一种防灭火气泡材料及其制备方法和应用

本发明属于煤堆自燃防治，具体涉及一种防灭火气泡材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、煤炭在露天堆场、储煤仓、转运站等长时间存放过程中，因破碎比表面积大、空隙富氧，极易发生低温氧化并蓄热升温，最终引发自燃。煤堆自燃不仅造成煤炭热值损失、资源浪费，还会释放一氧化碳、硫化物等有毒有害气体，引发火灾与安全事故，已成为火电、煤矿、港口等行业长期存在的共性安全难题。

2、目前煤堆自燃防控主要以物理覆盖、阻化剂喷洒、泡沫封堵等技术为主，但在实际应用中普遍存在明显缺陷：传统水基覆盖液粘度低，成膜性差，水分蒸发后无法形成连续封闭层，隔氧效果差；无机覆盖材料如粉煤灰、黄土、泥浆等，虽能在表面形成覆盖层，但与煤堆异质、相容性差，易干裂、风蚀、雨水冲刷脱落，且会显著增加煤炭灰分、降低热值，影响后续利用；高分子凝胶、泡沫类材料虽成膜性好，但粘度大、渗透性差，难以进入煤堆表层深部孔隙，只能在表面形成浅层封堵，无法阻断深部氧化通道，长期抑燃效果有限；常规阻化剂多为卤盐类、有机阻化剂，存在腐蚀性强、污染环境、成本高等问题，难以满足绿色环保要求。

3、因此，研发一种渗透能力强、成膜稳定、与煤堆同源相容、绿色环保、可深入孔隙内部形成长效隔氧层的新型防灭火材料，已成为煤堆自燃防控领域的迫切需求。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种防灭火气泡材料，该材料以惰性气体微纳米气泡为渗透载体、以目标煤堆自身的超细煤粉为分散介质和成膜主体，利用微纳米气泡的强渗透性将超细煤粉携带渗入煤堆表层孔隙内部，失水后沉积锚固形成以煤粉为连续相的同源隔氧层，解决传统泡沫材料泡孔大、渗透性差以及异质材料影响煤热值的技术难题。

2、本发明的目的之二是提供上述防灭火气泡材料的制备方法，该方法工艺简单、参数可控，通过微纳米气泡发生装置制备惰性气体微纳米气泡水，并与超细煤粉复配，持续补充气泡以维持浆液稳定性。

3、本发明的目的之三是提供上述防灭火气泡材料的应用，施工灵活、操作简便，通过一次喷洒即可实现深层渗透与隔氧覆盖的协同效果，适用于各类露天煤堆、储煤仓及煤炭转运堆场的防灭火治理。

4、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

5、第一方面，本发明提供一种防灭火气泡材料，所述防灭火气泡材料为包含超细煤粉和惰性气体微纳米气泡的水基悬浮浆液；

6、所述超细煤粉取自待进行防灭火处理的目标煤堆，均匀分散于所述水基悬浮浆液中；

7、所述惰性气体为氮气或二氧化碳，所述微纳米气泡的平均直径为100nm-20μm，在浆液中均匀分布；

8、其中，所述防灭火气泡材料喷洒至煤堆表面后，利用微纳米气泡的强渗透性将超细煤粉携带渗入煤堆表层孔隙内部；浆液失水后，超细煤粉沉积锚固于孔隙内壁，形成以煤粉为连续相的隔氧层。

9、优选的，所述水基悬浮浆液中，超细煤粉的质量占比为20%-60%，水的质量占比为40%-80%；所述超细煤粉的粒径d90≤30μm。

10、优选的，所述微纳米气泡的体积占浆液总体积的10%-50%。

11、优选的，所述水基悬浮浆液中还添加有微纳米气泡稳定剂，所述稳定剂为黄原胶、瓜尔胶、羧甲基纤维素钠中的一种或多种，稳定剂添加量为所述水基悬浮浆液总质量的0.05%-0.5%，用于提升微纳米气泡的稳定性。

