余明高，賀 濤，李海濤，鄭 凱

(1. 重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2. 河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；3.常州大學 環(huán)境與安全工程學院，江蘇 常州 213164)

瓦斯是煤礦開采過程中產(chǎn)生的一種易燃易爆氣體，其主要成分是甲烷。瓦斯爆炸極易導致大量人員傷亡和嚴重的財產(chǎn)損失，而煤塵參與的瓦斯煤塵復合爆炸對安全生產(chǎn)影響最大，破壞更為嚴重。甲烷-煤塵復合爆炸在爆炸過程中會發(fā)生比單一甲烷、煤塵爆炸更加復雜的反應，傳播過程及爆炸機理也會相應地發(fā)生變化，因此研究如何高效抑制瓦斯煤塵復合爆炸對于保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要的實際意義。

開發(fā)出高性能、環(huán)保優(yōu)質的抑爆劑是瓦斯煤塵抑爆方向的主要研究目標。抑爆劑的性能和材質對抑爆效果和反應機理都有所影響，目前，用于抑爆材料的研究主要是惰性氣體抑爆劑、細水霧抑制劑、粉體抑爆劑、多孔材料抑爆劑等。其中粉體抑制劑相較于其他種類抑爆介質具有便攜、易于存儲并且經(jīng)濟高效的優(yōu)點，因此選用粉體抑制劑作為抑爆劑成為近年來的研究熱點。

近年來，關于粉體改性抑制劑的研究有了長足的發(fā)展。YU等采用KHCO改性蒙脫土(K/MMT)抑制劑進行了甲烷-空氣抑爆試驗，發(fā)現(xiàn)改性后的K/MMT的抑制效果優(yōu)于單體抑制劑；王燕等利用溶劑反溶劑法將KHCO負載于赤泥表面，提高了赤泥抑制瓦斯爆炸的優(yōu)越性；王信群等使用表面改性與細化，提高了BC干粉的比表面積與表面特性，發(fā)現(xiàn)粒徑小于10 μm數(shù)量級時可以較好地提高粉體的抑爆效果；袁必和等將多孔礦物與聚磷酸銨復合，探究了復合粉體對甲烷-空氣預混氣體的抑制效果，對多孔礦物對自由基的捕獲效果進行了分析。目前對于復合抑爆劑的研究大多應用于單一的瓦斯爆炸，并且一般改性手段停留在單一復配層面，對于抑爆劑在微觀層面的改性探索較少。

傳統(tǒng)的抑爆材料，如碳酸鹽、磷酸鹽、鹵化物以及堿金屬鹽能在一定程度上起到抑制瓦斯爆炸的作用，但受限于其昂貴的成本，且抑爆材料相對于煤礦井下實際工程應用時消耗量巨大，因而難以得到廣泛推廣應用。同時由于煤礦井下的高濕環(huán)境，許多抑爆粉體例如NaHCO,KHCO等在室溫存儲時容易發(fā)生團聚粘連現(xiàn)象，嚴重影響了粉體的抑爆效果。高嶺土，作為一種優(yōu)質的多孔礦物，已廣泛應用于工業(yè)領域作為造紙?zhí)盍?、阻燃劑及聚合物添加劑。高嶺土片層間通過較強的氫鍵以及范德華力彼此吸引，片層間結合力較強，水分子不易插入高嶺土片層間。我國高嶺土分布廣泛，儲量豐富，價格低廉。因此選用高嶺土用于抑爆材料有著十分重要的研究價值。

高嶺土主要由板狀結構構成，化學式為SiAlO(OH)，摩爾質量為258 g/mol。與層狀雙氫氧化物和蒙脫石不同，高嶺土具有不對稱結構，屬于四面體八面體型，由四面體(Al-O)和八面體(Si-O)板層1∶1疊合而成。這種層狀結構可以作為氣體和熱量的屏障，同時高嶺土的高孔隙結構增加了與自由基的接觸面積，減少了參與鏈式反應的活性自由基的數(shù)量，從而起到了抑制氣體爆炸的作用。許多學者對高嶺土的改性與應用進行了探究，TANG等通過改性高嶺土與膨脹型阻燃劑相結合，研究了改性高嶺土的阻燃性能；劉明泉等以檸檬酸、氟化銨作為改性劑對高嶺土進行了改性，探究了高嶺土改性后的結構與保水率變化；SUN等通過將高嶺土與Al(OH)、聚磷酸銨進行復配探究了對甲烷空氣爆炸的抑制效果。但是目前對于高嶺土在瓦斯煤塵抑爆上的應用研究探索較少，這主要由于其結構復雜，導致高嶺土層間極性強，在聚合物基體中更容易形成團聚體，難以形成致密的碳層隔絕氧氣而抑制爆炸。因此對于高嶺土改性的應用與其他高效粉體的復配研究，仍然具有科學價值和實際意義。

筆者基于前人研究基礎，探索了高嶺土改性的應用與其對瓦斯煤塵混合爆炸的抑制作用。選用高嶺土作為基體材料，使用強極性的化合物二甲基亞砜(DMSO)插層其中，破壞層間的氫鍵，然后通過預插層粒子醋酸鉀(KAc)取代DMSO，最后通過目標粒子氨基磺酸銨(AS)取代預插層粒子，得到最終產(chǎn)物。并采用20 L球型爆炸裝置開展瓦斯煤塵混合抑爆試驗，分析不同比例下抑爆劑與煤塵對爆炸特征參數(shù)的影響，進而探究出最佳的抑爆質量濃度。為探索更為優(yōu)質的瓦斯煤塵混合爆炸的復合抑爆劑提供深入的理論依據(jù)及技術支撐。

