高嶺土基復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一直是煤礦安全生產的重中之重。通過溶析結晶法和機械球磨法制備了高嶺土基KHCO3復合抑爆劑，采用掃描電鏡、激光粒度儀及氮吸附等溫線測試儀等設備對其表面結構、粒度分布以及比表面積等進行表征，在20 L球形爆炸測試系統中深入考察其抑爆效果，并分析其抑爆機理，結果表明高嶺土基復合粉體抑爆劑抑爆效果明顯。

關鍵詞：瓦斯；抑爆劑；高嶺土；KHCO3

中圖分類號：TD714.5 文獻標識碼：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，結合溶析結晶法和機械球磨法制備高嶺土基KHCO3復合抑爆劑，并對其理化性質進行表征分析。在20 L球形爆炸測試系統中開展甲烷-空氣爆炸試驗，考察復合抑爆劑中KHCO3負載量和粉體濃度對爆燃特征參數的抑制規律，結合爆燃特征參數和材料性質深入探討復配抑爆劑的抑爆機理，進而為探尋高效瓦斯復合抑爆劑和預防爆炸災害提供理論依據及技術支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗所用原料均為商品化采購，純度滿足相關要求。第一步，使用溶析結晶法預試驗求得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，選滑石粉為助磨劑，在3 000 r/min

轉速下研磨，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載量的懸濁液中，攪拌6 h后繼續抽濾，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進行研磨，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，最終制得不同負載量的KHCO3復配高嶺土抑爆劑，分別記作A、B、C、D。

1.2 爆炸試驗系統

爆炸試驗采用的20 L球形爆炸裝置，測試系統包括20 L反應釜、控制箱、數據采集系統。控制箱包括可編程控制器、點火系統、人機界面以及壓強采集接線端子板等。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、人機界面和計算機通過以太網或通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）連接。測試前將反應釜和儲粉倉干燥，對爆炸容器抽真空到-0.06 MPa（表壓），然后開啟氣粉兩相閥，儲粉罐內的壓縮空氣將儲粉室內的抑爆藥劑經氣粉兩相閥分散到爆炸容器，并使用混氣儀將預混好的9.5%甲烷-空氣混合氣體注入爆炸室，試驗環境壓強為100 kPa，溫度為26 ℃，經過給定的延時（60 ms），在容器中心點火測試，實時采集爆炸壓強數據。

2 性能表征

2.1 抑爆劑的表面形貌特征

采用JEOL-7800F型場發射掃描電子顯微鏡分別觀察高嶺石純礦物和高嶺石基復合粉體抑爆劑的微觀結構與形貌，對比負載KHCO3前后高嶺石的微觀形貌的變化。未負載前的高嶺石質地疏松，大多以六方形片層堆疊結構的形式存在，粒徑約為10 μm。負載的高嶺石片層狀表面負載了不規則小顆粒，與高嶺石純礦物相比，復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合高嶺石抑爆劑的粒度分布，結果如圖1所示，復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行氮吸附試驗，并計算抑爆劑的比表面積和孔容，結果如表1所示，KHCO3復配高嶺石抑爆劑的比表面積為312.42 m2/g，BJH（Barrett-Joiner-Halenda）模型計算的孔容積為0.265 cm3/g，平均孔徑為5.94 nm。

高嶺石復合抑爆劑的吸附、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，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理

3.1 KHCO3負載量對甲烷-空氣爆炸特性的影響

分別選取KHCO3、高嶺石純礦物以及復合粉體（A、B、C、D）3種抑爆劑在20 L球形爆炸測試系統中開展甲烷-空氣爆炸試驗，將各類抑爆劑濃度統一設定為0.5 g/L，通過比較各抑爆劑抑爆性能的優劣，明確復合抑爆劑的最佳質量配比。不同KHCO3負載量復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的作用；復合抑爆劑的抑爆效果明顯優于單一抑爆劑。隨著KHCO3負載量的增加，最大爆炸壓強呈先減小后增大的趨勢，當KHCO3負載量達到40%時，最大爆炸壓強達到最低點（0.506 MPa），