12、优选的，所述水基悬浮浆液中还添加有可生物降解型表面活性剂，所述表面活性剂为烷基糖苷或鼠李糖脂，表面活性剂添加量为所述水基悬浮浆液总质量的0.01%-0.1%，用于提升微纳米气泡的生成效率与稳定性。

13、优选的，所述水基悬浮浆液中还添加有水溶性高分子粘结剂，所述粘结剂为羟丙基甲基纤维素、海藻酸钠、聚乙烯醇中的一种或多种，粘结剂添加量为所述水基悬浮浆液总质量的0.5%-5%，用于提升超细煤粉沉积后的锚固与粘结强度。

14、第二方面，本发明提供上述防灭火气泡材料的制备方法，包括以下步骤：

15、s1. 煤粉制备：从待进行防灭火处理的目标煤堆中取样，经干燥、破碎、球磨至粒径d90≤30μm，得到超细煤粉；

16、s2. 惰性气体微纳米气泡水制备：采用微纳米气泡发生装置，以氮气或二氧化碳为气源，制备微纳米气泡水；所述微纳米气泡发生装置的进液量为0.01-0.02m3/h，进气量为0.003-0.004m3/h，工作压力为0.2-0.8mpa，制得的气泡水中微纳米气泡平均直径为100nm-20μm；

17、s3. 浆液配制：将步骤s1制得的超细煤粉加入步骤s2制得的微纳米气泡水中，在搅拌容器内混合均匀；混合过程中保持微纳米气泡发生装置循环运行，持续补充惰性气体微纳米气泡，即得所述防灭火气泡材料。

18、优选的，所述微纳米气泡发生装置为文丘里式气泡发生器、微孔发泡器或超声空化发泡器中的一种。

19、第三方面，本发明提供上述防灭火气泡材料在抑制煤堆自燃中的应用，包括以下步骤：

20、s1. 浆液制备：按上述方法制备含惰性气体微纳米气泡和超细煤粉的水基悬浮浆液；

21、s2. 喷洒施工：将步骤s1制得的浆液通过喷洒设备均匀喷洒至煤堆表面，喷洒量为2-6l/m2；

22、s3. 渗透沉积：浆液中的微纳米气泡携带超细煤粉渗入煤堆表层10-20mm孔隙内部，气泡在孔隙内逐步破裂，超细煤粉沉积并锚固于煤颗粒表面及孔隙内壁；

23、s4. 自然干燥成膜：静置养护6-24小时，水分自然蒸发后，沉积的超细煤粉与下层煤堆通过同源嵌合作用紧密结合，形成以煤粉为主体的粘结隔氧层。

24、优选的，所述喷洒设备为无气喷涂机或双流体喷涂系统，喷嘴孔径≥1.2mm，喷洒压力为0.5-1.2mpa；所述浆液的储料罐内配置机械搅拌装置与惰性气体微纳米气泡补充装置，以维持煤粉均匀悬浮与气泡稳定分布。

25、优选的，针对煤堆边坡区域或大风干燥环境，在步骤s3与步骤s4之间，对喷洒区域进行雾化加湿养护，延缓水分蒸发，促进超细煤粉深层渗透。

26、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

27、1、本发明首次将惰性气体微纳米气泡与超细煤粉复配用于煤堆自燃防治，实现了以煤治煤、同源覆盖。所述防灭火气泡材料中的超细煤粉取自待进行防灭火处理的目标煤堆本身，经研磨后作为水基悬浮浆液的主要固体成分（质量占比20%~60%）。喷洒后，微纳米气泡携带超细煤粉渗入煤堆表层孔隙，水分蒸发后沉积形成的隔氧层中，超细煤粉作为连续相主体，通过同源嵌合作用与下层煤堆紧密结合。覆盖层整体与煤堆本体煤质一致，无需分离处理，可直接混入后续利用的煤炭中，对原煤的热值影响极小。相较于现有技术中采用粉煤灰、黄土、水泥等异质材料作为覆盖材料主体成分的方案，本发明从根本上避免了异质材料混入煤炭导致灰分增加、热值下降的问题，实现以煤治煤、同源覆盖，解决了异质材料降低煤热值的技术难题。

