一种煤与瓦斯开采一体化增透强化剂、制备方法及应用技术

本发明专利技术属于矿井高效安全生产技术领域，公开了一种煤与瓦斯开采一体化增透强化剂、制备方法及应用，按质量百分比计，由6％

【技术实现步骤摘要】
一种煤与瓦斯开采一体化增透强化剂、制备方法及应用


[0001]本专利技术属于矿井高效安全生产
，尤其涉及一种煤与瓦斯开采一体 化增透强化剂、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]目前，煤炭是中国的战略资源，在我国的一次能源生产和消费结构中占比 分别为65％和60.3％。我国92％的煤炭生产是井下开采，平均深度已经达到 660m，井下煤层赋存以及开采条件复杂，存在煤层渗透率低、润湿性差、开采 污染大以及效率低等问题。由于这些自身性质的限制，使得其在开采及使用过 程中存在煤层注水率低、煤润湿性能较差以及污染大等的问题。煤层注水技术 对于井下防治冲击地压、预防煤与瓦斯突出、降低粉尘浓度、防火和降温等具 有重要作用，可有效改善工作面生产环境。在煤矿现场，煤的润湿性强弱直接 关系到煤层注水技术的成功以及矿尘防治的效果。因此，探索出合适的试剂对 煤体进行改性，从煤体的自身理化结构性质来着手提高煤的可注水孔隙率、润 湿性以及降低煤的杂原子含量，为井下防治冲击地压、预防煤与瓦斯突出、降 低粉尘浓度、防火和降温以及煤炭资源的后续的转换、使用提供了理论参考及 技术指导。
[0003]井下50％以上的煤层为高瓦斯煤层，易造成瓦斯事故。煤层气(瓦斯)是 一种煤层伴生的清洁不可再生矿产能源，但其对臭氧层的破坏是CO2的7倍， 产生的温室效应是CO2的21倍。因此，亟需一种煤与瓦斯开采一体化增透强化 剂及制备方法。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0005](1)井下煤层赋存以及开采条件复杂，存在煤层渗透率低、润湿性差、开 采污染大以及效率低。
[0006](2)由于这些自身性质的限制，使得其在开采及使用过程中存在煤层注水 率低、煤润湿性能较差以及污染大。
[0007]解决以上问题及缺陷的难度为：中国是世界首位能源消费大国，在中国能 源构成中，煤炭处于并在未来较长一段时间内始终处于主体性地位。中国是世 界煤炭资源消费和生产大国，但是在生产过程中存在着较多的煤矿灾害事故。 因此，有必要探寻一种新型的煤与瓦斯开采一体化增透强化剂、制备方法，以 实现提高煤的可注水孔隙率、润湿性，为防治煤矿灾害事故提供了理论参考及 技术指导。
[0008]近年来，我国煤矿采深不断增加，机械化、自动化程度开采水平逐步提高， 我国92％的煤炭生产是井下开采，平均深度已经达到660m，然而我国井下50％ 以上的煤层为高瓦斯煤层并且煤层赋存以及开采条件复杂，存在煤层孔隙率小、 渗透率低、注水效率差等问题，煤矿生产过程中煤与瓦斯突出、顶板事故以及 尘肺病等自然灾害程度不断升级，造成大量的人力物力的损失。目前，我国各 类煤矿都或多或少的采用了部分改善煤体结构提高高效安全生产效率的措施， 如水力压裂、水力割缝、预裂爆破、热驱替等增透技术；但是从应用效果来看， 效果不是很理想，比如水力压裂(存在增透范围小、裂隙闭合快、水锁效应等 问题)、割裂水缝爆破(存在消耗大量的人力物力、存在危险性的问题)；煤 层注水(注
3-甲基咪唑氯盐[Bmim]Cl质量的具体值由其在煤与瓦斯开采一体化 强化剂的溶度占比决定。(其他比如硝酸的体积以及N-月桂酰肌氨酸钠质量与后 期的浓度相对应。需要根据浓度进行调整。)
[0022]进一步，步骤三中，所述复配温度值为50-60℃。
[0023]进一步，所述煤与瓦斯开采一体化强化剂的效果是基于试剂之间的协同作 用，包括氢键破化和重新缔合和紧密填充作用。
[0024]本专利技术的另一目的在于提供一种实现煤与瓦斯共采的方法，所述实现煤与 瓦斯共采的方法使用所述的煤与瓦斯开采一体化增透强化剂。
[0025]本专利技术的另一目的在于提供一种防止地下煤矿发生瓦斯灾害的方法，所述 防止地下煤矿发生瓦斯灾害的方法使用所述的煤与瓦斯开采一体化增透强化 剂。
