高嶺土基復(fù)合粉體抑爆劑的制備及抑爆性能研究

摘要：長期以來，瓦斯爆炸事故的防治和高效抑爆技術(shù)一直是煤礦安全生產(chǎn)的重中之重。通過溶析結(jié)晶法和機(jī)械球磨法制備了高嶺土基KHCO3復(fù)合抑爆劑，采用掃描電鏡、激光粒度儀及氮吸附等溫線測試儀等設(shè)備對其表面結(jié)構(gòu)、粒度分布以及比表面積等進(jìn)行表征，在20 L球形爆炸測試系統(tǒng)中深入考察其抑爆效果，并分析其抑爆機(jī)理，結(jié)果表明高嶺土基復(fù)合粉體抑爆劑抑爆效果明顯。

關(guān)鍵詞：瓦斯；抑爆劑；高嶺土；KHCO3

中圖分類號：TD714.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-000-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.002

Study on Preparation and Explosion Suppression Performance of

Kaolin-based Composite Powder Explosion Suppressants

YANG Xiaorong

（College of Resources and Environmental Engineering， Lanzhou Petrochemical University of Vocational Technology， Lanzhou 730060， China）

Abstract： For a long time， the prevention and control of gas explosion accidents and efficient explosion suppression technology have been the top priority of coal mine safety production. Through dissolution crystallization and mechanical ball milling method to prepare a kaolin-based KHCO3 composite inhibitor， using scanning electron microscopy， laser particle size meter and nitrogen adsorption isotherm tester and other equipment to characterize its surface structure， particle size distribution and specific surface area， etc.， in the 20 L spherical explosion test system in-depth examination of its inhibition effect， and analyze the mechanism of its inhibition， the results show that the kaolin-based composite powder explosion suppression agent inhibitory effect obvious.

Keywords： gas ; explosion suppressant ; kaolin ; KHCO3

以高嶺土為基體材料，結(jié)合溶析結(jié)晶法和機(jī)械球磨法制備高嶺土基KHCO3復(fù)合抑爆劑，并對其理化性質(zhì)進(jìn)行表征分析。在20 L球形爆炸測試系統(tǒng)中開展甲烷-空氣爆炸試驗(yàn)，考察復(fù)合抑爆劑中KHCO3負(fù)載量和粉體濃度對爆燃特征參數(shù)的抑制規(guī)律，結(jié)合爆燃特征參數(shù)和材料性質(zhì)深入探討復(fù)配抑爆劑的抑爆機(jī)理，進(jìn)而為探尋高效瓦斯復(fù)合抑爆劑和預(yù)防爆炸災(zāi)害提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用原料均為商品化采購，純度滿足相關(guān)要求。第一步，使用溶析結(jié)晶法預(yù)試驗(yàn)求得KHCO3的平均析出率為68.9%。第二步，取足量的高嶺石放入行星式球磨機(jī)，選滑石粉為助磨劑，在3 000 r/min

轉(zhuǎn)速下研磨，磨后過325目篩，將篩下樣品放入75 ℃

恒溫干燥箱，干燥4 h。第三步，在恒溫30 ℃下，分別稱取4 g、5 g、6 g、7 g干燥后的高嶺石樣品，并分別放入17.23 mL、14.36 mL、11.07 mL、7.54 mL的KHCO3飽和溶液，攪拌2 h，分別制得負(fù)載量為50%、40%、30%以及20%的懸濁液備用。第四步，取4組無水乙醇（17.23 mL、14.36 mL、11.07 mL、7.54 mL），在恒溫30 ℃下邊攪拌邊倒入各負(fù)載量的懸濁液中，攪拌6 h后繼續(xù)抽濾，之后將濾餅放入烘箱，在75 ℃下干燥2 h。第五步，將樣品放入行星式球磨機(jī)進(jìn)行研磨，過320目篩，在每組篩下物中加入0.1 g納米二氧化硅，并使用研缽充分研磨，最終制得不同負(fù)載量的KHCO3復(fù)配高嶺土抑爆劑，分別記作A、B、C、D。

