一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂及其制备方法

摘要

本发明实施例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂及其制备方法，涉及二氧化碳相变致裂技术领域，按重量份数比，所述活化剂的原料包括以下组分：8～15份草酸铵、15～25份水杨酸、50～80份硝酸胍、8～15份轻金属和5～8份催化剂。该活化剂的性能稳定，在空气中用明火无法点燃或引爆，还可以防撞击，从而避免由碰撞或高空坠落而造成的燃烧或爆炸；此外，该活化剂安全可靠，其在致裂管内通过液态二氧化碳均匀围压即可高效使用。

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化碳相变致裂技术领域，具体而言，涉及一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂及其制备方法。

背景技术

二氧化碳相变致裂技术是近些年采用的新型非炸药致裂技术，目前广泛用于岩石爆破、矿山开采、煤层瓦斯增抽和储罐清堵等，具有操作简单、适应性强、安全高效和经济环保的特点。由于该技术是一种物理相变爆破，因而有着其他爆破设备无法比拟的独特优势，它可以为煤矿的瓦斯安全防治、煤层抽采及特殊矿山条件下的开采提供新技术和新工艺，推动煤炭和矿山行业快速发展。

液态二氧化碳相变致裂技术是利用管内液态二氧化碳受热气化膨胀，反应后释放出高压气体作用于岩石或煤块，克服了传统炸药爆破开采、预裂爆破时破坏性大且危险性高等缺点，可适用于矿山安全开采和预裂爆破。高压液态二氧化碳在活化剂作用下，体积迅速膨胀冲破破裂片迅速转化为气态，短时间释放的气体的膨胀作用能使钻孔周边煤体致裂。液态二氧化碳体积膨胀时会吸收大量的热量，能有效降低致裂范围内的煤体温度，同时有利于抑制煤层自燃。液态二氧化碳相变致裂比传统爆破更安全，操作时不需要验炮，爆破后即可进人，可并联实现连续工作。相变反应过程中产生的应力冲击波在自由面反射后形成反射拉伸波的作用，使岩石周围产生粉碎区和初始裂隙。在冲击波转变为应力波继续传播，产生大量高压气体沿着初始裂隙中裂尖进一步扩展，二次裂隙发育形成爆破裂隙远区。在相变致裂作用下，气体膨胀引起各质点径向位移，爆破孔周围发生径向压缩和切向拉伸。当切向张拉应力超过抗拉极限强度时，岩体被破坏产生裂隙，当冲击波逐渐衰减小于岩体抗拉强度时，此时将不再产生新的裂隙。随后高压二氧化碳气体朝着裂隙发展方向侵入，裂纹扩展后周围压应力逐渐减小。

二氧化碳在低于31℃、压力大于7.35MPa时以液态存在，当温度超过31℃时开始气化，并且随温度的变化压力而变化。利用这一物理特点，致裂器主管内加压填充液态二氧化碳，利用起爆器快速激发活化剂使之温度升高，液态二氧化碳瞬间膨胀气化，当产生高压气体达到破裂片极限强度时，高压气体冲开破裂片，高压二氧化碳从泄气头释放，作用在岩体上，从而达到致裂的效果。连接时致裂器采用可采用串联和并联，可实现多点同时定向致裂爆破。

活化剂装设在致裂管主体管内，为液态二氧化碳相变气化提供热能。现有二氧化碳相变致裂用的活化剂中大多主要成分有高氯酸钾或高锰酸钾，它们作为强氧化剂为封闭无氧环境中的燃烧提供所需的氧。在GHS危险性类别分类中，高氯酸钾被划定为氧化性固体类别1，可能引起燃烧或爆炸的危险强氧化物；高锰酸钾被划定为氧化性固体类别2以及危害水生环境——急性危险和长期危险类别1，有环境污染的负面影响。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂及其制备方法。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂，按重量份数比，所述原料包括以下组分：8～15份草酸铵、15～25份水杨酸、50～80份强氧化剂、8～15份轻金属和5～8份催化剂；

其中，所述强氧化剂为硝酸胍。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的制备方法，将如前述实施例所述的用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的原料进行混合。

第三方面，本发明实施例提供了一种二氧化碳相变致裂器，其包括有致裂管，所述致裂管中填充有如前述任一实施例所述的用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂。

