煤層在長期的形成過程中不斷接觸到外界空氣，而煤層含氧量過大會導致自燃的概率增加，為了有效地解決煤炭自燃問題，采取一系列科學的防滅火技術至關重要，響應煤炭企業提出的“安全生產、預防為主”的口號。 現階段多數煤炭企業都是使用物理阻化劑來降低煤炭自燃程度，采取保水保濕措施來達到氧和煤炭隔離的效果，而物理阻化劑也存在不足之處，在實際生產過程中阻化劑會隨著時間的增長而流失或消耗，阻化作用也會隨之降低，并未為煤炭建立起真正的防自燃屏障。 人們投入到防止煤炭自燃的化學阻化劑實驗過程中，利用化學阻化劑穩定、高效的性質來控制煤炭中活性物質的產生數量，而化學阻化劑的作用是持續長久的，能有效地破壞煤炭的活性官能團，改變相鄰羧酸、亞甲基、化學基團的數量，達到化學阻燃的效果。 為此選取了 3類不同的化學阻化劑進行了實驗，還配置參考煤樣進行對比， 研究不同氧化性的阻化劑對煤樣的阻化作用，為煤礦安全生產提供有效的借鑒。
1、煤樣制備及阻化機理
選擇某一煤層具有代表性的樣品褐煤， 首先對其化學成分進行分析，鑒定可得煤樣中 C、O、H、N、S5 類 主 要 元 素 的 含 量 分 別 為 59.92% 、11.16% 、3.06% 、1.60% 、0.34% , 其 余元素總含量百分比為23.92%.
（1）阻化機理及阻化劑選擇
化學阻化劑利用自身替代氧化的功能來完成阻止煤樣自燃傾向的任務，使得煤本身的活性結構和活能受到破壞。阻化劑作用機理還包括不斷加強煤體的蓄水基礎，使其能充分融入到煤柱里面，而水分的蒸發作用會弱化煤體的氧化功能，最終達到化學阻化的目的。 為了選擇防止煤炭自燃最有效的化學阻化劑，以氧化性為判斷標準，通過對高錳酸鉀、過硫酸鈉和雙氧水 3 類氧化劑的研究來完成阻化劑的確定工作。
（2）阻化煤樣的制備
對粉末狀的過硫酸鈉進行溶液配制，首先計算濃度為 5%的過硫酸鈉溶液溶質和溶劑之比， 通過水和過硫酸鈉的計量和混合來配置溶液，將濃度為0.25%的十二烷基硫酸鈉配置備用。 對塊煤進行粉碎處理，選取粒度維持在 0.1~0.15 mm 的煤樣，作為實驗品待用。 選擇容量為 500 mL 的實驗燒杯，標明燒杯 1 和燒杯 2,在燒杯 1 中加入 100 g 煤樣和 300mL 阻化劑溶液，在燒杯 2 中加入 100 g 煤樣和 300mL 水溶液， 通過攪拌來加快樣品和溶液之間的互溶速度。 放置 12 h 以后采取規范的過濾措施，先使用自然晾干的方式來處理過濾物質，再將其放置到氮氣環境下，保持 145 ℃的恒溫，再進行 4 h 的烘干活動，而燒杯 1 中的物質為阻化煤樣，燒杯 2 中的物質為參考煤樣。 對氧化劑高錳酸鉀、雙氧水煤樣的處理流程和過硫酸鈉一致，分別標記為高錳酸鉀和雙氧水的參考煤樣、阻化煤樣。
2、實驗裝置及方法
（1）階梯式程序升溫氧化法
保證挑選煤樣粒度維持在 0.10~0.15 mm,稱取重量為 40 g 的煤樣，將其放入到煤樣罐中，保持78 mL/min 的干空氣流量， 有效地防止其他氣體提前氧化煤樣。 采取階梯式程序升溫氧化法，等待室溫達到 30 ℃后開始升溫，以 20 ℃為標準，每當溫度升了 20 ℃時就要停止升溫 0.6 h, 恒溫期間要將煤樣釋放出來的氣體收集起來，通過氣相色譜儀的檢測來得出不同氣體之間前后的濃度差。
（2）傅里葉紅外變換測試方法
選擇美國 Nicolet 公司推出的型號為 Avatar360的傅里葉變換紅外光譜儀，對煤樣進行掃描處理，稱取重量為 1.0 mg 的煤樣，將煤樣和顯影劑溴化鉀一同放入儀器瑪瑙研缽中，選擇紅外光環境下采取研磨措施，等待壓片后開始操作紅外掃描活動，調整儀器波數，使其維持在 400~4 000 /cm,規定 32 次為標準掃描次數。
3、實驗結果及分析
（1）紅外譜圖及分析
如圖 1 所示為常溫下各種煤樣的紅外光譜，3 類阻化劑煤樣的吸光度均高于參考煤樣， 如圖 2 所示為不同阻化煤樣與參考煤樣的差譜，選取過硫酸鈉阻化劑煤樣，其紅外波數維持在 3 623~3 612 /cm,圖中顯示達到 3 400 /cm時波數有所上升， 數據證明普通煤樣加入化學阻化劑后氫氧基數量得以急劇提升。 數據段 1 737~1 705 /cm也在發生著微妙的變化，分析可得羰基數量顯著增加；甲基和亞甲基的減少使得數據段 1 448~1 374 /cm呈顯著下降趨勢，酯氧鍵、酚鍵、醚鍵，以及醇鍵數量均有所增加，除了和羰基結合數量出現一定的增長趨勢， 和氫氧基結合數顯著增加， 研究可知酯鍵和醚鍵也發生了數量的改變。 