1.2 爆炸試驗(yàn)系統(tǒng)

爆炸試驗(yàn)采用的20 L球形爆炸裝置，測試系統(tǒng)包括20 L反應(yīng)釜、控制箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？刂葡浒删幊炭刂破?、點(diǎn)火系統(tǒng)、人機(jī)界面以及壓強(qiáng)采集接線端子板等?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC）、人機(jī)界面和計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)或通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）連接。測試前將反應(yīng)釜和儲粉倉干燥，對爆炸容器抽真空到-0.06 MPa（表壓），然后開啟氣粉兩相閥，儲粉罐內(nèi)的壓縮空氣將儲粉室內(nèi)的抑爆藥劑經(jīng)氣粉兩相閥分散到爆炸容器，并使用混氣儀將預(yù)混好的9.5%甲烷-空氣混合氣體注入爆炸室，試驗(yàn)環(huán)境壓強(qiáng)為100 kPa，溫度為26 ℃，經(jīng)過給定的延時(shí)（60 ms），在容器中心點(diǎn)火測試，實(shí)時(shí)采集爆炸壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。

2 性能表征

2.1 抑爆劑的表面形貌特征

采用JEOL-7800F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡分別觀察高嶺石純礦物和高嶺石基復(fù)合粉體抑爆劑的微觀結(jié)構(gòu)與形貌，對比負(fù)載KHCO3前后高嶺石的微觀形貌的變化。未負(fù)載前的高嶺石質(zhì)地疏松，大多以六方形片層堆疊結(jié)構(gòu)的形式存在，粒徑約為10 μm。負(fù)載的高嶺石片層狀表面負(fù)載了不規(guī)則小顆粒，與高嶺石純礦物相比，復(fù)合抑爆劑的表面更加粗糙，但粒徑和形狀變化不明顯[1]。

2.2 抑爆劑粒徑與比表面積特征

采用Microtrac S3500型激光粒度分析儀檢測復(fù)合高嶺石抑爆劑的粒度分布，結(jié)果如圖1所示，復(fù)合高嶺石抑爆劑的中值粒徑d50為18.19 μm，d90為55.12 μm。

采用北京金埃譜科技有限公司的V-Sorb 2800TP型比表面積及孔徑分析儀進(jìn)行氮吸附試驗(yàn)，并計(jì)算抑爆劑的比表面積和孔容，結(jié)果如表1所示，KHCO3復(fù)配高嶺石抑爆劑的比表面積為312.42 m2/g，BJH（Barrett-Joiner-Halenda）模型計(jì)算的孔容積為0.265 cm3/g，平均孔徑為5.94 nm。

高嶺石復(fù)合抑爆劑的吸附、脫附曲線如圖2所示。由圖2可知，高嶺石復(fù)合抑爆劑等溫吸附曲線的形狀屬于第Ⅳ類等溫線，在相對壓力0.000～0.004段，樣品處在低壓區(qū)，首先形成單分子吸附層。在相對壓力0.07～0.89段，單分子層吸附接近飽和，開始發(fā)生多分子層的吸附[2]。

3 KHCO3對甲烷-空氣爆炸特性的影響及抑制機(jī)理

3.1 KHCO3負(fù)載量對甲烷-空氣爆炸特性的影響

分別選取KHCO3、高嶺石純礦物以及復(fù)合粉體（A、B、C、D）3種抑爆劑在20 L球形爆炸測試系統(tǒng)中開展甲烷-空氣爆炸試驗(yàn)，將各類抑爆劑濃度統(tǒng)一設(shè)定為0.5 g/L，通過比較各抑爆劑抑爆性能的優(yōu)劣，明確復(fù)合抑爆劑的最佳質(zhì)量配比。不同KHCO3負(fù)載量復(fù)合抑爆劑的抑爆效果如圖3所示[3]。由圖3（a）可知，加入高嶺石純礦物和KHCO3均能起到最大爆炸壓強(qiáng)的作用；復(fù)合抑爆劑的抑爆效果明顯優(yōu)于單一抑爆劑。隨著KHCO3負(fù)載量的增加，最大爆炸壓強(qiáng)呈先減小后增大的趨勢，當(dāng)KHCO3負(fù)載量達(dá)到40%時(shí)，最大爆炸壓強(qiáng)達(dá)到最低點(diǎn)（0.506 MPa），

