CN110981660A

CN110981660A - 一种岩煤预裂剂及其制备方法

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Publication number: CN110981660A
Application number: CN201911226787.2A
Authority: CN
Inventors: 熊伟强; 朱雯娟; 朱文博; 周重洋; 王鹏; 付文斌; 李忠友; 赵新岩
Original assignee: Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology
Current assignee: Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-12-04
Also published as: CN110981660B

Abstract

本发明提供了一种岩煤预裂剂及其制备方法。该预裂剂不含单质金属粉，其燃温介于2800K～3200K之间，实测比容大于600L/kg；3MPa的实测燃速大于100mm/s，5MPa的实测燃速大于200mm/s，1MPa～10MPa的燃速压强指数不小于1.5。该岩煤预裂剂的安全性能好，摩擦感度与撞击感度均不大于20％，静电火花感度大于120mJ。5s延滞期爆发点大于300℃，危险等级属于1.3级，本发明的岩煤预裂剂生产工艺简单，成本低，无需固化、造粒，适合大批量生产。其适用于岩石、煤层、矿山***等领域。

Description

一种岩煤预裂剂及其制备方法

技术领域

本发明属于烟火药技术领域，具体涉及一种岩煤预裂剂及其制备方法。

背景技术

煤炭是中国储量最多、分布最广的不可再生战略资源。中国大中型煤矿约2万多家，年产煤35亿吨。

我国煤矿开采从最初的手采—炮采—普采—综采(连采)等发展阶段，至今逐渐形成了炮采、普采、综采(连采)工艺并存的局面，综采是中大型地下煤矿机械化程度最高、采用最多的工艺。不管哪种开采工艺，煤层的松动预裂，一直研究的核心问题。

目前，国内外现用或正在开发的预裂技术主要有：1)以高压水泵进行水力冲孔、水力割裂的水力压裂技术；2)基于******的松动***技术；3)基于二氧化碳开采器的气体冲击技术；其中水力压裂技术压裂效果与预期相差甚远，而***、***的***威力虽然巨大，但作用范围小、冲击波大，在增大放炮量后，放煤效果勉强达到作业要求；二氧化碳***器设备复杂，需要注入液态二氧化碳，无法用于放顶煤、切顶作业。

发明内容

本发明的目的是提供一种岩煤预裂剂及其制备方法，该岩煤预裂剂对压强具有敏感性，能在短时间(毫米级)内爆燃产生高速高压气体作用于岩层、煤层上，通过其快速升压使作用力超过岩层、煤层的破裂应力，形成多条不可愈合的放射状的径向裂缝，从而达到岩煤增产的目的。

本发明的技术方案是，一种岩煤预裂剂，包括如下质量百分比的组分：粘合剂：1.0％～2.5％；增塑剂：1.0％～2.5％；氧化剂：60％～72％；燃料：25％～35％；燃速调节剂：0.5％～2.0％；所述燃料为硝酸胍、碳粉和有机-无机杂化分子钙钛矿型高能物质(H₂dabco)²⁺[M⁺(ClO₄ ^-)₃]的组合物；所述(H₂dabco)²⁺[M⁺(ClO₄ ^-)₃]简称DAP，其中H₂dabco为三乙撑二胺，M⁺为Na⁺、K⁺、Ru⁺、NH₄ ⁺中的一种。

进一步的，上述硝酸胍的粒度范围为60μm≤d₅₀≤100μm，其含量按质量分数计不超过燃料总量的1/3。

进一步的，上述碳粉的粒度范围为d₅₀≤10μm，其含量按质量分数计不超过燃料总量的1/4。

进一步的，上述DAP的粒度范围40≤d₅₀≤120μm，其功能是提高岩煤预裂剂的燃速与燃速压强指数。进一步的，上述粘合剂为端羟基聚丁二烯、端羧基聚丁二烯、液体酚醛树脂中的一种或组合；所述增塑剂为癸二酸二辛酯、癸二酸二异辛酯、三乙酸甘油酯(TA)中的一种或几种。