[0026]结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：本专利技术提 供的煤与瓦斯开采一体化增透强化剂采用6％-10％的浓硝酸(20mol/l)，1％-5％ 的N-月桂酰肌酸钠，2％-6％的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐以及矿井防尘用水制备而 成。HNO3处理煤样后，煤的孔隙数目会大量增加，且多为腐蚀形成的孔隙，和[Bmim]Cl共同作用，能大大降低煤的矿物质含量，除去大部分赤铁矿和黄铁矿， 提高煤体发热量。煤与瓦斯开采一体化强化剂的表面张力为18.87mN/m，是矿 井防尘水的33.35％，表明阴离子表面活性剂(SLS)和阳离子咪唑类离子液体 ([Bmim]Cl)具有较强的协同作用，能显著降低煤的气液表面张力，提高煤表 面的润湿性。N-月桂酰肌酸钠与1-丁基-3-甲基咪唑氯盐进行离子交换反应，再 添加浓硝酸来增强与煤体矿物质作用的性能，最终生成一种煤与瓦斯开采一体 化强化剂，对煤体的理化性质优化作用要比传统土酸的效果好很多，将其作用 于煤体之后，能形成孔-裂隙网状结构。由于水分子周围呈现电荷不均匀性，使 得其具有与其他分子结合形成氢键的能力，即1个水分子能与4个水分子形成 氢键结构，水分子在氢键的作用表现为明显的分子团簇集聚状态，分子间距小， 具有较大的内聚能，不利于水与煤体的相互作用，不利于润湿。该煤与瓦斯开 采一体化强化剂是利用了试剂之间的协同作用，包括氢键破坏以及重新缔合和 紧密填充作用，减小溶液之间的内聚力，增加煤体润湿性，能与煤体形成氢键 作用，反应更加剧烈，形成孔-裂隙网状结构，增加煤体渗透性。该一种煤与瓦 斯开采一体化强化剂对煤体理化改性具有增加煤体的润湿性能，有利于抑制、 降低煤层开采过程中粉尘的产生；极大程度提高煤体渗透性，改善了煤层赋存 及开采条件，有利于煤层气的高效开发利用等优点。
[0027]同时，本专利技术有利于实现煤与瓦斯有效共采，不仅可以缓解和消除瓦斯灾 害，而且能够提高煤层气开采缓解能源短缺、防止地下煤矿发生瓦斯灾害、减 少温室气体排放，大幅度提高煤体润湿性，渗透性，有利于煤与煤层气的高效 共采，进一步提升我国煤矿安全高效生产水平。
附图说明
[0028]图1是本专利技术实施例提供的煤与瓦斯开采一体化增透强化剂的制备方法流 程图。
[0029]图2是本专利技术实施例提供的涉及材料(煤、硝酸、N-月桂酰肌酸钠，1-丁基-3-甲基咪唑氯盐)的化学结构模型示意图。
[0030]图3是本专利技术实施例提供的水分子团簇结构示意图。
[0031]图4是本专利技术实施例提供的分子动力模拟验证作用效果示意图。
[0032]图5是本专利技术实施例提供的煤与瓦斯开采一体化强化剂及制备方法的协同 作用图。
[0033]图6是本专利技术实施例提供的实例操作说明图。
[0034]图7是本专利技术实施例提供的实例反应过程图。
具体实施方式
[0035]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0036]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤与瓦斯开采一体化增透强化剂，其特征在于，所述煤与瓦斯开采一体化增透强化剂按质量百分比计，由6％-10％的20mol/l的浓硝酸、1％-5％的N-月桂酰肌酸钠、2％-6％的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐以及余量矿井防尘用水组成。2.如权利要求1所述的煤与瓦斯开采一体化增透强化剂，其特征在于，所述矿井防尘用水的理化性质包括：pH为7.52，化学需氧量CODcr为13.61mg/l，悬浮物含量为18.43mg/l，电导率为0.689ms/cm，总硬度为279mg/l CaCO3，矿化度为526mg/l。3.如权利要求1所述的煤与瓦斯开采一体化增透强化剂，其特征在于，表面活性剂选择N-月桂酰肌酸钠，离子液体选择1-丁基-3-甲基咪唑氯盐。4.如权利要求1所述的煤与瓦斯开采一体化增透强化剂，其特征在于，润湿剂为N-月桂酰肌酸钠；浓硝酸与煤体矿物质反应，用于产生新的腐蚀孔；1-丁基-3-甲基咪唑氯盐利用其能溶解和膨胀煤体的性能，将煤体的离散分布的孔隙变成孔-裂隙网络状分布。5.如权利要求1所述的煤与瓦斯开采一体化增透强化剂，其特征在于，所述煤与瓦斯开采一体化强化剂为酸-表面活性剂-离子液体体系。6.一种如权利要求1～5任意一项所述的煤与瓦斯开采一体化增透强化剂的煤与瓦斯开采一体化增透强化剂的制备方法，其特征在于，所述煤与瓦斯开采一体化增透强化剂的制备方法包括以下步骤：步骤一，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周刚，李帅龙，王凯丽，杨阳，王勇梅，段晋杰，贺敏，姜文静，王存民，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：