1 試 驗

1.1 抑爆劑及煤塵制備

..高嶺土改性抑爆劑制備

采用二甲基亞砜(DMSO)、乙酸鉀(KAc)、氨基磺酸胺(AS)、無水乙醇作為試驗材料，純度均為分析純(AR)，高嶺土(Ko),純度為化學純(CP)。購置的試劑不需要進一步加工，烘干后即可使用，如圖1所示。

高嶺土-二甲基亞砜(Ko-DMSO) 制備：量取4.5 mL去離子水移至于含有40 mL DMSO三口瓶中，然后稱取4 g干燥之后的Ko置于上述溶液中，放在超聲波反應器中，設定超聲功率為800 W，反應時間240 min，產(chǎn)物用無水乙醇洗滌3次過濾，并于60 ℃干燥12 h后的產(chǎn)物Ko-DMSO。

高嶺土-醋酸鉀(Ko-KAc) 制備：取2 g Ko-DMSO于三口燒瓶中，然后量取40 mL飽和KAc溶液，在50 ℃下連續(xù)攪拌24 h，使用乙醇洗滌產(chǎn)物，置于60 ℃干燥箱12 h得到最終產(chǎn)物高嶺土-乙酸鉀。

高嶺土-氨基磺酸銨(Ko-AS)制備：取2 g Ko-KAc于三口燒瓶中，量取40 mL 8 mol/L AS水溶液，試驗條件及過程與制備高嶺土-醋酸鉀相同。

圖1 改性高嶺土制備過程Fig.1 Preparation process of modified kaolin

..煤粉制備

本試驗選用煤粉取自重慶南桐煤礦，采用破碎機及球磨機處理后，篩選用煤粉粒徑為300目(45 μm)進行抑爆試驗。為減小煤塵中所含水分對爆炸試驗的影響，將篩分后煤粉置于真空干燥箱中干燥1 440 min(50 ℃)后進行試驗。

1.2 粉體表征

對粉體進行了同步熱分析，包括熱重分析(TG)、差示熱重分析(DTG)，使用熱分析儀(STA6000)進行分析。

粒徑表征采用馬爾文2000粒徑分析儀，采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡 (FE-SEM,JEOL-7800F)和NICOLET 6700型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)分析了樣品的形貌和官能團變化情況。利用X射線衍射儀對樣品進行結構分析。

1.3 爆炸試驗系統(tǒng)

圖2為爆炸試驗采用的20 L球形爆炸罐，主要包含點火、配氣、噴粉、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)。噴粉系統(tǒng)由0.6 L儲粉倉、壓力傳感器、電磁閥和分散片組成。經(jīng)過多次試驗確定噴粉壓力為0.8 MPa。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高頻壓力傳感器、傳輸模塊等組成。試驗的環(huán)境壓力為100 kPa，環(huán)境溫度為26 ℃。試驗中噴粉時間、點火時間、傳感器觸發(fā)時間均由軟件設定執(zhí)行。測試中，點火能量60 J，點火延遲時間1.3 s。噴粉同時，同步控制器啟動壓力采集系統(tǒng)，采集爆炸壓力數(shù)據(jù)。

1—燃燒室；2—點火電極；3—同步控制器；4—噴粉頭；5—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；6—壓力傳感器；7—混氣儀；8—真空閥；9—甲烷；10，11—壓縮空氣圖2 20 L球型爆炸裝置示意Fig.2 Illustration of 20 L spherical experimental system

1.4 試驗過程

爆炸試驗前，對儲粉倉及爆炸球進行干燥，根據(jù)試驗條件，將一定質量的抑爆粉和煤塵混合粉放入儲粉倉內，并關閉爆炸室。抑爆試驗前，將爆炸球及周邊裝置使用真空泵抽真空，通過混氣儀將預混好的9.5%的甲烷-空氣混合氣體注入爆炸室，同時往儲粉倉內加入壓縮空氣，使倉內壓力到達2 MPa，通過道爾頓分壓定律確保爆炸后裝置內壓力達到101.3 kPa(即大氣壓)。通過計算機控制點火爆炸，經(jīng)過1.3 s 的點火延遲后，通電進行爆炸試驗。各試驗開展3次，將數(shù)據(jù)進行分析處理，得到不同抑爆試驗條件的壓力-時間(-)曲線、最大爆炸壓力圖()、最大壓力上升速率((d/d))以及達到最大壓力峰值的時間()，對以上爆炸特征參數(shù)進行分析，探討不同改性粉體對瓦斯煤塵復合爆炸的抑爆效果。

2 結果與討論

2.1 煤塵顆粒物化特性表征

..粒徑分析

激光粒度儀測試煤粉粒徑分布，如圖3所示。

圖3 煤塵顆粒的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of coal dust particles

