一种安全高效的高能膨胀剂及其制备方法与应用与流程

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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.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。
21.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。
22.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。
23.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。
24.上述固黏剂和塑化剂粘结性好且热效应高，适用于本发明的高能膨胀剂。
25.本发明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：
26.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。
27.本发明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。
28.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；
29.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％。
30.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。
31.本发明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；而本发明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。
32.另外，本发明的高能膨胀剂在常压、常温下无法引爆，当钻孔中压力小于20mpa时会自动熄灭，如封孔效果不好或煤岩破裂产生大量的缝隙与采空区连通时会自熄，提高使用过程中的安全性；且本发明的高能膨胀剂无雷管感度，不能用雷管引爆，其无殉爆距离；本发明的高能膨胀剂感度较低，点火起爆较为困难，只能采用专用的点火器通过孔内传热引燃。
33.有益效果
34.(1)本发明的高能膨胀剂具有较高的安全性，危险等级为1.3～1.5级，摩擦感度与撞击感度为0～10％，静电火花感度大于120mj；
35.(2)本发明的高能膨胀剂在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；
36.(3)本发明的高能膨胀剂其产气量大于600l/kg，燃烧热大于3500kj/kg，峰值压力可随工程现场地质条件的具体要求调整，范围在65mpa～200mpa，作用时间为10ms～300ms；
37.(4)本发明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，可有效治理煤矿多种灾害，提高了石油、天然气开采率，提高了隧道掘进效率；
38.(5)本发明的高能膨胀剂为零氧平衡，其在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％，一氧化碳、一氧化氮和氯化氢等有害气体含量几乎可以忽略不计，不会对环境产生污染；而且由于高温高压气体中氮气含量高，其为惰性气体，可以保证在天然气等开采矿井的安全使用，进一步提高安全性。
附图说明
39.下面结合附图对本发明作进一步说明：
40.图1为本发明实施例1所制得的高能膨胀剂的p-t曲线；
41.图2为本发明实施例2所制得的高能膨胀剂的p-t曲线。
具体实施方式
42.为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例和附图对本发明做详细说明。
43.另外，为便于理解，对实施例的相关检测方法等进行说明：
44.p-t曲线：密闭爆发器容积为100cm3，试验按照gjb770b-2005进行。通过连接在密闭爆发器上的压电传感器和数据处理系统记录的密闭爆发器里压力随时间变化的p-t曲线；
45.燃烧速度的测定：测试方法按照《gjb770b方法706.燃速靶线法》；
46.产气量的测定：药剂在密闭爆发器内燃烧完毕后，通过水浴系统将密闭爆发器内残余气体冷却至25℃，记录容器内压力，进而换算出残余气体体积；
