一种安全高效的高能膨胀剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种安全高效的高能膨胀剂，包括如下质量分数的组分：金属或非金属粉末：5％～15％；有机粉末：10％～20％；高氮含能材料：10％～25％；氧化剂：40％～75％；控速剂：0.5～2.5％；固黏剂：1.5％～3％；塑化剂：1.0～2.0％；所述金属粉末为铝粉、钛粉、铝镁合金粉中的至少一种，所述非金属粉末为硅粉；所述有机粉末为硝酸胍；所述高氮含能材料为LLM

【技术实现步骤摘要】
一种安全高效的高能膨胀剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及煤岩预裂
，具体涉及一种安全高效的高能膨胀剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]目前，国内用于岩石和煤层等破碎预裂的手段主要包括炸药、水力压裂、水利冲孔、液态二氧化碳相变等，但这几种预裂方式存在一定的不足：其中，炸药主要作用是爆破而不是预裂，其能量释放方式是瞬间释放，爆轰波与少量的爆生气瞬间几乎同时作用于岩煤体钻孔，裂隙圈半径约为装药半径的10～15倍，裂隙圈往外就是原岩区，该区域的裂隙孔隙不受炸药炸的影响而变化；水力压裂具有不可控性，其无法达到较均匀的裂隙扩张；液态二氧化碳相变预裂，施工复杂，且预裂力不够，难以达到预裂效果。
[0003]另外，目前现有技术中也有使用预裂剂或膨胀剂对煤岩进行破碎预裂，但存在如下问题：如CN110981660A中的煤岩预裂剂中未使用金属粉，释放能量有限，仅适用于硬度系数较低的煤岩，比如硬度系数在3～6范围的煤岩；但如果在预裂剂中直接使用金属粉，安全性得不到保证。故现有煤岩预裂技术存在一定的局限性，仍需一种新型煤岩预裂技术实现岩石和煤层的高效预裂。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供了一种安全高效的高能膨胀剂，在敞开空间不爆炸，只有在封闭空间才会因产生大量高温高压气体由燃烧转为爆轰，具有预裂和爆轰双重作用，其煤岩体中裂隙孔隙网络的影响范围是传统工业炸药爆破和预裂剂压裂形成裂隙孔隙影响范围的10～15倍。
[0005]为实现上述目的，本专利技术具体采用如下技术方案：
[0006]一种安全高效的高能膨胀剂，其特征在于，包括如下质量分数的组分：
[0007]金属或非金属粉末：5％～15％；
[0008]有机粉末：10％～20％；
[0009]高氮含能材料：10％～25％；
[0010]氧化剂：40％～75％；
[0011]控速剂：0.5～2.5％；
[0012]固黏剂：1.5％～3％；
[0013]塑化剂：1.0～2.0％；
[0014]所述金属粉末为铝粉、钛粉、铝镁合金粉中的至少一种，所述非金属粉末为硅粉；所述有机粉末为硝酸胍；所述高氮含能材料为LLM
‑
105。
[0015]在上述技术方案中，所述金属粉末或非金属粉末可提升高能膨胀剂的燃速及能量，为主要燃烧剂；所述有机粉末硝酸胍也作为燃烧剂，其在燃烧过程中产气量较大，可增加封闭空间内压强；所述高氮含能材料LLM
‑
105，其化学名称为2,6
‑
二氨基
‑
3,5
‑
二硝基
‑1‑
氧吡嗪，其耐高温、钝感性好且性能稳定，具有一定的爆燃性，另外，LLM
‑
105在燃烧及爆轰过程中可以产生大量惰性氮气，不仅可提高天然气等开采过程中的安全性，且在高温下氮气粘度系数低，可更好的在煤岩裂隙和孔隙中扩展，而且使高温高压气体的准静态作用力稳定，能够均匀有效的破碎岩石。
[0016]另外，上述金属粉末或非金属粉末及有机粉末可以与控速剂协同作用，起到提高压力指数与燃烧速度的作用，可使高能膨胀剂快速燃烧产生大量高温高压气体，提高膨胀剂的做功能力，进而使煤岩裂隙扩展，而高氮含能材料具有钝感性，其能够降低药剂感度，并降低药剂的燃速，但其钝感性可保证使用过程中的安全性。
[0017]进一步地，所述氧化剂与高能含氮材料的质量比为2～5.5:1。
[0018]在上述技术方案中，由于高能含氮材料会在一定程度上降低膨胀剂的燃速，因此通过控制氧化剂与高能含氮材料的配比，进一步调节膨胀剂的燃速，若氧化剂与高能含氮材料的比例过小，会大幅度降低膨胀剂燃速，致使做功能力不足。
[0019]进一步地，所述金属或非金属粉末的粒度d
50
≤200μm；所述有机粉末的粒度d
50
≤200μm；所述高能含氮材料的粒度d
50
≤200μm。
[0020]进一步地，所述氧化剂为高氯酸钾、硝酸钾中的至少一种，其粒度d
50
≤200μm。