根據(jù)過往研究，煤塵爆炸條件之一為煤塵必須能懸浮于空氣中，國際標準化組織規(guī)定中，粒徑小于75 μm的懸浮體為粉塵，根據(jù)檢測結果可得，煤樣中，90%左右粉末的粒徑小于58.8 μm，50%左右的粉末粒徑小于19.8 μm，10%左右粉末粒徑小于3.71 μm。本次試驗中煤塵顆粒滿足爆炸條件。

..掃描電鏡分析

為進一步研究煤塵表面形貌與微觀形態(tài)，使用掃描電子顯微鏡得到煤塵表面形態(tài)如圖4所示。

圖4 煤塵顆粒的掃描電鏡結果Fig.4 SEM image of coal dust particles

其中，圖4(a)為煤塵單體放大至5 000倍的SEM圖像，可以看出，煤塵形成了不規(guī)則的團聚物，表明煤塵自身具有一定的團聚性。圖4(b)為煤塵單體放大25 000倍的SEM圖像，可以看出，煤粉顆粒呈不規(guī)則的立體棱柱狀，表面結構復雜，分布微孔裂隙較多，可以看出煤塵顆粒平均直徑小于20 μm，與之前的粒徑分析結果相符。

2.2 高嶺土基復合粉體抑爆劑的表征結果

..X射線衍射分析(XRD)

從圖5高嶺土及改性高嶺土的XRD譜圖可以看出其層間距的變化。衍射峰16.4°為高嶺土的(001)類型晶面峰。此外，結合Prague方程，可知層間距為0.54 nm；當DMSO插層到高嶺土層間后，Ko-DMSO(001)晶面峰往左移到14.9°，說明DMSO成功插層到高嶺土層間，層間距擴大至0.60 nm；當KAc插層取代DMSO后，在Ko-KAc的XRD圖譜對應的(001)晶面峰發(fā)生了相應的變化，左移至13.1°，對應的層間距擴大至0.68 nm。Ko-AS對應的晶面峰同樣發(fā)生了左移，最終得到Ko-AS的層間距為0.72 nm。說明AS分子插層取代了Ko層間的KAc分子，改性取得了一定的效果。

圖5 高嶺土及改性高嶺土的XRD譜圖Fig.5 XRD patterns of kaolin and modified kaolin

..熱重分析

從圖6的TG及DTG曲線可以表征出Ko及3種改性產(chǎn)物在程序升溫過程中基團或化合物隨溫度變化的脫除情況。

圖6 高嶺土及改性高嶺土的TG及DTG曲線Fig.6 TG and DTG curves of kaolinite and modified kaolinite

從圖6(a)可以看出，高嶺土的熱分解曲線十分穩(wěn)定，說明了高嶺土作為多孔礦物質，具有良好的熱穩(wěn)定性及耐熱性。在改性插層之后，Ko-KAc的熱分解曲線有了明顯的變化，出現(xiàn)了2個主要的降解溫度段：在40～100 ℃，醋酸鉀的晶化過程及脫水引起了第1次失重；在450～600 ℃主要是高嶺土脫除羥基，生成水，這也說明KAc成功插層到高嶺土層間，破壞了層間氫鍵。經(jīng)過AS處理過后，Ko-AS的熱解曲線出現(xiàn)了3個主要的熱解溫度段，在150～220 ℃主要是AS中氨氣的脫除，在280～420 ℃主要是AS脫除氨氣后，剩下的氨基磺酸的脫除，最后在480～700 ℃與Ko-KAc類似，同樣是高嶺土脫除羥基生成水的過程，進一步說明AS插層成功。

..紅外分析

使用NICOLET 6700型傅里葉紅外光譜儀對改性高嶺土官能團變化進行探究，結果如圖7所示。

圖7 高嶺土及改性高嶺土的紅外波數(shù)曲線Fig.7 Infrared wavelength curves of kaolin and modified kaolin

..掃描電鏡(SEM)分析

圖8為Ko及3種改性粉體抑爆劑分別放大1 000 倍及10 000倍的掃描電鏡圖片，SEM圖像可以更加直接地表現(xiàn)出樣品的微觀形貌。

圖8 不同倍率的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.8 Scanning electron microscope images at different magnifications

在圖8(a)右圖可以看出高嶺土呈現(xiàn)出較為明顯的團聚現(xiàn)象。圖8(a)表明，高嶺土是典型的層狀硅酸鹽構造，微觀呈現(xiàn)出假六邊形的層狀結構。圖8(b)～(d)的左圖分別是改性后的Ko-DMSO，Ko-KAc，Ko-AS放大1 000倍的電鏡圖像，不難看出，在經(jīng)過改性后，3種改性粉體的團聚情況都有改善，Ko-AS的分散性最好。同樣地，在放大10 000倍的圖像(圖8(d)左圖)中也可以看出，改性之后，在高嶺土表面附著有改性的顆粒，使得粉體表面變得粗糙，更易附著在爆炸物質上，這也進一步證明了改性的成功。因此，通過改性改善了高嶺土團聚的現(xiàn)象，同時也彌補了高嶺土吸附性差的缺點。