进一步的，上述氧化剂为高氯酸钾。

更进一步的，上述高氯酸钾分为Ⅰ类，Ⅱ类，Ⅲ类；其中Ⅰ类高氯酸钾的粒度d₅₀为10μm～30μm，其含量为高氯酸钾总质量的15％～35％，Ⅱ类高氯酸钾的粒度d₅₀为40μm～80μm,其含量为高氯酸钾总质量的45％～85％，Ⅲ类高氯酸钾的粒度d₅₀为100μm～150μm,其含量为高氯酸钾总质量的0％～15％。本发明的氧化剂采取了颗粒级配，能进一步调控岩煤预裂剂的燃速。

进一步的，上述燃速调节剂为三氧化二铁和二茂铁的组合物；其粒度范围d₅₀≤5μm。

本发明同时提供了上述岩煤预裂剂制备方法，它包括以下步骤：

(1)按配方组成称量各物质，先将粘合剂、增塑剂、燃速调节剂与燃料DAP加入到立式混合机中混合，转速60r/min～80r/min，混合时间为4min～8min；混合温度为30～40℃；

(2)将燃料碳粉与硝酸胍加入到立式混合机中混合，转速60r/min～80r/min，混合时间为4min～8min；混合温度为30～40℃；

(3)将一半重量的氧化剂加入到立式混合机中混合，转速60r/min～80r/min，混合时间为4min～8min；混合温度为30～40℃；

(4)将另一半重量的氧化剂加入到立式混合机中混合，转速60r/min～80r/min，混合时间为4min～8min；混合温度为30～40℃；

(5)出料，得到岩煤预裂剂。

本发明的原理是利用岩煤预裂剂快速燃烧，然后爆燃，最后转化为低速爆轰，同时能对岩层以及煤层进行压裂以及***。

本发明根据燃速公式r＝aPⁿ，从配方上进行设计，尽可能的提高a值和n值，通过大量试验验证，使a值与n值满足要求。

本发明通过100ml密闭爆发器试验，得到了岩煤预裂剂的p-t曲线，通过p-t曲线，得出了压强拐点(5MPa)。本发明的初衷就是尽可能的提高基础燃速，从而提高压强拐点(5MPa)处的燃速，从而使其在极短的时间内爆燃，最终达到爆轰的目的。

本发明采取氧化剂与燃料颗粒级配，能使药剂形成较好的自然堆积状态，加之本发明中的燃料DAP不仅能提高燃温，还能提高燃速与燃速压强指数，通过与燃烧催化剂氧化铁与二茂铁的协同作用，能大幅度提高岩煤预裂剂的燃速与压强指数，从而使岩煤预裂剂燃烧速度极快，加之其对压强敏感，在封闭条件下，能快速建立压力，在较短时间(毫米级)内实现爆燃，产生高速高压气体作用于岩层、煤层上，通过其快速升压使作用力超过岩层、煤层的破裂应力，形成多条不可愈合的放射状的径向裂缝，从而达到岩煤增产的目的

本发明的岩煤预裂剂减少了现有******后产生的冲击波对人体的危害，提高了采煤回收率。目前采用******技术，采煤的回收率最高只有70％，本发明的岩煤预裂剂采煤回收率能达到80％以上，且本发明的岩煤预裂剂不会出现如铵油***、乳化***等压死现象，降低了哑炮的出现率。

本发明的岩煤预裂剂与固体火箭用推进剂有本质的区别，火箭用推进剂要求比冲较高，压强指数不大于0.5，便于固体火箭发动机稳定工作；众所周知，燃速越高，危险性越大。现有的固体推进剂本体燃速超过60mm/s(7MPa)，其摩擦感度与撞击感度均接近100％。本发明通过提高压强指数，来提高岩煤预裂剂的燃速，不仅可以极大的提高燃速，同时也能保持较好的安全性能，本发明的岩煤预裂剂在常温常压下只燃烧，不会爆燃，只有在封闭条件(如封闭炮孔内)下发生爆燃以及爆轰。现有推进剂很难在实现高燃速(7MPa的燃速大于60mm/s)的同时，保持较好的安全性。

