一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法

摘要

本发明公开了一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，包括步骤一、采用化学反应动力学方程确定瓦斯爆炸关键自由基和关键基元反应；二、根据瓦斯爆炸关键自由基和关键基元反应确定抑爆剂种类；三、制备固‑液两相抑制剂；四、将气相抑制剂与固‑液两相抑制剂进行复配，组合为气‑固‑液三相抑制剂；五、采用正交测试法优化气‑固‑液三相抑制剂的配比；六、通过抑爆试验测试三相抑制剂的抑爆特征参数。本发明方法步骤简单，实现方便，能够应用在气‑固‑液三相抑制剂的制备中，有效抑制瓦斯爆炸热反应进程，效果显著，便于推广。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域,具体涉及一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法。

背景技术

煤矿热动力灾害事故一直是煤矿安全生产的主要威胁，其中，瓦斯爆炸事故致灾性尤为突出，2008～2017年间，我国煤矿瓦斯爆炸事故死亡1663人，占煤矿瓦斯事故死亡人数的55.13％。因此，发展相应的爆炸防控和抑爆减灾技术，对减小燃爆事故范围，降低其破坏后果和事故损失具有重要作用。

爆炸抑制技术是减弱瓦斯爆炸致灾后果的主要手段之一，其有效性取决于抑爆剂的作用效能。以往所用抑爆剂多为单一物质，如单独的气体、固态粉末或细水雾等。近年来，复配抑爆技术逐渐受到重视，如申请号为201610990253.7的发明专利《一种以水雾为载体的烃类爆炸抑制剂》、申请号为201610164340.7的发明专利《水煤浆气化装置洗塔过氧爆炸的抑制方法》、申请号为201810708552.6的发明专利《一种新型复合瓦斯抑爆剂》和申请号为201810708552.6的发明专利《一种低碳混合气体水合物抑爆剂的制备方法》中均提到了抑爆剂的复配方法，这些方法在一定程度上提升了气相爆炸灾害防控技术水平，但这些方法中，有效作用介质均为单相的气体抑制剂或粉体抑制剂，在实施过程中的实际作用效能仍存在局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，其方法步骤简单，实现方便，能够应用在气-固-液三相抑制剂的制备中，有效抑制瓦斯爆炸热反应进程，效果显著，便于推广。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，包括以下步骤：

步骤一、采用化学反应动力学方程确定瓦斯爆炸关键自由基和关键基元反应；

步骤二、根据瓦斯爆炸关键自由基和关键基元反应确定抑爆剂种类；

步骤三、制备固-液两相抑制剂；

步骤四、将气相抑制剂与步骤三中制备的固-液两相抑制剂进行复配，组合为气-固-液三相抑制剂；

步骤五、采用正交测试法优化气-固-液三相抑制剂的配比；

步骤六、通过抑爆试验测试三相抑制剂的抑爆特征参数。

上述的一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，步骤一中所述化学反应动力学方程包括质量控制方程、能量控制方程、基础反应速率方程和第三体作用下的反应速率方程。

上述的一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，所述质量控制方程为：

其中，m

上述的一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，所述能量控制方程为：

其中，ρ为能量密度，c

上述的一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，所述基础反应速率方程为：

其中，υ’

上述的一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，所述第三体作用下的反应速率方程为：

其中，q

上述的一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，步骤二中所述抑爆剂种类包括均具有自由基和链阻断作用的疏水粉体抑制剂、亲水盐抑制剂和化学性气体抑制剂。

上述的一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，步骤三中所述制备固-液两相抑制剂的具体过程包括：将固体抑制剂和去离子水按照一定质量比例混合，在常温常压条件下进行高速搅拌，一定时间后获得以水溶液为内核、以纳米级粉体抑制剂为壁材的固-液复合抑制剂。

上述的一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，步骤五中所述采用正交测试法优化气-固-液三相抑制剂的配比的具体过程包括：根据正交测试原理，在多因素多水平条件下优化三相抑制剂的组成、种类和配比。

上述的一种抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，步骤六中所述三相抑制剂的抑爆特征参数包括爆炸感应时间、最大爆炸压力上升速率和爆炸超压峰值，所述通过抑爆试验测试三相抑制剂的抑爆特征参数的具体过程包括：首先通过抑爆实验获取抑爆过程中的爆炸压力-时间曲线，自常压至压力值上升7％所需时间为爆炸感应时间，对爆炸压力-时间曲线进行一阶求导，所得到的最大值为最大爆炸压力上升速率，爆炸压力-时间曲线的峰值为爆炸超压峰值。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明方法步骤简单，实现方便。

2、本发明从矿井安全实际情况出发，选取煤矿开采过程中易产生和积聚的瓦斯气体主要成分甲烷，通过化学反应动力学计算确定其燃烧爆炸过程中的关键自由基及关键基元反应步骤，针对关键自由基和关键基元反应步骤优选抑制剂种类以达到靶向抑制瓦斯爆炸链-热反应进程的目的，采用正交原理优化气-固-液三相抑制剂配比，并进一步通过试验测试检验其作用效能，得到其临界添加量等关键抑爆特征参数。解决了现有抑制剂有效作用成分单一且抑制作用不足的问题。