2.3 不同種類改性高嶺土抑爆劑的抑爆效果對比

作為對比，首先通過標準的20 L球型爆炸裝置分別對不同的改性抑爆劑及煤塵進行了瓦斯爆炸抑制試驗，初始粉體質量濃度均設置為0.1 g/L。試驗結果如圖9所示。

圖9(a)為高嶺土、煤塵及改性粉體抑爆劑作用下瓦斯爆炸壓力隨時間的變化曲線。在爆炸開始時，壓力等于大氣壓。最大爆炸壓力()、最大壓力上升速率((d/d))和壓力峰值到達時間(max)是爆炸的主要特征指標，詳細爆炸數(shù)據(jù)見表1。特別是最大壓力上升率，即爆炸壓力隨時間變化的最大上升率，是衡量爆炸危險程度的重要參數(shù)。max為點火時刻至壓力上升至最大值的時間。綜合這些參數(shù)來評價抑制劑的抑制效果。粉體抑爆劑是在壓力上升階段通過物理或化學作用降低爆炸強度、阻礙鏈式反應，從而達到一定的抑制作用。

根據(jù)抑爆曲線分析，單純加入高嶺土以及煤塵對于甲烷爆炸的抑制效果不是很顯著。而隨著改性抑爆粉體的加入，甲烷最大爆炸壓力明顯降低，且壓力上升的速率顯著減緩，這表明粉體抑爆劑延長了到達爆炸峰值的時間，減緩了爆炸反應。爆炸壓力降低幅度按照改性順序DMSO,KAc,AS依次增大，其中Ko-AS的抑爆效果最為明顯，這是因為改性粒子中，氨基磺酸銨具有良好的吸熱性能同時在爆炸過程中分解吸熱，釋放出惰性氣體，減緩自由基結合，進一步抑制了爆炸反應。圖9(b)～(d)分別為,(d/d)和的對比。由圖9(b)～(d)可見，及(d/d)在加入抑爆粉體后均有所降低。相較于空爆情況，當選用Ko-AS作為抑爆劑時，最大爆炸壓力下降至0.53 MPa，下降幅度達到了29.7%，最大爆炸壓力速率下降至10.561 MPa/s，到達最大爆炸壓力的時間也延緩了0.317 s，可以充分說明改性后的Ko-AS在瓦斯抑爆性能上相較于未改性的高嶺土有了明顯的提升。

圖9 改性高嶺土抑爆劑抑制爆炸效果Fig.9 Inhibition effect of modified kaolin explosive suppressor on gas explosion

表1 不同改性高嶺土抑爆劑作用下爆炸平均特征參數(shù)

2.4 不同比例的煤塵/Ko-AS抑爆效果分析

為了探究改性高嶺土抑爆粉體與煤塵間的抑爆機制與抑爆效果，進一步開展了不同比例煤塵與抑爆劑的瓦斯/煤塵混合抑爆試驗，粉體質量濃度設置為0.1 g/L，改變煤塵與抑爆劑Ko-AS之間的比例，在體積分數(shù)為9.5%的甲烷氛圍下進行抑爆試驗，試驗結果如圖10所示。

圖10(a)為不同比例煤塵/Ko-AS作用下瓦斯爆炸壓力隨時間的變化曲線,隨著Ko-AS質量分數(shù)的增加，最大爆炸壓力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當Ko-AS的質量分數(shù)為40%時，展現(xiàn)出最佳的抑爆效果。圖10(b)～(d)分別為爆炸過程中，(d/d)和max的變化規(guī)律。特征參數(shù)見表2，可以看出，當Ko-AS的混合質量分數(shù)為40%時，及(d/d)達到最小值，與不添加抑制劑相比，分別下降了21.0%，67.5%，到達最大爆炸壓力的時間延緩至0.889 s，比煤粉爆炸情況延緩了0.285 s，明顯延緩了瓦斯煤塵爆炸?？梢园l(fā)現(xiàn)，Ko-AS的質量分數(shù)增加至40%后，抑爆效率逐漸降低，導致這一現(xiàn)象的主要原因有：Ko-AS在抑爆過程中，熱分解釋放出非燃燒性氣體，稀釋了外部環(huán)境中可燃氣體的體積濃度，同時熱分解吸熱降低了爆炸反應速率，從而起到了抑制效果。但是隨著Ko-AS的增加，過多Ko-AS的熱分解，使得球體內部氣壓迅速升高，從而導致抑爆效果受到影響。因此當Ko-AS的質量分數(shù)大于一定量(40%)時，抑制效果逐漸減弱。

圖10 不同質量分數(shù)Ko-AS下的抑爆效果Fig.10 Inhibition effect of Ko-AS with different mass fraction

2.5 不同質量濃度的Ko-AS抑爆效果分析

為進一步探究抑爆劑質量濃度對甲烷-煤塵復合爆炸特征參數(shù)的影響，進行了不同質量濃度的改性高嶺土與煤塵的爆炸抑制試驗。圖11展示了當Ko-AS相對煤粉的質量分數(shù)為40%時，不同質量濃度的混合粉體對于瓦斯煤塵混合爆炸的抑制作用。