繼續(xù)增大KHCO3的負(fù)載量，最大爆炸壓強(qiáng)不減反增。其原因是隨著KHCO3負(fù)載量不斷增大，復(fù)合抑爆劑中高嶺石的質(zhì)量有所下降，從而降低復(fù)合抑爆劑的比表面積，導(dǎo)致抑制效果不增反降。由圖3（b）可知，加入高嶺石和KHCO3型單一抑爆劑均能夠有效降低最大壓強(qiáng)上升速率，但是當(dāng)復(fù)合抑爆劑中KHCO3含量較低時(shí)，其抑爆效果差于KHCO3型單一抑爆劑；當(dāng)復(fù)合抑爆劑中KHCO3負(fù)載量達(dá)到30%之后，其壓強(qiáng)上升速率低于單一抑爆劑，當(dāng)KHCO3負(fù)載量為40%時(shí)，其最大壓強(qiáng)上升速率達(dá)到最低點(diǎn)9.87 MPa/s，

此后隨著負(fù)載量增大，最大壓強(qiáng)上升速率反有所增大。由圖3（c）可知，加入高嶺石和KHCO3型單一抑爆劑都可以有效延緩最大壓強(qiáng)峰值時(shí)間，復(fù)合抑爆劑的減緩作用明顯強(qiáng)于單一抑爆劑，當(dāng)復(fù)合抑爆劑中KHCO3負(fù)載量達(dá)到40%時(shí)，體系中最大壓強(qiáng)峰值時(shí)間由無粉體時(shí)的0.274 s上升至0.936 s，但是繼續(xù)增大負(fù)載量并不會減緩其最大壓強(qiáng)峰值時(shí)間。由此表明，當(dāng)高嶺石基復(fù)合抑爆劑中KHCO3負(fù)載量為40%時(shí)，其對甲烷-空氣爆炸的抑爆效果最佳。

3.2 KHCO3濃度對甲烷-空氣爆炸特性的影響

為進(jìn)一步確定復(fù)合抑爆劑的最佳濃度，根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果將復(fù)合抑爆劑的KHCO3負(fù)載量固定為40%，設(shè)置5組濃度梯度（0.2 g/L、0.4 g/L、0.6 g/L、0.8 g/L、1.0 g/L）進(jìn)一步開展不同濃度的抑爆試驗(yàn)，分別考察其抑爆性能。不同濃度復(fù)合抑爆劑的抑爆效果如圖4所示。由圖4（a）可知，隨著復(fù)合抑爆劑濃度的增加，最大爆炸壓強(qiáng)逐漸降低，復(fù)合抑爆劑濃度達(dá)到0.8 g/L時(shí)，體系內(nèi)最大爆炸壓強(qiáng)降低至最小值0.497 MPa，相較于無粉體時(shí)的0.687 MPa降低了27.7%。然而，當(dāng)粉末濃度高于該值時(shí)，最大爆炸壓強(qiáng)反而又會升高，這是因?yàn)樵诜忾]的20 L球形爆炸裝置中，抑爆劑粉體自由分散空間受限。由圖4（b）

可知，隨著抑爆劑粉末濃度的增大，最大壓強(qiáng)上升速率同樣呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，在低濃度范圍內(nèi)，最大壓強(qiáng)上升速率會急劇下降，當(dāng)濃度達(dá)到0.4 g/L之后下降趨勢會有所減緩，當(dāng)抑爆劑濃度達(dá)到0.8 g/L時(shí)，壓強(qiáng)上升速率由原來的76.63 MPa/s降至9.251 MPa/s，而其濃度增加至1.0 g/L，壓強(qiáng)上升速率反而增至10.87 MPa/s。由此說明，低濃度梯度下，復(fù)合抑爆劑更能有效發(fā)揮其抑制最大壓強(qiáng)上升速率的效果[4]。由圖4（c）可知，隨著抑爆劑粉末濃度的增大，體系內(nèi)壓強(qiáng)峰值時(shí)間呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)抑爆劑濃度達(dá)到0.8 g/L時(shí)，壓強(qiáng)峰值時(shí)間達(dá)到最大值0.991 s，相較于未使用粉體時(shí)其減緩效果十分顯著。綜上所述，復(fù)合抑爆劑的最佳使用條件為負(fù)載量40%，濃度0.8 g/L，此時(shí)其對甲烷-空氣爆炸的抑制效果最佳。