47.气体组分测定：将铝箔采气袋通过橡胶管连接到密闭爆发器排气阀上，使燃烧气体通入元素分析仪，根据标准qj2781a-2004检测heea-i燃气成分，每个试样至少进行两次平行测定；
48.燃烧热的测定：试验按照gjb770b-2005进行，使用的设备为氧弹式量热计，根据标准中的公式计算出试样的燃烧热值；
49.摩擦感度的测定条件：3.92mpa，90
°
；
50.撞击感度的测定条件：10kg，50cm。
51.实施例1
52.本实施例1提供一种安全高效的高能膨胀剂，其包括如下质量分数的组分：
53.硅粉：8％；
54.硝酸胍：11％；
55.llm-105：15％；
56.硝酸钾：63％；
57.亚铬酸铜：0.5％；
58.聚乙烯醇缩丁醛：1.5％；
59.1,2,4-丁三醇三硝酸酚：1.0％。
60.上述组分中硅粉、硝酸胍、llm-105、硝酸钾的粒径均为100μm左右。
61.将上述组分一同加入声共振混合机中混合，混合时间为60min，即得高能膨胀剂。
62.对上述高能膨胀剂进行检测，其在3mpa燃速为113.4mm/s，5mpa的燃速为221mm/s，燃烧热为3900.6kj/kg，产气量为685.9l/kg，摩擦感度为0％，撞击感度为1％，危险等级为1.5级；气体组分经测定：水蒸气占50％，氮气占33％，二氧化碳占17％，一氧化碳、氮化和氯化氢等有害气体含量几乎可以忽略不计。
63.另外，从图1中可以看出：膨胀剂在密闭爆发器内燃烧-爆轰后，会释放出大量的高温高压气体，压力迅速上升，其峰值压力可达到75mpa，该膨胀剂在点火20ms后药剂燃烧完全。
64.本实施例所提供的膨胀剂适用于硬度系数在3以上的煤岩，包括6以上，如硬度系数为8的煤岩。
65.实施例2
66.本实施例2提供一种安全高效的高能膨胀剂，其包括如下质量分数的组分：
67.钛粉：7％；
68.硝酸胍：10％；
69.llm-105：13％；
70.高氯酸钾：66％；
71.亚铬酸铜：1.0％；
72.聚乙烯醇缩丁醛：1.5％；
73.1,1,1-三叠氮甲基乙烷：1.5％。
74.上述组分中钛粉、硝酸胍、llm-105、高氯酸钾的粒径均为100μm左右。
75.将上述组分一同加入声共振混合机中混合，混合时间为60min，即得高能膨胀剂。
76.对上述高能膨胀剂进行检测，其在3mpa燃速为124.8mm/s，5mpa的燃速为243mm/s，燃烧热为5836.46kj/kg，产气量为650.3l/kg，摩擦感度为2％，撞击感度为3％，危险等级为1.5级；气体组分经测定：水蒸气占46％，氮气占35％，二氧化碳占19％，一氧化碳、氮化和氯化氢等有害气体含量几乎可以忽略不计。
77.另外，从图2中可以看出：膨胀剂在密闭爆发器内燃烧-爆轰后，压力迅速上升，其峰值压力可达到93mpa，该膨胀剂在点火40ms后药剂燃烧完全。
78.本实施例所提供的膨胀剂适用于硬度系数在3以上的煤岩，包括6以上，如硬度系数为8～10的煤岩。
79.实施例3
80.本实施例3提供一种安全高效的高能膨胀剂，其包括如下质量分数的组分：
81.铝粉：7％；
82.硝酸胍：12％；
83.llm-105：14.5％；
84.高氯酸钾：63.5％；
85.叔丁基二茂铁：1.0％；
86.γ-氨丙基三乙氧基硅烷：1.0％；
87.1,1,1-三叠氮甲基乙烷：1.0％。
88.上述组分中铝粉、硝酸胍、llm-105、高氯酸钾的粒径均为100μm左右。
89.将上述组分一同加入声共振混合机中混合，混合时间为60min，即得高能膨胀剂。
90.对上述高能膨胀剂进行检测，其在3mpa燃速为141.3mm/s，5mpa的燃速为280.1mm/s，燃烧热为6730.35kj/kg，产气量为623.5l/kg，摩擦感度为4％，撞击感度为6％，危险等级为1.4级。
91.本实施例所提供的膨胀剂适用于硬度系数在3以上的煤岩，包括6以上，如硬度系数为8～10的煤岩。
92.实施例4
93.本实施例4提供一种安全高效的高能膨胀剂，其包括如下质量分数的组分：
94.铝镁合金粉：7％；
95.硝酸胍：12％；
96.llm-105：14.5％；
97.高氯酸钾：63.5％；
98.叔丁基二茂铁：1.0％；
99.γ-氨丙基三乙氧基硅烷：1.0％；
100.1,1,1-三叠氮甲基乙烷：1.0％。
101.上述组分中铝镁合金粉、硝酸胍、llm-105、高氯酸钾的粒径均为100μm左右。
102.将上述组分一同加入声共振混合机中混合，混合时间为60min，即得高能膨胀剂。