圖11(a)為質量濃度分別為0.050,0.075,0.100,0.125,0.15,0.175,0.200 g/L的抑爆劑對瓦斯煤塵爆炸的抑爆壓力曲線，11(b)～(d)分別為最大爆炸壓力、最大壓力上升速率和爆炸峰值時間，平均特征參數(shù)見表3。隨著抑爆劑質量濃度的增加，對瓦斯煤塵混合爆炸的抑制效果越強，在質量濃度達到0.175 g/L時，抑爆效果最佳，最大爆炸壓力的降幅達到了32.6%，爆炸峰值時間延緩了0.45 s。當質量濃度大于0.175 g/L時，最大爆炸壓力及到達峰值時間都逐步增加，抑爆效果減弱，這是因為，在有限的爆炸球空間中，粉體質量濃度過高，會導致粉體團聚現(xiàn)象加重，減弱粉體的熱分解效率，從而減弱抑爆的效果。因此，當Ko-AS質量分數(shù)為40%，質量濃度為0.175 g/L 時抑爆效果最佳，在對于瓦斯煤塵抑爆的后續(xù)工作中，可以根據(jù)現(xiàn)場情況配備適當量的抑爆劑。

圖11 不同質量濃度Ko-AS的抑爆效果Fig.11 Inhibition effect of Ko-AS with different concentrations

表3 不同質量濃度高嶺土抑爆劑作用下爆炸平均特征參數(shù)

2.6 高嶺土基改性抑爆粉體抑制瓦斯煤塵爆炸機理

爆炸主要是連鎖反應和熱力作用的結果。HO·和H·自由基是其中的關鍵自由基維持連鎖反應，引發(fā)爆炸反應，然后這些自由基既有高能量、又有高頻率的特點。一旦這些自由基產(chǎn)生，就會觸發(fā)更多的自由基，自由基循環(huán)繼續(xù)導致爆炸。同時，大量燃燒熱從鏈反應中釋放出來，使系統(tǒng)溫度升高。而快速升高的溫度會加速化學反應和熱釋放。從而使得系統(tǒng)的熱負荷超過散熱，導致爆炸。

(1)物理抑爆機理。高嶺土具有特殊的層狀硅酸鹽類與多孔結構。在反應過程中產(chǎn)生的HO·和H·自由基可被高嶺土物理吸附，降低了自由基碰撞的概率。此外高嶺土作為多孔黏土，孔隙的特性可以加強隔熱，增大在爆炸過程中的熱量消耗。由SEM圖像可以看出，通過改性使得高嶺土的吸附能力與分散性得到提升，增大了高嶺土的比表面積，改性后的高嶺土進一步增強了捕獲自由基的能力。此外，插層中的粒子氨基磺酸銨受熱分解吸收熱量，同時釋放出大量惰性氣體，減少了氧氣可燃物與氧化反應中自由基的接觸，這些因素在爆炸時起到了物理的協(xié)同抑制作用，從而抑制了爆炸壓力的上升與發(fā)展。

(2)化學抑爆機理。瓦斯煤塵復合物的爆炸是指混合物在熱源作用下與氧氣發(fā)生復雜的物理化學作用過程。瓦斯煤塵的預混爆炸包括氣體的均勻燃燒和焦炭顆粒的不均勻燃燒。主要的化學反應(Vol為瓦斯煤塵混合物)為

(1)

改性高嶺土在爆炸反應過程中，層間的插層粒子AS會發(fā)生分解反應，氨基磺酸銨的熱分解和相應的水汽化可以大量吸收爆炸反應產(chǎn)生的熱量，降低系統(tǒng)溫度，減緩爆炸強度。按照阿侖尼烏斯分子反應理論，反應速率常數(shù)=exp(-)，其中為速率常數(shù)，為指前因子，為溫度指數(shù)，為活化能，為氣體常數(shù)，為氣體溫度。反應速率=[CH][O]，其中，,為甲烷及氧氣的反應級數(shù)。由此可見，溫度的降低使煤塵氧化反應速率常數(shù)減小，而煤塵氧化反應速率與反應速率常數(shù)成正比，因而降低溫度使瓦斯氧化反應速率降低，自由基增長減慢，而消耗加快。當溫度低于一特定值時，自由基消耗速度大于增長速度，反應自行停止。AS的分解如式(2)所示，自由基具有很高的化學活性，這是因為對應原子團的電子殼層不完整。其中含N，S的自由基可以在煤塵爆炸過程中代替活性基團·HCO-CH·，生成穩(wěn)定產(chǎn)物，從而減慢自由基增長的速度?；谝陨戏磻?，抑爆劑通過快速奪取HO·和H·自由基，從而抑制爆炸反應鏈，抑制爆炸的進一步發(fā)展。許多研究表明，分解過程中，AS上分解產(chǎn)生的大量惰性氣體可以稀釋爆炸氣體濃度，同時在反應過程中AS分解產(chǎn)生 NH·自由基與H·，HO·自由基反應，能持續(xù)促進對H·，HO·自由基和氧的消耗，從而抑制瓦斯煤塵混合爆炸，化學方程式如式(3)～(5)所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

綜上所述，改性高嶺土抑爆劑Ko-AS對于瓦斯煤塵混合爆炸表現(xiàn)出優(yōu)秀的物理抑制與化學抑制，二者的協(xié)同增效作用下，起到良好的抑爆效果。

3 結 論

(1)高嶺土的多孔結構增加了自由基的接觸面積，通過插層改性可以增大高嶺土的比表面積與分離度，使得高嶺土在抑爆過程中具有更好的分散性與抗團聚性，高嶺土具備的多孔結構特性確保其對自由基的吸附作用，同時通過插層粒子的分解反應加強爆炸過程中的熱量消耗，稀釋爆炸氣體濃度，提高了抑制瓦斯煤塵混合爆炸的效率。