本发明具有以下有益效果：

本发明实施例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂及其制备方法，按重量份数比，该活化剂的原料包括：8～15份草酸铵、15～25份水杨酸、50～80份硝酸胍、8～15份轻金属和5～8份催化剂。该活化剂的性能稳定，在空气中用明火无法点燃或引爆，还可以防撞击，从而避免由碰撞或高空坠落而造成的燃烧或爆炸；此外，该活化剂安全可靠，其在致裂管内通过液态二氧化碳均匀围压即可高效使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明试验例1中的高能活化剂用于二氧化碳相变致裂管的膛压测试数据。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂，按重量份数比，所述活化剂的原料包括以下组分：8～15份草酸铵、15～25份水杨酸、50～80份强氧化剂、8～15份轻金属和5～8份催化剂；

其中，所述强氧化剂为硝酸胍。

硝酸胍(GN)，化学名二氨基硝酸胍，分子式CH

草酸铵，一种无机物，化学式为(NH

水杨酸，一种脂溶性的有机酸，化学式为C

轻金属，相对密度小于5的金属，分为有色轻金属和稀有轻金属两类。具体地，有色轻金属有铝、镁、钙、钛、钾、锶、钡等，前四种在工业上多用作还原剂，铝、镁、钛及其合金相对密度较小，强度较高，抗蚀性较强。稀有轻金属有锂、铍、铷、铯等。

强氧化剂，指具有强烈氧化性的物质。氧化剂具有的得电子的性质称为氧化性，氧化性的决定因素是该物质中高价态元素的得电子倾向。在溶液中，根据双电层理论，氧化性的大小反映为氧化剂的标准氢电极电势：电势越高，则氧化性越强；电势越低，则氧化性越弱，相对应的，其还原态的还原性则越强。强氧化剂就是具有高电势的氧化物质。

配方成分中，硝酸胍的用量是控制致裂管爆炸效果的主要因素。在此范围内，相应加大硝酸胍的量可以加快反应速率，发热速度更快且热值更高，从而提高爆炸效果。硝酸胍用量过低，则发热速度相对较慢，会导致爆炸达不到目标效果；硝酸胍用量过高，可能反应不完全。

另外，在实际工程应用中，活化剂各成分采用原料的纯度也会影响效果，对于纯度不够的原料需适量增加其配比。

本发明的发明人经一系列创造性劳动，研究发现，采用硝酸胍替换高氯酸钾，作为活化剂中强氧化剂具有意料不到的技术效果。具体地，硝酸胍的分解是一个先吸热后放热的过程，且吸热是因为硝酸胍先熔化相变导致，其后则为放热。一方面，放热反应能加速分解反应的进行并使得分解更加彻底，随着升温速率的增大，放热速率和峰值温度增大，自催化反应表征越加明显；另一方面，放热直接能提供使液态二氧化碳相变气化所需要的热能，更高效达到升温提高热能促使液态二氧化碳相变气化的目的。

其次，硝酸胍的分解反应速度比高氯酸钾更快。硝酸胍分子受热分解，首先断裂氮氧单键，其次是氮氧双键，即硝酸部分优先生成水、氧气和氮氧化物，反应剩余胍基中的碳氮单键再下一步分解生成氨气和二氧化碳。

再有，在GHS危险性类别分类中，高氯酸钾被划定为氧化性固体类别1，可能引起燃烧或爆炸的危险强氧化物；高锰酸钾被划定为氧化性固体类别2以及危害水生环境——急性危险和长期危险类别1。相比之下，硝酸胍的安全性更好，且环境友好。

在一些实施例中，草酸铵的重量份数可以选自8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份和15份中的任意重量份数。

在一些实施例中，水杨酸的重量份数可以选自15份、16份、17份、18份、19份、20份、21份、22份、23份、24份和25份中的任意重量份数。

在一些实施例中，硝酸胍的重量份数可以选自50份、52份、54份、56份、58份、60份、62份、64份、66份、68份、70份、72份、74份、76份、78份和80份中的任意份数。

在一些实施例中，轻金属的重量份数可以选自：8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份和15份中的任意份数。