過硫酸鈉在煤樣中充分發揮了阻化作用，進一步降低了亞甲基數量，使得煤樣活性減少，而數量迅速上升的酯鍵、 醚鍵穩定了煤樣的化學惰性，氧氣無法順利和煤發生化學反應，降低了煤炭自燃的概率。雙氧水作為一類強氧化劑廣泛運用于多個領域， 而對煤樣采取阻化措施使其內部成分發生了改變。羥基數量的增加得益于煤樣本身波數的改變，以圖 2 中 3 620 /cm處為代表；亞甲基、甲基數量也迅速增長， 紅外波數在 2 921 /cm處得以出現第 2 個波峰；范圍 1 744~1 705 /cm變化明顯，檢測物質內含大量羰基；酯氧鍵、醇鍵以及酚鍵數量的增加提高了煤樣穩定性， 表現為 1 200~1 000 /cm的數值變化。對雙氧水阻化煤樣紅外光譜的分析可知，煤樣經過雙氧水處理后羧酸數量劇增， 因此引起了羥基和羰基的變化，而穩定醚鍵、酯氧鍵的增加降低了物質活性，提高了甲基、亞甲基的數量，同樣起到了阻化煤樣自燃的作用。
高錳酸鉀阻化煤樣的紅外波數在多處發生了顯著變化，3 340 /cm的劇增代表羥基數量同向改變；脂肪族羰基數量的減少使得 1 725 /cm處出現顯著的下降趨勢，不同于雙氧水和過硫酸鈉阻化煤樣；紅外波數 3 040 /cm處變化程度不大， 但是仍能證明芳環 C-H 的伸縮振動頻率的顯著改變，而引起該項變化的原因是受到羧酸的脫酸反應影響； 分析 2910 /cm處顯著下降的緣故，受到亞甲基、甲基數量下降的影響較多； 芳香羰基數量的增加引起波數 1650 /cm芳香羰基的改變；處于 1 450~1 440 /cm范圍內的亞甲基、甲基數量均有減少，分析 1 550 /cm紅外波數顯著增加的緣故， 是受到呈現游離態羧酸根離子的影響。阻化劑高錳酸鉀對煤樣的作用明顯，受到芳香羧酸和亞甲基的影響。
（2）階梯式程序升溫級化實驗數據及分析
為了有效地判斷不同阻化劑對防止煤炭自燃的效果，按照阻化劑通用技術標準進行判斷，將煤樣放置在恒溫為 100 ℃的實驗環境中， 分別用不同的阻化劑來處理煤樣， 檢測并記錄煤樣處理前后 CO 的量，通過計算差值來判斷阻化效果。 從低溫環境下煤樣受到阻化劑影響程度的角度出發， 選擇 CO 為指標氣體。
如圖 3 所示為不同溫度下煤樣產生的 CO 體積分數變化趨勢，圖中參考煤樣曲線幾乎和雙氧水曲線重合， 因此 2 種阻化劑處理過的煤樣 CO 差值相差不大，高錳酸鉀阻化煤樣曲線要低于其他 3 條，證明處于低溫階段的煤樣產生的 CO 量顯著減少，實際上煤樣阻化作用和 CO 產生量成正比關系， 而阻化劑過硫酸鈉的 CO 量差值最大， 說明其阻化作用最強。分析煤樣產生 CO 的機理， 烷基和氧氣發生氧化反應，產生的醛基性質活潑，能發生分解反應，使得 CO 量增加。 選取的 3 類化學阻化劑，只有過硫酸鈉引起了阻化煤樣中亞甲基、甲基數量的減少活動，而高錳酸鉀和雙氧水都促使煤樣中甲基、亞甲基數量增加，紅外波數發生顯著改變。 煤樣本身含有的亞甲基數量越多 CO 產生量也會隨之增加， 而阻化劑的作用是通過控制或減少亞甲基的數量來改變CO 的值，煤炭在少數 CO 氣體存在的情況下難以自燃。
煤樣經過雙氧水阻化處理后本身含有的活性基團發生了化學反應，產生有機化合物羧酸；煤樣經過高錳酸鉀阻化處理后也會產生芳香羧酸， 過硫酸鈉發揮阻化作用的機理則不同， 它促使煤樣產生穩定性極強的酯鍵、醚鍵，降低煤炭活性。 羧酸和芳香羧酸容易受到環境影響， 高溫下煤炭發生分解反應產生 CO, 從圖 3 可知相鄰羧酸和 CO 量呈正比關系，而阻化劑的作用就是降低相鄰羧酸的量， 按照指標氣體判斷阻化效果的標準， 高錳酸鉀無法阻止煤樣自燃活動， 反而加快了煤樣活性物質的產生和氧化反應的進行速度，雙氧水阻化煤樣的效果良好，能有效地控制 CO 量， 過硫酸鈉阻化煤樣發生自燃反應的效果最佳，使得低溫階段的煤樣性質穩定。
4、結語
針對煤炭自燃問題提出了使用化學阻化劑的解決方案， 通過實驗操作來分析不同阻化劑對煤樣防自燃效果的影響。 為了更有效地洞悉阻化劑和煤樣發生反應后的變化，使用紅外分析儀、氣相色譜儀來觀察煤樣阻化前后紅外波數的變化， 以阻化劑通用技術標準中的 CO 氣體為指標氣體， 通過煤炭處理前后 CO 氣體的差值來判斷阻化劑對相鄰羧酸、亞甲基數量的影響，并以參考煤樣數據為參照，分析可知過硫酸鈉的阻化效果最佳，增加了煤炭穩定酯鍵、醚鍵的量， 降低了多數基團的活性， 隔離了氧和煤炭，進一步減少發生煤炭自燃的概率。
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