高岭土基复合粉体抑爆剂的制备及抑爆性能研究

摘要：长期以来，瓦斯爆炸事故的防治和高效抑爆技术一直是煤矿安全生产的重中之重。通过溶析结晶法和机械球磨法制备了高岭土基KHCO3复合抑爆剂，采用扫描电镜、激光粒度仪及氮吸附等温线测试仪等设备对其表面结构、粒度分布以及比表面积等进行表征，在20 L球形爆炸测试系统中深入考察其抑爆效果，并分析其抑爆机理，结果表明高岭土基复合粉体抑爆剂抑爆效果明显。

关键词：瓦斯；抑爆剂；高岭土；KHCO3

中图分类号：TD714.5 文献标识码：A 文章编号：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

以高岭土为基体材料，结合溶析结晶法和机械球磨法制备高岭土基KHCO3复合抑爆剂，并对其理化性质进行表征分析。在20 L球形爆炸测试系统中开展甲烷-空气爆炸试验，考察复合抑爆剂中KHCO3负载量和粉体浓度对爆燃特征参数的抑制规律，结合爆燃特征参数和材料性质深入探讨复配抑爆剂的抑爆机理，进而为探寻高效瓦斯复合抑爆剂和预防爆炸灾害提供理论依据及技术支撑。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验所用原料均为商品化采购，纯度满足相关要求。第一步，使用溶析结晶法预试验求得KHCO3的平均析出率为68.9%。第二步，取足量的高岭石放入行星式球磨机，选滑石粉为助磨剂，在3 000 r/min

转速下研磨，磨后过325目筛，将筛下样品放入75 ℃

恒温干燥箱，干燥4 h。第三步，在恒温30 ℃下，分别称取4 g、5 g、6 g、7 g干燥后的高岭石样品，并分别放入17.23 mL、14.36 mL、11.07 mL、7.54 mL的KHCO3饱和溶液，搅拌2 h，分别制得负载量为50%、40%、30%以及20%的悬浊液备用。第四步，取4组无水乙醇（17.23 mL、14.36 mL、11.07 mL、7.54 mL），在恒温30 ℃下边搅拌边倒入各负载量的悬浊液中，搅拌6 h后继续抽滤，之后将滤饼放入烘箱，在75 ℃下干燥2 h。第五步，将样品放入行星式球磨机进行研磨，过320目筛，在每组筛下物中加入0.1 g纳米二氧化硅，并使用研钵充分研磨，最终制得不同负载量的KHCO3复配高岭土抑爆剂，分别记作A、B、C、D。

1.2 爆炸试验系统

爆炸试验采用的20 L球形爆炸装置，测试系统包括20 L反应釜、控制箱、数据采集系统。控制箱包括可编程控制器、点火系统、人机界面以及压强采集接线端子板等。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、人机界面和计算机通过以太网或通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）连接。测试前将反应釜和储粉仓干燥，对爆炸容器抽真空到-0.06 MPa（表压），然后开启气粉两相阀，储粉罐内的压缩空气将储粉室内的抑爆药剂经气粉两相阀分散到爆炸容器，并使用混气仪将预混好的9.5%甲烷-空气混合气体注入爆炸室，试验环境压强为100 kPa，温度为26 ℃，经过给定的延时（60 ms），在容器中心点火测试，实时采集爆炸压强数据。

2 性能表征

2.1 抑爆剂的表面形貌特征

采用JEOL-7800F型场发射扫描电子显微镜分别观察高岭石纯矿物和高岭石基复合粉体抑爆剂的微观结构与形貌，对比负载KHCO3前后高岭石的微观形貌的变化。未负载前的高岭石质地疏松，大多以六方形片层堆叠结构的形式存在，粒径约为10 μm。负载的高岭石片层状表面负载了不规则小颗粒，与高岭石纯矿物相比，复合抑爆剂的表面更加粗糙，但粒径和形状变化不明显[1]。