在一些实施例中，催化剂的重量份数可以选自：5份、6份、7份和8份中的任意份数。

优选地，所述原料包括以下组分：8～12份草酸铵、15～22份水杨酸、50～70份硝酸胍、8～12份轻金属和5～7份三氧化二铁。

优选地，按重量份数比，所述活化剂包括以下组分：8～10份草酸铵、15～20份水杨酸、50～60份硝酸胍、8～10份轻金属和5～6份三氧化二铁。

优选地，所述催化剂为金属氧化物。

优选地，所述催化剂为三氧化二铁。

优选地，所述轻金属为粉剂；

优选地，所述轻金属选自：铝粉、镁粉或铝镁混合粉末中的任意一种。

优选地，所述轻金属为铝粉。超细镁粉的成本较高，在工程应用中不合适，铝粉的效果好，成本低，更适于实用。

优选地，所述铝粉的粒度为400～800目。

在一些实施例中，铝粉的粒度可以选自：400目、500目、600目、700目和800目中的任意目数。

本发明提供的活化剂具有以下优点：配方性能稳定，在空气中用明火无法点燃或者引爆；可防撞击，防止或减少优于碰撞或高空坠落而造成的燃烧或爆炸；安全可靠，其在致裂管内通过液态二氧化碳均匀围压即可高效使用。

此外，与现有技术相比，本配方采用的组分更少，减少了很多成分，降低成本且效果更优，比如：氟化钠的实质是钝化剂，完全惰性，在反应中不参与任何作用；木炭粉的热值太低，不起明显作用；乙二酸本质就是草酸，在活化剂中不需要。

本发明实施例还提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的制备方法，将如前述任一实施例所述的用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的原料进行均匀混合。

此外，本发明实施例提供了一种二氧化碳相变致裂器，其包括有致裂管，所述致裂管中填充有如前述任一实施例所述的用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂。

需要说明的是，本发明对致裂器和致裂管无优化，致裂器和致裂管的具体结构都可以通过现有技术获得，在此不再赘述。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明实施例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的制备方法，其包括将以下原料混合。

所述活化剂的原料包括以下组分：

草酸铵11份、水杨酸22份、硝酸胍65份、细粒度铝粉11份和三氧化二铁6份。

实施例2

本发明实施例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的制备方法，与实施例1大致相同，区别在于原料配比的不同，所述活化剂的原料包括以下组分：

草酸铵13份、水杨酸25份、硝酸胍70份、细粒度铝粉12份和三氧化二铁7份。

实施例3

本发明实施例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的制备方法，与实施例1大致相同，区别在于原料配比的不同，所述活化剂的原料包括以下组分：

草酸铵15份、水杨酸25份、硝酸胍80份、细粒度铝粉15份和三氧化二铁8份。

实施例4

本发明实施例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的制备方法，与实施例1大致相同，区别在于原料配比的不同，所述活化剂的原料包括以下组分：

草酸铵9份、水杨酸20份、硝酸胍55份、细粒度铝粉8份和三氧化二铁5份。

实施例5

本发明实施例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的制备方法，与实施例1大致相同，区别在于原料配比的不同，所述活化剂的原料包括以下组分：

草酸铵10份、水杨酸21份、硝酸胍60份、细粒度铝粉9份和三氧化二铁6份。

以上实施例1至实施例5中所制得活化剂的活化效果好，发热快且热值高，使得致裂器中的液态二氧化碳快速相变气化，达到理想的爆炸效果。

对比例1

本对比例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的制备方法，与实施例1大致相同，区别在于原料配比的不同，所述活化剂的原料包括以下组分：

草酸铵10份、水杨酸20份、硝酸胍40份、细粒度铝粉10份和三氧化二铁4份。

反应速度较慢，活化效果不佳。

对比例2

本对比例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的制备方法，与实施例1大致相同，区别在于原料配比的不同，所述活化剂的原料包括以下组分：

草酸铵5份、水杨酸10份、硝酸胍80份、细粒度铝粉6份和三氧化二铁8份。

反应不完全，活化效果不佳。

对比例3

本对比例提供了一种用于二氧化碳相变爆炸的高能活化剂的制备方法，与实施例1大致相同，区别在于原料配比的不同，所述活化剂的原料包括以下组分：

草酸铵10份、水杨酸10份、硝酸胍70份、细粒度铝粉10份和三氧化二铁1份。

反应不完全，活化效果不佳。

验证例1

采用实施例1提供的制备方法进行活化剂的制备，制备后对活化剂用于二氧化碳相变致裂管的膛压测试，测试数据如表1和图1所示。

表1测试数据

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。