3、本发明通过将具有自由基和链阻断功能的疏水粉体、亲水盐类和水制成固-液两相抑制剂，并进一步将其和化学性气体抑制剂复配为气-固-液三相抑制。将之应用于瓦斯抑爆过程时，疏水粉体可起到吸附、湮灭爆炸链式反应自由基的作用，盐类抑制剂和化学性气体抑制剂可起到介入爆炸链式反应进程并阻断链式反应发展的作用，而其中的水分则具有吸热降温的物理抑制效果。因而该三相抑制剂以物理-化学协同作用方式产生抑爆效果，有效提高了抑制剂的控爆效能。

4、本发明能够应用在气-固-液三相抑制剂的制备中，有效抑制瓦斯爆炸热反应进程，效果显著，便于推广。

综上所述，本发明方法步骤简单，实现方便，能够应用在气-固-液三相抑制剂的制备中，有效抑制瓦斯爆炸热反应进程，效果显著，便于推广。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明固-液复合抑制剂制备流程及形貌特征图；

图3为本发明抑爆实验过程中的爆炸压力-时间曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的抑制瓦斯爆炸热反应进程的三相抑制剂复配方法，包括以下步骤：

步骤一、采用化学反应动力学方程确定瓦斯爆炸关键自由基和关键基元反应；

步骤二、根据瓦斯爆炸关键自由基和关键基元反应确定抑爆剂种类；

步骤三、制备固-液两相抑制剂；

步骤四、将气相抑制剂与步骤三中制备的固-液两相抑制剂进行复配，组合为气-固-液三相抑制剂；

步骤五、采用正交测试法优化气-固-液三相抑制剂的配比；

步骤六、通过抑爆试验测试三相抑制剂的抑爆特征参数。

本实施例中，步骤一中所述化学反应动力学方程包括质量控制方程、能量控制方程、基础反应速率方程和第三体作用下的反应速率方程。

本实施例中，所述质量控制方程为：

其中，m

本实施例中，所述能量控制方程为：

其中，ρ为能量密度，c

本实施例中，所述基础反应速率方程为：

其中，υ’

本实施例中，所述第三体作用下的反应速率方程为：

其中，q

具体实施时，设置计算初始条件为：甲烷-空气化学计量比为1，初始温度1200℃，初始压力为常压，求解体积恒定容器内的爆炸反应动力学过程。结果表明，影响甲烷消耗的关键基元反应步骤如表1所示，关键自由基为H、O、OH、HCO和CH2O等。

表1甲烷爆炸过程中影响CH4消耗的关键基元反应

本实施例中，步骤二中所述抑爆剂种类包括均具有自由基和链阻断作用的疏水粉体抑制剂、亲水盐抑制剂和化学性气体抑制剂。

具体实施时，根据步骤一的反应动力学计算结果，针对瓦斯爆炸链-热反应进程中的关键自由基H、O、OH、HCO、CH2O和关键基元反应步骤优选抑制剂种类。具体为具有自由基和链阻断功能的疏水粉体抑制剂纳米SiO

其中，疏水粉体纳米SiO

本实施例中，步骤三中所述制备固-液两相抑制剂的具体过程包括：将固体抑制剂和去离子水按照5：100至20:100的质量比例混合，在常温常压条件下进行3000rpm/秒至7000rpm/秒的高速搅拌，20秒至100秒后获得以水溶液为内核、以纳米级粉体抑制剂为壁材的固-液复合抑制剂。

具体实施时，采用高速搅拌法，将上述疏水级粉体抑制剂纳米SiO

本实施例中，步骤五中所述采用正交测试法优化气-固-液三相抑制剂的配比的具体过程包括：根据正交测试原理，在多因素多水平条件下优化三相抑制剂的组成、种类和配比。

具体实施时，多因素多水平包括六个影响因素五个水平：A-固相抑制剂SiO

表2气-固-液三相抑制剂优化实验设计表

本实施例中，如图3所示，步骤六中所述三相抑制剂的抑爆特征参数包括爆炸感应时间T

具体实施时，采用20L球形密闭爆炸特性测试实验装置开展瓦斯抑爆试验，抑爆测试试验条件如下：环境温度控制在18～22℃，甲烷湿度为45％～50％RH，甲烷、固液两相抑制剂和卤代烷抑制剂混合物的自动搅拌时间为100s，保证试验介质均匀混合，真空值设置为5.0％，每次实验结束手动抽真空换气直到管内湿度降到50％RH以下，实验开始前设备自动抽真空两次，清洗进气管道一次。实验过程中，当爆炸的压力峰值超过爆炸前初始压力的7％时，即认定为爆炸发生。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。