28、2、本发明利用微纳米气泡的强渗透性，突破了传统泡沫材料泡孔大、渗透性差的技术瓶颈。传统泡沫材料的泡孔直径通常在毫米级，难以渗入煤堆表层微小孔隙，仅能形成表面薄层，隔氧效果有限。本发明采用惰性气体（氮气或二氧化碳）制备微纳米气泡，气泡平均直径为100nm-20μm，比表面积大、上升速度慢、界面电位高，具有远优于传统泡沫的渗透性能。喷洒后，微纳米气泡可携带超细煤粉充分渗入煤堆表层10~20mm深度孔隙内部，气泡在孔隙内逐步破裂后，煤粉沉积锚固于孔隙内壁及煤颗粒表面，形成深层、致密、连续的同源隔氧层。该技术方案克服了传统泡沫泡孔大则渗透差、泡孔小则携粉能力弱的技术矛盾，实现了强渗透与高效携粉的统一。

29、3、本发明采用惰性气体微纳米气泡，构建了物理隔离与化学惰化的双重防护机制。 以氮气或二氧化碳为气源制备的微纳米气泡，本身具有窒息阻燃特性。气泡在煤堆孔隙内破裂后，释放的氮气或二氧化碳可在孔隙局部形成惰性气氛，稀释氧气浓度，抑制煤氧复合反应。该惰性气氛与后续形成的煤粉隔氧层协同作用，实现了物理覆盖隔氧与惰性气体化学抑燃的双重防护，相较于现有技术中仅依赖物理覆盖的方案，本发明的抑燃效果更为显著。

30、4、本发明中，超细煤粉不仅是隔氧层的连续相主体，更可发挥前置吸氧过滤功能，实现主动耗氧与物理隔氧的协同抑燃。所述超细煤粉取自目标煤堆且经细化研磨后粒径更小、比表面积更大、反应活性更高，可在空气向煤堆深部渗透的路径上优先与氧气发生低温氧化反应，原位消耗穿透覆盖层的微量氧气，形成动态的氧消耗屏障，从源头阻止氧气进一步渗入煤堆深部孔隙，切断煤堆深部氧化蓄热的氧气供给。而现有技术中采用的粉煤灰、黄土、水泥等异质固相介质均为惰性材料，无法与氧气发生反应，仅能实现被动阻隔，难以抑制微量氧气持续渗入引发的深部自燃。本发明由此实现物理阻隔与主动耗氧的双重抑燃，抑燃效果与长效性显著优于现有技术。

31、5、本发明全组分绿色环保，无二次污染。材料主体为水和取自目标煤堆的超细煤粉，不含卤盐等腐蚀性物质；添加烷基糖苷、鼠李糖脂等表面活性剂为可生物降解型绿色表面活性剂，区别于现有技术中常用的十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠等难降解化学表面活性剂；添加的微纳米气泡稳定剂和水溶性高分子粘结剂用量少且均为低毒无害材料。上述组分在煤炭后续燃烧利用过程中可完全分解，无hcl、so2等腐蚀性气体或nh3等有毒有害气体释放，不造成二次环境污染，符合绿色环保和可持续发展的要求。

32、6、本发明施工简便、适应性强。采用一次喷洒工艺，浆液粘度低、雾化效果好，适配常规无气喷涂机或双流体喷涂系统，施工现场无需复杂配比和混合设备。浆液配制过程中持续补充微纳米气泡，可有效维持气泡稳定分布和煤粉均匀悬浮。针对煤堆边坡区域或大风干燥环境，可通过雾化加湿养护延缓水分蒸发，进一步促进超细煤粉的深层渗透。整套工艺对设备要求低、施工效率高，适用于各类露天煤堆、储煤仓及煤炭转运堆场的防灭火治理。