2.2 抑爆剂粒径与比表面积特征

采用Microtrac S3500型激光粒度分析仪检测复合高岭石抑爆剂的粒度分布，结果如图1所示，复合高岭石抑爆剂的中值粒径d50为18.19 μm，d90为55.12 μm。

采用北京金埃谱科技有限公司的V-Sorb 2800TP型比表面积及孔径分析仪进行氮吸附试验，并计算抑爆剂的比表面积和孔容，结果如表1所示，KHCO3复配高岭石抑爆剂的比表面积为312.42 m2/g，BJH（Barrett-Joiner-Halenda）模型计算的孔容积为0.265 cm3/g，平均孔径为5.94 nm。

高岭石复合抑爆剂的吸附、脱附曲线如图2所示。由图2可知，高岭石复合抑爆剂等温吸附曲线的形状属于第Ⅳ类等温线，在相对压力0.000～0.004段，样品处在低压区，首先形成单分子吸附层。在相对压力0.07～0.89段，单分子层吸附接近饱和，开始发生多分子层的吸附[2]。

3 KHCO3对甲烷-空气爆炸特性的影响及抑制机理

3.1 KHCO3负载量对甲烷-空气爆炸特性的影响

分别选取KHCO3、高岭石纯矿物以及复合粉体（A、B、C、D）3种抑爆剂在20 L球形爆炸测试系统中开展甲烷-空气爆炸试验，将各类抑爆剂浓度统一设定为0.5 g/L，通过比较各抑爆剂抑爆性能的优劣，明确复合抑爆剂的最佳质量配比。不同KHCO3负载量复合抑爆剂的抑爆效果如图3所示[3]。由图3（a）可知，加入高岭石纯矿物和KHCO3均能起到最大爆炸压强的作用；复合抑爆剂的抑爆效果明显优于单一抑爆剂。随着KHCO3负载量的增加，最大爆炸压强呈先减小后增大的趋势，当KHCO3负载量达到40%时，最大爆炸压强达到最低点（0.506 MPa），

继续增大KHCO3的负载量，最大爆炸压强不减反增。其原因是随着KHCO3负载量不断增大，复合抑爆剂中高岭石的质量有所下降，从而降低复合抑爆剂的比表面积，导致抑制效果不增反降。由图3（b）可知，加入高岭石和KHCO3型单一抑爆剂均能够有效降低最大压强上升速率，但是当复合抑爆剂中KHCO3含量较低时，其抑爆效果差于KHCO3型单一抑爆剂；当复合抑爆剂中KHCO3负载量达到30%之后，其压强上升速率低于单一抑爆剂，当KHCO3负载量为40%时，其最大压强上升速率达到最低点9.87 MPa/s，

此后随着负载量增大，最大压强上升速率反有所增大。由图3（c）可知，加入高岭石和KHCO3型单一抑爆剂都可以有效延缓最大压强峰值时间，复合抑爆剂的减缓作用明显强于单一抑爆剂，当复合抑爆剂中KHCO3负载量达到40%时，体系中最大压强峰值时间由无粉体时的0.274 s上升至0.936 s，但是继续增大负载量并不会减缓其最大压强峰值时间。由此表明，当高岭石基复合抑爆剂中KHCO3负载量为40%时，其对甲烷-空气爆炸的抑爆效果最佳。

3.2 KHCO3浓度对甲烷-空气爆炸特性的影响

为进一步确定复合抑爆剂的最佳浓度，根据前述试验结果将复合抑爆剂的KHCO3负载量固定为40%，设置5组浓度梯度（0.2 g/L、0.4 g/L、0.6 g/L、0.8 g/L、1.0 g/L）进一步开展不同浓度的抑爆试验，分别考察其抑爆性能。不同浓度复合抑爆剂的抑爆效果如图4所示。由图4（a）可知，随着复合抑爆剂浓度的增加，最大爆炸压强逐渐降低，复合抑爆剂浓度达到0.8 g/L时，体系内最大爆炸压强降低至最小值0.497 MPa，相较于无粉体时的0.687 MPa降低了27.7%。然而，当粉末浓度高于该值时，最大爆炸压强反而又会升高，这是因为在封闭的20 L球形爆炸装置中，抑爆剂粉体自由分散空间受限。由图4（b）