本发明与***也有本质的区别，本发明的岩煤预裂剂无***感度，不能用***起爆，只能通过点火具引燃。本发明岩煤预裂剂的危险等级为1.3级；所述预裂剂的燃温介于2800K～3200K之间，所述预裂剂的3MPa的燃速大于100mm/s，5MPa的燃速大于200mm/s，1MPa～10MPa的燃速压强指数不小于1.5；所述预裂剂的100ml密闭爆发器试验的P-t曲线达到峰值压力的时间不超过20ms，试验药剂量不超过8g。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

1)本发明岩煤预裂剂的燃温介于于2800K～3200K之间，实测比容大于600L/kg；比容的测试标准按照《GJB737.9火工品药剂试验方法气体比容测定》执行。

2)本发明岩煤预裂剂的燃速及压强指数高，3MPa的实测燃速大于100mm/s，5MPa的实测燃速大于200mm/s，1MPa～10MPa的燃速压强指数不低于1.5；测试方法《GJB770b方法706.1燃速靶线法》。

3)本发明岩煤预裂剂的安全性能较好，摩擦感度与撞击感度均不大于20％，静电火花感度大于120mJ；5s延滞期爆发点大于300℃。摩擦感度的测试条件为3.92MPa，90°，撞击感度的测试条件为10kg，50cm。

4)本发明岩煤预裂剂危险等级属于1.3级。

5)本发明岩煤预裂剂能被电引火头、电点火器等民用火工器材点燃，且在常温常压下只燃烧不爆轰，只有在密闭的条件下，才会由燃烧转爆轰。

6)本发明岩煤预裂剂的制备方法中不包括造粒、压片等工艺，生产过程中无粉尘，生产周期短，生产成本低，可以连续化大规模生产。

附图说明

从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

附图1为本发明实施例所得岩煤预裂剂的P-t曲线。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种岩煤预裂剂，其配方组成(按质量百分比计算)如下：

粘合剂：HTPB，1.5％；

增塑剂：癸二酸二辛酯，1.0％；

燃料：硝酸胍，11％；

燃料：C粉，8％；

燃料：DAP，14％，其中M为K⁺；

燃速调节剂：0.5％，其中氧化铁含量为配方总质量的0.2％；

氧化剂：KP，64％；其中I类KP含量为KP总质量的30％，Ⅱ类KP含量为KP总质量的55％；Ⅲ类KP含量为KP总质量的15％；

制备方法：

(1)按上述所选定配方比例称量，先将粘合剂HTPB、癸二酸二辛酯、调速调节剂、燃料DAP加入到声共振混合机中混合，混合速度为20g(重力加速度)；混合时间为7min；混合温度为30～40℃；

(2)将其余燃料加入到声共振混合机中混合，混合速度为40g；混合时间为7min；

(2)将1/2KP加入到声共振混合机中混合，混合速度为40g；混合时间为7min；

(3)将1/2KP加入到声共振混合机中混合，混合速度为45g；混合时间为8min；

(4)出料，得到岩煤预裂剂。

所得岩煤预裂剂的3MPa燃速为108.5mm/s，5MPa的燃速为212mm/s，1MPa～10MPa的压强指数为1.5，燃温为3094.32K，比容为635.5L/kg；摩擦感度为16％，撞击感度为12％，5s延滞期爆发点位310.2℃，危险等级为1.3级。图1为所得岩煤预裂剂的P-t曲线