(2)在瓦斯煤塵混合抑爆中，當改性抑爆劑Ko-AS相對煤塵質量分數(shù)小于40%時，隨著抑爆劑Ko-AS的增加，抑爆效率進一步提升，在質量分數(shù)為40%時抑爆效果最佳，當質量分數(shù)超過40%時，隨著抑爆劑增加，抑爆效果逐步減弱。

(3)當抑爆劑相對煤塵質量分數(shù)為40%時，隨著抑爆粉體在爆炸中質量濃度的提升，對及(d/d)的抑制效果也逐步提升，在質量濃度為0.175 g/L時抑制效果到達最佳，此后隨著粉體質量濃度增加抑爆效果逐漸減弱。

(4)爆炸壓力、爆炸上升速率等爆炸參數(shù)充分表明，高嶺石基改性抑爆劑能對瓦斯煤塵混合爆炸起到顯著的抑制作用，證實了插層改性的可實施性。為進一步探究高嶺土插層改性及進一步開發(fā)高性能的瓦斯煤塵爆炸抑制劑提供了新的思路。

[1] 葉蘭. 我國瓦斯事故規(guī)律及預防措施研究[J]. 中國煤層氣,2020,17(4):44-47.

YE Lan. Study on law of gas accidents and preventive measures in China [J]. China Coalbed Methane,2020,17(4):44-47.

[2] 郭建平. 煤礦爆炸事故及救援技術分析[J]. 當代化工研究,2021,84(7):163-164.

GUO Jianping. Analysis of coal mine explosion accident and rescue technology [J]. Contemporary Chemical Industry Research,2021,84(7):163-164.

[3] 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展[J]. 安全,2021,42(1):1-13,15,89.

NIE Baisheng,WANG Xiaotong,GONG Jie,et al. Research progress on explosion characteristics and explosion suppression methods of gas and coal dust. [J]. Safety,2021,42(1):1-13,15,89.

[4] 司榮軍,王磊,賈泉升. 瓦斯煤塵爆炸抑隔爆技術研究進展[J]. 煤礦安全,2020,51(10):98-107.

SI Rongjun,WANG Lei,JIA Quansheng. Research progress of gas and coal dust explosion suppression and isolation technology[J].Safety in Coal Mines,2020,51(10):98-107.

[5] 余明高,陽旭峰,鄭凱,等. 我國煤礦瓦斯爆炸抑爆減災技術的研究進展及發(fā)展趨勢[J]. 煤炭學報,2020,45(1):168-188.

YU Minggao,YANG Xufeng,ZHENG Kai,et al. Research progress and development trend of coal mine gas explosion suppression and mitigation technology in China [J]. Journal of China Coal Society,2020,45(1):168-188.

[6] TAN Bo,SHAO Zhuangzhuang,XU Bin,et al,Analysis of explosion pressure and residual gas characteristics of micro-nano coal dust in confined space[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2020,64:104056.

[7] 王發(fā)輝,陳衛(wèi),溫小萍,等. 超聲細水霧管內瓦斯爆炸的試驗[J]. 安全與環(huán)境學報,2019,19(6):1971-1977.

WANG Fahui,CHEN Wei,WEN Xiaoping,et al. Experiment of ultrasonic fine water Mist restraining gas explosion in pipe [J]. Journal of Safety and Environment,2019,19(6):1971-1977.

[8] 薛少謙,司榮軍,張延松. 細水霧抑制瓦斯爆炸試驗研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保,2013,40(1):4-7.

XUE Shaoqian,SI Rongjun,ZHANG Yansong. Experimental study on suppression of gas explosion by fine water mist [J]. Mining Safety and Environmental Protection，2013,40(1):4-7.

[9] 羅振敏,劉榮瑋,程方明,等. 煤塵爆炸的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保,2020,47(2):94-98.

LUO Zhenmin,LIU Rongwei,CHENG Fangming,et al. Research status and development trend of coal dust explosion [J]. Mining Safety and Environmental Protection,2020,47(2):94-98.

[10] 黃子超. 煤礦井下主動抑爆減災系統(tǒng)研究[J]. 現(xiàn)代制造技術與裝備,2020,56(8):62-64.

HUANG Zichao. Research on active explosion suppression and disaster reduction system in coal mine [J]. Modern Manufacturing Technology and Equipment,2020,56(8):62-64.

[11] 李卓然,夏遠辰,張彬,等. 細水霧對置障管內預混氣體抑爆機理研究[J]. 消防科學與技術,2021,40(6):884-887.

LI Zhuoran,XIA Yuanchen,ZHANG Bin,et al. Study on detonation suppression mechanism of premixed gas in water mist barrier tube [J]. Fire Science and Technology,2021,40(6):884-887.

[12] 陳彪,馮蕭,張皓天,等. 超細水霧抑制甲烷-煤塵復合爆炸的實驗研究[J]. 消防科學與技術,2021,40(7):1046-1051.

CHEN Biao,FENG Xiao,ZHANG Haotian,et al. Experimental study on suppression of methane-coal dust compound explosion by ultrafine water mist [J]. Fire Science and Technology,2021,40(7):1046-1051.

[13] 陳星,王鳳英,劉天生. 瓦斯爆炸抑制材料特性及其作用研究述評[J]. 工程爆破,2012,18(1):100-102.

