用最多的化学阻化剂为氧化剂，不但价 格昂贵，而且在使用过程中可能存在放热、火灾危 险等问题。 由于煤化学结构和组分的差别性，要根据活性 基团的种类和过程来选择特定的阻化剂，作用目的 性不强，因此化学阻化剂对有些煤没有效果，在煤 矿中并不能广泛推广应用。 物理阻化剂一般有很强的吸水性，吸收的水分 不但使煤体长期保持湿润状态，还在煤表面形成_ 层薄膜，防止氧气进入，从而阻断了煤的氧化。常 见的物理阻化剂有Mg CL、CaCL、ZnCb等卤盐类 阻化剂，这类阻化剂成本低，工艺简单，应用范围 也比较广泛。 人们对卤盐类阻化剂的机理研究多数停留在物 理作用上，即隔氧窒息与吸热降温，但是对于其化 学作用不明确。 基于此，本文选择卤盐类阻化剂Mg Cb以郭 屯矿煤样为研究对象，通过程序升温实验和傅里叶 红外光谱实验，展开阻化性能的研究和分析，以期 为井下煤矿自燃火灾防治的实际工作提供相关依据 和参考。 1实验装置及方法 1.1程序升温实验过程及装置 取25.0 g煤样置于煤样罐中，先通入100.0 mL/min的高纯氮气，在30紀条件下吹扫30 min, 以减少煤样吸附气体的影响，在氮气保护条件下降 至室温，然后通入干空气，其流量为50.0 mL/mino 从室温30 T开始升温，在30 150七进行程 序升温氧化实验，升温速率为1.5 T/min。 开启数据采集系统，温度每升高20七，将产 生的气体送入色谱仪分析，得到相应的指标气体的 浓度变化情况。 程序升温试验装置如图］所示。 图1程序升温试验装置 Fig . 1 Temperature-pro g rammed test device 1.2傅里叶红外光谱实验及装置 首先，称取1-0 mg待测煤样与200 mg干燥的 漠化钾粉末在玛瑙研钵中研磨5 min,使煤样与漠 化钾充分混合均匀。 然后，将混合物放进压片模具中，给油压机加 压至15 MPa,施压4 min制成0.1 mm的半透明无 裂痕薄片。 最后，将薄片放入样品室中进行红外光谱测 试o红夕卜分析仪为德国布鲁克公司生产的Tenso r27 型傅里叶变换红外光谱仪。红外光谱的波数范围为 400 - 4 000 cm1,分辨率为4.0 cm“,累计扫描次 数为32次。 1.3阻化煤样的制备 首先，用电子天平称取20 g Mg Cl2与80 g去离 子水充分混合，使阻化剂溶解于水，制成20的 Mg Cb阻化剂溶液。 然后将50 g的3 6目的煤样加入配置好的溶 液中，搅拌均匀，放置于阴暗处，阻化处理24 h, 再过滤脱水后放入真空干燥箱于40 T恒温干燥 24 ho干燥过程中，确保真空度始终保持在-90 kPa以下。 干燥结束后，将制备好的阻化煤样取出，放入 真空袋保存备用。 2表征参数计算方法 2.1 耗氧速率 煤体的耗氧速率能间接地反映煤的自燃性，是 评价阻化效果的］个指标。 煤样的耗氧速率计算公式如下 143 2020年第5期 煤炭与化工 第43卷 Vo-W TIaCVo-W TIaC ⑴ 式中％,丁为煤温度达到T时的耗氧速率，mo l/ s*m3 ; Q为实验所需空气流量，m3-s_1; S为煤样 底部的横截面积，n； Z为煤样高度，m; C。为新 鲜风流中氧气浓度，久和岛分别为煤样罐进、出 口处的氧气浓度，Co Co 22。 2.22.2 阻化率 阻化率是指煤样被阻化前后CO气体释放量的 相对变化量，是定量评价阻化效果的指标。 煤在低温氧化过程中，煤温对应的阻化率的计 算公式如下 ET“MTxwo 2 式中E为煤温为T时的阻化率，;幼为原煤样 在温度为丁时释放的CO量，X10“；如2为阻化煤 样在温度为T时释放的CO量，x lOo 3实验结果与分析 3.1红外光谱分析 实验得到的原煤样和阻化煤样的红外光谱图如 图2所示。 波长/ cm-1 图2阻化前后红外光谱图 Fig . 2 Inf rared spectrum bef o re and af ter resistanc 由图2可知，经过阻化后，煤样的红外光谱呈 现出相似的吸收带和特征吸收峰，但是不同峰位的 吸光度发生了明显变化，说明在煤中添加Mg Cb并 没有改变煤的官能团结构，但改变了官能团的相对 含量。 已有研究表明，脂肪烧侧链-CH3、-CHJ 和含氧官能团-0H、C0、COOH等是促使煤 自燃的关键活性基团。 其中，3 424 cm-1为径基归属峰，2 952 cm1和 2 921 cm-1分别为甲基的不对称振动和亚甲基的不 对称振动；1 702 cm1属于竣基归属峰，1 648cm-1 属于拨基归属峰。 阻化煤样和原煤样相比，-OH吸收峰明显增 强，这可能是由于Mg Cb阻化剂具有吸水性，极容 易吸收空气中的水分，从而使煤中水分子的含量增 加，因为水分子为极性分子，振动时偶极矩变化很 大，所以会加强谱峰的强度。 亚甲基和甲基是活性比较高的基团，容易与氧 气反应产生不稳定的中间活性基团，继而发生进一 步反应。与原煤样比较，吸收峰明显下降，这是 Cl_与甲基、亚甲基中的H发生取代的结果。 