实施例2

一种岩煤预裂剂，其配方组成(按质量百分比计算)如下：

粘合剂：HTPB，1.5％；

增塑剂癸二酸二异辛酯，1.5％；

燃料：硝酸胍，8％；

燃料：C粉，6％；

燃料：DAP，12％，其中M为NH₄ ⁺；

燃速调节剂：1.0％，其中氧化铁含量为配方总量的0.5％；

氧化剂：KP，70％；其中I类KP含量为KP总质量的20％，Ⅱ类KP含量为KP总质量的70％；Ⅲ类KP含量为KP总质量的10％；

制备方法：

(4)出料，得到岩煤预裂剂。

所得岩煤预裂剂3MPa的燃速为125.7mm/s，5MPa的燃速为235.3mm/s，1MPa～10MPa的压强指数为1.8。5MPa的燃温为3037.63K，比容为610.5L/kg；

摩擦感度为8％，撞击感度为8％，5s延滞期爆发点位305.4℃，危险等级为1.3级。

实施例3

一种岩煤预裂剂，其配方组成(按质量百分比计算)如下：

粘合剂：CTPB，1.5％；

增塑剂癸二酸二异辛酯，1.5％；

燃料：硝酸胍，11％；

燃料：C粉，8％；

燃料：DAP，16％，其中M为NH₄ ⁺；

燃速调节剂：1.0％，其中氧化铁含量为配方总量的0.4％；

氧化剂：KP，61％；其中I类KP含量为为KP总质量的25％，Ⅱ类KP含量为为KP总质量的65％；Ⅲ类KP含量为KP总质量的10％；

制备方法：

(1)按上述所选定配方比例称量，先将粘合剂CTPB、癸二酸二异辛酯、调速调节剂、燃料DAP加入到声共振混合机中混合，混合速度为20g(重力加速度)；混合时间为5min；混合温度为30～40℃；

(2)将其余燃料加入到声共振混合机中混合，混合速度为40g；混合时间为6min；

(2)将1/2KP加入到声共振混合机中混合，混合速度为40g；混合时间为4min；

(3)将1/2KP加入到声共振混合机中混合，混合速度为45g；混合时间为5min；

(4)出料，得到预裂剂。

所得岩煤预裂剂3MPa燃速为115.7mm/s，5MPa的燃速为222.3mm/s，1MPa～10MPa的压强指数为1.6。燃温为3086.75K，比容为651.3L/kg；摩擦感度为8％，撞击感度为8％，5s延滞期爆发点位305.4℃，危险等级为1.3级。

实施例4

一种岩煤预裂剂，其配方组成(按质量百分比计算)如下：

粘合剂：液体酚醛树脂，1.0％；

增塑剂：三乙酸甘油酯，1.0％；

燃料：硝酸胍，10％；

燃料：C粉，7％；

燃料：DAP，13％，其中M为Na⁺；

燃速调节剂：1.0％，其中氧化铁含量为配方总量的0.3％；

氧化剂：KP，67％；其中I类KP含量为为KP总质量的15％，Ⅱ类KP含量为为KP总质量的80％；Ⅲ类KP含量为KP总质量的5％；

制备方法：

(1)按上述所选定配方比例称量，先将粘合剂酚醛树脂、三乙酸甘油酯、调速调节剂、燃料DAP加入到声共振混合机中混合，混合速度为20g(重力加速度)；混合时间为5min；混合温度为30～40℃；

(2)将其余燃料加入到声共振混合机中混合，混合速度为40g；混合时间为5min；

(2)将1/2KP加入到声共振混合机中混合，混合速度为40g；混合时间为5min；

(4)出料，得到预裂剂。

所得岩煤预裂剂3MPa燃速为103.8mm/s，5MPa的燃速为212.7mm/s，1MPa～10MPa的压强指数为1.6。燃温为3039.22K，比容为641.2L/kg；