CHEN Xing,WANG Fengying,LIU Tiansheng. Review on properties and effects of gas explosion inhibiting materials[J]. Engineering Blasting,2012,18(1):100-102.

[14] 余明高,付元鵬,鄭立剛,等. 碳酸氫鈉粉體對導管泄爆過程的影響[J]. 爆炸與沖擊,2021,41(9):1-14.

YU Minggao,FU Yuanpeng,ZHENG Ligang,et al. Effect of sodium bicarbonate powder on the discharge process of pipe [J]. Explosion and Shock Waves,2021,41(9):1-14.

[15] 余明高,王雪燕,鄭凱,等. 催化型復合粉體抑爆劑抑制瓦斯爆炸壓力實驗研究[J]. 煤炭學報,2021,47(1):3212-3220.

YU Minggao,WANG Xueyan,ZHENG Kai,et al. Experimental study on gas explosion pressure controlled by catalytic compound powder explosive suppressor [J]. Journal of China Coal Society,2021,47(1):3212-3220.

[16] 孫超倫,張一民,裴蓓,等. 惰氣/赤泥兩相抑爆劑抑制瓦斯爆炸試驗研究[J]. 中國安全科學學報,2020,30(10):112-118.

SUN Chaolun,ZHANG Yimin,PEI Bei,et al. Experimental study on gas explosion suppression by inert gas/red mud two-phase explosive suppressor[J]. China Safety Science Journal,2020,30(10):112-118.

[17] YU Minggao,WANG Xueyan,ZHENG Kai,et al. Investigation of methane/air explosion suppression by modified montmorillonite inhibitor[J]. Process Safety and Environmental Protection,2020,144:337-348.

[18] 王燕,程義伸,曹建亮,等. 核-殼型KHCO/赤泥復合粉體的甲烷抑爆特性[J]. 煤炭學報,2017,42(3):653-658.

WANG Yan,CHENG Yishen,CAO Jianliang,et al. Methane suppression characteristics of core-shell KHCO/red mud composite powder[J]. Journal of China Coal Society,2017,42(3):653-658.

[19] 王信群,王婷,徐海順,等. BC 粉體抑爆劑改性及抑制甲烷/空氣混合物爆炸[J]. 化工學報,2015,66(12):5171-5178.

WANG Xinqun,WANG Ting,XU Haishun,et al. Modification of commercial BC dry chemical powder suppressant and experiments on suppression of methane-air explosion [J]. Journal of Chemical Industry,2015,66(12):5171-5178.

[20] 袁必和,陶紅吉,孫亞如,等. 多孔礦物-聚磷酸銨對甲烷爆炸的協(xié)同抑制研究[J]. 中國安全科學學報,2021,31(3):41-46.

YUAN Bihe,TAO Hongji,SUN Yaru,et al. Synergistic suppression of methane explosion by porous mineral and ammonium polyphosphate. [J]. China Safety Science Journal,2021,31(3):41-46.

[21] 孔杰,赤泥基復合粉體抑爆材料制備及其抑爆性能實驗研究[D]. 焦作：河南理工大學,2014.

KONG Jie. Experimental study on preparing red mad based composite powder and It’s explosion suppression performance[D].Jiaozuo: Henan Polytechnic University,2014.

[22] SINGHA L A,SKANDA N G. On nanoparticle aggregation during vapour phasesynthesis[J]. Nanostructured Materials，1999,11(4):545-547．

[23] 朱益萍,王學剛,聶世勇,等. 黏土礦物材料在含鈾廢水處理中的應用研究進展[J]. 水處理技術,2019,45(7):13-17,29.

ZHU Yiping,WANG Xuegang,NIE Shiyong,et al. Research progress in the application of clay mineral materials to the treatment of uranium containing wastewater [J]. Water Treatment Technology,2019,45(7):13-17,29.

[24] 宋理想. 插層改性高嶺土在聚丙烯/膨脹阻燃體系的阻燃應用及機理分析[D]. 北京：北京化工大學,2017.

SONG Lixiang. The effect of intercalated kaolinite on the flame retardancy of polypropylene and mechanism research[D]. Beijing:Beijing University of Chemical Technology,2017.

[25] 程運,王昕曄,呂文婷,等. 高嶺土高溫吸附重金屬和堿金屬的研究進展[J]. 化工進展,2019,38(8):3852-3865.

CHENG Yun,WANG Xinye,Lü Wenting,et al. Research Progress of high temperature adsorption of heavy metals and alkali metals by Kaolin [J]. Chemical Industry Progress,2019,38(8):3852-3865.

[26] 孟宇航,尚璽,張乾,等. 高嶺土的功能化改性及其戰(zhàn)略性應用[J]. 礦產(chǎn)保護與利用,2019,39(6):69-76.

MENG Yuhang,SHANG Xi,ZHANG Qian,et al. Functional modification of kaolin and its strategic application[J]. Protection and Utilization of Mineral Resources,2019,39(6):69-76.

[27] TANG Wufei,ZHANG Sheng,SUN Jun,et al. Effects of surface acid-activated Kaolinite on the fire performance of polypropylene composite[J]. Thermochimica Acta,2017,648(10):1-12.