103.对上述高能膨胀剂进行检测，其在3mpa燃速为151.2mm/s，5mpa的燃速为280.3mm/s，燃烧热为7400.64kj/kg，产气量为619.8l/kg，摩擦感度为6％，撞击感度为8％，危险等级为1.3级。
104.本实施例所提供的膨胀剂适用于硬度系数在3以上的煤岩，包括6以上，如硬度系数为8～15的煤岩。
105.实施例5
106.本实施例5提供一种安全高效的高能膨胀剂，其包括如下质量分数的组分：
107.铝粉：5％；
108.硝酸胍：10％；
109.llm-105：18％；
110.高氯酸钾：64％；
111.叔丁基二茂铁：1.0％；
112.γ-氨丙基三乙氧基硅烷：1.0％；
113.1,1,1-三叠氮甲基乙烷：1.0％。
114.上述组分中铝粉、硝酸胍、llm-105、高氯酸钾的粒径均为100μm左右。
115.将上述组分一同加入声共振混合机中混合，混合时间为60min，即得高能膨胀剂。
116.对上述高能膨胀剂进行检测，其在3mpa燃速为118.6mm/s，5mpa的燃速234.2mm/s，燃烧热为5636.96kj/kg，产气量为672.68l/kg，摩擦感度为3％，撞击感度为3％，危险等级为1.4级。
117.本实施例所提供的膨胀剂适用于硬度系数在3以上的煤岩，包括6以上，如硬度系数为8～10的煤岩。
118.实施例6
119.本实施例6提供一种安全高效的高能膨胀剂，其包括如下质量分数的组分：
120.铝粉：5％；
121.硝酸胍：10％；
122.llm-105：25％；
123.高氯酸钾：57％；
124.叔丁基二茂铁：1.0％；
125.γ-氨丙基三乙氧基硅烷：1.0％；
126.1,1,1-三叠氮甲基乙烷：1.0％。
127.上述组分中铝粉、硝酸胍、llm-105、高氯酸钾的粒径均为100μm左右。
128.将上述组分一同加入声共振混合机中混合，混合时间为60min，即得高能膨胀剂。
129.对上述高能膨胀剂进行检测，其在3mpa燃速为103.4mm/s，5mpa的燃速为218.7mm/s，燃烧热为5648.36kj/kg，产气量为668.3l/kg，摩擦感度为3％，撞击感度为3％，危险等级为1.4级。
130.本实施例所提供的膨胀剂适用于硬度系数在3以上的煤岩，包括6以上，如硬度系数为8～10的煤岩。
131.实施例7
132.本实施例7提供一种安全高效的高能膨胀剂，其包括如下质量分数的组分：
133.铝粉：8％；
134.硝酸胍：18％；
135.llm-105：13％；
136.高氯酸钾：60％；
137.叔丁基二茂铁：1.0％；
138.γ-氨丙基三乙氧基硅烷：1.0％；
139.1,1,1-三叠氮甲基乙烷：1.0％。
140.上述组分中铝粉、硝酸胍、llm-105、高氯酸钾的粒径均为100μm左右。
141.将上述组分一同加入声共振混合机中混合，混合时间为60min，即得高能膨胀剂。
142.对上述高能膨胀剂进行检测，其在3mpa燃速为148.6mm/s，5mpa的燃速为287.35mm/s，燃烧热为6897.45kj/kg，产气量为618.64l/kg，摩擦感度为5％，撞击感度为6％，危险等级为1.4级。
143.本实施例所提供的膨胀剂适用于硬度系数在3以上的煤岩，包括6以上，如硬度系数为8～10的煤岩。
144.实施例8
145.本实施例8提供一种安全高效的高能膨胀剂，其包括如下质量分数的组分：
146.铝粉：15％；
147.硝酸胍：17％；
148.llm-105：15％；
149.高氯酸钾：50％；
150.叔丁基二茂铁：1.0％；
151.γ-氨丙基三乙氧基硅烷：1.0％；
152.1,1,1-三叠氮甲基乙烷：1.0％。
153.上述组分中铝粉、硝酸胍、llm-105、高氯酸钾的粒径均为140μm左右。
154.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70min，混合均匀后出料，即得高能膨胀剂。
155.对上述高能膨胀剂进行检测，其在3mpa燃速为160.7mm/s，5mpa的燃速为293.42mm/s，燃烧热为7900.68kj/kg，产气量为610.24l/kg，摩擦感度为8％，撞击感度为9％，危险等级为1.3级。
156.本实施例所提供的膨胀剂适用于硬度系数在3以上的煤岩，包括6以上，如硬度系数为8～15的煤岩。
157.上述未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
158.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。