繼續增大KHCO3的負載量，最大爆炸壓強不減反增。其原因是隨著KHCO3負載量不斷增大，復合抑爆劑中高嶺石的質量有所下降，從而降低復合抑爆劑的比表面積，導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上升速率，但是當復合抑爆劑中KHCO3含量較低時，其抑爆效果差于KHCO3型單一抑爆劑；當復合抑爆劑中KHCO3負載量達到30%之后，其壓強上升速率低于單一抑爆劑，當KHCO3負載量為40%時，其最大壓強上升速率達到最低點9.87 MPa/s，

此后隨著負載量增大，最大壓強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峰值時間，復合抑爆劑的減緩作用明顯強于單一抑爆劑，當復合抑爆劑中KHCO3負載量達到40%時，體系中最大壓強峰值時間由無粉體時的0.274 s上升至0.936 s，但是繼續增大負載量并不會減緩其最大壓強峰值時間。由此表明，當高嶺石基復合抑爆劑中KHCO3負載量為40%時，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

為進一步確定復合抑爆劑的最佳濃度，根據前述試驗結果將復合抑爆劑的KHCO3負載量固定為40%，設置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）進一步開展不同濃度的抑爆試驗，分別考察其抑爆性能。不同濃度復合抑爆劑的抑爆效果如圖4所示。由圖4（a）可知，隨著復合抑爆劑濃度的增加，最大爆炸壓強逐漸降低，復合抑爆劑濃度達到0.8 g/L時，體系內最大爆炸壓強降低至最小值0.497 MPa，相較于無粉體時的0.687 MPa降低了27.7%。然而，當粉末濃度高于該值時，最大爆炸壓強反而又會升高，這是因為在封閉的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，最大壓強上升速率同樣呈現出先減小后增大的趨勢，在低濃度范圍內，最大壓強上升速率會急劇下降，當濃度達到0.4 g/L之后下降趨勢會有所減緩，當抑爆劑濃度達到0.8 g/L時，壓強上升速率由原來的76.63 MPa/s降至9.251 MPa/s，而其濃度增加至1.0 g/L，壓強上升速率反而增至10.87 MPa/s。由此說明，低濃度梯度下，復合抑爆劑更能有效發揮其抑制最大壓強上升速率的效果[4]。由圖4（c）可知，隨著抑爆劑粉末濃度的增大，體系內壓強峰值時間呈先升高后降低的趨勢，當抑爆劑濃度達到0.8 g/L時，壓強峰值時間達到最大值0.991 s，相較于未使用粉體時其減緩效果十分顯著。綜上所述，復合抑爆劑的最佳使用條件為負載量40%，濃度0.8 g/L，此時其對甲烷-空氣爆炸的抑制效果最佳。

3.3 抑制機理

首先，復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構，具有孔隙空間較大，比表面積大的優勢，同時其粒度較為均勻且較細，在空氣爆炸沖擊作用下，微細顆粒能夠在腔體內分散，形成一道屏障，進而阻礙氧氣和甲烷的有效碰撞，同時可以充分發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，進而減緩爆炸反應劇烈程度；最后，KHCO3本身受熱反應所形成的產物可以高效捕獲自由基，起到減緩和抑制爆炸鏈式反應的效果，降低甲烷-空氣爆炸的危害。因此，高嶺土基復合抑爆劑抑制甲烷-空氣爆炸是一個物理化學協同作用的過程[5]。

4 結論

溶析結晶法能夠將KHCO3負載于高嶺石表面，與高嶺石純礦物相比，高嶺土基復合抑爆劑的表面更加粗糙，彌補KHCO3吸附位點少和比表面積小的弱點，復合抑爆劑對甲烷-空氣爆炸的抑制效果明顯優于高嶺石純礦物和KHCO3單粉體抑爆劑。當高嶺土基復合抑爆劑中的KHCO3負載量為40%時，其抑爆效果最佳，其對9.5%甲烷-空氣最大爆炸壓強下降至0.506 MPa，最大壓強上升速率下降到最低點9.87 MPa/s，且到達最大壓強峰值時間延緩了241.61%。

當高嶺土基復合抑爆劑的質量濃度達到0.8 g/L時抑爆效果最佳，其對9.5%甲烷-空氣最大爆炸壓強抑制了27.7%，同時最大壓強上升速率由原來的76.63 MPa/s降至9.251 MPa/s，且到達壓強峰值時間延緩最明顯。

參考文獻

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