[0021]进一步地，所述控速剂为亚铬酸铜、叔丁基二茂铁中的至少一种。
[0022]进一步地，所述固黏剂为γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种。
[0023]进一步地，所述塑化剂为1,2,4
‑
丁三醇三硝酸酚、1,1,1
‑
三叠氮甲基乙烷中的至少一种。
[0024]上述固黏剂和塑化剂粘结性好且热效应高，适用于本专利技术的高能膨胀剂。
[0025]本专利技术还提供一种安全高效的高能膨胀剂的制备方法，包括如下步骤：
[0026]按照配方组分称量各物质并进行研磨，然后将金属粉末或非金属粉末与有机粉末、高氮含能材料、氧化剂、控速剂、固黏剂、塑化剂放入混料机中进行混合，混合均匀后出料，即得高能膨胀剂；或先将金属粉末或非金属粉末与有机粉末、高氮含能材料、控速剂、固黏剂、塑化剂放入混料机中进行混合均匀，然后再加入氧化剂进行混合，混合均匀后出料，即得高能膨胀剂。
[0027]本专利技术还提供一种安全高效的高能膨胀剂在煤岩开采、天然气开采、石油开采或矿山巷道挖掘、地铁修建、隧道修建中的应用。
[0028]进一步地，所述高能膨胀剂在应用过程中需将其置于封闭空间内，并通过点火器引燃，高能膨胀剂在燃烧过程中产生大量高温高压气体，驱动周围初始裂隙扩展，当达到一定压力后，高能膨胀剂由燃烧迅速转为爆轰，爆轰过程中产生的高温高压气体使岩石破碎并使裂隙进一步扩展；
[0029]燃烧及爆轰过程中产生的高温高压气体的主要组分为水蒸气40～55％、氮气30～35％、二氧化碳15％～20％。
[0030]另外，在燃烧及爆轰过程中还产生一氧化碳、一氧化氮、氯化氢等有害气体，但含量很少，几乎可以忽略不计，因此，这种高能膨胀剂对环境污染小。
[0031]本专利技术所提供的高能膨胀剂，与炸药的能量释放方式不同，炸药的释放方式为瞬间爆轰，作用时间为微秒级，能量释放太快，效果不佳；而本专利技术所提供的高能膨胀剂，其在
常压、常温下只燃烧不爆炸，只能在封闭空间内因产生大量高温高压气体由燃烧转为爆轰，具有预裂和爆轰双重作用，具体为：高能膨胀剂由点火药引燃，燃烧后迅速产生高温高压气体，燃烧生成的高温高压气体驱动钻孔周围的初始裂隙扩展，同时压力持续上升，达到一定的压力后，剩余的膨胀剂由燃烧转爆轰，能量充分与煤岩裂隙相互耦合，使裂隙进一步发育，并将裂隙间包裹的岩块进行网络型压裂破碎，达到最佳的能量释放状态。另外，正是由于燃烧初始过程中高温高压气体已将初始裂隙扩展，可以为随后的爆轰冲击提供了充分的耦合条件，使爆轰发生时不至于因为裂隙空间狭小而造成爆轰冲击对煤岩过度粉碎，减少了由于粉碎冲击造成的爆炸能量的消耗。
[0032]另外，本专利技术的高能膨胀剂在常压、常温下无法引爆，当钻孔中压力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种安全高效的高能膨胀剂，其特征在于，包括如下质量分数的组分：金属或非金属粉末：5％～15％；有机粉末：10％～20％；高氮含能材料：10％～25％；氧化剂：40％～75％；控速剂：0.5～2.5％；固黏剂：1.5％～3％；塑化剂：1.0～2.0％；所述金属粉末为铝粉、钛粉、铝镁合金粉中的至少一种，所述非金属粉末为硅粉；所述有机粉末为硝酸胍；所述高氮含能材料为LLM
‑
105。2.根据权利要求1所述的一种安全高效的高能膨胀剂，其特征在于，所述氧化剂与高能含氮材料的质量比为2～5.5:1。3.根据权利要求1所述的一种安全高效的高能膨胀剂，其特征在于，所述金属或非金属粉末的粒度d
50
≤200μm；所述有机粉末的粒度d
50
≤200μm；所述高能含氮材料的粒度d
50
≤200μm。4.根据权利要求1所述的一种安全高效的高能膨胀剂，其特征在于，所述氧化剂为高氯酸钾、硝酸钾中的至少一种，其粒度d
50
≤200μm。5.根据权利要求1所述的一种安全高效的高能膨胀剂，其特征在于，所述控速剂为亚铬酸铜、叔丁基二茂铁中的至少一种。6.根据权利要求1所述的一种安全高效的高能膨胀剂，其特征在于，所述固黏剂为γ
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氨丙基三乙氧基硅烷、聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种。7.根据权利要求1所述的一种安全高效的高能膨胀剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张延松，
申请(专利权)人：张延松，
类型：发明
国别省市：