摩擦感度为4％，撞击感度为4％，5s延滞期爆发点位308.7℃，危险等级为1.3级。

实施例5

一种岩煤预裂剂，其配方组成(按质量百分比计算)如下：

粘合剂：CTPB，2.0％；

增塑剂：三乙酸甘油酯，2.0％；

燃料：硝酸胍，10％；

燃料：C粉，8％；

燃料：DAP，14％，其中M为NH₄ ⁺；

燃速调节剂：1.0％，其中氧化铁含量为配方总量的0.6％；

氧化剂：KP，63％；其中I类KP含量为KP总质量的20％，Ⅱ类KP含量为KP总质量的80％；

制备方法：

(4)出料，得到预裂剂。

所得岩煤预裂剂3MPa燃速为112.9mm/s，5MPa的燃速为216.5mm/s，1MPa～10MPa的压强指数为1.65。燃温为3047.73K，比容为650.3L/kg；

摩擦感度为4％，撞击感度为4％，5s延滞期爆发点位305.6℃，危险等级为1.3级。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.一种岩煤预裂剂，其特征在于，包括如下质量百分比的组份：

粘合剂：1.0％～2.5％；

增塑剂：1.0％～2.5％；

氧化剂：60％～72％；

燃料：25％～35％；

燃速调节剂：0.5％～2.0％；

所述燃料为硝酸胍、碳粉和有机-无机杂化分子钙钛矿型高能物质(H₂dabco)²⁺[M⁺(ClO₄ ^-)₃]的组合物；所述(H₂dabco)²⁺[M⁺(ClO₄ ^-)₃]简称DAP，其中H₂dabco为三乙撑二胺，M⁺为Na⁺、K⁺、Ru⁺、NH₄ ⁺中的一种。

2.根据权利要求1所述的岩煤预裂剂，其特征在于：所述硝酸胍的粒度范围为60μm≤d₅₀≤100μm，其含量按质量分数计不超过燃料总量的1/3。

3.根据权利要求1所述的岩煤预裂剂，其特征在于：所述碳粉的粒度范围为d₅₀≤10μm，其含量按质量分数计不超过燃料总量的1/4。

4.根据权利要求1所述的一种岩煤预裂剂，其特征在于：所述DAP的粒度范围40≤d₅₀≤120μm，其功能是提高岩煤预裂剂的燃速与燃速压强指数。

5.根据权利要求1所述的岩煤预裂剂，其特征在于：所述粘合剂为端羟基聚丁二烯、端羧基聚丁二烯、液体酚醛树脂中的一种或多种的组合；所述增塑剂为癸二酸二辛酯、癸二酸二异辛酯、三乙酸甘油酯中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的岩煤预裂剂，其特征在于：所述氧化剂为高氯酸钾。

7.根据权利要求6所述的岩煤预裂剂，其特征在于：所述高氯酸钾分为Ⅰ类，Ⅱ类，Ⅲ类；其中Ⅰ类高氯酸钾的粒度d₅₀为10μm～30μm，其含量为高氯酸钾总质量的15％～35％，Ⅱ类高氯酸钾的粒度d₅₀为40μm～80μm,其含量为高氯酸钾总质量的45％～85％，Ⅲ类高氯酸钾的粒度d₅₀为100μm～150μm,其含量为高氯酸钾总质量的0％～15％。

8.根据权利要求1所述的岩煤预裂剂，其特征在于：所述燃速调节剂为三氧化二铁和二茂铁的组合物；其粒度范围d₅₀≤5μm。

9.根据权利要求1所述的岩煤预裂剂，其特征在于：所述岩煤预裂剂的危险等级为1.3级；所述岩煤预裂剂的3MPa的燃速大于100mm/s，5MPa的燃速大于200mm/s，1MPa～10MPa的燃速压强指数不小于1.5；所述岩煤预裂剂的100ml密闭爆发器试验的P-t曲线达到峰值压力的时间不超过20ms，试验药剂量不超过8g。

10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述岩煤预裂剂制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(5)出料，得到岩煤预裂剂。