[28] 劉明泉,金盈,李碩,等. 改性高嶺土的制備及其應用[J]. 中國陶瓷,2021,57(4):68-72.

LIU Mingquan,JIN Ying,LI Shuo,et al. Preparation and application of modified kaolin [J]. China Ceramics,2021,57(4):68-72.

[29] SUN Yaru,YUAN Bihe,CHEN Xianfeng,et al. Suppression of methane/air explosion by kaolinite-based multi-component inhibitor[J]. Powder Technology,2018,343:279-286.

[30] 張濤,閆雷,鞏柯語,等. 超聲波輔助插層-剝離法制備煤系高嶺土微粉的研究[J]. 硅酸鹽通報,2020,39(12):3932-3938.

ZHANG Tao,YAN Lei,GONG Keyu,et al. Preparation of coal measure kaolin powder by ultrasonic assisted intercalation and stripping method[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2020,39(12):3932-3938.

[31] 張培青,劉思成,何理均,等. 高嶺土/二甲基亞砜插層物合成ZSM-5沸石的表征[J]. 石油學報(石油加工),2019,35(3):473-478.

ZHANG Peiqing,LIU Sicheng,HE Lijun,et al. Characterization of ZSM-5 zeolite synthesized from kaolin/dimethyl sulphoxide intercalation [J]. Acta Petrolei Sinica,2019,35(3):473-478.

[32] 劉陽,陳子升. 高嶺土的改性及其應用研究[J]. 中國陶瓷,2020,56(3):74-78.

LIU Yang,CHEN Zisheng. Study on modification and application of kaolin[J]. China Ceramics,2020,56(3):74-78.

[33] 姜海鵬. 煤塵濃度對瓦斯爆炸極限的影響研究[D]. 北京：煤炭科學研究總院,2014.

JIANG Haipeng. Study on the influence of coal dust concentration upon gas explosion iimit[D]. Beijing:Coal Research Institute,2014.

[34] 胡建民,王蕊,王春婷,等. 晶體X射線衍射模型和布拉格方程的一般推導[J]. 大學物理,2015,34(3):1-2.

HU Jianmin,WANG Rui,WANG Chunting,et al. Crystal X-ray diffraction model and general derivation of bragg equation [J]. College Physics,2015,34(3):1-2.

[35] 熊廷偉. 煤礦瓦斯爆炸事故樹分析[J]. 內蒙古煤炭經(jīng)濟,2020(13):112-113.

XIONG Tingwei. Tree analysis of coal mine gas explosion accident [J]. Inner Mongolia Coal Economy,2020(13):112-113.

[36] GUO Chaowei,SHAO Hao,JIANG Shuguang,et al. Effect of low-concentration coal dust on gas explosion propagation law[J]. Powder Technology,2020,367:243-252.

[37] 盧瑞,鐘祥熙,殷堯禹,等. 基于高嶺土多孔基板的InO微米梳制備及其氣敏性能[J]. 金屬礦山,2019,518(8):185-191.

LU Rui,ZHONG Xiangxi,YIN Yaoyu,et al. Preparation and gas-sensitive properties of InOmicrocomb based on porous Kaolin substrate [J]. Metal Mine,2019,518(8):185-191.

[38] LI Dengke,LIU Jing,ZHAO Qi,et al. Suppression of methane/coal

dust deflagration flame propagation by CO/fly ash as a flue gas layer[J]. Advanced Powder Technology,2021,32(8):2770-2780.

[39] LIU Rongzheng,ZHANG Meichang,JIA Baoshan. Application of gas explosion nanometer powder suppression material in coal mine safety[J]. Integrated Ferroelectrics,2021,217(1):240-254.

[40] XU Zhisheng,XIE Xiaojiang,YAN Long,et al. Fabrication of organophosphate-grafted kaolinite and its effect on the fire-resistant and anti-ageing properties of amino transparent fire-retardant coatings[J]. Polymer Degradation and Stability,2021,188:125-134.

[41] DARIA A Kosova,ANNA I Druzhinina,LYUDMILA A Tiflova,et al. Thermodynamic properties of ammonium sulfamate[J]. The Journal of Chemical Thermodynamics,2019,132:432-438.

[42] XIANG Hengxue,LI Lili,CHEN Wei,et al. Flame retardancy of polyamide 6 hybrid fibers:Combined effects of α-zirconium phosphate and ammonium sulfamate[J]. Progress in Natural Science:Materials International,2017,27(3):369-373.

[43] 王相. 復合粉體抑爆劑對煤塵爆炸的抑制特性及機理研究[D]. 青島：山東科技大學,2019.

WANG Xiang. Research on the explosion suppression characteristics and mechanism of composite powder explo-sion suppressant for coal dust explosion[D]. Qingdao:Shandong University of Science and Technology, 2019.

[44] PAI-DJV. Svante arrhenius & ionic dissociation of electrolytes. [J]. The Journal of the Association of Physicians of India,2016,64(10):256-261.

[45] ALEKSANDR S KazachenKo,FERIDE Akman,HAFEDH Abdelmoulahi,et al. Intermolecular hydrogen bonds Interactions in water clusters of ammonium Sulfamate:FTIR,X-ray diffraction,AIM,DFT,RDG,ELF,NBO analysis[J]. Journal of Molecular,2021,342,doi. org/10. 1016/j. molliq. 2021. 117475.