CO所对应官能团吸光度也明显降低，这主要是因 为在高温环境下吸水盐类阻化剂Mg Cl2中的M/与 煤分子更容易发生络合作用，还原了煤中的按基, 导致拨基含量大幅下降。 3.2耗氧速率分析 阻化前后煤样耗氧速率变化曲线如图3所示。 3.5 x IO- 3.0 x 103 2.5 x IO- 2.0 x KT 1.5 x 10“ LOx lO-3 5x 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 温度/乜 图3耗氧速率随温度变化曲线图 Fig . 3 Curve o f o x yg en co nsumptio n rate w ith temperature 由图3可见，在煤氧化升温过程中，随着氧化 温度的升高，耗氧速率逐步增加，煤氧化随着温度 的升高由缓慢氧化转变为快速氧化。 在90紀以前，耗氧速率曲线增长较为平缓, 煤样处于缓慢氧化阶段；当温度＞90T时，耗氧速 率快速增长，此时煤样处于快速燃烧阶段。原煤样 的耗氧速率一直大于阻化煤样，说明Mg Cb对煤氧 复合的抑制作用明显。 3.3 CO浓度分析 阻化前后煤样的co浓度随温度变化曲线如图 4所示。 144 李进海等卤盐阻化剂对郭屯煤矿煤层的阻化效果研究2020年第5期 folfol X X ■ 豊 8 温度 图4 CO浓度随温度变化曲线图 Fig . 4 CO co ncentratio n w ith temperature o f curve 由图4可见，在30 90七低温阶段，原煤样 和阻化煤样的C0气体产生量很小，增长趋势较为 平缓；当温度＞90 T时，CO气体产生量快速增 加，并随着煤温的继续升高，CO气体浓度表现出 指数增加趋势。但是阻化煤样的CO产生量始终比 原煤样要低，说明经过Mg Cl2处理过后的煤样CO 浓度的释放得到了很好的抑制。 3.4阻化率分析 阻化剂对煤自燃抑制效果的好坏，阻化率可作 为衡量的指标。Mg Cb对郭屯矿煤样的阻化率随温 度变化曲线如图5所示。 0000 1 1 80 60 40 80 60 40 2020 20 40 60 80 100 120 140 160 180 温度H 图5阻化率随温度变化曲线图 Fig . 5 Curve o f resistivity w ith temperature 0 由图5可见，在低温阶段，Mg Cb的阻化效率 比较高，此时Mg Cb主要起到吸水降温、隔绝氧气 的作用；从90七以后，阻化率开始逐步下降；到 实验结束温度170七时，Mg Cl2的阻化率在20左 右。主要是因为随着氧化温度的升高，Mg Cb所吸 收的水分逐渐蒸发，此时化学阻化作用占据主导地 位,由Mg Cb阻化剂与煤分子发生取代作用和络合 作用而生成稳定链环，增加了煤分子的稳定性，抑 制了煤分子的氧化断裂。这充分说明Mg Cb在煤燃 烧前期阻止煤自燃是完全可行的。 4结语 通过程序升温测试与红外测试，研究了郭屯矿 原煤样和阻化煤样在自燃过程中宏观与微观参数的 变化，发现添加Mg C12阻化剂，由于C1-与甲基、 亚甲基中的H发生取代反应，使得煤表面的活性 基团[脂肪桂侧链-CH3与-CH2]的含量显著减 少，M/与煤分子会发生络合作用使得C0活性 官能团含量降低。而且在煤自燃过程中的耗氧速率 以及CO气体产量降低，阻化率后期降低，说明添 加Mg Cb阻化剂，可以有效降低煤自燃的风险，能 够很好保证煤矿的安全生产。 参考文献 [1] 梁栋，王云鹤，王 进，等.升温速率与煤氧化特征关系 的实验研究[J].煤炭科学技术,2007, 353 72-74. [2] 徐精彩.煤自燃危险区域判定理论[M].北京煤炭工业出版 社，2001. [3] 陆 伟，胡千庭，仲晓星，等.煤自燃逐步自活化理论[J]. 中国矿业大学学报，2007 , 36 1 111-115. [4] 秦波涛，王德明三相泡沫防治煤炭自燃的特性及应用[J ] 北京科技大学学报，2007 , 29 10 971 - 1 004 . [5] 杨胜强，张人伟，邸志前，等.煤炭自燃及常用防灭火措施 的阻燃机理分析[J].煤炭学报，1998, 236 620 - 624. [6] 于水军，谢峰承，路 长，等.不同还原程度煤的氧化与阻 化特性[J].煤炭学报，2010, 35 136- 140. [7] 单亚飞，王继仁，邓存宝，等不同阻化剂对煤自燃影响的 实验研究[J]■辽宁工程技术大学学报自然科学版, 2008, 27 1 1-4. [8] 陆伟煤自燃阻化剂性能评价的程序升温氧化法研究[J ]. 矿业安全与环保，2005, 32 6 12-14. [9] 贺飞，王继仁，郝朝瑜，等脱氧型阻化剂对煤自燃的抑 制效果[J].煤炭学报，2016 11 2780-2785. [10] 廷 湘，杨胜强，孙 燕，等.煤的低温氧化实验研究及红 外光谱分析[J].中国安全科学学报，2008, 18 1 171- 176. [11 ]刘吉波.煤炭的阻燃机理分析和氯化盐类汽雾阻化剂的应 用[J].华北科技学院学报，2002 , 42 8-10. 145