3.3 抑制機(jī)理

首先，復(fù)合抑爆劑中的高嶺石天然礦物是由鋁氧八面體（AlO6）與硅氧四面體（SiO4）堆疊而成的特殊層狀結(jié)構(gòu)，具有孔隙空間較大，比表面積大的優(yōu)勢，同時(shí)其粒度較為均勻且較細(xì)，在空氣爆炸沖擊作用下，微細(xì)顆粒能夠在腔體內(nèi)分散，形成一道屏障，進(jìn)而阻礙氧氣和甲烷的有效碰撞，同時(shí)可以充分發(fā)揮其吸熱和隔熱的降溫抑制作用；其次，抑爆劑顆粒還可以起到自由基吸收作用，進(jìn)而減緩爆炸反應(yīng)劇烈程度；最后，KHCO3本身受熱反應(yīng)所形成的產(chǎn)物可以高效捕獲自由基，起到減緩和抑制爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的效果，降低甲烷-空氣爆炸的危害。因此，高嶺土基復(fù)合抑爆劑抑制甲烷-空氣爆炸是一個(gè)物理化學(xué)協(xié)同作用的過程[5]。

4 結(jié)論

溶析結(jié)晶法能夠?qū)HCO3負(fù)載于高嶺石表面，與高嶺石純礦物相比，高嶺土基復(fù)合抑爆劑的表面更加粗糙，彌補(bǔ)KHCO3吸附位點(diǎn)少和比表面積小的弱點(diǎn)，復(fù)合抑爆劑對甲烷-空氣爆炸的抑制效果明顯優(yōu)于高嶺石純礦物和KHCO3單粉體抑爆劑。當(dāng)高嶺土基復(fù)合抑爆劑中的KHCO3負(fù)載量為40%時(shí)，其抑爆效果最佳，其對9.5%甲烷-空氣最大爆炸壓強(qiáng)下降至0.506 MPa，最大壓強(qiáng)上升速率下降到最低點(diǎn)9.87 MPa/s，且到達(dá)最大壓強(qiáng)峰值時(shí)間延緩了241.61%。

當(dāng)高嶺土基復(fù)合抑爆劑的質(zhì)量濃度達(dá)到0.8 g/L時(shí)抑爆效果最佳，其對9.5%甲烷-空氣最大爆炸壓強(qiáng)抑制了27.7%，同時(shí)最大壓強(qiáng)上升速率由原來的76.63 MPa/s降至9.251 MPa/s，且到達(dá)壓強(qiáng)峰值時(shí)間延緩最明顯。

參考文獻(xiàn)

1 司榮軍，王 磊，賈泉升.瓦斯煤塵爆炸抑隔爆技術(shù)研究進(jìn)展[J].煤礦安全，2020（10）：98-107.

2 張一民.粉體物理化學(xué)特性對其瓦斯抑爆性能的影響研究[D].焦作：河南理工大學(xué)，2020：23-25.

3 葉 蘭.我國瓦斯事故規(guī)律及預(yù)防措施研究[J].中國煤層氣，2020（4）：44-47.

4 聶百勝，王曉彤，宮 婕，等.瓦斯煤塵爆炸特性及抑爆方法研究進(jìn)展[J].安全，2021（1）：1-13.

5 張莉聰，李斯曼，周振興.煤礦瓦斯多相協(xié)同抑爆的研究進(jìn)展與展望[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2023（1）：97-104.