可知，随着抑爆剂粉末浓度的增大，最大压强上升速率同样呈现出先减小后增大的趋势，在低浓度范围内，最大压强上升速率会急剧下降，当浓度达到0.4 g/L之后下降趋势会有所减缓，当抑爆剂浓度达到0.8 g/L时，压强上升速率由原来的76.63 MPa/s降至9.251 MPa/s，而其浓度增加至1.0 g/L，压强上升速率反而增至10.87 MPa/s。由此说明，低浓度梯度下，复合抑爆剂更能有效发挥其抑制最大压强上升速率的效果[4]。由图4（c）可知，随着抑爆剂粉末浓度的增大，体系内压强峰值时间呈先升高后降低的趋势，当抑爆剂浓度达到0.8 g/L时，压强峰值时间达到最大值0.991 s，相较于未使用粉体时其减缓效果十分显著。综上所述，复合抑爆剂的最佳使用条件为负载量40%，浓度0.8 g/L，此时其对甲烷-空气爆炸的抑制效果最佳。

3.3 抑制机理

首先，复合抑爆剂中的高岭石天然矿物是由铝氧八面体（AlO6）与硅氧四面体（SiO4）堆叠而成的特殊层状结构，具有孔隙空间较大，比表面积大的优势，同时其粒度较为均匀且较细，在空气爆炸冲击作用下，微细颗粒能够在腔体内分散，形成一道屏障，进而阻碍氧气和甲烷的有效碰撞，同时可以充分发挥其吸热和隔热的降温抑制作用；其次，抑爆剂颗粒还可以起到自由基吸收作用，进而减缓爆炸反应剧烈程度；最后，KHCO3本身受热反应所形成的产物可以高效捕获自由基，起到减缓和抑制爆炸链式反应的效果，降低甲烷-空气爆炸的危害。因此，高岭土基复合抑爆剂抑制甲烷-空气爆炸是一个物理化学协同作用的过程[5]。

4 结论

溶析结晶法能够将KHCO3负载于高岭石表面，与高岭石纯矿物相比，高岭土基复合抑爆剂的表面更加粗糙，弥补KHCO3吸附位点少和比表面积小的弱点，复合抑爆剂对甲烷-空气爆炸的抑制效果明显优于高岭石纯矿物和KHCO3单粉体抑爆剂。当高岭土基复合抑爆剂中的KHCO3负载量为40%时，其抑爆效果最佳，其对9.5%甲烷-空气最大爆炸压强下降至0.506 MPa，最大压强上升速率下降到最低点9.87 MPa/s，且到达最大压强峰值时间延缓了241.61%。

当高岭土基复合抑爆剂的质量浓度达到0.8 g/L时抑爆效果最佳，其对9.5%甲烷-空气最大爆炸压强抑制了27.7%，同时最大压强上升速率由原来的76.63 MPa/s降至9.251 MPa/s，且到达压强峰值时间延缓最明显。

参考文献

1 司荣军，王 磊，贾泉升.瓦斯煤尘爆炸抑隔爆技术研究进展[J].煤矿安全，2020（10）：98-107.

2 张一民.粉体物理化学特性对其瓦斯抑爆性能的影响研究[D].焦作：河南理工大学，2020：23-25.

3 叶 兰.我国瓦斯事故规律及预防措施研究[J].中国煤层气，2020（4）：44-47.

4 聂百胜，王晓彤，宫 婕，等.瓦斯煤尘爆炸特性及抑爆方法研究进展[J].安全，2021（1）：1-13.

5 张莉聪，李斯曼，周振兴.煤矿瓦斯多相协同抑爆的研究进展与展望[J].中国安全科学学报，2023（1）：97-104.